NO20140436A1 - Apparat for bestemmelse av parametere i en brønnboring ved bruk av en gravitasjonssensor - Google Patents

Abstract

I ett aspekt tilveiebringes et apparat for bruk i et brønnhull som i en utførelsesform innbefatter en sensor med et flertall innbyrdes atskilte, elektrisk ledende kontaktelementer, et avfølingselement som beveges av tyngdekraften og går i kontakt med minst to kontaktelementer fra flertallet kontaktelementer for å skape en elektrisk kortslutning mellom disse minst to kontaktelementer, og en krets koblet til kontaktelementene utformet for å generere elektriske signaler som reaksjon på den elektriske kortslutningen mellom kontaktelementene.

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER

Denne søknaden tar prioritet fra US-søknaden 13/326025, innlevert 14. desember 2011, som inntas her som referanse i sin helhet.

BAKGRUNN

OPPFINNELSENS OMRÅDE

[0001] Denne oppfinnelsen vedrører generelt apparater og fremgangsmåter for bestemmelse av den gravitasjonsbaserte rullvinkelen (gravity toolface) til et nedihullsverktøy og/eller andre parametere i tilknytning til dette, inkludert helning, orientering og temperatur.

BAKGRUNN FOR TEKNIKKEN

[0002] Oljebrønner (også omtalt som brønnhull eller borehull) blir boret med en borestreng som innbefatter en rørstruktur (også omtalt som et "borerør") som har en boreenhet (også omtalt som en "bunnhullsenhet" eller "BHA") med en borkrone festet til sin nedre ende. Borkronen blir rotert for å male opp bergartsformasjonen for å bore brønnhullet. Bunnhullsenheten innbefatter anordninger og sensorer for å tilveiebringe informasjon om en rekke forskjellige parametere vedrørende boreoperasjonene (omtalt som "boreparametere"), bunnhullsenhetens oppførsel (omtalt som "BHA-parametere") og formasjonen rundt brønnhullet som bores (omtalt som "formasjonsparametere"). Et betydelig antall brønnhull som bores i dag er avviksbrønnhull og horisontale brønnhull. Bunnhullsenheten som anvendes for å bore slike brønnhull innbefatter vanligvis én eller flere anordninger innrettet for å styre retningen til bunnhullsenheten for å bore disse brønnhullene langs valgte brønnbaner. Slike anordninger inkluderer magnetometere for å innhente målinger av rullvinkel, målinger som innhentes mens bunnhullsenheten roterer og også er upåvirket av vibrasjon av bunnhullsenheten. Magnetometermålingene blir typisk referert til målingene av gravitasjonsbasert rullvinkel innhentet av andre sensorer, så som akselerometere, når bunnhullsenheten er i ro.

[0003] Oppfinnelsen her, i ett aspekt, tilveiebringer apparater og fremgangsmåter for bestemmelse av gravitasjonsbasert rullvinkel som kan bli anvendt som en referanse for målingen av gravitasjonsbasert rullvinkel, hvilke apparater også kan bli anvendt for å innhente andre målinger, så som helning, orientering og temperatur for bunnhullsenheten.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0004] I ett aspekt tilveiebringes et apparat for bruk i et brønnhull som i én utførelsesform innbefatter en sensor med et flertall atskilte, elektrisk ledende kontaktelementer, et avfølingselement som beveger seg i tyngdefeltet og går i kontakt med minst to kontaktelementer fra flertallet kontaktelementer for å skape en elektrisk kortslutning mellom disse minst to kontaktelementene, og en krets koblet til kontaktelementene utformet for å generere elektriske signaler som reaksjon på den elektriske kortslutningen mellom kontaktelementene.

[0005] I et annet aspekt tilveiebringes en fremgangsmåte ved bestemmelse av en brønnhullsparameter som i én utførelsesform inkluderer å: utplassere et verktøy i brønnhullet, der verktøyet innbefatter en sensor med et flertall atskilte, elektrisk ledende kontaktelementer, et avfølingselement som beveger seg i tyngdefeltet og går i kontakt med minst to kontaktelementer fra flertallet kontaktelementer for å skape en elektrisk kortslutning mellom disse minst to kontaktelementene, og en krets koblet til kontaktelementene utformet for å generere elektriske signaler som reaksjon på den elektriske kortslutningen mellom kontaktelementene; behandle de elektriske signalene for å bestemme en brønnhullsparameter. I aspekter kan brønnhullsparameteren være én eller flere valgt fra en gruppe bestående av: verktøyets rullvinkel, helning og orientering. I et annet aspekt kan brønnhulls-parameteren være temperatur.

[0006] Utvalgte eksempler på trekk ved apparatet og fremgangsmåten som vises her er oppsummert nokså generelt for at den detaljerte beskrivelsen av disse som følger skal forstås bedre. Apparatet og fremgangsmåten som vises i det følgende omfatter selvfølgelig ytterligere trekk, som vil danne gjenstand for kravene.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0007] Beskrivelsen her vil best forstås ved å henvise til de vedlagte figurene, der like elementer i alminnelighet er gitt like henvisningstall og der: Figur 1 er en vertikalprojeksjon av et boresystem som innbefatter en anordning for bestemmelse av gravitasjonsbasert rullvinkel, helning, orientering og temperatur for et verktøy nede i et brønnhull; Figur 2 viser et aktivt element i en retningsfølsom gravitasjonssensor for bestemmelse av rullvinkel for et verktøy i brønnhullet, ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen; Figurene 3A-3C viser et par av aktive elementer som vist i figur 2 og et avstandselement som kan sammenstilles for å danne en retningsfølsom gravitasjonssensor for bestemmelse av rullvinkel eller verktøyflate / -bane (toolface) og bestemte andre parametere for et verktøy nede i et brønnhull; Figur 4 viser et tverrsnitt gjennom en sensor dannet med bruk av komponentene vist i figurene 3A-3C; Figur 5 viser plassering av et antall sensorer, så som den vist i figur 4, i en rørstruktur tilknyttet en bunnhullsenhet; Figur 6 viser en side om side-plassering av kontaktelementer på to motstående aktive elementer i en sensor utført i samsvar med én utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 7 viser en forskjøvet plassering av kontaktelementer på to motstående aktive elementer i sensoren utført i samsvar med en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen; og Figur 8 viser et eksempel på matrisebryteranordning som kan bli anvendt for å bestemme hvilke kontaktelementer som dekkes av en kontakt for bestemmelse av rullvinkel eller verktøyflate / -bane (toolface) og andre parametere.

BESKRIVELSE AV UTFØRELSESFORMENE

[0008] Figur 1 er et skjematisk diagram av et eksempel på et boresystem 100 som innbefatter en borestreng 120 som har en boreenhet festet til sin nedre ende. Borestrengen 120 innbefatter en boreenhet eller bunnhullsenhet ("BHA") 190 som fraktes i et borehull 126. Boresystemet 100 innbefatter et tradisjonelt boretårn 111 oppstilt på en plattform eller gulv 112 som støtter et rotasjonsbord 114 som blir rotert av en kraftkilde, så som en elektrisk motor (ikke vist), med en ønsket rotasjonshastighet. En rørledning (så som skjøtet borerør) 122, som har boreenheten 190 festet ved sin nedre ende, strekker seg fra overflaten til bunnen 151 av borehullet 126. En borkrone 150, festet til boreenheten 190, maler opp de geologiske formasjonene når den blir rotert for å bore borehullet 126. Borestrengen 120 er koblet til et heiseverk 130 via en rotasjonsrørsammenføyning 121, en svivel 128 og en line 129 gjennom en trinse. Heiseverket 130 blir betjent for å styre borkronetrykket ("WOB - Weight On Bit"). Borestrengen 120 kan bli rotert av et toppdrevet rotasjonssystem 114a i stedet for av kraftkilden og rotasjonsbordet 114.

[0009] I et aspekt blir et passende borefluid 131 (også omtalt som "slam") fra en kilde 132 for dette, så som en slamtank, sirkulert under trykk gjennom borestrengen 120 av en slampumpe 134. Borefluidet 131 føres fra slampumpen 134 inn i borestrengen 120 via en desurger 136 og fluidledningen 138. Borefluidet 131a fra borerøret føres ut i bunnen 151 av borehullet gjennom åpninger i borkronen 150. Det returnerende borefluidet 131b sirkulerer oppihulls gjennom ringrommet 127 mellom borestrengen 120 og borehullet 126 og returnerer til slamtanken 132 via en returledning 135 og en borekakssil 185 som fjerner borekaksen 186 fra det returnerende borefluidet 131b. En sensor Si i ledningen 138 gir informasjon om fluidstrømningsmengden. En dreiemomentsensor S2på overflaten og en sensor S3tilknyttet borestrengen 120 gir informasjon om dreiemomentet på og rotasjonshastigheten til borestrengen 120. Inntrengnings-hastigheten til borestrengen 120 kan bestemmes fra sensoren S5, mens sensoren S6kan gi kroklasten fra borestrengen 120. I noen anvendelser blir borkronen 150 rotert ved å rotere borerøret 122. I andre anvendelser kan imidlertid en nedihullsmotor 155 (slammotor) anbragt i boreenheten 190 rotere borkronen 150, alene eller i tillegg til borestrengrotasjonen.

[0010] En styringsenhet eller kontroller 140 på overflaten mottar signaler fra sensorene og anordningene nede i hullet via en sensor 143 plassert i fluidrøret 138 og signaler fra sensorene S1-S6og andre sensorer som anvendes i systemet 100, og behandler disse signalene i henhold til programmerte instruksjoner levert av et program til overflatestyringsenheten 140. Overflatestyringsenheten 140 viser ønskede boreparametere og annen informasjon på en fremvisnings-anordning/monitor 141, som blir anvendt av en operatør for å styre boreoperasjonene. Overflatestyringsenheten 140 kan være en datamaskinbasert enhet som kan innbefatte en prosessor 142 (så som en mikroprosessor), en lagringsanordning 144, så som et halvlederminne, et lagringsbånd eller en harddisk, og ett eller flere dataprogrammer 146 i lagringsanordningen 144 som er tilgjengelig for prosessoren 142 for å eksekvere instruksjoner inneholdt i disse programmene. Overflatestyringsenheten 140 kan videre kommunisere med en fjern styreenhet 148. Overflatestyringsenheten 140 kan behandle data vedrørende boreoperasjonene, data fra sensorene og anordningene på overflaten, data mottatt fra nedihullsanordninger, og kan styre én eller flere operasjoner av

[0011] Boreenheten 190 kan også inneholde formasjonsevalueringssensorer eller -anordninger (også omtalt som måling-under-boring-("MWD")-sensorer, eller logging-under-boring-("LWD")-sensorer) for å bestemme resistivitet, densitet, porøsitet, permeabilitet, akustiske egenskaper, kjernemagnetisk resonans-egenskaper, korrosive egenskaper ved fluidene eller formasjonen, salt eller saltholdighet og andre valgte egenskaper ved formasjonen 195 rundt boreenheten 190. Slike sensorer i sin alminnelighet er kjent for fagmannen og for enkelhets skyld kollektivt betegnet her med henvisningstall 165. Boreenheten 190 kan videre innbefatte en rekke forskjellige andre sensorer og kommunikasjonsanordninger 159 for å styre og/eller slå fast én eller flere funksjoner og egenskaper for boreenheten (så som hastighet, vibrasjon, bøyemoment, akselerasjon, oscillasjon, spinn, rykkvis gange, osv.) og boredriftsparametere, så som borkronetrykk, fluidstrømningsmengde, trykk, temperatur, borehastighet, asimut, rullvinkel eller verktøyflate / -bane (toolface), borkronerotasjon, osv.

[0012] Fortsatt med henvisning til figur 1 innbefatter borestrengen 120 videre en kraftgenereringsanordning 178 for å tilføre elektrisk energi til forskjellige anordninger og sensorer i bunnhullsenheten, innbefattende anordningene 165 og 159. I én utførelse innbefatter boreenheten 190 videre en retningsstyrings-anordning 160 som inkluderer retningsstyringselementer (også omtalt som kraftpåføringselementer) 160a, 160b, 160c som kan være utformet for uavhengig å påføre kraft på borehullet 126 for å styre borkronen 150 langs en hvilken som helst ønsket retning. Boreenheten 190 inneholder videre en anordning 180 for bestemmelse av gravitasjonspåvirket rullvinkel, hvilken anordning også kan bli anvendt for å bestemme én eller flere ytterligere parametere, så som helning, orientering og temperatur for bunnhullsenheten, som vil bli beskrevet nærmere med støtte i figurene 2-8. Parametrene som fastslås med bruk av anordningen 180 kan bli anvendt for å utføre én eller flere operasjoner, inkludert styring av bunnhullsenheten langs en gitt retning.

[0013] Figur 2 viser et aktivt element 200 i en gravitasjonspåvirket (eller gravitasjonsbasert) retningsfølsom sensor, utført i samsvar med én utførelsesform av oppfinnelsen. Det aktive elementet 200 inkluderer en skive eller plate 205 laget i et ikke-ledende materiale 240 som har et antall atskilte kontaktelementer (også omtalt her som fingre) 230(i) anordnet langs et spor 220 på skiven 205. Et elektrisk ledende eller delvis elektrisk ledende kontaktelement (også omtalt som "avfølingselementet") 210 er utformet for fritt eller hovedsakelig fritt å vandre over kontaktene 230(i) rundt sporet 220. I den spesifikke utførelsen i figur 2 er sporet 220 sirkulært og inkluderer 50 jevnt fordelte kontaktelementer (nummerert 1-50) anordnet rundt periferien til en sirkel på skiven 205. Skiven 205 kan være laget i et hvilket som helst passende ikke-ledende materiale 240, inkludert, men ikke begrenset til, trykkede kretskort, keramiske materialer og halvledermaterialer, så som de som anvendes for tilvirkning av hybrid kretse r. Kontaktelementene kan lages med en hvilken som helst passende form og kan bli etset inn i, innlagt i eller anbragt på underlagsplaten 205 på en hvilken som helst passende måte. Kontaktelementene 230(i) kan være laget i et hvilket som helst passende materiale, så som gull, sølv, aluminium, kobber, osv. I aspekter kan kontaktelementene 230(i) være jevnt eller ujevnt fordelt langs sporet 220. Den spesifikke anordningen av 50 jevnt fordelte kontaktelementer 230(i) vist i figur 2 gir en nøyaktighet på 360/50 grader for den gravitasjonsbaserte rullvinkelen bestemt med bruk av denne løsningen. Et høyere antall kontaktelementer 230(i) vil gi bedre nøyaktighet, mens et lavere antall kontaktelementer vil gi dårligere nøyaktighet. Et hvilket som helst passende antall kontaktelementer kan imidlertid bli anvendt.

[0014] Fortsatt med henvisning til figur 2 tjener kontaktelementet 210 som et avfølingselement og kan være laget i et hvilket som helst passende elektrisk ledende materiale, inkludert, men ikke begrenset til, kvikksølv, gull, sølv, kobber og aluminium. I en bestemt utførelse kan avfølingselementet 210 være et kvikksølvelement med en kuleform, en oval form eller en annen passende form og størrelse. Det er kjent at temperaturen i brønnhullet øker med vertikalt dyp i brønnhullet, og et kontaktelement i kvikksølv vil således utvide seg eller trekke seg sammen etter hvert som temperaturen i brønnhullet øker eller avtar. I ett aspekt kan endringen i kvikksølvelementets størrelse også gi en måling av brønnhullstemperaturen siden disse endringene gjør at kvikksølvelementet 210 dekker forskjellige områder av fingrene 230(i). Antallet fingre som dekkes kan bli anvendt som et mål på temperaturen. Midtpunktet til de dekkede fingrene kan bli anvendt for å oppnå et nøyaktig avlesningspunkt for rullvinkel-indikatoren. Videre kan bruk av et avfølingselement i kvikksølv også øke påliteligheten til kontaktelementene 230(i) siden friksjonen til kvikksølv er lavere enn friksjonen til metaller. I tillegg kan en kvikksølvmasse (en sfærisk eller oval masse) danne mer konsistent kontakt mellom fingrene 230 (i).

[0015] Figurene 3A-3C viser en fremgangsmåte for sammenstilling av en gravitasjonssensor som anvender et par av aktive elementer, så som elementene 200 vist i figur 2. Figur 3A viser et første aktivt element 310 laget i et ikke-ledende materiale 312 som innbefatter jevnt fordelte, elektrisk ledende kontaktelementer eller fingre 322 anordnet langs et sirkulært spor 320. Fingrene 322 kan være innlagt i det ikke-ledende materialet 312 eller kan være dannet på overflaten av det aktive elementet 310. Figur 3B viser et andre aktivt element 330 laget i et ikke-ledende materiale 342 som innbefatter jevnt fordelte, elektrisk ledende kontaktelementer eller fingre 332 anordnet langs et sirkulært spor 340. Fingrene 332 kan være innlagt i den ikke-ledende platen 342 eller opphevet fra dens overflate. I den spesifikke utførelsen vist er antallet av og dimensjonen til fingrene 322 og 332 de samme, og når de aktive elementene 310 og 330 vender mot hverandre, vender fingrene 322 og 332 mot hverandre. Figur 3C viser et ikke-ledende avstandselement 350 innrettet for å plasseres mellom de aktive elementene 310 og 330. Det ikke-ledende avstandselementet 350 har en sirkulær åpning 360 utformet for å la et kontaktelement 370, så som en kule eller et ovalt element, bevege seg fritt langs en sirkel dannet foran sporene 320 og 340, og med det gå i kontakt med kontaktelementene på begge de aktive elementene etter hvert som kontaktelementet 370 beveger seg langs den sirkulær banen 360. For å danne en sensor er elementene 310, 350 og 330 koblet sammen eller knyttet til hverandre slik at avstandselementet 350, sammen med kontaktelementet 370, befinner seg mellom de aktive elementene 310 og 330. En annen utførelsesform av sensoren kan anvende ett enkelt aktivt element, så som elementet 310, et avstandselement, så som avstandselementet 350, og et kontakt- eller avfølings-element, så som kulen 370, omsluttet av en blankskive eller -struktur 380, hvor kontaktelementet 370 beveger seg fritt over fingrene på det aktive elementet for å kortslutte minst to fingre på et hvilket som helst gitt sted.

[0016] Figur 4 viser et tverrsnitt gjennom en sensor 400 dannet ved anvendelse av komponentene vist i figurene 3A-3C. Sensoren 400 innbefatter en første skive eller plate 410 laget i et ikke-ledende materiale 412 inne i hvilket det er anbragt elektrisk ledende kontaktelementer eller fingre 422a og 422b. Kontaktelementene 422a og 422b er vist innlagt i platen 410. De andre kontaktelementene rundt et sirkulært spor på elementet 412 er ikke synlige. Sensoren 400 innbefatter en andre skive eller plate 430 laget i et ikke-ledende materiale 432 som inkluderer elektrisk ledende kontaktelementer langs et sirkulært spor, innbefattende kontaktelementer 442a og 442b. Kontaktelementet 422a vender mot kontakten 442a og kontaktelement 422b vender mot kontaktelementet 442b. Et ikke-ledende avstandselement 450 anbragt mellom skivene 410 og 430 inkluderer et sirkulært rom 460 over kontaktelementene 422a, 422b, 442a, 442b, osv. på platene 410 og 430. Et elektrisk ledende kontaktelement 470, så som en kule, er plassert i det sirkulære rommet 460 i avstandselementet 462 slik at det fritt kan beveges av tyngdekraften inne i rommet 460 og går i kontakt med kontaktelementene 422a, 422b, 442a, 442b, osv. I bruk forblir kontaktelementet 470, som påvirkes av tyngdekraften, i den nederste posisjonen i det sirkulære rommet 460, som vist i figur 4. I drift roterer sensoren 400 om aksen 440. I andre aspekter har det sirkulære avstandselementet 462 tilsvarende temperaturutvidelsesrate som det elektrisk ledende kontaktelementet 470. Utvidelsen av avstandselementet er lik diameteren til det elektrisk ledende kontaktelementet 470 slik at det opprettholder elektrisk kontakt med kontaktfingrene.

[0017] Med henvisning til figurene 3 og 4, i forskjellige utførelsesformer, kan kontaktelementene 322 og 332 være dannet av metalliske fingre som beskrevet over, eller kan anvende en hvilken som helst annen passende anordning, inkludert, men ikke begrenset til, halleffekt-sensorer, spoler for å måle induktans eller elementer som gir signaler svarende til motstand, kapsasitans eller en endring i et magnetfelt. Avfølingselementene kan være elektrisk ledende, delvis elektrisk ledende, resistive, delvis resistive, kapasitive, induktive, magnetiske eller av en hvilken som helst type som genererer en forskjell i avlesningene av kontaktelementene eller fingrene og er retningsfølsom for tyngdekraftens virkning.

[0018] Figur 5 viser utplassering av et antall sensorer, så som vist i figurene 4-5, i et nedihullsverktøy 500, som kan være et selvstendig verktøy eller tilknyttet eller en del av en bunnhullsenhet, så som bunnhullsenheten 190 vist i figur 1. I den spesifikke verktøyutførelsen 500 er seks sensorer 510a, 510b, 510c, 51 Od, 51 Oe og 51 Of vist plassert på overflater av en terning 520, hvor sensorene 510a og 51 Od, plassert på motsatte sider 530a og 530d av terningen, danner et første par, sensorene 510b og 51 Oe danner et andre sensorpar og sensorene 510c og 51 Of danner et tredje par. Verktøyet 500 har en z-akse langs lengdeaksen til verktøyet 500, en x-akse langs en horisontal retning vinkelrett på den langsgående z-aksen og en y-akse langs en vertikal retning på den langsgående z-aksen. I utførelsen vist i figur 5 dekker sensorparet 510a og 51 Od xy-planet, og innhenter målinger av gravitasjonsbasert rullvinkel for verktøyet 500 i den horisontale posisjonen til den vertikale posisjonen. I drift, når verktøyet 500 er i en horisontal posisjon, vil kulen 470a gå i kontakt med fingrene i posisjonen null grader. Når verktøyet 500 roterer, vil kulen 470a gå i kontakt med de fingrene som er lik dreiningen av verktøyet 500 i forhold til høysiden 540. Siden fingrenes posisjon i forhold til høysiden 540 er kjent, vil sensoren 510a avgi signaler svarende til disse kontaktelementene. En styringsenhet, så som styringsenheten 170 og/eller 140 (figur 1), bestemmer rullvinkelen fra sensorsignalene. Sensoren 51 Od vil også avgi et signal som skulle være det samme som det avgitt av sensoren 510a. Signalet fra sensoren 51 Od kan bli anvendt for å korrelere resultatene tilveiebragt av sensoren 510a, eller omvendt.

[0019] Fortsatt med henvisning til figur 5 dekker sensoren 510b yz-planet til verktøyet 500 og signalene som avgis av denne sensoren kan bli anvendt for å bestemme helning av verktøyet 500 mellom horisontal og vertikal posisjonen. Når verktøyet 500 er skråstilt fra horisontal posisjon, vil kulen 470b gå i kontakt med fingre på sensoren 510b som dreier etter hvert som verktøyet skråstilles og signalene som avgis vil svare til helningen av verktøyet 500. Signaler fra sensoren 51 Oe kan bli anvendt for å korrelere helningen bestemt fra sensoren 510b, eller omvendt. Sensoren 510c dekker xz-planet til verktøyet 500. Når verktøyet 500 dreier langs z-aksen, vil kulen 470c dreie tilsvarende som dreiningen av verktøyet, og med det avgi signaler svarende til orienteringen til verktøyet 500. Signalene fra sensoren 510(f) kan bli anvendt for å korrelere orienteringen bestemt fra sensoren 510(c), eller omvendt. I sensorarrangementet vist i figur 5 kan hver av målingene av rullvinkel, helning og orientering bli gjort uavhengig av hverandre, ettersom forskjellige sensorer blir anvendt for hver av disse målingene. Temperatur kan avledes fra hvilke som helst én eller flere av disse sensorene ved å måle arealet dekket av kontaktelementet, så som en kule. I andre aspekter kan hvilke som helst av sensorene være laget i silisium med et stort antall fingre, som kan ha en bredde i størrelsesorden nanometer. Som angitt tidligere svarer antallet fingre direkte til sensorens nøyaktighet og oppløsning. Én eller flere av disse sensorene kan derfor bli innlemmet i mange plan for å gi verdier for helning, samt gravitasjonsbasert rullvinkel. Som nevnt tidligere kan utvidelse av avfølingselementet, slik at det dekker flere fingre bli anvendt for å beregne temperatur. Flere slike sensorer sammen med en målekrets og en prosesseringsenhet kan innlemmes i én enkelt integrert krets eller silisiumbrikke. Dette gjør det mulig å tilveiebringe en veldig liten og forholdsvis nøyaktig sensor.

[0020] Som angitt tidligere, i den spesifikke utførelsen av sensorene i figur 5, inkluderer hver av sensorene 510a til 51 Of to spor av fingre motstående hverandre, hvor de motstående fingrene har samme størrelse og vender mot hverandre. En slik løsning er vist i figur 6, hvor fingre nummerert 1,3,5, osv. befinner seg på én skive mens fingre nummerert 2, 4, 6, osv. befinner seg på den motstående skiven. I et slikt tilfelle vil kontaktelementet, så som en kule 670, være i kontakt med to kontaktfingre til enhver tid, for eksempel fingrene 1-2 eller 3-4 eller 5-6, osv. Imidlertid kan også andre kontaktarrangementer bli anvendt for formålet med denne oppfinnelsen. Figur 7 viser en utførelse med flettede fingre. I én utførelse kan en kule, så som en kule 770a, være innlemmet som vil være i kontakt med to eller flere fingre til enhver tid, så som fingrene 1, 2 og 3. I en annen utførelse kan en kule 770b være innlemmet som vil være i kontakt med to fingre, så som de viste fingrene 4 og 5. Bruk av flettede fingre kan i praksis doble oppløsningen siden vinkelen mellom kontaktpunkter halveres. I tillegg kan et større volum av kvikksølv bli anvendt for å kortslutte et større antall fingre.

[0021] I aspekter kan kontaktelementets konnektivitet, dvs. med hvilke kontaktelementer kulen er forbundet på et gitt tidspunkt, bli bestemt av en passende prosessor, så som nedihullsprosessoren 172 og/eller overflate-prosessoren 142, som kan være en generell mikroprosessor, en digital signal-prosessor (DSP), en FPGA eller en annen passende databehandlingsanordning. Én fremgangsmåte ved bestemmelse av slik kontaktinformasjon vil bli beskrevet med støtte i figur 8.

[0022] Figur 8 viser et eksempel på matrisebryteranordning 800 som kan bli anvendt for å beregne hvilke fingre som er koblet til (eller kortsluttet av) det elektrisk ledende kontaktelementet på et gitt tidspunkt, så som kulene 670, 770a og 770b vist i figurene 6 og 7. Matrisebryteren 800 viser vertikale linjer 810a, 810b, osv. som krysser horisontale linjer 820a, 820b, osv. I aspekter kan linjene 810a, 810b, osv. være tildelt som utgående eksitasjonsforbindelser og linjene 820a, 820a, 820b, osv. som inngående eksitasjonsforbindelser, eller omvendt. En passende elektrisk krets er innlemmet som på et hvilket som helst gitt tidspunkt påtrykker en elektrisk spenning på én av de vertikale linjene 810a, 810b, osv., og leser spenningene ved alle de horisontale linjene 820a, 820b, osv. og fastslår hvilke kontaktfingre som er forbundet av kontaktelementet, så som elementet 670. Denne prosessen blir gjentatt for hver av linjene. Med henvisning til figur 6, når kulen 670 kobler sammen kontaktfingrene 1 og 2, er kretsen sluttet mellom linjene 810a og 820a siden kulen 670 har kortsluttet de elektrisk ledende kontaktfingrene 1 og 2. I et slikt tilfelle vil en spenning V1 påtrykket på linjen 810a opptre på linjen 820a, mens alle andre linjer, så som linjene 820b, 820c, osv., vil være ved nullpotensial. Tilsvarende, når kulen 670 er i kontakt med kontaktfingrene 6 og 7, vil en spenning V1 påtrykket på linjen 810b opptre i punktet 820b mens alle andre linjer 820a, 820c, osv. vil være ved nullpotensial. I drift kan en spenning V1 bli påtrykket sekvensielt på linjene 810a, 810b, osv. mens linjene 820a, 820b, osv. måles for en utgangsspenning for å bestemme hvilke kontaktelementer som er forbundet av kulen. Med henvisning til figur 7, når kulen 770a er i kontakt med de elektrisk ledende elementene 1, 2 og 3, vil en spenning påtrykket på linjen 810a produsere en spenning i linjen 820a og 820b og ingen noen andre linjer. Dersom en kjenner stedet for den påtrykkede spenningen og stedet eller stedene for den mottatte spenningen, kan kulens posisjon bestemmes, som korrelerer med rullvinkelen, helningen og orienteringen til verktøyet, så som verktøyet 500 (figur 5) eller bunnhullsenheten 190 (figur 1). I fremgangsmåten angitt over blir essensielt en signatur sendt ut på ett sett av linjer, som blir lest på det tilkoblede andre settet av linjer. På denne måten kan en stort antall innmatinger bli lest med et redusert sett av inn-/ut-linjer på en databehandlingsenhet. Med en slik metode kan prosessoren regne ut hvilke inngangsfingre som avleser det genererte utgangssignalet. Siden kulen kan være elektrisk koblet til flere enn én finger, kan prosesseringsenheten måle responsen på flere fingre. Ved anvendelse av denne fremgangsmåten kan prosessoren bestemme posisjonen til kulen i sporet, som gir målingen av gravitasjonsbasert rullvinkel.

[0023] Selv om beskrivelsen over er rettet mot bestemte eksempler på utførelser av oppfinnelsen, vil forskjellige modifikasjoner sees av fagmannen. Det er meningen at alle variasjoner innenfor rammen og idéen til de vedføyde kravene skal omfavnes av beskrivelsen over.

Claims (21)

1. Apparat for bruk i et brønnhull, omfattende: en sensor som har: et flertall innbyrdes atskilte kontaktelementer; et avfølingselement som beveger seg av tyngdekraften og går i kontakt med minst to kontaktelementer fra flertallet kontaktelementer for å skape en elektrisk kortslutning mellom disse minst to kontaktelementer; og en krets koblet til kontaktelementene utformet for å generere elektriske signaler som reaksjon på den elektriske kortslutningen mellom kontaktelementene.

2. Apparat ifølge krav 1, hvor flertallet kontaktelementer er anordnet i to sett, og hvor avfølingselementet går i kontakt med minst ett kontaktelement fra hvert av de to settene.

3. Apparat ifølge krav 2, hvor kontaktelementene i de to settene er vendt mot hverandre.

4. Apparat ifølge krav 2, hvor kontaktelementene i de to settene er flettet, og avfølingselementet går i kontakt med flere enn to kontaktelementer.

5. Apparat ifølge krav 1, hvor kontaktelementene er anordnet i en sirkel.

6. Apparat ifølge krav 1, hvor kretsen er utformet for å detektere et flertall kortsluttede kontaktelementer.

7. Apparat ifølge krav 1, hvor avfølingselementet omfatter kvikksølv med en form valgt fra en gruppe bestående av: (i) sfærisk; (ii) oval; og (iii) en annen form tilpasset for kontakt med to eller flere kontaktelementer.

8. Apparat ifølge krav 1, hvor avfølingselementet og kontaktelementene fremviser hovedsakelig samme utvidelseskoeffisient.

9. Apparat ifølge krav 8, videre omfattende en krets koblet til kontaktelementene som avgir signaler som reaksjon på utvidelse av avfølingselementet, og en prosessor innrettet for å bestemme temperatur fra disse signalene.

10. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en prosessor innrettet for å bestemme fra de elektriske signalene en parameter for verktøyet valgt fra en gruppe bestående av: (i) rullvinkel eller verktøyflate / -bane (toolface); (ii) helning; og (iii) orientering.

11. Apparat for bestemmelse av en parameter av interesse nedihulls, omfattende: et verktøylegeme; og en sensor i verktøylegemet som inneholder: et flertall innbyrdes atskilte kontaktelementer; og et avfølingselement som beveger seg av tyngdekraften og går i kontakt med minst to kontaktelementer fra flertallet kontaktelementer for å skape en elektrisk kortslutning mellom de minst to kontaktelementer; en krets koblet til flertallet kontaktelementer utformet for å generere elektriske signaler som reaksjon på den elektriske kortslutningen mellom kontaktelementene; og en prosessor innrettet for å behandle signalene for å bestemme parameteren av interesse.

12. Apparat ifølge krav 11, hvor parameteren av interesse er valgt fra en gruppe bestående av: (i) rullvinkel eller verktøyflate / -bane (toolface); (ii) helning; (iii) orientering; og (iv) temperatur.

13. Apparat ifølge krav 11, hvor flertallet kontaktelementer er anordnet i to sett, og hvor avfølingselementet går i kontakt med minst ett kontaktelement fra hvert av de to settene.

14. Apparat ifølge krav 13, hvor kontaktelementene i de to settene er flettet, og avfølingselementet går i kontakt med minst to kontaktelementer.

15. Apparat ifølge krav 11, hvor kontaktelementene er anordnet i en sirkel.

16. Apparat ifølge krav 11, hvor kretsen er utformet for å detektere et flertall kortsluttede kontaktelementer.

17. Apparat ifølge krav 11, hvor avfølingselementet omfatter kvikksølv i en form valgt fra en gruppe bestående av: (i) sfærisk; (ii) oval; og (iii) en annen form tilpasset for kontakt med to eller flere kontaktelementer.

18. Apparat ifølge krav 11, hvor avfølingselementet og kontaktelementene fremviser hovedsakelig samme utvidelseskoeffisient.

19. Apparat ifølge krav 18, videre omfattende en krets koblet til kontaktelementene som avgir signaler som reaksjon på utvidelse av avfølingselementet, og en prosessor innrettet for å bestemme temperatur fra disse signalene.

20. Apparat for bestemmelse av en parameter av interesse i et brønnhull, omfattende: et verktøylegeme innrettet for å bli utplassert i et brønnhull; en gravitasjonsassistert sensor i verktøyet som innbefatter et avfølings-element som beveger seg fritt over et flertall innbyrdes atskilte kontaktelementer for å skape en kortslutning mellom minst to slike kontaktelementer om gangen og generere elektriske signaler svarende til disse kortslutningene; og en prosessor innrettet for å bestemme parameteren av interesse ved hjelp av de elektriske signalene.

21. Apparat ifølge krav 20, hvor parameteren av interesse er en gravitasjonsbasert rullvinkel eller verktøyflate / -bane (toolface), og hvor apparatet videre innbefatter en sensor for å bestemme en magnetisk rullvinkel (toolface) for verktøyet, og hvor den gravitasjonsbaserte rullvinkelen blir anvendt som en referanse for den magnetiske rullvinkelen under drift av verktøyet i brønnhullet.