NO301184B1

NO301184B1 - Fremgangsmåte og innretning for retningsboring av et avlastningsbrönn-borehull

Info

Publication number: NO301184B1
Application number: NO894316A
Authority: NO
Inventors: Robert L Waters; George F Roberts; Philip H Walters; Howard Charles Clark; Donald D Fitzgerald; Ii Otis V Stelly
Original assignee: Magrange Inc
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1997-09-22
Also published as: CA2001745A1; DK174567B1; DK538489D0; MY106320A; WO1990004697A1; BR8907132A; MX171679B; EP0366567A2; DK538489A; US5064006A; NO894316D0; NO894316L; EP0366567A3; CA2001745C

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for måling under boring og undersøkelse av et første underjordisk borehull for å bestemme avstanden og retningen til skjæringen med et andre underjordisk borehull med et ferromagnetisk legeme som oppviser mål-magnetfelter, idet innretningen omfatter en mottakende og sendende anordning for utvalgte kommando-, styre- og sanntidsdatameldinger mellom overflaten og et borehullsverktøy med en lengdeakse, idet verktøyet er montert i et ikke-magnetisk borevektrør for undersøkelse, og vektrøret er montert i en borestreng for måling under boring, idet innretningen videre omfatter en anordning for overføring av elektrisk strøm fra et sted inne i borestrengen til den jordformasjon som bores, og et antall følere i verktøyet for kontinuerlig måling av jordens gravitasjonsfelt.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for retningsboring av et avlastningsbrønn-borehull for å skjære et underjordisk, ferromagnetisk mål, ved å orientere borehullets bane i avhengighet av retnings- og avstandsbestemmelsen fra avlastnings-brønnen til en målbrønn.

Et representativt borehullsverktøy er beskrevet i US-patentskrift nr. 3 791 043. Dette verktøy består av et treakset komponentmagnetometer for å måle jordens magnetfelt, og to boble-inklinometre for å måle gravitasjonsfeltet. Overflateinstrumentering oppløser de magnetiske målinger og gravita-sjonsmålingene for å forsyne boreren med avlesninger angående borets asimut og helling såvel som orientering av et borerørsledd i forhold til høy-siden (eller det vertikalt øverste punkt) av hullet (verktøyfronten). Borets orientering endres slik det er riktig i overensstemmelse med avlesningene, for å justere borehullets kurs.

Det er iblant nødvendig å bestemme retningen og avstanden til et nærliggende, underjordisk, ferromagnetisk legeme fra en posisjon i borehullet som bores. For eksempel må nærliggende, tidligere eksisterende brønner avføles og unngås når et borehull bores, slik som når flere brønner bores fra en felles plattform med små mellomrom. Nøyaktigheten av følerne i det magnetiske avstandssystem, i kombinasjon med et telemetrisystem som gjør avlesninger tilgjengelige for overflateoperatørene mens boring er i gang, er særlig egnet til å unngå eksisterende brønner. Et annet eksempel ville være leting etter underjordiske malmforekomster som oppviser magnetisme, eller de som ikke oppviser ferromagnetisme. Dette kombinasjonsverktøy ville være nyttig for boring av en pilots jakt for å lete etter visse ledningsevneegenskaper ved sådanne anvendelser som gull- eller sølv-gruvedrift. En annen anvendelse kunne avsløre store kullstrimer på grunn av den påtrufne ikke-ledningsevne eller motstand. Et annet eksempel er når det borehull som bores, er en ikke-vertikal avlastningsbrønn som bores for å avskjære en utblåsningsbrønn på en dybde under den forstyrrelse som forårsa-kes av utblåsningen. US-patent nr. 4 072 200 er rettet på denne anvendelse og omfatter magnetometre som detekterer gjenværende eller induserte, statiske magnetfelturegelmessigheter som er til stede i det ferromagnetiske legeme som er involvert i den andre brønn eller det borehull som skal lokaliseres, eller alternativt magnetometre som detekterer et tidsvarierende magnetfelt som frembringes i brønnen eller mållegemet ved hjelp av et elektriske strøminjiserende system som styres av operatøren. Ved bestemmelse av avstanden til et ferromagnetisk mål under jordoverflaten utføres målinger ved hjelp av to magnetfeltfølere som er innrettet langs verktøyets z-akse og innbyrdes atskilt en forutbestemt avstand. Avstanden til målet bestemmes ved hjelp av algebraisk manipulasjon av disse målinger. Retningen til målet tilveiebringes ved hjelp av tre magnetfeltfølere som er anordnet ortogonalt og detekterer jordens magnetfelt sammen med målets magnetfelt. Retningen er avhengig av orienteringen av verktøyet i dets respektive borevektrør eller inne i en borestreng.

Teknikkene med boring av én brønn for å avskjære en annen med en målbrønn som oppviser et signal, er vist og beskrevet i US-patentskriftene 3 285 350 og 3 731 752.

I det tilfelle hvor målet er utilgjengelig, slik som i en utblåsningssituasjon, er en metode for tilnærming til målbeliggenheten vist og beskrevet i US-patentskrift nr. 3 725 777, hvor avlesninger av det totale magnetfelt og magnetkompass-avlesninger utføres og ved hjelp av minste kvadraters tilpas-ningsanalyse sammenliknes med forskjellige antatte posisjoner og magnetiseringer av målbrønnforingsrøret. Denne teknikk er imidlertid utsatt for beliggenhetstvetydigheter.

US-patent nr. 4 700 142 viser en metode for bestemmelse av avstand og retning til en målbrønn fra en avlastningsbrønn ved benyttelse av to målinger som ikke omfatter jordens magnetfelt. Den første måling gjøres av avlastningsbrønnens retning på stedet for verktøyet. Denne retning kan oppnås ut fra målinger av avlastningsbrønnen under boring eller ut fra oppmålings- eller kartleggingsdata. Den andre måling er en bestemmelse av verktøy-ets rotasjonsorientering inne i avlastningsbrønnen. Dette patent viser således en metode som først må bestemme verktøyorientering, og deretter benytte oppmålingsdata til å bestemme avstand og retning til målbrønnen.

Måling av magnetiske vektorkomponenter, slik det er vist og beskrevet i US-patentskrift nr. 4 072 200, tillater bestemmelse av både målpolaritet og målretning og løser sådanne beliggenhetstvetydigheter. Metoden med bestemmelse av avstand fra verktøyet til målet, ved benyttelse av gradientmålinger, er dessuten anvendelig for både de statiske og tidsvarierende feltteknikker.

Slik som vist i den kjente teknikk, er det blitt tilveiebrakt separate verktøy for styringsboring og for borehullsorientering, uregelmessighetssøkende magnetiske verktøy, for både resterende og/eller tidsvarierende magnetfeltverktøy, og formasjonsvurderende verktøy. Hvert sådant verktøy krever en separat oppmåling for å kjøres, med den resulterende tid og kompleksitet som er involvert. Hver operasjon innebærer stans av boreoperasjonen, fjerning av borestrengen med styreverktøyet eller MWD-verktøyet (MWD = måling under boring), kjøring av en oppmåling med systemet som leter etter det ferromagnetiske legeme, tilbakeføring av borestrengen til borehullet, og deretter fortsettelse av boreoperasjonen. Prosedyren er kostbar, tidkrev-ende, komplisert og utsatt for innføring av feil. Dessuten eroderer borehullet med tiden.

Et hovedformål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et eneste verktøy for mange kombinasjoner av boringsstyring, retningsundersøkelse, magnetisk avstandsmål ing, formasjonsvurde-ringslogging og måling av dynamiske, mekaniske egenskaper til borestrengen.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning for å avføle komponenter av jordens magnet- og gravitasjonsfelter og også for å avføle små, statiske magnetfelter og små, tidsvarierende magnetfelter, og/eller induserte, elektriske og magnetiske felter som har sitt utspring i en andre brønn, og å tilveiebringe en anordning for å overføre den avfølte informasjon til overflaten mens boring er i gang, og å tilveiebringe en anordning som er festet til et boresystem, slik at boringsretningen kan styres fra overflaten.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning for å erverve formasjonsvurderings- og korrelasjonsinformasjon, såsom reservoaregenskapene porøsitet, permeabilitet, nøytrontetthet og temperatur av formasjonen i forbindelse med den tilveiebrakte orientering.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en passende overflateinnretning for å tilveiebringe asimut, helling og verktøyfront-orientering for boresystemet, og å tilveiebringe verdier av de størrelser som måles, for å benyttes til å beregne retning og avstand til målbrønnen.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en innretning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den omfatter en første triaksial magnetfeltføler som er operativt anbrakt i borehulls-verktøyets ene ende, og en andre triaksial magnetfeltføler som er operativt og motsatt atskilt fra den første føler en forutbestemt avstand langs verktøyets lengdeakse, idet de første og andre følere kontinuerlig avføler og måler komponentene av jordens magnetfelt, og en behandlingsanordning for kontinuerlig å motta målingene fra magnetfeltfølerne og gravitasjons-feltfølerne og beregne asimut, helling og magnetfeltgradient-informasjon for borehullet og posisjon av borehullet i forhold til det ferromagnetiske legeme i det andre underjordiske borehull, idet behandlingsanordningen er operativt koplet til innretningen for å overføre posisjonsinformasjonen til overflaten, og for å motta føringskontrollinformasjon fra overflaten til verktøyet under boring.

Ifølge oppfinnelsen er det også tilveiebrakt en fremgangsmåte av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den omfatter de trinn

å måle komponenter av et totalt magnetfelt langs ortogonale akser på et vilkårlig sted i et borehull som ligger

tilstrekkelig nær målet til å detektere et magnetfelt av målet som er overlagret på jordens magnetfelt, ved benyttelse av minst to triaksiale, statiske magnetfeltfølere som er innbyrdes atskilt en forutbestemt avstand,

å bestemme magnetfelt-gradientinformasjon ut fra de nevnte komponenter av det totale magnetfelt og den forutbestemte avstand,

å bestemme målretning ved benyttelse av de nevnte komponenter av det totale magnetfelt og den beregnede magnetfelt-gradientinf ormas jon,

å bestemme måleavstand ved benyttelse av de nevnte komponenter av det totale magnetfelt og den beregnede magnetfelt-gradientinformasjon, og

derved å bestemme avstanden og retningen til målbrøn-nen.

Kombinasjonen av styreverktøyet med det ferromagnetiske legemssøkende system, eller komponentene for magnetisk avstandsmåling, til et eneste verktøy som arbeider under boring, og som kan inneholde en rekke formasjonsvurderings- eller korrela-sjonsfølere, er et vesentlig fremskritt i forhold til det utstyr som for tiden er tilgjengelig innen industrien. Noen fordeler ved kombinasjonen er de forbedrede orienteringsmuligheter til de ferromagnetiske følesystemer, omkostnings- og tidsbesparelsene ved den kontinuerlige boring og oppmåling sammenliknet med "trippene" ut av hullet for kjøring av separate oppmålinger, og den forbedrede kvalitet av formasjonsvurderingen som skriver seg fra den mer opprinnelige eller uberørte borehulltilstand slik den måles umiddelbart etter boring, i motsetning til målinger som tas etter at en borestreng er trukket ut, da sammenrasing, utvasking og inntrengning kan forvrenge vurderingene. Borefluida kan være meget etsende, og ha en tendens til å reagere med skiferleirer, hvilket fører til utvasking av formasjonsmaterialer og fastsit-ting av verktøyet.

Ytterligere fremskritt med hensyn til sikkerhet i forhold til tidligere kjente verktøy er spesielt påkrevet, og tilveiebringes ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse, under forholdene med boring for å avskjære en utblåsningsbrønn. Enhver oppmålingsoperasjon med åpen brønn medfører en viss grad av fare, men hydrostatiske forhold som påtreffes ved boring av en avlastningsbrønn, er ofte unormale og uregelmessige, og muligheten for utblåsning er følgelig høyere. Kombinasjonsverktøyet i enten en elektrisk lednings- eller en MWD-konfigurasjon eliminerer behovet for å trekke borestrengen ut av borehullet slik at oppmålingsdata kan oppnås, slik at sannsynligheten for en ny utblåsning reduseres. Da borestrengen forblir på plass i borehullet og fluidumsirkulasjon fortsetter, er det lettere å utbalansere eller kontrollere de hydrostatiske trykk, slik at en vanlig årsak til utblåsninger elimineres.

Ytterligere fordeler med kombinasjonsverktøyet er muligheter som for tiden ikke finnes innen industrien. Det magnetiske avstandsmålings- og orienteringssystem har en oppløs-ning som tillater retningsboringsnøyaktighet. Alle retnings-boringsoperasjoner krever en eller annen metode for orientering av borehullsverktøyet, og de høykvalitets-magnetiske følere i kombinasjonsverktøyet tilveiebringer nøyaktig informasjon for orientering av verktøyet. I kombinasjon med en retningsborings-montasje vil det magnetiske avstandsmålesystem operere i et borehull med uvanlig høye hellinger gjennom hvilke det ville være umulig å kjøre en vaieroppmåling (brønnlogging). Ved borehulls-hellinger nær grensen for drivbarhet for vaieroppmåling er f ormas jonsvurderingsinf ormas jon i sann tid meget verdifull, på grunn av at den tilveiebringer en registrering av informasjon om formasjonen selv om brønnen blåser ut, eller verktøyet henger fast, eller hullet går tapt av hvilken som helst annen grunn. Selv når boremontas j en går tapt, kan komponentene i dette sammensatte oppmålings- eller undersøkelsessystem gjenvinnes for gjentatt anvendelse, eller i det minste kan oppmålingsdataene gjenvinnes eller bibeholdes.

Ytterligere vesentlige forbedringer i forhold til den nåværende praksis er fremhevelsen av ansvarlighet for bore- og oppmålingsoperasjonene, og en reduksjon i personell og derfor en reduksjon i omkostninger som skriver seg fra kombinasjonen av styring, magnetisk avstandsmåling og formasjonsvurdering til et eneste system som drives av et eneste mannskap. En meget vesentlig fordel skriver seg også fra overføring av den magnetiske avstandsmålingsinformasjon under boring, i stedet for oppnåelse av denne med mellomrom, slik den tilveiebringes av nåværende vaierverktøy. Boringen må stanses for å kjøre vaier-verktøyene, og tendensen er derfor å bore for langt før stans for å vurdere formasjonen og bestemme borehullets bane. På grunn av at boringen har stanset og hele riggen er uvirksom under vaieroppmålingen og den etterfølgende periode da dataene analyseres, eksisterer det press på personen eller personene som utfører beregninger for bestemmelse av målposisjon basert på store mengder data som tas over lange intervaller med boring og svarer til en vesentlig lengde av borehullet. Feil ved beregninger er følgelig mer sannsynlige. Med kontinuerlig dataover-føring som skjer under boreoperasjoner, kan forløpet og banen overvåkes og beregningene utføres mye mer effektivt uten det feilforårsakende press som fremkalles av en kostbar, uvirksom borerigg.

Det er meget ønskelig og fordelaktig å være i stand til å kombinere de operasjoner som tilveiebringer styreinformasjon, med målinger angående avstanden og retningen til et underjordisk legeme, såvel som borehullbaner og formasjonsvurdering. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer denne ønskelige kombinasjon ved å inkludere de statiske, magnetiske målinger, gravita-sjonsmålinger og tidsvarierende magnetiske målinger i et boresystem. Oppfinnelsen tilveiebringer også muligheten for oppnåelse av andre brønn- og formasjonsmålinger, innbefattet elektrisk logging eller radioaktivitetslogging, f ormas jonstempe-ratur, etc, under boreoperasjonene. Dette særtrekk gir boreper-sonell muligheten for umiddelbart og kontinuerlig å motta brønn-og formasjonsdata for å garantere sikkerheten og effektiviteten av boreoperasjonen. Denne informasjon er tilgjengelig for å benyttes i kombinasjon med formasjonsvurderingsanordninger som krever kjennskap til jordens magnetfelt og/eller gravitasjonsfelt for orientering. Den målte informasjon omformes til et eneste, serielt, sammensatt signal og overføres fra det underjordiske verktøy til jordoverflaten ved hjelp av en passende telemetrian-ordning, for eksempel ved hjelp av hydrauliske signalpulser i borefluidumsøylen, ved hjelp av en eneste elektrisk leder, et faststoffs-lager med periodisk utlesning, eller liknende. Med verktøyet fiksert i boresystemet tilveiebringer oppfinnelsen også den nødvendige informasjon for å tjene borestyringsformålene.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et snittriss som illustrerer en jordformasjon og viser en føleinnretning i et borehull som bores nær en "utblåsnings"-målbrønn som er beregnet å bli avskåret, fig. 2 og 2A viser forstørrede riss av borehull-føleinnretningen på fig. 1, fig. 3 er et diagram som angår den magnetiske avstandsmålingsteknikk og den diskusjon som er knyttet til denne, fig. 4 og fig. 5 viser diagrammer av mønsteret for utstråling av et magnetfelt som eksisterer i forbindelse med den forede brønn på fig. 1, fig. 6 viser et vektordiagram av det koordinataksesystem som er definert ved settet av ortogonale magnetfeltfølere som bæres av den underjordiske føleinnretning som er anbrakt i det åpne borehull, fig. 7 viser et vektordiagram som angår utviklingen av korreksjonsfaktorer for anvendelse ved beregning av korreksjonsvinkler for borehullelevasjon og borehullasimut, fig. 8 viser en plotting av magnet feltdata som er tatt i en typisk avlastningsbrønn etter hvert som den nærmer seg et mål, fig. 9 er et diagram som viser den magnetiske respons på avfølte Nord- og Syd-poler, fig. 10 viser et tverrsnittsriss av én utførelse av den underjordiske føleinnretning, fig. 10A viser et tverrsnittsriss av en alternativ utførelse av den underjordiske føleinnretning, fig. 11 viser et blokkskjema av underjordisk elektronikk i den underjordiske avfølingspakke, fig. 12 viser et blokkskjema av den underjordiske elektronikkinstrumentering, fig. 13 viser et sideriss i snitt som illustrerer en utførelse av oppfinnelsen som inneholder et elektrisk system for injisering av likestrøm eller vekselstrøm inn i formasjonen, og fig. 14 viser et del-snittriss av fig. 13 som illustrerer den gaf f eldelte førings- og låseanordning for strøminjisering.

A. GENERELL TEORI

Den generelle teori som fremgangsmåten og innretningen ifølge oppfinnelsen er basert på, er den som er generelt beskrivende for og anvendelig på magnet- og gravitasjonsfelter. Kjernen i oppfinnelsen er imidlertid anvendelsen av magnet- og gravitasjonsfelter til å bestemme borehullets orientering og bane i forhold til jorden og verktøyets orientering i borehullet, og å kombinere denne informasjon med informasjon om borestrengdynamikk og med formasjonsvurderingsmålinger som utføres samtidig ved hjelp av ledningsevne-, resistivitets- og radioaktivitets-følere og andre følere, og å overføre dataene under boring til overflaten for beregninger, utlesning og anvendelse av over-flatepersonell. Verktøyet kan også benyttes til under pågående boring å bestemme avstand og retning til et underjordisk mål som oppviser eller kan fås til å oppvise et magnetfelt.

Den foreliggende oppfinnelse utnytter egenskapene til jordens magnetfelt og gravitasjonsfelt sammen med magnetfeltet fra en målkilde til å tilveiebringe informasjon ut fra hvilken orienteringen til et borehull og avstanden og retningen til målkilden fra borehullet kan bestemmes. Borehullets orienterings-eller korrelasjonsinformasjon kan kombineres med de samtidig utførte formasjonsvurderingsmålinger til fullstendig å kartlegge formasjonen under borings- og styringsoperasjonen. Alternativt, der hvor en formasjon allerede er blitt kartlagt, tilveiebringer orienteringsmålingene ytterligere verktøy- og borehull-orienter-ingsinformasjon som kan benyttes for retningsboring.

Fig. 1 og 2 illustrerer én anvendelse på hvilken fremgangsmåten og innretningen ifølge oppfinnelsen kan anvendes, dvs. boring av en retnings-avlastningsbrønn for å avskjære en tidligere boret brønn. Som vist på fig. 1, danner utblåsnings-brønnen 10 et borehull 11 som strekker seg ned til en produserende formasjon 12. For det formål å drepe utblåsningsbrønnen er det boret en avlastningsbrønn 13 som tilveiebringer et retnings-borehull 14 for å oppnå en nesten-avskjæring, eller en direkte avskjæring av utblåsningsbrønnen i den produserende formasjon. Borefluidum og andre materialer pumpes deretter inn i formasjonen nær utblåsningsbrønnen. Disse meget tunge fluida presses inn i utblåsningsborehullet og i retning mot overflaten på grunn av bunntrykket. Ved ett eller annet nivå vil søylelengden av tunge fluida i utblåsningsborehullet tilveiebringe et hydrostatisk trykk som er lik utblåsningsformasjonstrykket ved bunnen av borehullet, og således vil ytterligere formasjonsfluida ikke lenger bli presset inn i utblåsningsborehullet. Ved dette tidspunkt vil utblåsningsbrønnen være død.

Som vist på fig. 2 og 2A, er borehullsverktøyet som er vist generelt ved 15, anbrakt inne i et vektrør 16 som er dannet av et ikke-magnetisk materiale, såsom monelmetall, som er forbundet med den ikke-roterende borestreng 23 som strekker seg fra overflaten. Under vektrøret er det tilkoplet en eselskosubb

(mule shoe sub) 17 som inneholder en eselskokile 18 som tilveiebringer en retningsreferanse. En flytesubb (float sub) 19 som inneholder en tilbakeslagsventil, er forbundet med eselskosubben og tilveiebringer understøttelse for et borerørsledd (bent sub) eller en styrbar montasje 20. En borehullsmotor 21, som er en turbinmotor som drives av flytende borefluidum, strekker seg fra borerørsleddet og bærer en passende borkrone 22. Vektrørene i borehullet kan også omfatte en elektrisk turbindriver-generator for å tilveiebringe elektrisk effekt for drift av verktøyets elektroniske kretser og for tilførsel av elektrisk strøm for andre aktiviteter, for eksempel injisering av elektrisk strøm inn i formasjonen. Spesielt kan en slammotor 21 som er innkapslet i et ikke-magnetisk monelmetall eller ikke-magnetisk, rustfritt stål, benyttes til å minimere forstyrrelse av den magnetiske avstandsmålings- og retningsoppmålingsinformasjon, eller ytterligere monelvektrør kan være innskrudd i toppen av slammotoren for å forskyve den vertikalt fra monelmålingsvektrøret. Justeringer eller kompensasjon for å ta hensyn til forstyrrelse fra det magnetiske materiale i borehullet, kan gjøres i programvare, og i tillegg, eller alternativt, kan isolerende fiberglass--borerørlengder innføres for å innskrenke borestrengens elektriske ledningsevne.

1. Borehullsorientering

Jordens gravitasjons- og magnetfelter kan benyttes til kontinuerlig å bestemme borehullets helling og asimut. Dessuten kan verktøyets rotasjon i hullet i forhold til et fast koordinatsystem bestemmes.

Jordens koordinatsystem er:

X horisontal og mot nord, Y horisontal og mot øst, og Z vertikal og nedover.

Verktøykoordinatsystemet er likeartet, men referert til anordningens ramme som på sin side er referert til boresystemet ved hjelp av det låsende kilespor og tapp. Koordinatsystemet er: X' og Y' normalt på hverandre og i et plan normalt på verktøyets lengdeakse, og Z' langs verktøyets lengdeakse og rettet nedover. X'- og Y'-innrettingene måles ved hjelp av X- og Y-komponentmagnetometrene og X- og Y-komponentakselerometrene.

Avlesningene av disse følere kan således benyttes ved standard geometriske transformasjoner til å tilveiebringe redundante verdier av borehullasimut og borehullhelling, og verktøyrotasjon. Verdiene beregnes kontinuerlig og tilveiebringes til borepersonellet.

I det typiske tilfelle benyttes magnetfeltreferanse-systemet i kombinasjon med gravitasjonsfeltreferansesystemet til å tilveiebringe borehull- og boresystemorienteringer. I noen tilfeller, slik som når målet er nærliggende, benyttes bare akselerometerinformasjonen. Under alle omstendigheter er begge informasjoner tilgjengelige som kontroll.

2. Målavstand

Store stykker av magnetisk materiale, såsom magnetisert foringsrør eller borestreng i et borehull, kan skape uregelmes-sigheter i jordens magnetfelt. En uregelmessighet av denne type vil fremtre som et magnetfelt med styrke K overlagret på jordens magnetfelt. Den generelle form på uttrykket for magnetfeltet som funksjon av avstand fra uregelmessigheten er gitt ved :

hvor K er en konstant som er avhengig av sådanne egenskaper som magnetisk susceptibilitet av materialet, M er det magnetiske moment av det magnetiske legeme, og n er nedgangstakten (fall-off rate) med avstanden, r, av legemets magnetiske feltstyrke H.

Derivering av ovenstående uttrykk gir endringshas-tigheten av den magnetiske feltstyrke i forhold til radial posisjon fra det magnetiske legemets sentrum. Den deriverte er:

og uttrykker en vektorstørrelse som kan omtales som gradienten av H, eller grad H, i radialretningen. Ved å danne forholdet H/dH, fremkommer et uttrykk som inneholder bare det magnetiske legemes avstand r og nedgangstakten n. Dette uttrykk er: Dersom to målinger gjøres slik at får man ved divisjon: eller alternativt

Denne utledning indikerer at avstanden r til et observasjonspunkt i rommet fra det magnetiske legeme kan bestemmes ut fra magnetfeltstyrke tatt i tre eller flere punkter langs en i hovedsaken rett linje som representerer avlastnings-brønnens akse, for å bestemme magnetfeltets midlere gradient mellom disse punkter.

Verdiene av H og dH/dr for ovennevnte likninger kan måles ved å benytte to innrettede magnetfeltfølere som forskyves med en fast innbyrdes avstand. For større nøyaktighet kan et gjennomsnitt av de magnetiske feltstyrker målt på to magnetiske følere benyttes for verdien av H. Differansen AH i avlesningene mellom to magnetiske følere dividert med atskillelsen Ar mellom disse gir AH/Ar, som er den midlere gradient av den magnetiske feltstyrke H over atskillelsen og en god tilnærming til dH/dr. I praksis utføres disse målinger kontinuerlig, og representative punkter plukkes fra de registrerte kurver for den riktige komponent.

Idet det henvises til fig. 3, er det der vist et diagram som illustrerer den foregående diskusjon. For å oppnå to målinger av H og AH/Ar for innsetting i ovenstående likninger, er det nødvendig å gjøre minst tre målinger av den magnetiske feltstyrke.

Derfor, for å oppnå Hlr må den magnetiske feltstyrke i punkt a og b måles og middelverdien dannes. Atskillelsen av de magnetiske følere definerer punkter a og b, idet Ar er avstanden derimellom. Tilnærmingen til dHx/dr oppnås ved å dividere differansen mellom de målte feltstyrker i punktene a og b, betegnet Hlr med atskillelsen Ar. For å oppnå H2, beveges de forskjøvne, magnetiske følere til et nytt sted langs den felles akse, idet den føler som tidligere var i punkt a, beveges til punkt b, og den føler som tidligere var i punkt b, beveges til punkt c. På liknende måte som bestemmelsen av Hx, måles den magnetiske feltstyrke i punktene b og c, idet verdien av H2 er middelverdien av de to målinger. Tilnærmingen til dH2/dr oppnås ved å bestemme differansen mellom feltstyrkene i punktene b og c, AH2, og dividere denne størrelse med atskillelsen, Ar. Verdien av r i ovenstående likning (4) finnes på fig. 2 å være r1 = r + 3 Ar/2, og verdien av r2 = r + Ar/2. Målinger vil bli gjentatt med mellomrom etter hvert som følerne fremføres langs en bane for å oppdatere og overvåke tilbakeleggelsen av avstanden. Avstands-nøyaktigheten kan forbedres ved at målingene gjøres med mellomrom som ligger nærmere hverandre, slik at man nærmer seg en kontinuerlig registrering.

Ved å innsette ovenstående bestemmelser i likning (4), fremkommer følgende likning:

som kan forenkles til: og omskrives for å uttrykke avstanden r på følgende måte:

Dersom det antas at Ar/2 er uvesentlig sammenliknet med r, reduseres likningen til: hvor:

Avstanden vil bli uttrykt i hvilke som helst dimensjoner som atskillelsen Ar måles i. Typisk vil det være i fot eller meter.

Så snart avstanden r er bestemt, kan nedgangstakten n fastslås for å indikere karakteren til det magnetiske mål. Verdien av n oppnås ved å løse likningen: eller tilnærmelsesformelen

Man må være klar over at den avstandsmåleteknikk som er beskrevet foran, også kan utføres med en eneste magnetisk føler. Dersom bare én føler benyttes, må målingene av magnetisk feltstyrke korreleres med den avstand ned langs borehullet (Ar-aystanden) i hvilken målingene tas, for å fastslå den atskillelse mellom punktene ved hvilken målingene utføres. Dette kan gjøres ved å opphenge føleren i en kabel som er merket for å indikere dens lengde. Atskillelsen er nødvendig for å tillate magnetfeltets midlere gradient, AH/ Ar, å bestemmes.

Det skal påpekes at avstandsmåling med en eneste magnetisk føler på grunn av praktiske spørsmål ikke kan bli så nøyaktig som med to følere med fast atskillelse og kjent innretting i forhold til hverandre. Mest viktig av de praktiske begrensninger på benyttelse av en eneste føler er den manglende evne til å være sikker på at føleren er likt orientert på alle målesteder. Det er en grunnleggende forutsetning for avstands-måleteknikken at feltstyrkemålingene utføres langs en rett linje og at magnetfeltfølerne ikke endres i orientering. Dersom dette ikke er tilfelle, må passende geometriske modifikasjoner gjøres.

Selv om ovenstående teori holder stikk, forbedres nøyaktigheten og påliteligheten ved anvendelse dersom magnetfel-tenes komponenter måles langs innbyrdes ortogonale akser som er permanent innrettet langs borehullets akse.

3. Målretning

Magnetiserte strukturer med forskjellige dimensjoner og konfigurasjoner frembringer magnetfelter med et karakteristisk utstrålingsmønster. For eksempel vil en magnetisert, langstrakt struktur som danner en magnetisk dipol, ha magnetiske flukslinjer som stråler ut fra én ende til den andre. Dersom imidlertid strukturen er tilstrekkelig lang og observasjonspunktet flyttes nær opp til den ene ende, vil det magnetiske legeme gi inntrykk av å være et legeme med en eneste pol med utad radialt rettede flukslinjer som strekker seg fra den langstrakte, magnetiske struktur. I praksis reduseres de fleste situasjoner til disse enkeltpolkonfigurasjoner som stråler ut fra rørmansjetter eller andre ufullkommenheter. Magnetfeltegenskapene kan utnyttes ved passende deteksjon ved hjelp av magnetfeltfølere, med riktig tolkning av målingene og kjennskap til jordens magnetfelt, for å bestemme retningen til det magnetiske legeme fra ett eller annet punkt i rommet.

Én situasjon som man står overfor ved underjordisk retningsboring, innebærer et brønnforingsrør eller en borestreng-lengde som utgjør det magnetiske legeme som skal detekteres, slik som på fig. 1. Når den langstrakte konfigurasjon danner en dipol og observasjonspunktet i rommet er beliggende i et fjerntliggende punkt langt fra strukturen, vil det magnetfelt som utstråler fra denne, synes å være et radialt rettet felt, som vist på fig. 4 og fig. 5, idet styrken er gitt ved H = KM/r<2>. Ved utnyttelse av et sett på tre magnetiske følere som er anordnet ortogonalt, kan jordens magnetfelt og målets magnetfelt detekteres og uttrykkes som tre komponenter. Da jordens magnetfelt kan bestemmes i et område som ikke er påvirket av målet, kan dets bidrag i avlesningene til de tre følere subtraheres bort, slik at bare komponentverdiene av målets magnetfelt i det koordinatsystem som er definert ved de ortogonale, magnetiske følere, blir tilbake. Komponentverdiene kan oppløses ved benyttelse av konvensjonelle vektoranalyseteknikker for å gi en indikasjon på retningen til målets magnetiske legeme.

Idet det henvises til fig. 6, er det der vist et illustrerende diagram av et magnetisk mål og det koordinatsystem som er definert ved en magnetisk føleinnretning, som er egnet til å tjene som et eksempel på hvilket teorien og metoden for bestemmelse av målretning kan anvendes. Koordinataksesystemet som er definert ved de tre ortogonale, magnetiske følere, har sine tre akser betegnet som X', Y<1> og Z1 . Den horisontale X'-akse og den hellende, ikke-vertikale Y'-akse står normalt på borehullets akse som er Z'-aksen. Som følge av borehullets skråretning (sigma), er det koordinataksesystem som er dannet av de ortogonale, magnetiske følere, dreid om X'-aksen, og selv om de har felles origo, er magnetføler-koordinatsystemet og overflate-koordinatsystemet ikke sammenfallende.

De magnetfeltfølere som er knyttet til X'-, Y'- og Z'-aksene, vil måle feltstyrkekomponentene av det totale magnetfelt (dvs. jorden og målet). De målte komponentfeltstyrker av målfeltet vil bli omtalt som Hx', Hy' og H2' . Diagrammet på fig. 6 vil også tjene som et vektordiagram hvor referansebeteg-nelsene Hx' , Hy' og Hz' indikerer relative magnetfeltkomponenter som kan tilskrives målets magnetiske legeme.

Med de magnetiske følere fremdeles i en betydelig avstand fra målet, slik at det ikke er noe bidrag på grunn av målets magnetfelt til de målte komponentverdier, kan jordens magnetfeltkomponenter i X', Y', Z'-koordinataksesystemet bestemmes. Selv om jordens magnetfelt har en gradient, er det så svakt at det kan betraktes som ubetydelig, og dets feltstyrke behandles som en konstant. Etter hvert som målets magnetfelt blir målbart ved fremføringen av de magnetiske følere ned langs det forskjøvne borehull, kan de målte jordmagnetfeltkomponenter subtraheres fra totalfeltets komponenter som detekteres av følerne, slik at bare komponentene på grunn av målfeltet etterlates i X', Y', Z'-koordinatsystemet.

Når man kjenner komponentene av målfeltet, kan målets beliggenhet i forhold til X', Y', Z'-koordinatsystemets origo bestemmes.

En fullstendig beskrivelse av komponentene av jordens magnetfelt, He, i de aksiale og radiale retninger kan beregnes for hvilken som helst dybdebeliggenhet av de magnetiske følere i det underjordiske borehull. For å formulere denne beskrivelse, er det nødvendig med kjennskap til den totale feltstyrke, HT, og fallvinkelen <J>, av jordens magnetfelt på det spesielle sted på jorden hvor borehullet skal bores. Den totale feltstyrke og fallvinkelen kan oppnås fra U.S. Navy Hydrographics Office.

Det er også nyttig å kjenne hellingsvinkelen a fra vertikalen, og retningen 0, fra magnetisk nord, for de forskjellige borehulldybder av interesse. Denne informasjon oppnås før man tar magnetfeltmålinger med den underjordiske, magnetiske føleinnretning. Alternativt kan en bestemmelse av borehullretning og avvikelse fra vertikalen, omtalt som inklinasjon eller helling, på forskjellige dybder oppnås ved hjelp av en samtidig oppmåling som utføres ved hjelp av akselerometre i forbindelse med den magnetiske måling. Borehullets kurs og retning er da bestemt. Med ovennevnte informasjon kan komponentverdiene av totalfeltet, HT, i X'-, Y'-, Z'-koordinataksesystemet uttrykkes ved likningene:

De forutsagte verdier av jordens magnetfelt i X, Y, Z-koordinatsystemet kan benyttes til å kontrollere riktig drift av de magnetiske følere. Videre kan avvikelser fra de forutsagte verdier benyttes til å indikere tilstedeværelsen av et magnetisk mål.

For å illustrere ovenstående likninger, antas at jordens magnetfelt, He, er 43,168 gamma og fallvinkelen er 37,6°. Videre antas at borehullets retning er 35,5° og borehullets helling er 38,9°. Ut fra ovenstående likninger, med HT = He, er jordens feltkomponent målt ved hjelp av X'-aksens magnetiske føler lik 18,877 gamma. Komponenten målt ved hjelp av Y'-aksens føler er 38,736 gamma, og komponenten langs Z'-aksen er 2,575 gamma. For å kontrollere disse verdier, kan de sammensettes til en resultant i overensstemmelse med det matematiske uttrykk HT = Vhx2 + Hy<2> + H2<2>. Innsetting av ovenstående verdier gir jordfeltet på 43,168 gamma, slik det skulle.

Idet det fortsatt henvises til diagrammet på fig. 6, kan asimutkorreksjonsvinkelen 9C og hellingskorreksjonsvinkelen ac bestemmes ut fra de magnetiske feltstyrkekomponenter Hx', Hy' og Hj,' som måles ved hjelp av de ortogonale, magnetiske følere. Idet det antas ingen rotasjon av koordinataksesystemet om Z'-aksen, kan asimutkorreksjonsvinkelen Øc bestemmes som følger:

Hellingskorreksjonsvinkelen ac kan bestemmes som følger:

Dersom rotasjon av X', Y', Z'-koordinataksesystemet forekommer, vil det ikke være noen endring i Hz' . Verdiene av Hx' og Hy' vil imidlertid bli påvirket. Vektordiagrammet på fig. 6 illustrerer følgende beregning som tilveiebringer korrigerte verdier for komponentverdiene Hx' og Hy' . De korrigerte verdier benyttes i ovenstående likninger for asimutkorreksjonsvinkelen @c og hellingskorreksjonsvinkelen ac. I diagrammet på fig. 7 og de etterfølgende beregninger representerer x koordinatakse-systemets rotasjonsvinkel. Ut fra diagrammet og idet man begynner med uttrykket:

som kan skrives som og forenkles til kan det vises at den korrigerte verdi er Videre kan det lett innses at

Resultanten R i vektordiagrammet på fig. 6 må ikke sammenblandes med avstanden r som bestemmes i overensstemmelse med den avstandsmåleteknikk som er beskrevet foran. Resultanten R angår bare retningen (directionality) av det detekterte magnetiske mål, og dens størrelse indikerer bare den totale målfeltstyrke. Verdien av feltet kan beregnes i overensstemmelse med:

Den foregående beskrivelse av målretningsbestemmelse har vært gitt med hensyn til deteksjon av statiske magnetfelter. En alternativ metode kan imidlertid benyttes dersom et tidsvarierende magnetfelt kan etableres rundt målet. For å etablere et tidsvarierende magnetfelt, magnetiseres et brønnforingsrør eller liknende med en vekselstrøm. Det felt som skriver seg fra denne type magnetisering, vil, dersom det fremstilles i diagramform, fremkomme som en rekke konsentriske ringer som stråler ut fra målkilden. Feltets sirkulære flukslinjer vil være rettet i overensstemmelse med den velkjente "høyrehåndsregel". Den frembrakte feltstyrke vil gå ned eller avta med en hastighet som er omvendt proporsjonal med avstanden fra målkilden, dvs. H = Kl/r.

Et sett følere for avføling av et vekslende eller tidsvarierende magnetfelt og som er innrettet med det tidligere beskrevne verktøykoordinatsystem, benyttes til å detektere det tidsvarierende magnetfelt og måle retning og avstand til målet. Når de plasseres i det tidsvarierende magnetfelt som er beskrevet foran, vil komponentverdiene bli benyttes til å bestemme verdien og orienteringen av tangentvektorene. Retningen til målet ville stå normalt på dette sett av vektorer, og de således målte feltverdier og gradienter ville bli benyttet til å bestemme avstand i overensstemmelse med de her beskrevne gradient-avstandsmåleteknikker.

Selv om ovennevnte metode har vist seg å være effektiv, har man funnet at korreksjonsvinkelen kan beregnes raskt ved å benytte differanser i det radiale magnetfelt over en avstand. Korreksjonsvinkelen fra verktøyretningen er blitt funnet å approksimeres ved hjelp av uttrykket:

Slik som foran angitt, kan verktøyorienteringen i forhold til magnetisk nord uttrykkes som:

Målretningen kan således uttrykkes som: En eneste illustrasjon indikerer lettheten av bereg-ningen. Idet det henvises til fig. 8, illustrerer denne figur Hx, Hy. Ved en dybde på 1891 fot er Hy vist å være -1300 gamma og Hx er -1600 gamma fra deres respektive basislinjer, og

Retningen til utblåsningen er således 312° - 180° - 39° = 93°

De 180° tar i betraktning det faktum at målets polaritet er negativ.

På liknende måte som de gradient-avstandsmåleteknikker som er omtalt foran, kan to magnetiske følere i både X- og Y-aksene være innbyrdes atskilt en bestemt avstand r for å tilveiebringe en konstant avstand over hvilken Hx og Hy måles.

Disse føleres differanser er

Dividert med avstanden r uttrykkes differansene som:

Ovenstående uttrykk for målretning kan uttrykkes som:

4. Bane til skjæring

Slik som foran angitt, kan X'-, Y'- og Z'-komponentene av magnetfeltet måles uavhengig, idet X' - og Y'-komponentene står perpendikulært på hverandre og perpendikulært på Z '-komponentene. I stedet for å oppløse alle tre komponenter til en eneste vektor for å gi retningen til målet, kan imidlertid X- og Y-komponentene oppløses uavhengig for å tilveiebringe en total, radial vektor som indikerer styrken til magnetfeltet i et plan perpendikulært på borehullets lengdeakse.

Idet det nå henvises til fig. 9, viser denne figur responsen til de forskjellige statiske feltmagnetometre på to poler med motsatt polaritet, slik de kunne påtreffes når avlastningsbrønn-borehullet passerer nær en rørstreng i en utblåsningsbrønn. Polene kan finnes ved suksessive rørforbin-delser. Med henblikk på plottingene (kurvediagrammene) og den

etterfølgende beskrivelse konstrueres og benyttes de statiske ; feltmagnetometre på en slik måte at når magnetometerets akse rettes mot en nordpol, såsom jordens nordpol, er følerens elektriske utgangssignal positivt.

Idet det igjen henvises til fig. 9, er jordens magnetfelt blitt overlagret på målfeltresponsene som er frembrakt av 1 nord- eller sydpolene. De aksiale gradientresponser går i samme retning uten hensyn til posisjon nord eller syd for målet og identifiserer en nordpol og en sydpol. Som vist ved hjelp av kurvene, er imidlertid det totale radialfelt nord for målet blitt

redusert i rommet nær nordpolen, og det totale felt syd for målet

< er blitt øket. Det motsatte gjelder for sydpolen. Dersom et borehull var i ferd med å bli boret i retning mot målet i hovedsaken langs øst/vest-linjen i den ene eller den andre retning og borehullet var beliggende nord for målet, ville

således de totale, radiale komponenter være mindre som respons 1 på nordpolen enn den radiale komponent av jordens magnetfelt. Dersom borehullet var beliggende syd for målet som inneholdt en nordpol, ville den totale, radiale komponent være større enn den radiale komponent av jordfeltet. Legg merke til at når det

"gradiometer" som består av Zx- og Z2-aksialmagnetometre,

<>> befinner seg i et borehull og passerer rommet nær en nordpol, vil spissresponsen av AHZ med følerpolaritetskonvensjon som beskrevet, opptre når de følere som måler Hzl og Hz2, er sentrert om posisjonen av den nærmeste tilnærming til nordpolen og

ovennevnte spissrespons er negativ.

) Den aksiale gradientrespons indikerer således målets polaritet i en gitt beliggenhet, og en sammenlikning av den radiale responseffekt på jordens magnetfelt med den aksiale gradientrespons vil indikere hvorvidt borehullet ligger nord

eller syd for målet.

> Selv om sammenlikning av den aksiale gradient med effekten av jordens magnetfelt på det totale magnetfelt er én måte for bestemmelse av hvorvidt borehullet ligger nord eller syd for målet, er en raskere og enklere måte ganske enkelt å avsette den totale, radiale komponent som funksjon av dybden sammen med

aksial gradient som funksjon av dybden. Fig. 8 viser denne avsetning eller plotting. Når de to kurver, den ene for den totale, radiale og den andre for den aksiale gradient er i fase, dvs. når begge indikerer enten positiv eller negativ respons, ligger borehullet syd for målet. Når den totale, radiale plotting eller kurve er ute av fase med den aksiale gradient, ligger borehullet nord for målet. Dersom denne plotting overvåkes kontinuerlig under boring, kan rettledning gis til retningsboreren om å bore enten mot nord eller sør avhengig av på hvilken side av målet det nærmere-kommende borehull befinner seg. Boreren vil ganske enkelt bore i den motsatte retning idet han benytter informasjonen fra tyngdekraftfølerne og vet i hvilken retning han borer inntil kurvene skifter, dersom de var i fase, inntil de skifter ut av fase, eller dersom de vare ute av fase, inntil de skifter i fase. Boreren vil således vite når han krysser nord/sør-linjen og kan bore tilbake i motsatt retning inntil en avskjæring gjøres.

Den nettopp beskrevne, magnetiske avstandsmålings- og styringsanordning kan også betraktes som et meget nøyaktig retningsoppmålingsinstrument. Etter hvert som verktøyet styres, kan retningsoppmålingsinformasjonen samtidig registreres. Dersom borestrengen benytter en styrbar montasje eller en dobbel, sammenføyd montasje, vil det ikke være noe behov for å stanse boring, fjerne borestrengen og kjøre et retningsoppmålingsinstrument ned i det åpne hull. Følgelig vil mye tid bli spart. En styrbar montasje roteres ganske enkelt når boreren ønsker å bore et rett hull.

B. OPPMÅLINGSSYSTEMAPPARATUR

Et oppmålings- eller kartleggingssystem ifølge oppfinnelsen for implementering av ovenstående teori og teknikker for logging av et borehull og kartlegging av et underjordisk mål omfatter et underjordisk verktøy, overførings- og mottakings-anordninger, og overflateinstrumentering.

Idet det nå henvises til fig. 10 og 10A, er det der vist to alternative utførelser av den underjordiske system-apparatur. Fig. 10 illustrerer en magnetfelt- og gravitasjonsfelt-føleanordning 100 i en vaiertelemetri-konfigurasjon. Fig. 10A viser også magnetfelt- og gravitasjonsfeltføleanordningen 100, men viser dessuten hele det ikke-magnetiske vektrør eller hus 105 i en MWD-slampulstelemetri-konfigurasjon. Begge underjordiske instrumenter omfatter en magnetfelt- og gravitasjonsfelt-føleanordning 100 med magnetfelt- og gravitasjonsfølere og tilknyttede kretser som tilveiebringer nøyaktige, treaksede komponenttype-magnetometre 111, 113 og akselerometre 119, 120, 121 som er i stand til å detektere meget svake magnet- og gravitasjonsfelter og nøyaktig bestemme borehullets orientering.

I den vaierverktøykonfigurasjon som er vist på fig. 10, kan magnetfelt- og gravitasjonsføleanordningen nedsenkes i et vektrør som likner på det som er betegnet med 105 på fig. 10A. Verktøyet 100 vil bli nedsenket på plass ved hjelp av vaieren 106, slik det skal beskrives nærmere nedenfor. I MWD- eller slampulskonfi-gurasjonen som er vist på fig. 10A, er verktøyet 100 innebygget i vektrøret 105 som kan være forsynt med en sideinngangsport og en vaierforbindelse som likner på den på fig. 10. I MWD- eller slampulskonf igurasj onen vil imidlertid vaieren bli benyttet bare til å oppnå en utlesning av informasjon som kan være lagret i hukommelsen i borehullet, i det tilfelle at kombinasjonsslampuls-og oppmålingssubben 105 blir sittende fast. Anordningen av magnetometrene tillater måling av tre magnetiske feltkomponenter samtidig på to forutbestemte steder i instrumentet. Akselerometrene og magnetometrene tilveiebringer kontinuerlige signaler som digitaliseres og multiplekses til en eneste signalstrøm og overføres opp gjennom borehullet til overflaten ved hjelp av passende telemetri, såsom vaier- eller slampulsing. Magnetfelt-og gravitasjonsfølerne er innrettet til å stå alene eller å benyttes i kombinasjon med én eller flere formasjonsvurderings-eller korrelasjonsanordninger som er tilveiebrakt som moduler. For eksempel kan anordninger som tilveiebringer formasjonsopp-målingssignaler, såsom permeabilitet, temperatur, radioaktivitet, ledningsevne, resistivitet, nøytrontetthet og ultralyd, være innlemmet i eller sammen med verktøyet for å forsyne boreperso-nell med ønskede formasjonsparametere. Dessuten kan informasjon angående borestrengdynamikk, såsom vekt på borskjær, vridnings-moment og borestreng-harmoniske, avføles nede i borehullet og telemetreres til overflaten.

Forskjellige anordninger benyttes for å måle resistivitet avhengig av den type måling som kreves. Direkte resisti-vitetsmålinger utføres ved å føre en elektrisk strøm inn i formasjonen. Induksjonsmålinger utføres ved å drive vekselstrøm med høyere frekvens gjennom senderspoler, og dermed indusere sekundær strømgjennomflyting i formasjonen, hvilket på sin side frembringer felter med styrker som er en funksjon av forma-sjonsledningsevnen, og som detekteres ved hjelp av mottakerspo-ler. De mottakerspolemålte parametere er proporsjonale med formasjonens ledningsevne.

Den direkte resistivitetsmåling kan også benyttes der hvor boreslammet er mer ledende, eller saltholdig, i motsetning til induksjons- eller ledningsevnemålingen som er mer effektiv i oljebasert slam. Avhengig av de tilstander som forventes eller påtreffes, kan kombinasjonsverktøyet være forsynt med muligheter for å måle den ene eller den andre eller begge deler. Der hvor begge benyttes, tilveiebringer sammenlikning av dataene informasjon angående profiler av formasjonen og meget god informasjon angående vannmetning. Når denne informasjon korreleres med informasjonen fra akselerometrene og magnetometrene i verktøyets styrings- og retningsoppmålingskomponent, fremkommer en enda mer nøyaktig profil av formasjonen. Og virkelig vertikal formasjons-tykkelse og virkelig vertikal dybde (TVD = true vertical depth) kan lettvint fastslås.

Med tilføyelse av elektromagnetiske sendere og mot-takere til verktøyet som har atskilte mottakerantenner, på kjente og konstante avstander fra sendeantennene, kan formasjonen logges ved å utsende elektromagnetiske bølger og måle eller utlede resistiviteten ut fra forskjellen i fase mellom de to signaler ved de mottakende antenner. Et resistivitetsloggingsverktøy med elektromagnetisk bølgeforplantning virker godt med mange slamtyper, har meget god oppløsning, og krever mindre ikke-ledende materiale enn mange andre loggingsverktøy. Disse følere kan innbygges i et stålvektrør uten behov for et ikke--magnetisk materiale. Mottakerkomponenten vil være en dobbelt-kanal-superheterodynmottaker med en meget stabil fasedetektor. Både senderen og mottakeren er grensesnittkoplet og forbundet med den multipleksende og digitaliserende innretning for telemetri til overflaten. De faseforskjeller som detekteres nede i borehullet, telemetreres til mikroprosessorinnretningen på overflaten, og informasjonen behandles der ved hjelp av numeriske analyseteknikker for å utlede formasjonens resistivitet som, slik som beskrevet foran, er meget nyttig ved leting etter hydrokarbo-ner. Slik som med de forskjellige andre formasjonsvurderings-teknikker som er beskrevet her, kan denne spesielle teknikk med elektromagnetisk bølgeforplantning benyttes både med elektriske vaieranordninger og med MWD- eller slampulstelemetrisystemer, og den kan også kombineres etter ønske med andre formasjonsvurder-ingsteknikker for korrelasjon.

En annen mulig modul for kombinasjonsverktøyet ville omfatte en høyenergi-gammastrålekilde og gammastråle-deteksjonsanordning. Graden av spredning av gammastrålene er proporsjonal med elektrontettheten og følgelig med formasjonens romvekt, og formasjonens porøsitet kan beregnes.

Enda en annen modul for verktøyet ville tilveiebringe en høyenergi-nøytronkilde og en deteksjonsanordning for nøytroner med lav energi. Nøytronene spretter tilbake fra tunge atomkjerner med høy energi, men mister energi når de kolliderer med lette hydrogenkjerner. Lavenergi-nøytronene som detekteres ved verktøyet, er proporsjonalt relatert til det hydrogen som er til stede i formasjonen, eller sagt på en annen måte, er proporsjonale med det vann og hydrokarbon som er inneholdt i porøsiteten. De er således en meget god porøsitetsmålingsindikator.

Tetthets- og nøytronporøsitetsmålingene kan utføres samtidig og sammenliknes. På grunn av at de to målinger gir forskjellige responser i forskjellige litologier og på tilstedeværelsen av leire og gass, eller vann og hydrokarbon, vil en sammenlikning tillate bestemmelse av sammensetningen av litolo-gien og formasjonens innhold av leire og gass, eller vann og hydrokarbon, og vil videre gi en mer nøyaktig porøsitetsmåling.

Det kan også være ønskelig å innlemme en modul for deteksjon av formasjonens naturlige gammastråling. For eksempel inneholder skiferleirer kalium med radioaktive isotoper og tilveiebringer således et konsekvent maksimum. Normale sandsteintyper og karbonater oppviser liten eller ingen radioaktivitet, og glimmerholdige eller leireholdige sandsteintyper eller karbonater kommer inn imellom. Den naturlige gammastråling som detekteres, tilveiebringer derfor en korrelasjon for andre målinger.

De ovennevnte formasjonsvurderings- eller oppmålingsanordninger kan enten innlemmes i verktøyets hus, eller indi-viduelle moduler eller oppmålingsanordninger kan monteres i en separat delmontasje (sub) eller et separat vektrørhus og stables for å tilveiebringe det ønskede informasjonsutvalg. Passende forbindelser vil være tilveiebrakt for å knytte disse følere i separate delmontasjer til mikroprosessoren, multiplekseren og digitalisatoren for telemetri til overflaten.

Signaler fra alle de nevnte oppmålingsanordninger vil bli digitalisert og multiplekset for overføring til signal-behandlingsutstyret på overflaten, og det kan være sørget for foranstaltninger for at oppmålings- eller inspeksjonsanordningene skal motta styresignaler fra overflaten.

Som nevnt vil passende telemetrimetoder, under de forhold som vanligvis påtreffes, være elektrisk vaier- eller slampulsing. Ved noen anvendelser, såsom situasjoner med ytterst rask boring som benytter en MWD-konfigurasjon, vil slampulstelemetri muligens ikke være tilstrekkelig på grunn av det volum av data som kreves overført for magnetisk avstandsmåling, særlig når magnetisk avstandsmåling kombineres med flere formasjonsvurderingsmålinger. Et raskere telemetrialternativ i forhold til den forholdsvis langsommere slampulstelemetri, i motsetning til en elektrisk ledning, vil være å akkumulere data i en hukommelse i borehullet. Med tidsinnstilte mellomrom kunne boringen stanses forbigående og en elektrisk ledning kjøres ned for å danne en midlertidig våt-forbindelse for å gjenvinne dataene. Dette ville tilveiebringe nesten sanntids utlesning av de innsamlede data.

En alternativ telemetrimodus kunne utnytte en elektrisk ledning som kjøres langs siden av borerøret og som kunne gå inn gjennom en sideinngangssubb for å danne en våt-forbindelse ved toppen av kombinasjonsverktøyet.

Overflateinstrumenteringen tilveiebringer databehand-lingsutstyr for dekoding og manipulering av de data som oppnås ved hjelp av den underjordiske instrumentering. En mottaker og et grensesnitt er tilveiebrakt for dekodingen av det multiplek-sede signal og tilføyelse av et dybdesignal. Det er sørget for en datamaskin i hvilken dataene lagres og behandles. Behandlingen av dataene skjer i overensstemmelse med forutbestemte programmer som håndterer dataene for å beregne borehullsorientering og avstand og retning til det underjordiske mål. Registrerings-, skrive-, plotte- og fremvisningsutstyr er tilveiebrakt, slik at målte og beregnede verdier kan overvåkes kontinuerlig og i sann tid.

1. Underjordisk feltføleutrustning

a. Generelt

Det underjordiske instrument er konstruert for å detektere statiske og tidsvarierende magnetfelter såvel som jordens gravitasjonsfelt. For å tilveiebringe denne mulighet, omfatter instrumentet flere følere for å tilveiebringe et system for avføling av et likestrømsfelt eller statisk magnetfelt, og et system for avføling av et vekselstrømsfelt eller tidsvarierende felt, og et gravitasjonsfeltfølesystem. Når statiske magnetfelter skal detekteres, hvilket omtales som den passive driftsmodus, utnyttes instrumentets system for avføling av statisk magnetfelt. Ved drift i den aktive modus, slik som når tidsvarierende felter skal detekteres, utnyttes systemet for avføling av et tidsvarierende felt. Det gravitasjonsavfølende og statisk magnetfeltavfølende system benyttes i begge moduler for borehull- og verktøyorientering.

Likestrøms-magnetfeltfølesystemet omfatter i prinsipp to treakse-magnetometre som definerer X, Y, Z-koordinatsystemer. X-, Y- og Z-aksene er innrettet med X- og Y-aksene vinkelrett på instrumentets lengdeakse og Z-aksen liggende langs instrumentets lengdeakse. De to magnetometre er innbyrdes atskilt en forutbestemt avstand i instrumentet, slik at magnetfeltkomponentene langs X-, Y- og Z-aksene kan måles og differansene dannes, slik at gradienten av hver komponent kan beregnes. Ved benyttelse av denne informasjon kan avstanden og retningen til det detekterte mål bestemmes ved hjelp av den foran beskrevne metode.

Systemet for avføling av et tidsvarierende felt omfatter en triaksial pick-up- eller oppfangerspole som er montert nær og innrettet med de to triaksiale magnetometre, eller alternativt tre ortogonale oppfangerspoler som er innrettet i instrumentet på samme måte som de to magnetometre. Det tidsvarierende felt etableres ved hjelp av en elektrode som er festet inne i og gjennom borerøret i en avstand over føleren, og som injiserer strøm inn i det jordvolum som omgir borestrengen og inneholder målet. Tilstrekkelig effekt for strøminjiseringen er tilgjengelig fra en slamdrevet turbingenerator som må tilveiebringe en spenning i det minste i området 100 V målt topp til topp, ved noen få ampére strøm. Elektroden er isolert fra borestrengen, og boremontasjen er isolert i en viss avstand, så mye som 60 m, over elektroden. Alternativt etableres det tidsvarierende felt eller vekselstrømsfeltet ved å injisere strøm inn i målbrønnen uten behov for å isolere boremontasjen. Målbrønnen er isolert fra returbanen som kan være en annen brønn eller et jordingselektrodesystem som er isolert fra målbrønnen.

Magnetisering av målet ved hjelp av strøm frembringer et sirkulært magnetfelt rundt målet. I borehullsmåleverktøyene avstemmer de kretser som er knyttet til oppfangerspolene, hver oppfangerspole til den forutbestemte frekvens av den strøm som injiseres i målet. Følerne for det tidsvarierende felt eller vekselstrøms-magnetfeltet kan deretter benyttes til å detektere den tidsvarierende komponent av dette felt og bestemme avstand og retning til målet.

Gravitasjonsavføling tilveiebringes ved hjelp av minst to akselerometre med sine akser innrettet med magnetometeraksene, dvs. akselerometrene er innrettet vinkelrett på hverandre og parallelt med magnetometrenes akser.

En kraftforsyning tilveiebringer de nødvendige spen-ninger for følerne såvel som de senere signalforberedelses- og overføringskomponenter. Det analoge utgangssignal fra hver av følerne koples til en analog multiplekser som på sin side er koplet til en analog/digital-omformer. Den digitale informasjon overføres deretter ved hjelp av en mikroprosessor til et modem som overfører signalet til overflaten på et telemetrisystem med en eneste ledervaier eller et slampulstelemetrisystem.

b. Mekanisk konfigurasjon

Hovedforskjellen mellom de to versjoner av verktøyet 100 er at vaierverktøyet, som vist på fig. 10, vanligvis er konstruert for å installeres og gjenvinnes i et vektrør ved hjelp av vaieren 106, og også er konstruert for å utnytte vaieren 106 for telemetrering av informasjon fra følerne i borehullet til overflaten. I motsetning til vaierkonfigurasjonen tilveiebringer slampulsverktøyet som er vist på fig. 10A, et magnetfelt- og gravitasjonsinstrument 100 som er innebygget i et ikke-magnetisk vektrør 105 som er installert akkurat slik som hvilket som helst annet vektrør ville være, i borestrengen med verktøyet 100 på plass. På grunn av at verktøyet 100 som vist er innebygget i vektrøret, vil det ikke være noe behov for at vaieren skal nedsenke eller gjenvinne verktøyet, og det vil ikke være noe behov for kilesporet 103, nesekonusen 104 eller noen annen foranstaltning for innkopling i en eselskosubb.

Idet det igjen henvises til fig. 10 og 10A, er det på fig. 10 vist et tverrsnittsriss av én utførelse av en underjordisk feltføleinnretning som er omtalt som verktøyet 100 og har en i hovedsaken sylindrisk og langstrakt utforming. Den etterføl-gende beskrivelse av verktøyet 100 og dets indre komponenter gjelder generelt for begge telemetrikonfigurasjoner, dvs. vaier-og MWD- eller slampulskonfigurasjonene. Verktøyets legemsparti omfatter et rørformet, ytre hus 102 av ikke-magnetisk materiale, fortrinnsvis et ikke-magnetisk, rustfritt stål, med en nesekonus 104 ved den nedre ende og et koplingsstykkehus ved den øvre ende. Nesekonusen 104 omfatter en adapter med på denne anordnede gjenger som tilveiebringer en anordning for feste av nesekonusen 104 til huset 102. En alternativ utførelse ville tilveiebringe en nesekonusadapter som sørger for forbindelse med ytterligere delmontasjer eller subber som ville være montert i borestrengen under magnetfelt- og gravitasjonsoppmålingssubben. Ved tilveiebringelse av en sådan elektrisk forbindelse kan de forskjellige oppmålingsanordninger som er blitt beskrevet foran, forbindes eller sammenknyttes med de multipleksende og digitaliserende anordninger og telemetrisystemet for overføring av informasjon til overflaten. Alternativt kunne de forskjellige anordninger være innebygget i én subb eller ett vektrør som er forsynt med en eselskokopling for låsende forbindelse med magnetfelt- og gravitasjonsoppmålingsverktøyets 100 hus 102. Tetninger 101, såsom 0-ringer eller høytrykkstetningsringer, er anordnet for tetning av verktøyet mot omgivelsene i borehullet. På verktøyets hus 102 er det anordnet et kilespor 103 som passer sammen med kilesporet eller tappen i orienteringssubben eller vektrøret 16 i borestrengen 23, og som fester verktøyet i forhold til borestrengen (fig. 2, 2A, 10). Verktøyet holdes på plass i et ikke-magnetisk vektrør 16 over tappen ved hjelp av den riktige mellomstykkelengde.

Elektronikken for verktøyet 100 er innkapslet i det ytre hus 102 av begge utførelser av verktøyet. De forskjellige føleanordninger og tilknyttede kretskort bæres på en ramme 112 som passer inn i og strekker seg i hovedsaken langs hele lengden av huset 102. Når oppmålingen eller inspeksjonen utføres i forbindelse med f ormas jonsvur der ings verk tøy, såsom verktøyene for måling av resistivitet, ledningsevne eller radioaktivitet, innføres denne ramme i et hus som er konstruert for å holde på plass alle verktøy. To triaksiale magnetometre 111 og 113 er montert på hver ende av rammen 112 for å tilveiebringe maksimal atskillelse. De triaksiale oppfangerspoler 115 og 117 for det vekslende magnetfelt er også montert ved den øvre og nedre ende av rammen 112. Tre akselerometre 119, 120 og 121 er montert sentralt på rammen.

Idet det nå henvises bare til fig. 10A, er det der vist en MWD- eller slampulstelemetriutførelse av kombina-sjonsverktøyet. Fig. 10A viser en ikke-magnetisk subb eller et vektrør 105 med gjenger 107 ved begge ender av vektrøret for gjenget innkopling i borestrengen. De på fig. 10A viste piler 109, som peker i en generelt nedadrettet retning, illustrerer retningen av slam- eller fluidumstrøm ned gjennom borestrengen. Slampumpene på overflaten pumper slammet ned gjennom borestrengen inn i oppmål ings subbens 105 øvre ende 118, og forbi slampulssenderen (mud pulser) 127. Slampulssenderen 127 omfatter et ventilsete 129 og en ventil 128 som påvirkes som reaksjon på signaler fra oppmålings-mikroprosessorinnretningen i borehullet. Påvirkning av ventilen 128 for plassering mot ventilsetet 129 lukker fluidum- eller slampassasjen som sender et trykksignal gjennom fluidumsøylen til overflaten. På denne måte kan den informasjon som er innsamlet av de foran beskrevne borehulls-følere, multiplekses og digitaliseres og overføres til overflaten ved hjelp av slampulstelemetri. Slik som tidligere beskrevet, er det også mulig å tilveiebringe en slampulsmottakende anordning i borehullet som kan motta slampulsede signaler fra overflaten slik at signaler kan sendes fra overflaten ned til styrings-, avfølings- og oppmålingsinnretningen.

Idet det henvises til fig. 10A og fluidumstrømmen av boreslam, er det inntegnet en turbin 135 som drives av fluidum-strømmen gjennom borestrengen. Turbinen 135 er ved hjelp av en aksel 136 koplet til en generator 137 som tilveiebringer effekt i borehullet. Effekt fra generatoren kan benyttes til å lade eller gjenopplade borehullsbatterier dersom verktøyet er slik utstyrt, og er også tilgjengelig for å drive styrings-, av-følings- og oppmålingsinnretningen, og er tilgjengelig for strøminjiseringen nede i borehullet for formasjonsvurdering.

Når fluidumet 109 strømmer gjennom turbinen, passerer det deretter mellom de tomrom som er tilveiebrakt mellom vektrørets 105 innervegg og overflaten av det ytre hus 102 som omgir mikroprosessoren, multiplekseren, digitalisatoren og magnetfelt- og gravitasjonsoppmålingsanordningene i borehullet. På fig. 10A er verktøyet 100 som vist montert inne i vektrøret 105. Hver ende av verktøyet 100 er plassert i det indre av vektrøret 105 og holdes sikkert på plass ved hjelp av festekom-ponenter 133 som er beliggende ved ytterendene av det sylindriske hus 102. En rekke forskjellige konfigurasjoner er mulige for holderne 133, og viktige faktorer er at koplingsstykkene tilveiebringer en sikker og ubevegelig understøttelse for verktøyet 100 i vektrøret 105 og også tillater strømning av borefluidumet eller slammet forbi verktøyet 100 gjennom borestrengen ned mot bunnen av hullet. Slik det skal beskrives nedenfor, kan dette fluidum benyttes til å drive en slammotor for å dreie en borkrone. Et annet hensyn ved utformingen av verktøyet 100 og dets hus 102 og koplingsstykkene 133 i forhold til vektrøret 105, er at ringrommet mellom huset 102 og vektrørets 105 innervegg må tillate tilstrekkelig strøm av boref luidum, slik at det ikke forekommer noen vesentlige trykkendringer når borefluidumet passerer verktøyet 100.

Borehulls-kombinasjonsverktøyet på fig. 10A er forsynt med en andre subb eller overgang 139 som ved hjelp av ytter-gjenger 157 er gjengeforbundet med innergjenger 158 ved den nedre ende av subben eller vektrøret 105. Den andre subb 139 som er vist på fig. 10A, benyttes til å oppta andre typer av forma-sjonsfølere etter ønske, som vist ved 141. I stedet for det viste arrangement med to subber som er gjengeforbundet, kunne alternativt de ytterligere følere 141 alle være innebygget i et eneste vektrør 105. Fordelen med å bygge alt inn i en eneste enhet ville være at det ville være mindre sannsynlighet for svikt av sammenkoplingen av føleanordningene med telemetriinnretningen, da sammenkoplingen vil bli utført under fremstillingen av enheten, og ikke ville være utsatt for problemer som kunne opptre på feltet. Fordeler med å tilveiebringe separate komponenter for separate følere vil være at verktøyenheter kan settes sammen som moduler for å tilveiebringe oppmålings- og formasjonsvurderings-muligheter etter ønske i et spesielt tilfelle. De gjenger 107 som er vist ved bunnen av fig. 10A, benyttes til å forbinde verktøyet med den nedre del av borestrengen som eventuelt kan inneholde en rekke forskjellige andre vurderingssubber, såsom et borerørsledd eller en styrbar subb, eller med en borkrone i tilfelle av rotasjonsboring, eller med en borehulls-slammotor som ville bli rotert av borefluidumet på liknende måte som den foran beskrevne turbin, bortsett fra at borehulls-slammotoren ville bli benyttet til å dreie en borkrone.

Den mekaniske innstilling av hvert av magnetometrene og akselerometrene er kritisk, ikke bare i forhold til det ytre hus 102, men også i forhold til hverandre. Et X, Y, Z-referanse-koordinatsystem etableres i forhold til verktøyets sentrale akse, idet Z-aksen ligger langs verktøyets 100 akse og X- og Y-aksene står vinkelrett på verktøyets sentrale akse. Z-aksen i hver av de magnetiske føleanordninger, magnetometrene 111 og 113 og oppfangerspolene 115 og 117, må innrettes nøyaktig, eller alternativt kan korreksjon for feilinnretting oppnås ved hjelp av programvare.

Som vist på fig. 10 og skjematisk på fig. 11, kan elektrisk effekt tilføres ved hjelp av den skjermede kraftforsyning via en vaier eller kabel 106 som er forbundet med det bakre koplingsstykkehus. Kabelen 106 kan også overføre de signaler som genereres av føleanordningene, tilbake til overflaten, og kan benyttes til å installere verktøyet i og gjenvinne dette fra borestrengen. Effekt for den underjordiske instrumentering og for strøminjiseringen kan alternativt tilveiebringes ved hjelp av den slamturbindrevne generator 137 i en MWD-konfigurasjon slik som på fig. 10A. Målingene kan alternativt overføres til overflaten ved hjelp av et slampulstelemetrisystem eller lagres i instrumentet for periodisk gjenvinning ved hjelp av kabelen eller vaieren.

Verktøyets slampulstelemetrisystem slik det er vist på fig. 10A, kunne dessuten være forsynt med mulighet for forbin-deise med en vaier i tilfelle verktøyet blir sittende fast. I dette tilfelle kan en vaier kjøres ned gjennom borestrengen for å gjenvinne den informasjon som er lagret i hukommelsen i borehullet. Denne informasjon er meget verdifull og kostbar å oppnå, og en sådan foranstaltning for oppnåelse av informasjonen selv om verktøyet går tapt, ville være meget verdifull.

Vaierkonfigurasjonen slik den er vist på fig. 10, kunne også være forsynt med en i borehullet anordnet hukommelse eller lagerenhet for informasjon i tilfelle det skulle utvikle seg ett eller annet problem med vaieren som hindret telemetri av informasjon til overflaten, men som ikke hindret gjenvinning av verktøyet 100 ved hjelp av vaieren, slik at informasjonen kunne utleses så snart verktøyet var trukket tilbake til overflaten. En temperatursonde og en kraftforsyningsmonitor benyttes for å tilveiebringe informasjon angående tilstanden og stabiliteten av verktøyets oppførsel. Den på fig. 11 viste analoge multiplekser mottar alle signaler og tilfører disse i serieform til analog/digital-omformeren. Det hele står under styring av mikroprosessoren.

Formen og størrelsen av verktøyet 100 er utformet slik at det vil passe inn i et ikke-magnetisk vektrør 16 i borestrengen og tillate tilstrekkelig strøm av borefluidum å passere rundt dette og videre til turbinen 21 og borkronen 22 for effektiv boring av formasjonen (fig. 2, 2A).

Idet det henvises til fig. 13 og 14, er det der vist en utførelse av oppfinnelsen som er generelt betegnet med 130 og som oppnår overføring av elektrisk strøm fra effekt- og styrelederen som er beliggende i borestrengen 23 (fig. 2A), inn i den formasjon som bores. En elektrisk leder 134 strekker seg gjennom borestrengen 132 sammen med vaieren 106 som benyttes til å installere og gjenvinne undergrunnsformasjonsdataverktøyet på fig. 10. Ved lederens 134 nedre ende er det anordnet en langstrakt førings- og låseanordning 138 som rager utover til et sted langs borestrengens indre veggoverflate. Førings- og låseanordningen 138 har gaffeldelt eller todelt form som danner to nedhengende føringsben 140 og 142 og danner en hakebolt-stikkontakt 144 ved sitt divergerende knutepunkt (fig. 14). De nedhengende føringsben har buet form eller spiralform, slik at minst ett av benene vil komme i styrt forbindelse med en elektrisk strømledetapp 146 etter hvert som førings- og låseanordningen beveges nedover sammen med vaieren 106 og verktøyet 100. Den elektriske ledetapp 146 liksom førings- og låseanordningen er understøttet av et isolerende og understøttende element 148. En langstrakt bladfjærdel 150 strekker seg fra ledetappen 146 og har et sentralt parti som buer utover i retning mot formasjonen. Et nedre, elektrisk isolerende koplingsstykke 152 forbinder den nedre ende av bladfjæren eller følerfjæren med borestrengens 132 yttervegg. En formasjonskontaktdanner 154 er festet til føler-fjærens sentrale parti og danner inngrep med formasjonen med tilstrekkelig kraft til å trenge gjennom boreslamkaken og etablere tilstrekkelig elektrisk overføringskontakt med borehullets vegg. Elektrisk strøm, typisk en tidsvarierende strøm, vil bli overført fra lederen 134 i borestrengen gjennom borestrengens vegg og inn i formasjonen for utvikling av et tidsvarierende, elektromagnetisk felt. En sentrerende bladfjær 156 er anbrakt overfor blad- eller følerfjærens 150 forbindelsespunkter for å kontakte borehullet og innføre en sentreringskraft for å hindre feilorientering av borestrengen.

c. Underjordisk elektronikk

Følerne og tilhørende elektronikk tilveiebringer et tilpasset, digitalisert, multiplekset signal som er i stand til å overføres opp gjennom borehullet til overflaten. De to triaksiale magnetometre som benyttes, kan være av typen 7003xx som fremstilles av Tensor, Inc. De to akselerometre kan være Sunstrand modell nr. 979-0150 som fremstilles av Sunstrand Data Control. Ytterligere beskrivelse og virkemåte av fluxgate-magnetometre i alminnelighet er gitt i det innledningsvis omtalte US-patentskrift nr. 4 072 200, fig. 12-15, spalte 19, linje 50 til spalte 23, linje 18. De triaksiale magnetometre har tre manuelt ortogonale føleelementer slik som beskrevet. Videre er beskrivelse og virkemåte av akselerometre i alminnelighet gitt i US-patentskriftene 3 791 043 og 4 083 117.

Følerne for tidsvarierende magnetfelt omfatter langs hver akse en spole i parallell med en avstemningskondensator, slik som beskrevet i spalte 23, linjene 19-37 i forbindelse med fig. 16 i US-patentskrift 4 072 200. Hver av føleanordningene frembringer et analogt signal som representerer størrelsen av den spesielle variable som måles for registrering, utlesning eller beregning, innbefattet: Xx = Statisk magnetisk feltstyrke til magnetometeret 111 langs X-aksen.

Y-l = Statisk magnetisk feltstyrke til magnetometeret 111 langs Y-aksen.

Z1 = Statisk magnetisk feltstyrke til magnetometeret 111 langs Z-aksen.

X2 = Statisk magnetisk feltstyrke til magnetometeret 113 langs X-aksen.

Y2 = Statisk magnetisk feltstyrke til magnetometeret 113 langs Y-aksen.

Z2 = Statisk magnetisk feltstyrke til magnetometeret 113 langs Z-aksen.

ALT X = Vekslende magnetisk feltstyrke til den triaksiale spole 117 langs X-aksen.

ALT Y = Vekslende magnetisk feltstyrke til den triaksiale spole 117 langs Y-aksen.

ALT Z = Vekslende magnetisk feltstyrke til den triaksiale spole 117 langs Z-aksen.

GX = Akselerometeravlesning langs X-aksen fra akse-lerometeret 119.

GZ = Akselerometeravlesning langs Z-aksen fra akse-lerometeret 120.

GY = Akselerometeravlesning langs Y-aksen fra akse-lerometeret 121.

TEMP = Avlesning fra temperaturføler.

PWR = Kraftforsyningsspenning.

2. OVERFLATEUTRUSTNING

Overflateutrustningen kan forklares best i forbindelse med fig. 12 som viser et blokkskjema av overflatesystemet. Det seriekodede signal fra borehullet mottas av et andre modem som dekoder signalet for å benyttes av datamaskinen. En omvandler som er identifisert som dybdehjulkoder, overfører dessuten et digitalisert signal som indikerer verktøyets dybde i borehullet. Dybdesignalet kan lettvint genereres ved hjelp av et hjul over hvilket vaieren passerer før den går ned i borehullet. Innretningen er montert sammen med en lyskilde og en detektor som overfører en puls til datamaskinen for hver hjulomdreining. Datamaskinen omformer deretter omdreiningene til dybde.

Alle de dekodede signaler videreføres til en datamaskin som er programmert i overensstemmelse med det foran angitte teoriavsnitt for å beregne følgende verdier ved benyttelse av de tidligere beskrevne metoder: TOTAI^ = Total magnetisk feltstyrke ved oppløsning av komponentene Xa, Yr og Zx.

TOTAL2 = Total magnetisk feltstyrke ved oppløsning av komponentene X2, Y2 og Z2.

RADIAL = Total magnetisk feltstyrke i et plan vinkelrett på Z-aksen ved oppløsning av X1 og Yx.

GRAD X = Xx - X2/atskillelse

GRAD Y = Yx - Y2/atskillelse

GRAD Z = Z1 - Z2/atskillelse

DYBDE = Vaierposisjon

ASIMUT = Borehullawikelse fra nord

HELLING = Borehullhelling fra vertikalen

TF = Orientering av verktøy front (TF = tool face) i forhold til borehullets høy-side (high side).

De mottatte data og de beregnede data kan utmates på flere måter og/eller lagres ved hjelp av magnetisk lagring etter ønske. En datamaskin av typen COMPAQ" Portable II har vist seg å være meget nyttig og allsidig for databehandling, og mange ekvivalenter eksisterer. Vanligvis, selv etter all signaltilpas-ning, krever de magnetiske data eksperttolkning selv om retnings-dataene ASIMUT, HELLING og TF er umiddelbart nyttige for retningsboringskontrolløren. Dataene gjøres derfor tilgjengelige på separate utganger. De avfølte magnetiske data kan plottes kontinuerlig såvel som registreres på magnetplate eller magnet-bånd for fremtidig behandling. Den øyeblikkelige retning og avstand til målet kan også fremvises eller utskrives. Enhver målt eller beregnet verdi kan dessuten fremvises på en sanntids-skjerm eller kontinuerlig oppdatert skjerm på datamaskinmonitoren. De magnetiske data krever eksperttolkning på grunn av de mange former for magnetfelturegelmessigheter som påtreffes, men verktøyet og overflateutrustningen tilveiebringer muligheter for kontinuerlig å overvåke fremgangen av borehullet etter hvert som det nærmer seg målet.

C. OPPMÅLINGS-SYSTEMDRIFT

Under drift kan borehullsverktøyet være koplet til en vaier som føres over dybdemålingshjulet. Verktøyet nedsenkes deretter gjennom borestrengen hvor det plasseres i det ikke-magnetiske vektrør. Data som mottas og behandles av verktøyet, overføres deretter til den datamottakende og databehandlende utrustning på overflaten ved hjelp av enkeltstående eller flerdobbelte, elektriske vaierledere. Alternativt rommes borehullsinstrumenteringen i et spesialkonstruert MWD-monel-vekt-rør. Vektrøret sammenstilles da i borestrengen og anbringes nær borehulls-slammotoren som roterer borkronen. Effekt tilføres ved hjelp av interne batterier, en tilkoplet vaier, eller fra en intern slamturbingenerator. Målt informasjon telemetreres til overflaten ved hjelp av hydraulisk slampulsoverføring, eller en tilkoplet, elektrisk vaier, enten innenfor eller utenfor borestrengen, eller ved periodisk tilkopling av en elektrisk vaier til en lagerenhet i borehullet, for å motta data som er lagret der. Et alternativt verktøy av MWD-type ville benytte slampulstelemetri- eller minnelagringssystemet.

Det underjordiske verktøy beveger seg sammen med borestrengen ned gjennom borehullet som bores, og oppmålingen eller inspeksjonen utføres. Basert på de data som tilveiebringes av det underjordiske instrument, kontrolleres borehullets kurs. Retningsboringen endres inntil den underjordiske feltføleinnret-ning bestemmer at borehullet er innrettet i den ønskede retning, i retning mot et mål-foringsrør i et utblåsningstilfelle eller bort fra andre brønner når det dreier seg om flere brønner som bores fra en eneste plattform. Dersom den passive modus velges, vil den underjordiske føleinnretning ganske enkelt avføle målets magnetfelt overlagret på jordens magnetfelt.

For å orientere innretningen i forhold til overflatens geografiske koordinater, kan det være nyttig å vite feltstyrken, retningen i forhold til magnetisk nord, og jordmagnetfeltets fallvinkel. Alle disse vil være entydige verdier avhengig av det nøyaktige sted på jordoverflaten hvor boringen skal finne sted. Mye av denne informasjon er tilveiebrakt ved hjelp av oppmålinger eller undersøkelser som er lettvint tilgjengelige innen industrien.

Etter hvert som instrumentet nedsenkes, utføres målinger av magnetfeltstyrkekomponentene. Overflateinstrumenteringen tar imot målingene og tilfører disse til datamaskinen som organiserer og analyserer dataene. I den elektriske vaier-konfigurasjon, når verktøyet blir innkoplet i det ikke-magnetiske vektrør, utmates dataene kontinuerlig og overføres opp gjennom borehullet til overflateutrustningen slik som tidligere omtalt. I MWD-konfigurasjonen utmates dataene kontinuerlig til det hydrauliske slampulstelemetrisystem og overføres opp gjennom borehullet til overflateutrustningen slik som tidligere omtalt. Alternativt lagres dataene i en lagerbank hvor de kan gjenfinnes ved hjelp av et våt-tilkoplet verktøy som befordres av en elektrisk vaier og som er utformet for å ta imot den informasjon som dumpes eller tømmes av lagerbanken i borehullet, eller lagerbanken kan tømmes når vektrøret er gjenvunnet tilbake til overflaten etter at hele borerøret er trukket ut av hullet.

Selv om ingen teknikker er blitt beskrevet i detalj for utførelse av beregningene for måleavstand, målretning og verktøyorientering, kan enhver fagmann på datamaskinområdet programmere en datamaskin for å løse de i det foregående tilveiebrakte likninger og anvende vektoranalyseteknikken sammen med de nødvendige data. Selv om beregningene kan utføres av hvilken som helst kalkulator, kan som foran angitt COMPAQ-datamaskinen eller en tilsvarende maskin benyttes.

Claims

1. Innretning for måling under boring og undersøkelse av et første underjordisk borehull for å bestemme avstanden og retningen til skjæringen med et andre underjordisk borehull med et ferromagnetisk legeme som oppviser mål-magnetfelter, idet innretningen omfatter en mottakende og sendende anordning for utvalgte kommando-, styre- og sanntidsdatameldinger mellom overflaten og et borehulls verk tøy (15; 100) med en lengdeakse, idet verktøyet er montert i et ikke-magnetisk borevektrør (16; 105) for undersøkelse, og vektrøret (16; 105) er montert i en borestreng (23) for måling under boring, idet innretningen videre omfatter en anordning for overføring av elektrisk strøm fra et sted inne i borestrengen til den jordformasjon som bores, og et antall følere (119, 120, 121) i verktøyet (15; 100) for kontinuerlig måling av jordens gravitasjonsfelt, KARAKTERISERT VED at den omfatter en første triaksial magnetfeltføler (111) som er operativt anbrakt i borehullsverktøyets (15; 100) ene ende, og en andre triaksial magnetfeltføler (113) som er operativt og motsatt atskilt fra den første føler (111) en forutbestemt avstand langs verktøyets (15; 100) lengdeakse, idet de første og andre følere kontinuerlig avføler og måler komponentene av jordens magnetfelt, og en behandlingsanordning for kontinuerlig å motta målingene fra magnetfølerne (111, 113) og gravitasjonsfeltfølerne (119, 120, 121) og beregne asimut, helling og magnetfeltgradient-informasjon for borehullet og posisjon av borehullet i forhold til det ferromagnetiske legeme i det andre underjordiske borehull, idet behandlingsanordningen er operativt koplet til innretningen for å overføre posisjonsinformasj onen til overflaten og for å motta føringskontrollinformasjon fra overflaten til verktøyet (15; 100) under boring.

2. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at følerne (111, 113) videre omfatter et par triaksiale, tidsvarierende magnetfeltfølere som er montert i verktøyet (100) for måling av tidsvarierende magnetfelter.

3. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at minst ett par av triaksiale, statiske magnetfeltfølere omfatter triaksiale magnetometre som er innrettet for måling av magnetisk feltstyrke langs ortogonale x-, y- og z-akser, idet x- og y-aksene er anbrakt i normalt forhold og perpendikulært på borestrengens akse, og z-aksen er sammenfallende med borestrengens sentrale akse, idet de triaksiale magnetometre tilveiebringer elektriske utgangssignaler som representerer statiske magnetfeltmålinger.

4. Innretning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at de triaksiale, tidsvarierende magnetfeltfølere omfatter minst ett triaksialt vekselstrømsmagnetometer som er innrettet for måling av varierende magnetisk feltstyrke langs ortogonale x-, y- og z-akser, idet x- og y-aksene er anbrakt i normalt forhold og perpendikulært på borestrengens sentrale akse, og z-aksen er sammenfallende med borestrengens sentrale akse, idet det triaksiale vekselstrømsmagnetometer tilveiebringer elektriske utgangssignaler som representerer tidsvarierende magnetfeltmålinger.

5. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at følerne i verktøyet (100) omfatter minst ett triaksialt akselero-meter for måling av komponenter av jordens gravitasjonsfelt langs ortogonale x-, y- og z-akser, idet x- og y-aksene er anbrakt i normalt forhold og perpendikulært på borestrengens sentrale akse, og z-aksen er sammenfallende med borestrengens sentrale akse, idet følerne tilveiebringer elektriske utgangssignaler som representerer gravitasjonsfeltmålinger.

6. Innretning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at den omfatter en anordning for selektiv injisering av elektrisk strøm i en j ordformas jon som krysses av borehullet, for å øke det tidsvarierende magnetfelt i det underjordiske, ferromagnetiske legeme.

7. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den omfatter en anordning som er montert inne i verktøyets (100) hus, for måling og tilveiebringelse av formasjonsegenskaper for de lag gjennom hvilke verktøyet går fremover.

8. Innretning ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at anordningen for måling av formasjonsegenskaper omfatter en gamma-strålingskilde og en gammastrålings-deteksjonsanordning i det nevnte hus, idet gammastrålingskilden og gammastrålingsdetek-sjonsanordningen er operativt koplet til behandlingsanordningen for å tilveiebringe formasjonsporøsitetsinformasjon.

9. Innretning ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED at anordningen for måling av formasjonsegenskaper omfatter anordninger for måling av elektrisk resistivitet, borestrengdynamikk og harmoniske oversvingninger, utgangssignalrefleksjon, formasjons-tetthet, temperatur og radioaktiv logging av formasjonen, idet alle er montert i verktøyet (100) og er operativt koplet til behandlingsanordningen for å tilveiebringe en elektrisk logg av en underjordisk jordformasjon som krysses av et borehull.

10. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den omfatter en elektrisk tilførselsleder (134) med minst én strøm-ledetapp (146) som strekker seg gjennom og er elektrisk isolert (148) fra borestrengen, en formasjons-kontaktdanner (154) som strekker seg fra strømledetappen (146) for elektrisk overføring av strøm inn i borehullets vegg, en førings- og låseanordning (138) omfattende to langstrakte føringsben (140, 142) som er dannet i et knutepunkt med en hakebolt-stikkontakt (144) som henger ned fra føringsben-knutepunktet, idet førings- og låseanordningen (138) er operativt forbundet med den elektriske tilførselsleder (134), og en vaier (106) som understøtter førings- og låseanordningen (138), idet vaieren er anbrakt i en førende og utløsbar låseforbindelse med strømledetappen (146) når førings- og låseanordningen (138) beveger seg nedover i borehullet, for derved å overføre elektrisk strøm inn i formasjonen som omgir borehullet.

11. Fremgangsmåte for retningsboring av et avlast-ningsbrønn-borehull for å skjære et underjordisk, ferromagnetisk mål, ved å orientere borehullets bane i avhengighet av retnings-og avstandsbestemmelsen fra avlastningsbrønnen til en målbrønn, KARAKTERISERT VED at den omfatter de trinn (a) å måle komponenter av et totalt magnetfelt langs ortogonale akser på et vilkårlig sted i et borehull som ligger tilstrekkelig nær målet til å detektere et magnetfelt av målet som er overlagret på jordens magnetfelt, ved benyttelse av minst to triaksiale, statiske magnetfeltfølere som er innbyrdes atskilt en forutbestemt avstand, (b) å bestemme magnetf elt-gradientinf ormas jon ut fra de nevnte komponenter av det totale magnetfelt og den forutbestemte avstand, (c) å bestemme målretning ved benyttelse av de nevnte komponenter av det totale magnetfelt og den beregnede magnetfelt-gradientinformasjon, (d) å bestemme målavstand ved benyttelse av de nevnte komponenter av det totale magnetfelt og den beregnede magnetfelt-gradientinformasjon, og (e) derved å bestemme avstanden og retningen til målbrønnen.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, KARAKTERISERT VED at den omfatter det trinn å suksessivt måle de nevnte komponenter av det totale magnetfelt ved å benytte de nevnte minst to triaksiale, statiske magnetfeltfølere som er innbyrdes atskilt en forutbestemt avstand.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at den omfatter det trinn å suksessivt bestemme magnetfelt-gradient-informasj onen ut fra de suksessivt målte komponenter av det totale magnetfelt.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, KARAKTERISERT VED at den omfatter det trinn å suksessivt bestemme målavstand og målretning ut fra den suksessivt beregnede magnetfeltgradient-informasjon.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED at den omfatter det trinn å projisere en forventet målbane og korrigere avlastningsbrønnboringsplanen avhengig av den suksessive målavstands- og målretningsbestemmelse, slik at borehullet vil skjære målet som overfører elektrisk strøm fra et sted i borestrengen inn i formasjonen som bores, ved en dybdebeliggenhet nær en borkrone, for utvikling av et elektromagnetisk felt i formasjonen og for andre datainnsamlingsaktiviteter.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, KARAKTERISERT VED at den omfatter det trinn å måle utvalgte egenskaper for en formasjon som bores, for å tilveiebringe formasjonsvurdering av de lag gjennom hvilke borehullet går fremover.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, KARAKTERISERT VED at borehullorienteringen i forhold til målet bestemmes ved hjelp av retningen og avstanden fra borehullet til målet.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, KARAKTERISERT VED at orienteringen av borehullet enten nord eller syd for målet bestemmes ved (a) å avsette kontinuerlig en gradient av det totale magnetfelt langs en akse for borehullet, (b) å avsette kontinuerlig en total, radial komponent av det totale magnetfelt i et plan vinkelrett på borehullets akse, og (c) å sammenlikne gradient- og radial-plottingene for å bestemme om en eksisterende kombinasjon av nordpol og redusert radialfelt eller sydpol og øket radialfelt indikerer at målet ligger i en sydlig retning, eller om kombinasjonen av nordpol og øket felt eller sydpol og redusert felt indikerer at målet ligger i en nordlig retning.