NO20110480A1 - Apparat for asimutmalinger ved anvendelse av gyrosensorer - Google Patents

Abstract

En anordning for asimutmåling omfatter et langstrakt hus, flere gyroskopsensorer, der hver av gyroskopsensorene har en inngangsakse for måling av vinkelhastighet, sfæriske sensorholdere anordnet langs husets lengderetning, minst en motor for å drive sensorholderne, en overføringsmekanisme for å overføre en rotasjonskraft fra motoren til hver av sensorholderne, og en styringsenhet for å styre rotasjonen av motoren. Hver av sensorholderne holder en av gyroskopsensorene og kan roteres om en rotasjonsakse for å endre orienteringen til gyroskopsensorens inngangsakse.

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse vedrører apparater for asimutmåling med bruk av gyroskopsensorer nede i brønnhull. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen apparater for å gjøre asimutmålinger med gyroskopsensorer i åpne hull eller forede hull under oljefeltoperasjoner, så som brønnboringsoperasjoner og kabelloggingsoperasjoner.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Under moderne brønnboringsoperasjoner blir boringen for det meste utført i sterkt avvikende og horisontale brønnhull. For å bore et brønnhull som planlagt før boring er det viktig å overvåke vinklingen til brønnhullet og hele tiden bestemme posisjonen og retningen til boreverktøyet under boring. For denne overvåkningen er asimut i forhold til boreretning og deretter aksen til boreverktøyet viktig informasjon under boring. Asimuten kan bli målt ved hjelp av følere så som en gyroskopsensor anordnet i boreverktøyet under boring. Ved kabelloggingsoperasjoner blir et loggeverktøy fraktet inn i et brønnhull etter at brønnhullet er boret. Gyroskopsensoren blir anvendt for å måle asimut i forhold til loggeverktøyets retning.

For å bedre asimutmålingenes nøyaktighet og effektivitet kan en anvende et sett av gyroskopsensorer der hver inngangsakse står vinkelrett på de andre. Med denne kombinasjonen av gyroskopsensorene blir hver gyroskopsensor rotert om sin rotasjonsakse vinkelrett på inngangsaksen. Drivenheten for å rotere gyroskopsensorene er innrettet for å rotere gyroskopsensorene på en stabil måte samtidig som den opprettholder en forbestemt vinkelrelasjon mellom inngangsaksene til gyroskopsensorene. Av praktiske årsaker blir gyroskopsensorene og drivenheten anordnet i et forholdsvis trangt rom i det ovennevnte boreverktøyet og kabelloggingsverktøyet. Det er derfor behov for et kompakt apparat for å innhente asimutmålinger med bruk av gyroskopsensorer som er i stand til å muliggjøre stabil rotasjon av gyroskopsensorene i samvirke med hverandre selv om disse gyroskopsensorene blir anvendt for eksempel på et oljefelt eller i et hvilket som helst annet tøft miljø.

KORT OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

På bakgrunn av det ovennevnte og andre faktorer som er kjente for fagmannen innenfor leting etter og utvikling av oljefelter, tilveiebringes apparater for asimutmåling med bruk av gyroskopsensorer nede i brønnhull. I ett aspekt ved foreliggende oppfinnelse omfatter et apparat for asimutmålinger et langstrakt hus, flere gyroskopsensorer, der hver av gyroskopsensorene har en inngangsakse for vinkelhastighetsmålinger, sfæriske sensorholdere anordnet langs husets lengderetning, minst én motor for å drive sensorholderne, en overføringsmekanisme for å overføre en rotasjonskraft fra motoren til hver av sensorholderne, og en styringsenhet for å styre rotasjonen av motoren. Hver av sensorholderne inneholder én av gyroskopsensorene og kan roteres om en rotasjonsakse for å endre orienteringen til gyroskopsensorens inngangsakse.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

De vedlagte tegningene illustrerer foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse og er en del av beskrivelsen. Sammen med den følgende beskrivelsen viser og forklarer tegningene idéer ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 1 viser en planskisse, delvis i tverrsnitt, av en føleranordning for asimutmålinger ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

Figur 2 viser en perspektivskisse av et eksempel på en sensorholder,

Figur 3 viser en forklarende skisse av en overføringsmekanisme for føleranordningen, Figur 4 viser en forklarende skisse av et eksempel på indre struktur i en sensorholder, Figurene 5A og 5B viser forklarende skisser av et eksempel på elektrisk forbindelse mellom en gyroskopsensor og en databehandlingsenhet, Figur 6 viser en forklarende skisse av et annet eksempel på elektrisk forbindelse mellom en gyroskopsensor og en databehandlingsenhet, Figurene 7A og 7B viser forklarende skisser av nok et annet eksempel på elektrisk forbindelse mellom en gyroskopsensor og en databehandlingsenhet, Figur 8 viser en forklarende skisse av et eksempel på et varmeisolasjonslag mellom en motor og sensorholdere, Figur 9 viser en forklarende skisse av et eksempel på et varmeavgivelseslag mellom en motor og en innvendig overflate i et hus, Figur 10 viser en forklarende skisse av et eksempel på termisk masse og et varmerør som danner en termisk kobling mellom den termiske massen og en motor, Figurene 11A og 11B viser forklarende skisser av et eksempel på en mekanisk stopper for å stanse rotasjon av en sensorholder, Figurene 12A og 12B viser forklarende skisser av et eksempel på en klampemekanisme for å presse på en sensorholder, Figur 13 viser et blokkdiagram av et elektrisk system i føleranordningen, Figur 14 viser et flytdiagram av et eksempel på styring av motoren og klampemekanismen, og Figur 15 viser en planskisse, delvis i tverrsnitt, av en føleranordning for asimutmålinger ifølge en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE

Illustrerende utførelsesformer og aspekter ved foreliggende oppfinnelse er beskrevet nedenfor. For oversiktens skyld er ikke alle detaljer ved en faktisk utførelse beskrevet. Det vil selvfølgelig forstås at i utviklingen av en hvilken som helst slik faktisk utførelsesform, en rekke utførelsesspesifikke beslutninger må tas for å oppnå utviklerens spesifikke mål, så som overholdelse av systemrelaterte og forretningsrelaterte begrensninger, som vil variere fra én utførelse til en annen. Videre vil det forstås at en slik utviklingsjobb vil kunne være både komplisert og tidkrevende, men likevel vil være et rutinemessig foretagende for fagmannen med støtte i beskrivelsen her.

Figur 1 viser en planskisse, delvis i tverrsnitt, av en føleranordning for asimutmålinger ifølge én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Føleranordningen 10 omfatter et langstrakt hus 100, tre gyroskopsensorer 210, 220, 230, tre sensorholdere 310, 320, 330 anordnet langs lengderetningen til huset 100, en motor 400 for å drive sensorholderne 310, 320, 330, en overføringsmekanisme for å overføre en rotasjonskraft fra motoren 400 til hver av sensorholderne 310, 320, 330, og en styringsenhet 500 for å styre rotasjonen av motoren 400. Styringsenheten 500 er innrettet som en del av et elektrisk system 800 som omfatter eksterne kretser. Huset 100 har en hovedsakelig sylindrisk form og kan være laget av et varmeledende metall, så som rustfritt stål. Andre komponenter av føleranordningen 10 er anordnet i huset 100. Forskjellige typer motorer, så som en synkron motor (for eksempel en stegmotor) eller en induksjonsmotor, kan bli anvendt som motoren 400. Figur 2 viser en perspektivskisse av et eksempel på sensorholder. Hvert legeme 312, 322, 332 av sensorholderne 310, 320, 330 har en hovedsakelig sfærisk form og inneholder en tilhørende gyroskopsensor. En inngangsakse for vinkelhastighetsmålinger er definert i hver av gyroskopsensorene 210, 220, 230. Hver av sensorholderne 310, 320, 330 kan roteres om en rotasjonsakse for å endre orienteringen til gyroskopsensorens inngangsakse. Begge ender av rotasjonsakslene til sensorholderen er understøttet med lagre i huset 100. Den andre sensorholderen 320 har et skruehjul (helical gear) 451 festet langs storsirkelen på en utvendig overflate av den andre sensorholderen 320 som vist i figur 2. Den tredje sensorholderen 330 har et skruehjul 452 festet langs storsirkelen på en utvendig overflate av den tredje sensorholderen 330. De to skruehjulene 451, 452 står i forbindelse med hverandre på en kryssende måte ved en kontaktposisjon for sensorholderne 320, 330 slik at rotasjonskraften blir overført fra den andre sensorholderen til den tredje sensorholderen. Figur 3 viser en forklarende skisse av overføringsmekanismen i føleranordningen 10. Overføringsmekanismen omfatteren reduksjonsgirenhet 430, en mellomliggende overføringsmekanisme 440 og et par av skruehjul 451,

452. Reduksjonsgirenheten 430 omfatter fire sylindriske tannhjul (spur gears) 431, 432, 433, 434 og overfører en rotasjonskraft fra en rotasjonsaksel 401 for motoren 400 til en rotasjonsaksel 311 for den første sensorholderen 310 med et forbestemt reduksjonsforhold (f.eks. 1 : 5 eller 1:10). Den mellomliggende

overføringsmekanismen 440 omfatter et par av koniske tannhjul (miter gears) 441, 442 med konisk utformede tannflater, en mellomaksel (idle shaft) 443 og sylindriske tannhjul 444, 445. Mellomakselen 443 har de koniske tannhjulene 442 ved den ene enden og det sylindriske tannhjulet 444 ved den motsatte enden. Mellomakselen 443 er anordnet slik at den står vinkelrett på rotasjonsakselen 311 til den første sensorholderen 310 og er parallell med rotasjonsakselen 321 til den andre sensorholderen 320. Det koniske tannhjulet 441 er fast festet ved den ene enden av rotasjonsakselen 311 for den første sensorholderen 310 og et annet konisk tannhjul 442 er fast festet ved enden av mellomakselen 443. De konisk

utformede tannflatene på de koniske tannhjulene 441, 442 er koblet til hverandre for å overføre en rotasjonskraft fra rotasjonsakselen 311 til mellomakselen 443 med rotasjonsaksene til akslene 331, 443 vinkelrett på hverandre. Det sylindriske tannhjulet 444 er fast festet ved den motsatte enden av mellomakselen 443 og det sylindriske tannhjulet 445 er fast festet på en rotasjonsaksel 321 for den andre sensorholderen 320. Rotasjonskraft fra mellomakselen 443 blir overført til rotasjonsakselen 321 til den andre sensorholderen 320 gjennom de sylindriske tannhjulene 444, 445.

Med ovennevnte kombinasjon av motoren 400 og overføringsmekanismen kan gyroskopsensorene 210, 220, 230 sammen med sensorholderne 310, 320, 330 bli stabilt rotert i innbyrdes samvirke som vist i figur 3. Når motoren 400 roterer i rotasjonsretningen angitt av pilen R1, roterer sensorholderen 310 med den første gyroskopsensoren 210 i rotasjonsretningen angitt av pilen R2 med en vinkelhastighet som er redusert av reduksjonsgirenheten 430. Følgelig kan inngangsaksen til den første gyroskopsensoren 210 bli innrettet til en vilkårlig orientering parallelt med XY-planet med hensyn til de ortogonale koordinatene definert i figur 3. Når sensorholderen 310 roterer, blir rotasjonskraften overført fra rotasjonsakselen 311 til rotasjonsakselen 321 gjennom den mellomliggende overføringsmekanismen 440 med mellomakselen 443 roterende i rotasjonsretningen angitt av pilen R3. Videre roterer sensorholderen 320 med den andre gyroskopsensoren 220 i rotasjonsretningen angitt av pilen R4. Følgelig kan inngangsaksen til den andre gyroskopsensoren 220 bli innrettet til en vilkårlig orientering parallelt med ZX-planet. Når sensorholderen 320 roterer, blir rotasjonskraften overført til sensorholderen 330 av paret av skruehjul 451, 452, og sensorholderen 330 med den tredje gyroskopsensoren 230 roterer i rotasjonsretningen angitt av pilen R5. Følgelig kan inngangsaksen til den tredje gyroskopsensoren 230 bli innrettet til en vilkårlig orientering parallelt med YZ-planet.

For asimutmålinger kan to eller tre ortogonale akselerometre fortrinnsvis være anordnet i føleranordningen 10. Akselerometerne blir anvendt for å bestemme et horisontalplan der en jordhastighetsvektor bestemt av de to gyroskopsensorene. Akselerometerne kan være enten tradisjonelle Q-flex-type eller MEMS-type akselerometre.

En rotasjonsvinkelføler 410 kan fortrinnsvis være tilveiebragt for å detektere rotasjonsvinkelposisjonen til en rotasjonsaksel 401 for motoren 400 eller en utgangsaksel i reduksjonsgirenheten 430 (dvs. rotasjonsakselen 311 til den første sensorholderen 310). Forskjellige typer rotasjonsvinkelfølere, så som en mekanisk eller optisk koder, kan bli anvendt som rotasjonsvinkelføleren 410. Ved hjelp av den detekterte rotasjonsvinkelposisjonen kan en bestemme vinkelorienteringen til hver inngangsakse for gyroskopsensorene 210, 220, 230. Denne overvåkningen av vinkelrotasjonsposisjon setter føleranordningen 10 i stand til å tilbakeføre hver gyroskopsensor til en utgangsposisjon og linjeføre inngangsaksen til hver av gyroskopsensorene med en forbestemt utgangs-vinkelorientering, når systemkraften blir skrudd på. I tillegg er det viktig å overvåke vinkelrotasjonsposisjonen under asimutmålingen for å sikre påliteligheten til føleranordningen. Figur 4 viser en forklarende skisse av et eksempel på indre struktur i en sensorholder. Hver av sensorholderne 310, 320, 330 har indre hulrom. For eksempel har den første sensorholderen en gyroskopsensor 210 og elektriske kretskort 215, 216 understøttet av avstandsstykker 313 på innsiden som vist i figur 4. Gyroskopsensoren 210 og de elektriske kretskortene 215, 216 er forbundet av elektriske ledninger 314. Det er et hulrom mellom gyroskopsensoren 210, de elektriske kretskortene 215, 216 og de elektriske ledningene 314 i sensorholderen 310. Hulrommene kan være fylt med isolerende og varmebestandig materiale, så som silikonharpiks, for å hindre at elektroniske komponenter på de elektriske kretskortene 215, 216 faller ut. Et varmebestandig materiale kan fortrinnsvis bli anvendt for å fylle hulrommet. Figurene 5A og 5B viser forklarende skisser av eksempler på elektrisk forbindelse mellom gyroskopsensoren og databehandlingsenheten 600 i det elektriske systemet 800. En elektrisk ledning 316 kan være ført ut fra det elektriske kretskortet i sensorholderen 310 gjennom et gjennomgående hull 311a i siden av rotasjonsakselen 311 som vist i figur 5A. Den elektriske ledningen 316 kan også være ført ut gjennom et hull 312a dannet i den kuleformede overflaten av sensorholderlegemet 312 som vist i figur 5B. Den elektriske ledningen 316 er trukket rundt den utvendige overflaten av rotasjonsakselen 311 eller sensorholderlegemet 312 for å gi ledningsmargin før rotasjon av sensorholderen 310. Figur 6 viser en forklarende skisse av et annet eksempel på elektrisk forbindelse. Denne forbindelsen kan være egnet for den andre og den tredje sensorholderen 320, 330. En elektrisk ledning 326 kan være ført utfra det elektriske kretskortet i sensorholderen 320 gjennom et aksielt gjennomgående hull 321a i rotasjonsakselen 321 understøttet med lagre 110 som vist i figur 6. Figurene 7A og 7B viser forklarende skisser av nok et annet eksempel på elektrisk forbindelse. To elektriske ledninger 316 fra databehandlingsenheten 600 og det elektriske kretskortet i sensorholderen kan være koblet sammen gjennom en kombinasjon av et ringformet slipp-elektrodeelement (slip-electrode member) 317 og et kontaktelektrodeelement 318. Slipp-elektrodeelementet 317 er festet på en flat andel 312b av den utvendige overflaten av sensorholderlegemet 312 og har flere ringformede slipp-elektroder 317a. Kontaktelektrodeelementet 318 er festet i huset 100 og har flere kontaktpinner 318a svarende til slipp-elektrodene 317a. De samhørende slipp-elektrodene 317a og kontaktpinnene 318a holdes i kontakt med hverandre under rotasjon av sensorholderen 310.

Den elektriske kommunikasjonen mellom det elektriske kretskortet og databehandlingsenheten 600 kan være besørget av en trådløs kortholdskommunikasjon. Figur 8 viser en forklarende skisse av et eksempel på et varmeisolasjonslag mellom motoren 400 og sensorholderne. Varmeisolasjonslaget 102 kan være innsatt mellom motoren 400 og et støtteelement 101 festet til huset 100 for å unngå varmestrømning fra motoren 400 til sensorholderne. Et varmebestandig materiale, så som polyamidharpiks, kan bli anvendt i varmeisolasjonslaget. Figur 9 viser en forklarende skisse av et eksempel på et varmeavgivelseslag mellom en motor og en innvendig overflate i et hus. Varmeavgivelseslaget 103 kan være innsatt i et hulrom rundt motoren 400. Et varmeledende materiale, så som metall eller en høyytelse varmeledende harpiks, kan bli anvendt i varmeavgivelseslaget 103. Figur 10 viser en forklarende skisse av et eksempel på en termisk masse og et varmerør som danner termisk forbindelse mellom den termiske massen og en motor. Varmeavgivelseslaget 103 kan være koblet til en termisk masse 104 med et varmerør 105 for å fjerne varme fra motoren 400 på en effektiv måte. Den termiske massen 104 kan være laget av metall, så som aluminium eller kobber, og kan være anordnet ved en endeposisjon et stykke vekk fra sensorholderne. Figurene 11A og 11B viser forklarende skisser av et eksempel på en mekanisk stopper for å stanse rotasjon av en sensorholder. Minst én av sensorholderne kan være forsynt med den mekaniske stopperen for å hindre at sensorholderen roterer mer enn en forbestemt rotasjonsvinkel. For eksempel kan den mekaniske stopperen være konstruert ved å anvende et tappelement 319 festet på en flat andel 332b av den utvendige overflaten av sensorholderlegemet 330 og et føringselement 106 med et ringformet føringsspor 106a. Det ringformede føringssporet 106a har en skilleplateandel 106b ved en forbestemt posisjon for å stanse tappelementet 319. Når sensorholderen 330 roteres, beveger den øvre delen av tappelementet 319 seg langs det ringformede føringssporet 106a med en rotasjonsvinkel på nesten 360 grader som vist av pilen i figur 11B, hvoretter bevegelsen av tappelementet 319 blokkeres av skilleplateandelen 106b. Berøringsfølere kan være festet på sideveggene av skilleplateandelen 106b for å detektere ankomsttiden for tappelementet 319 ved den blokkerte posisjonen. Deteksjonsresultatet kan bli anvendt for å styre en elektrisk forsyning til motoren 400. Figur 12 viser en forklarende skisse av et eksempel på en klampemekanisme for å presse på en sensorholder. Klampemekanismen kan være innrettet for å presse på minst én av sensorholderne når kraftforsyningen til motoren 400 skrus av. Den tredje sensorholderen 330 kan fortrinnsvis bli presset på av klampemekanismen som vist i figurene 12A og 12B. Klampemekanismen kan være konstruert ved å anvende en sylinderspole 460 festet på et støtteelement i huset 100, et bevegelig element 461 med en elastisk pressende del 462, et føringselement 108 for styre det bevegelige elementet 461 i et sentralt, åpent hulrom, en fjær 463 for å spenne det bevegelige elementet 461 vekk fra sensorholderen 330. Føringselementet 108 er festet til den innvendige overflaten i huset 100. En bevegelig aksel 460a på sylinderspolen 460 er innsatt i et koblingshull i det bevegelige elementet 461. Når sylinderspolen 460 skrus av, presses det bevegelige elementet 461 til å bevege seg til en ikke-klampende posisjon av fjæren 463 som vist i figur 12A. Når sylinderspolen 460 skrus på, presser den bevegelige akselen 460a på sylinderspolen 460 det bevegelige elementet 461 ned mot spennkraften fra fjæren 463, og det bevegelige elementet 461 blir beveget til en klampeposisjon som vist i figur 12B. Ved klampeposisjonen trykker den elastisk pressende delen 462 omfattet i det bevegelige elementet 461 ned den utvendige overflaten av skruehjulet 452 festet på sensorholderen 330. Følgelig blir sensorholderen 330 og de andre sensorholderne 310, 320 mekanisk koblet til sensorholderen 330 presset på når kraftforsyningen til motoren 400 skrus av. Figur 13 viser et blokkdiagram av et elektrisk system 800 for føleranordningen 10. Det elektriske systemet 800 omfatter motoren 400, styringsenheten 500, en databehandlingsenhet 600 og en kraftforsyningsenhet 700. Databehandlingsenheten 600 omfatteren datamaskin med en prosessor601 og et minne 602. Minnet 602 lagrer et program med instruksjoner for å utføre asimutmålingene. Figur 14 viser et eksempel på et flytdiagram av databehandling for å innhente asimutmålinger med bruk av føleranordningen 10 med de tre ortogonalt anordnede gyroskopsensorene. Inngangsaksene til gyroskopsensorene står vinkelrett på hverandre. Minst ett program med instruksjoner for databehandlingen er lagret i minnet 602 i databehandlingsenheten 600. Føleranordningen 10 blir stasjonært utplassert ved en asimutmålingsposisjon nede i hullet før asimutmålinger blir utført. Databehandlingen for asimutmåling kan bli utført som beskrevet i beskrivelsen i den foreløpige US-patentsøknaden 61/053,646, som inntas her som referanse.

I databehandlingen for asimutmåling i figur 14 blir første data fra hver av gyroskopsensorene med inngangsaksen oppstilt med en første vinkelorientering (0°) innhentet (S1001). Etter at de første dataene er innhentet, blir andre data fra hver av gyroskopsensorene med inngangsaksen oppstilt med en andre vinkelorientering (180°) motsatt for den første vinkelorienteringen innhentet (S1002). Etter at de andre dataene er innhentet, blir tredje data innhentet fra hver av gyroskopsensorene med inngangsaksen rettet langs den opprinnelige første vinkelorienteringen (0°) (S1003). En jordhastighetskomponent ved den første vinkelorienteringen blir bestemt (S 1004) gjennom følgende trinn:

(i) finne et gjennomsnitt Q(o°)_2av de første dataene O(o°)_iog de tredje dataene Q(o°)_3, (ii) bestemme jordhastighetskomponenten QEved å subtrahere de andre dataene fi(i8o°)_2fra gjennomsnittet fi(o°)_2og dividere forskjellen med to.

Innhentingen av de tre dataene og bestemmelsen av

jordhastighetskomponenten for hver av gyroskopsensorene blir gjentatt ved flere diskrete mål-vinkelorienteringer i hvert av følerrotasjonsplanene (S1005). En sinuskurve (Qi= A cosØi+ B sinøi) blir tillpasset til jordhastighetskomponentene ved de diskrete mål-vinkelorienteringene i hvert av følerrotasjonsplanene, og tilpasningsparametrene A og B blir bestemt (S1006). Komponenter av en jordhastighetsvektor med hensyn til forbestemte ortogonale følerkoordinater blir bestemt basert på resultatet av den harmoniske kurvetilpasningen (S1007).

Basert på et sett av data fra gyroskopsensorene med inngangsaksene pekende i den felles vinkelorienteringen (for eksempel en vinkelorientering langs én av de ortogonale aksene (x, y, z)), blir et følsomhetsforhold for et par av gyroskopsensorene bestemt (S1008). De ortogonale jordhastighetskomponentene blir korrigert basert på forholdet mellom følsomhetene for å fjerne skalafaktorfeil mellom gyroskopsensorene (S1009).

Parallelt med databehandling for de ortogonale

jordhastighetskomponentene av en jordhastighetsvektor blir tyngdeakselerasjonens retning i forhold til de ortogonale følerkoordinatene bestemt basert på tyngdeakselerasjonsdata innhentet med akselerometerne (S1010). Nord-retning blir bestemt ved å projisere jordhastighetsvektoren på et horisontalplan vinkelrett på tyngdeakselerasjonens retning (S1011). Endelig blir asimuten til mål-retningen på horisontalplanet bestemt basert på nord-retningen (S 1012).

Det foretas en avveining mellom dynamisk rekkevidde og oppløsning for gyroskopsensoren. Dersom vi kun konsentrerer oss om asimutmålinger, kan den dynamiske rekkevidden reduseres. Den dynamiske rekkevidden kan velges slik at den ikke bare dekker jord hastig heten, men også avdrift som følge av endringer i omgive Isestem peratu ren.

Mange forskjellige typer gyroskopsensorer 210, 220, 230 blir anvendt for asimutmålingene, omfattende en MEMS-gyroskopsensor. Blant de forskjellige typene gyroskopsensorer kan en MEMS-gyroskopsensor av en ring-oscillerende type fortrinnsvis bli anvendt med tanke på nøyaktighet, målerobusthet under vibrasjonstilstander i miljøet.

For å redusere støy i ledninger fra en ekstern krets for en føleranordning som omfatter minst én gyroskopsensor, kan den eksterne kretsen være innrettet slik at en analog kretsandel av den eksterne kretsen plasseres så nær som mulig gyroskopsensoren og for å kun å mate ut digitale signaler til ledningene. I denne utførelsen kan den analoge kretsandelen være innlemmet sammen med gyroskopsensor-hodet på en vippbar del (flipped stage) av drivmekanismen og bli vippet eller rotert sammen med følerhodet.

Drivmekanismen for føleranordningen kan være forsynt med separate motorer. Hver separate motor kan drive hver gyroskopsensor direkte uten noen girutveksling. Rotasjonsvinkelfølere er tilveiebragt for å detektere rotasjonsvinkelposisjonerfor de respektive motorenes rotasjonsakser. Drivmekanismen med separate motorer kan bli anvendt for å minimere vinkelfeil som følge av slark (backlash) i girutvekslingen i føleranordningen med forholdsvis stor fysisk plass for installasjon.

Enhver gyroskopsensor har mer eller mindre temperaturfølsomhet i sin utmating. Spesielt er temperaturforholdene nedihulls på oljefelter variable. En forhåndskalibrering av utmatingen fra gyroskopsensoren mot temperatur ved hjelp av en temperaturkompensasjonslikning med minst én koeffisient kan bli utført før asimutmåling nedihulls. Koeffisienten funnet ved forhåndskalibrering kan bli anvendt for å kompensere utmatingen fra sensoren ved å overvåke temperaturen med en temperaturføler i følerdelen og/eller den eksterne kretsen. Denne typen temperaturkompensasjon kan også bli utført for utdata fra akselerometerne. Temperaturfølerne kan være anordnet på gyroskopsensoren og dens analoge krets. Kompensasjonen blir gjort for å kompensere for temperaturavhengighet i skalafaktoren, skjevhet og feiljustering med bruk av forkalibreringskoeffisienter for temperaturavhengigheten til hvert element.

Hver utmating fra treaksede ortogonale gyroskopsensorer, treaksede ortogonale akselerometre og temperaturfølere for gyroskopsensorene og akselerometerne blir matet inn til databehandlingsenheten. Databehandlingen av utdataene kan bli utført av en digital signalbehandlingsenhet (DSP -Digital Signal Processor) eller en FPGA (Field Programmable Gate Array).

Kraftenheten kan være anordnet med et batteri. Bruk av batteri gir en fordel i MWD- og LWD-anvendelser der ingen elektrisk kraft blir forsynt gjennom kablene til MWD- og LWD-verktøy.

Føleranordningen kan bli anordnet i et nedihullsverktøy. Når Z-aksen, definert å være parallell med verktøyaksen til nedihullsverktøyet, er nesten vertikal, kan ikke asimuten defineres siden Z-aksen ikke har noen komponent i horisontalplanet. I stedet for Z-aksen kan projeksjonen fra en annen alternativ akse på horisontalplanet bli anvendt for å bestemme en vinkel fra nord-retning. Den alternative aksen kan være definert slik at den står normalt på en referanseflate på en sideflate, som kalles "toolface". Retningen til toolface blir bestemt med gyroskopsensorer og akselerometre på måten forklart over mens verktøyet er i ro. Når verktøyet begynner å bevege seg nede i hullet, overvåker en ytterligere i verktøyet anordnet gyroskopsensor verktøyets rotasjon om Z-aksen. Den ytterligere gyroskopsensoren, som har en inngangsakse som er parallell med en verktøyakse definert i verktøyet med gyroskopsensorene for asimutmålinger, kan være nyttig for å overvåke rotasjonen av verktøyet. Den dynamiske rekkevidden til den ytterligere gyroskopsensoren er stor nok til å dekke den maksimale vinkelhastigheten til verktøy rotasjon en. Vinkelhastighetsutmatingen fra den ytterligere gyroskopsensoren blir innlemmet for å beregne rotasjonsvinkler for verktøyet.

Innenfor et begrenset vinkelområde er det mulig å anvende kun to gyroskopsensorer med ortogonale akser for asimutmåling. I dette tilfellet omfatter føleranordningen 10 bare to sett av sensorholdere og gyroskopsensorer med ortogonale akser som vist i figur 15.

Selv om teknikkene har blitt beskrevet i forbindelse med et begrenset antall utførelsesformer, vil fagmannen, på bakgrunn av denne beskrivelsen, se at andre utførelsesformer kan konstrueres som ikke fjerner seg fra rammen til teknikkene vist her. For eksempel kan teknikkene bli anvendt med mekaniske gyroskopsensorer og optiske gyroskopsensorer (f.eks. lasergyroskoper og fiberoptiske gyroskoper) eller hvilke som helst andre gyroskopsensorer.

Claims (40)

1. Apparat for asimutmåling med bruk av gyroskopsensorer, omfattende: et langstrakt hus, flere gyroskopsensorer, der hver av gyroskopsensorene har en inngangsakse for vinkelhastighetsmålinger, sensorholdere anordnet langs husets lengderetning, der hver av sensorholderne har én av gyroskopsensorene og er roterbar om en rotasjonsakse for å endre orienteringen til gyroskopsensorens inngangsakse, minst én motor for å drive sensorholderne, en overføringsmekanisme for å overføre en rotasjonskraft fra motoren til hver av sensorholderne, og en styringsenhet for å styre rotasjonen av motoren.

2. Apparat ifølge krav 1, der sensorholderne omfatter: en første sensorholder omfattende en første gyroskopsensor med en rotasjonsakse som er parallell med husets lengderetning, og en andre sensorholder omfattende en andre gyroskopsensor med en rotasjonsakse som står vinkelrett på rotasjonsaksen til den første sensorholderen.

3. Apparat ifølge krav 2, der den minst ene motoren omfatter én enkelt motor for å drive de to sensorholderne.

4. Apparat ifølge krav 3, der overføringsmekanismen omfatter: et reduksjonsgir for å overføre en rotasjonskraft fra en rotasjonsaksel for motoren til en rotasjonsaksel for den første sensorholderen, og et par av koniske tannhjul for å overføre rotasjonskraften fra rotasjonsakselen til den første sensorholderen til en rotasjonsaksel for den andre sensorholderen.

5. Apparat ifølge krav 4, der reduksjonsgiret og de koniske tannhjulene har null slark.

6. Apparat ifølge krav 4, videre omfattende en rotasjonsvinkelføler koblet til motorens rotasjonsaksel.

7. Apparat ifølge krav 6, der rotasjonsvinkelføleren er koblet til motorens rotasjonsaksel gjennom en utveksling med samme utvekslingsforhold som reduksjonsgiret.

8. Apparat ifølge krav 4, videre omfattende en rotasjonsvinkelføler koblet til en inngangsakse eller utgangsakse for reduksjonsgiret.

9. Apparat ifølge krav 2, der den minst ene motoren omfatter to motorer for henholdsvis å drive de to sensorholderne direkte eller gjennom en utveksling.

10. Apparat ifølge krav 1, der sensorholderne omfatter: en første sensorholder omfattende en første gyroskopsensor med en rotasjonsakse som er parallell med husets lengderetning, en andre sensorholder omfattende en andre gyroskopsensor med en rotasjonsakse som står vinkelrett på rotasjonsaksen til den første sensorholderen, og en tredje sensorholder omfattende en tredje gyroskopsensor med en rotasjonsakse som står vinkelrett på rotasjonsaksene til den første og den andre sensorholderen.

11. Apparat ifølge krav 10, der det minst ene motoren er én enkelt motor for å drive de tre sensorholderne.

12. Apparat ifølge krav 11, der overføringsmekanismen omfatter: et reduksjonsgir for å overføre en rotasjonskraft fra motoren til den første sensorholderen, et par av koniske tannhjul for å overføre rotasjonskraften fra den første sensorholderen til den andre sensorholderen, og et par av skruehjul for å overføre rotasjonskraften fra den andre sensorholderen til den tredje sensorholderen.

13. Apparat ifølge krav 12, der reduksjonsgiret, de koniske tannhjulene og skruehjulene har null slark.

14. Apparat ifølge krav 12, der skruehjulene er festet langs storsirklene på utvendige overflater henholdsvis av den andre og den tredje sensorholderen.

15. Apparat ifølge krav 12, videre omfattende en rotasjonsvinkelføler koblet til motorens rotasjonsaksel.

16. Apparat ifølge krav 15, der rotasjonsvinkelføleren er koblet til motorens rotasjonsaksel gjennom en utveksling med samme utvekslingsforhold som reduksjonsgiret.

17. Apparat ifølge krav 12, videre omfattende en rotasjonsvinkelføler koblet til en inngangsakse eller utgangsakse for reduksjonsgiret.

18. Apparat ifølge krav 7, der den minst ene motoren omfatter tre motorer for å drive de tre sensorholderne henholdsvis direkte eller gjennom en utveksling.

19. Apparat ifølge krav 1, der hvert indre rom i sensorholderne er støpt med harpiksholdig materiale.

20. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende: en databehandlingsenhet for å prosessere utdata fra gyroskopsensorene, og elektriske forbindelser mellom gyroskopsensorene og databehandlingsenheten.

21. Apparat ifølge krav 20, der de elektriske forbindelsene omfatter ledninger eller fleksible trykte kretser surret rundt rotasjonsakser for sensorholderne i et forbestemt antall runder.

22. Apparat ifølge krav 20, der de elektriske forbindelsene omfatter ledninger eller fleksible trykte kretser ført gjennom hule rotasjonsakser for sensorholderne.

23. Apparat ifølge krav 20, der de elektriske forbindelsene omfatter slipp-elektroder på rotasjonsaksene og kontaktelektroder for kontakt på slipp-elektrodene.

24. Apparat ifølge krav 20, der de elektriske forbindelsene er dannet av trådløs kommunikasjon med radiobølger eller lys.

25. Apparat ifølge krav 1, der motoren befinner seg ved én endeandel langs med lengderetningen til det langstrakte huset, og der en ekstern kabel er koblet til endeandelen.

26. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende et varmeisolasjonslag mellom motoren og sensorholderne.

27. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende et varmeavgivelseslag mellom motoren og en innvendig overflate i huset.

28. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en termisk masse og et varmerør som danner en termisk kobling mellom den termiske massen og motoren.

29. Apparat ifølge krav 1, der styringsenheten styrer motoren slik at sensorholderne roterer innenfor et forbestemt område av rotasjonsvinkler.

30. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en mekanisk stopper for å stanse rotasjon av sensorholderne slik at de ikke roterer mer enn en forbestemt rotasjonsvinkel.

31. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en klampemekanisme for å presse på sensorholderne slik at de ikke roterer, der klampemekanismen er styrbar gjennom styringsenheten.

32. Apparat ifølge krav 31, der klampemekanismen omfatter en elektromagnetisk kobling.

33. Apparat ifølge krav 31, der styringsenheten styrer motoren og klampemekanismen slik at motoren ikke blir aktivisert og sensorholderne blir presset på når målingen med bruk av gyroskopsensorene ikke pågår.

34. Apparat ifølge krav 33, der styringsenheten styrer motoren og klampemekanismen slik at motoren blir aktivisert, presset på sensorholderne blir fjernet og sensorholderne blir satt i forbestemte utgangs-vinkelposisjoner før målingen med bruk av gyroskopsensorene blir igangsatt.

35. Apparat ifølge krav 1, der hver av gyroskopsensorene er en MEMS-type gyroskopsensor.

36. Apparat ifølge krav 35, der MEMS-gyroskopsensoren er en ring-oscillerende type gyroskopsensor.

37. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende tre akselerometre med ortogonale akser.

38. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en temperaturføler for å måle gyroskopsensorenes temperatur.

39. Apparat ifølge krav 38, der den målte temperaturen blir anvendt for å kompensere for temperatureffekter i gyroskopsensorene.

40. Apparat ifølge krav 1, der anordningen er anordnet i et nedihullsverktøy.