NO320060B1 - Procedure for borehole grinding using reverse inertial navigation - Google Patents

Procedure for borehole grinding using reverse inertial navigation Download PDF

Info

Publication number
NO320060B1
NO320060B1 NO20003345A NO20003345A NO320060B1 NO 320060 B1 NO320060 B1 NO 320060B1 NO 20003345 A NO20003345 A NO 20003345A NO 20003345 A NO20003345 A NO 20003345A NO 320060 B1 NO320060 B1 NO 320060B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
probe
signals
inertial
coordinate system
procedure
Prior art date
Application number
NO20003345A
Other languages
Norwegian (no)
Other versions
NO20003345L (en
NO20003345D0 (en
Inventor
Kirby G Schrader
Original Assignee
Schlumberger Holdings
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schlumberger Holdings filed Critical Schlumberger Holdings
Publication of NO20003345D0 publication Critical patent/NO20003345D0/en
Publication of NO20003345L publication Critical patent/NO20003345L/en
Publication of NO320060B1 publication Critical patent/NO320060B1/en

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/02Determining slope or direction
    • E21B47/024Determining slope or direction of devices in the borehole
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/01Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
    • E21B47/017Protecting measuring instruments

Landscapes

  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN BACKGROUND OF THE INVENTION

Oppfinnelsens område Field of the invention

Foreliggende oppfinnelse gjelder generelt fremgangsmåter for inspeksjon av underjordiske borebrønner. For eksempel omfatter oppfinnelsen utstyr for mål-ing under utboring (MWD) og som utført for å kunne fastlegge posisjon og fremdriftsretning for en tandemkoplet sub eller sonde nær borkronen på en borestreng-sammenstilling i en olje- eller gassborebrønn. Oppfinnelsen gjelder også kabel-førte instrumenter som er innrettet for å bestemme posisjon og fremdriftsretning for slike instrumenter under logge-arbeider i en borebrønn. The present invention generally relates to methods for inspecting underground boreholes. For example, the invention includes equipment for measuring while drilling (MWD) and which is carried out to be able to determine the position and direction of progress for a tandem-coupled sub or probe near the drill bit on a drill string assembly in an oil or gas well. The invention also applies to cable-guided instruments which are designed to determine the position and direction of progress for such instruments during logging work in a borehole.

Beskrivelse av beslektet teknikk Description of Related Art

Borebrønnsundersøkelser utføres vanligvis ved hjelp av en borestreng- eller kabelført målesub eller -sonde som omfatter flere magnetometere og akselerometere som er anordnet for hver av sondens tre innbyrdes ortogonale akser. Når det gjelder en MWD-operasjon, er målesonden anordnet som en del av et spesielt borkrone-vektrør som er plassert en relativt kort avstand ovenfor borkronen på en borestreng, slik som angitt ved sonden M i fig. 1, og som vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Borkronen anvendes for boring gjennom underjordiske formasjoner og borer ut brønnen under dreiemoment frembrakt enten ved dreining av borestrengen ved hjelp av et rotasjonsbor på jordoverflaten eller ved hjelp av en nedhulls slammotor. Borehole surveys are usually carried out using a drill string or cable-guided measuring sub or probe that includes several magnetometers and accelerometers arranged for each of the probe's three mutually orthogonal axes. In the case of an MWD operation, the measuring probe is arranged as part of a special drill bit weight tube which is placed a relatively short distance above the drill bit on a drill string, as indicated by the probe M in fig. 1, and which will be described in more detail below. The drill bit is used for drilling through underground formations and drills out the well under torque produced either by turning the drill string with the help of a rotary drill on the ground surface or with the help of a downhole mud motor.

Retningskoordinatene for målesuben fastlegges på flere punkter langs borehullet ved å generere magnetometerdata ut i fra jordens magnetfelt samt akselerometerdata ut i fra jordens gravitasjonsfelt i forhold til målesondens innbyrdes ortogonale akser. En "h"-vektor fra magnetometeret og en "g"-vektor fra akselero-meteret anvendes så for å fastlegge brønnens utboringsretning. Nærmere bestemt anvendes h-vektoren for å angi borehullets asimut, mens fremdriftsretnin-gen i forhold til magnetisk nord og g-vektoren anvendes for å angi borehullets helning, hvilket vil si hullets vinkelavvik fra vertikalretningen. Når tilstrekkelig antall målinger på fastlagte punkter langs borehullet er utført, tegnes måleverdiene ut på et kart over borehullet. Denne kartlegning eller inspeksjon kan fastlegges i forhold til et ønsket koordinat-system. The direction coordinates for the measuring sub are determined at several points along the borehole by generating magnetometer data from the earth's magnetic field as well as accelerometer data from the earth's gravitational field in relation to the mutually orthogonal axes of the measuring probe. An "h" vector from the magnetometer and a "g" vector from the accelerometer are then used to determine the borehole direction. More specifically, the h-vector is used to indicate the azimuth of the borehole, while the direction of progress in relation to magnetic north and the g-vector is used to indicate the inclination of the borehole, which means the hole's angular deviation from the vertical direction. When a sufficient number of measurements at fixed points along the borehole have been carried out, the measurement values are plotted on a map of the borehole. This mapping or inspection can be established in relation to a desired coordinate system.

Slike fremgangsmåter er av begrenset betydning ut i fra det forhold at jordens magnetfelt varierer over tid, og påvirkes av gjenstander som inneholder jern eller magnetisk malm i lokal nærhet. Slike virkninger fører til usikkerheter og feil ved fastleggelse av borebrønnens retning under bruk av målesub som er avhengig av magnetometeret. Such methods are of limited importance due to the fact that the earth's magnetic field varies over time, and is affected by objects containing iron or magnetic ore in the local vicinity. Such effects lead to uncertainties and errors when determining the direction of the borehole when using a measuring sub which is dependent on the magnetometer.

Forskjellige betraktninger har frembrakt et stadig ønsket behov for mer nøy-aktige og mer kompakte teknikker for borehullskartlegning. Moderne teknikker for boring etter olje og gass har f.eks. frembrakt borehull med mindre diameter og krever ofte at brønnene skal ligge tett sammen. I tillegg er det ikke uvanlig at et antall brønner bores mot forskjellige geologiske mål ut i fra et enkelt brønnhode eller en eneste boreplattform. Tømming av forholdsvis store forekomster har videre gjort det nødvendig å bore dypere og skaffe tilgang til mindre målformasjoner. Various considerations have produced a constantly desired need for more accurate and more compact techniques for borehole mapping. Modern techniques for drilling for oil and gas have e.g. produced boreholes with a smaller diameter and often require the wells to lie close together. In addition, it is not unusual for a number of wells to be drilled against different geological targets from a single wellhead or a single drilling platform. Draining relatively large deposits has also made it necessary to drill deeper and gain access to smaller target formations.

En foreslått fremgangsmåte for å frembringe en sonde med liten diameter i utstyr for borehullsundersøkelse samt for å gi mer nøyaktige måleresultater gjelder utnyttelse av treghetsnavigasjons-teknikker. Generelt sett, utnytter treghetsnavigasjons-teknikker en indre måleenhet (IMU) som inneholder et sett akselerometere og et sett gyroskoper, ikke ulik den skjematiske fremstilling av en IMU i fig. 2, som vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Akselerometerne avgir signaler som angir instrumentpakkens akselerasjon langs de tre akser i et kartesisk koordinatsystem. Gyroskopene avgir signaler som representerer den dreievinkeltakt som instrumentpakken dreies i forhold til samme kartesiske koordinatsystem. Variasjoner i det magnetiske felt kan teoretisk elimineres ved å legge til gyroskoper til hver av sondens innbyrdes ortogonale akser. Sondens fremdriftsretning kan da fastlegges ut i fra akselerometerdata og gyroskopdata fra hver av disse akser. Akselerometerdata påvirkes av jordens gravitasjonsfelt, mens gyroskopdata påvirkes av jordens rotasjonshastighet i forhold til treghetsrommet. A proposed method for producing a probe with a small diameter in borehole survey equipment and for providing more accurate measurement results concerns the utilization of inertial navigation techniques. In general, inertial navigation techniques utilize an internal measurement unit (IMU) containing a set of accelerometers and a set of gyroscopes, not unlike the schematic representation of an IMU in Fig. 2, which will be described in more detail below. The accelerometers emit signals indicating the instrument package's acceleration along the three axes in a Cartesian coordinate system. The gyroscopes emit signals that represent the angular rate at which the instrument package is rotated in relation to the same Cartesian coordinate system. Variations in the magnetic field can theoretically be eliminated by adding gyroscopes to each of the probe's mutually orthogonal axes. The probe's direction of travel can then be determined from accelerometer data and gyroscope data from each of these axes. Accelerometer data is affected by the Earth's gravitational field, while gyroscope data is affected by the Earth's rotational speed relative to inertial space.

Den første grunnleggende type treghetsnavigasjonsutstyr er "kardansk"-utstyr, og et eksempel på dette er vist i fig. 3. Kardan-utstyr, gyroskoper og akselerometere monteres på en fullstendig kardanoppheng-plattform som bibeholdes i en forutbestemt retningsorientering ved hjelp av gyro-regulerte servo-utstyr. Dette arrangement bibeholder effektivt akselerometerne i fast retningsforhold, slik at akselerometerne kan avgi signaler i forhold til et koordinatsystem som er hovedsakelig fast bibeholdt i treghetsrommet. Fortløpende integrering av akselerasjonssignalene med hensyn på tiden gir signaler som representerer hastighet og posisjon for instrumentpakken i forhold til treghetsrommet. Kjent kardanopphengnings-utstyr har imidlertid vanligvis vist seg å være utilfredsstillende på grunn av størrel-sen av de opphengninger som er påkrevet for gyroskopene. Slikt utstyr kan ikke uten videre motstå slike sjokk, vibrasjoner og temperaturer som man stadig stilles overfor ved undersøkelse av dype borehull. Gyroskopdrift, presesjon, følsomhet for g-krefter og andre faktorer påvirket i tillegg utstyrets nøyaktighet. The first basic type of inertial navigation equipment is "gimbal" equipment, an example of which is shown in fig. 3. Gimbal equipment, gyroscopes and accelerometers are mounted on a fully gimbal suspension platform which is maintained in a predetermined directional orientation by means of gyro-regulated servo equipment. This arrangement effectively maintains the accelerometers in a fixed directional relationship, so that the accelerometers can emit signals relative to a coordinate system that is essentially fixed in inertial space. Continuous integration of the acceleration signals with respect to time provides signals representing velocity and position of the instrument package relative to inertial space. However, known gimbal suspension equipment has usually proved unsatisfactory due to the size of the suspensions required for the gyroscopes. Such equipment cannot easily withstand such shocks, vibrations and temperatures that one is constantly faced with when examining deep boreholes. Gyroscope operation, precession, sensitivity to g-forces and other factors also affect the accuracy of the equipment.

Den andre grunnleggende type treghetsnavigasjonsutstyr er fastmontert slikt utstyr, som det er gitt et eksempel på i fig. 4 på tegningene. For eksempel tilveiebringer US 4 812 977 et oppmålingssystem for borehull som anvender en fastmontert treghetsnavigasjonsteknikk for kartlegging av et borehull. Dette syste-met forsøker å korrigere for nedihullsbetingelser for å generere en mer nøyaktig oppmåling. I et fastmontert utstyr er gyroskopene og akselerometerne fast forbundet med og roterer sammen med instrumentpakken og således sammen med borehullets undersøkelsesonde. I et slikt utstyr frembringer akselerometerne signaler som angir instrumentpakkens akselerasjon i et kartesisk koordinatsystem som er stillestående i forhold til instrumentpakken. Gyroskop-utgangssignalene databehandles for å overføre de målte akselerasjonsverdier til et koordinatsystem som er stillestående i forhold til jorden. Så snart de er overført til det jord-refererte koordinatsystem, integreres akselerasjonssignalene på samme måte som i et kar-danopphengt navigasjonsutstyr for å gi hastighets- og posisjonsinformasjon. The other basic type of inertial navigation equipment is permanently mounted such equipment, an example of which is given in fig. 4 on the drawings. For example, US 4,812,977 provides a borehole surveying system that uses a fixed inertial navigation technique for mapping a borehole. This system attempts to correct for downhole conditions to generate a more accurate survey. In a fixed equipment, the gyroscopes and accelerometers are fixedly connected to and rotate with the instrument package and thus with the borehole survey probe. In such equipment, the accelerometers produce signals indicating the acceleration of the instrument package in a Cartesian coordinate system which is stationary in relation to the instrument package. The gyroscope output signals are computerized to transfer the measured acceleration values to a coordinate system that is stationary relative to the Earth. Once transferred to the Earth-referenced coordinate system, the acceleration signals are integrated in the same manner as in gimbal-mounted navigation equipment to provide velocity and position information.

Et problem som har sammenheng med MWD-anvendelser eksisterer på grunn av at kapasiteten av en MWD-lagermodul ofte begrenset ut i fra hensyn til redskapsomkostninger og redskapslengde. Det er derfor vanskelig å ta ut et helt sett av utgangsdata fra en IMU under uttrekk av borestrengen, og det er derfor vanskelig å utføre navigasjon fortløpende hele veien fra borehullsbønnen til brønnhodet og vice versa. A problem associated with MWD applications exists because the capacity of an MWD storage module is often limited by tool cost and tool length considerations. It is therefore difficult to extract a complete set of output data from an IMU during extraction of the drill string, and it is therefore difficult to carry out navigation continuously all the way from the borehole bean to the wellhead and vice versa.

Feil bygger seg også opp over tid under de treghetsnavigasjonsberegninger som utnyttes ved MW D-anvendelser. Hvis det således forsøkes å utføre treghetsnavigasjon hele veien fra brønnhodet til brønnens bunn og så tilbake opp til brønnhodet, vil slike feil legges til hverandre og bli meget store til sammen. Errors also build up over time during the inertial navigation calculations utilized in MW D applications. If it is thus attempted to carry out inertial navigation all the way from the wellhead to the bottom of the well and then back up to the wellhead, such errors will be added to each other and become very large together.

Det er da et formål for foreliggende oppfinnelse å løse ett eller flere av de problemer som er nevnt ovenfor. It is then an object of the present invention to solve one or more of the problems mentioned above.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN SUMMARY OF THE INVENTION

Det formål som er angitt ovenfor, så vel som forskjellige andre formål og fordeler oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte for kartlegging av en borebrønn og som går ut på posisjonsinnstilling av en sonde med en treghetsmåleinnretning i en borebrønn ved bunnen av brønnen med en anslått bunnposisjon. Undersøkel-sen av borebrønnen finner så sted ved å trekke sonden bort fra borehullsbunnen mens sondens posisjon fastlegges skrittvis under tilbaketrekningen under bruk av treghets-måleenheten. Sondens tilbaketrekning stanses ved et undersøkelses-sluttpunkt hvis sanne posisjon er kjent. Undersøkelsesprosessen korrigeres ved anvendelse av forskjellen mellom sondeposisjonen ved undersøkelsessluttpunk-tet, slik den fastlegges av treghetsmåleenheten, og den kjente sanne sluttpunkts-posisjon for undersøkelsen. The object stated above, as well as various other objects and advantages, is achieved by means of a method for mapping a borehole and which involves positioning a probe with an inertial measurement device in a borehole at the bottom of the well with an estimated bottom position. The examination of the borehole then takes place by pulling the probe away from the bottom of the borehole while the position of the probe is determined step by step during the withdrawal using the inertial measurement unit. Probe retraction is stopped at a survey endpoint whose true position is known. The survey process is corrected by applying the difference between the probe position at the survey endpoint, as determined by the inertial measurement unit, and the known true survey endpoint position.

I en foretrukket utførelse omfatter fremgangsmåten i tillegg prosesstrinn som går ut på å bestemme sondens hastighet under utrekningen ved bruk av treghetsmåleenheten, sammenligning av de fastlagte hastigheter med referansehastigheter for å utlede hastighetsfeil, samt oppdatering av undersøkelsesprosessen under utnyttelse av disse hastighetsfeil. In a preferred embodiment, the method additionally includes process steps which involve determining the speed of the probe during the extraction using the inertial measurement unit, comparing the determined speeds with reference speeds to derive speed errors, as well as updating the survey process while utilizing these speed errors.

Treghetsmåleenheten omfatter fortrinnsvis et legeme montert inne i sonden og som inneholder flere akselerometere for å avgi signaler som representerer legemets akselerasjon i forhold til de tre akser i et koordinatsystem for dette legemet. Vedkommende legeme inneholder videre flere gyroskoper for å frembringe signaler som representerer legemets dreievinkelhastighet i forhold til de tre akser i legemets koordinatsystem. The inertial measurement unit preferably comprises a body mounted inside the probe and which contains several accelerometers to emit signals representing the body's acceleration in relation to the three axes in a coordinate system for this body. The body in question also contains several gyroscopes to generate signals that represent the body's rotational angular velocity in relation to the three axes in the body's coordinate system.

Akselerometerne og gyroskopene kan være montert på forskjellige måter inne i dette legemet. F.eks. kan akselerometerne og gyroskopene være fastmontert på legemet. Videre kan også akselerometerne og gyroskopene være montert på en treakset treghetsstabilisert plattform forbundet med legemet. The accelerometers and gyroscopes can be mounted in different ways inside this body. E.g. the accelerometers and gyroscopes can be fixed to the body. Furthermore, the accelerometers and gyroscopes can also be mounted on a three-axis inertial stabilized platform connected to the body.

Fortrinnsvis velges gyroskopene fra en gyroskopgruppe bestående av halvkule-resonatorgyroskoper, laserringgyroskoper, vibrasjonsgyroskoper, fiberoptiske gyroskoper og avstemte tørr-gyroskoper. Preferably, the gyroscopes are selected from a gyroscope group consisting of hemispherical resonator gyroscopes, laser ring gyroscopes, vibrating gyroscopes, fiber optic gyroscopes and tuned dry gyroscopes.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det tenkt at sonden kan utgjøre en del av et vektrør anordnet på en borestreng, eller være en del av en sonde opphengt på en kabel i borebrønnen. According to the present invention, it is thought that the probe can form part of a weight tube arranged on a drill string, or be part of a probe suspended on a cable in the borehole.

I én utførelse av foreliggende oppfinnelse angir treghetsmåleenheten und-ersøkelsessondens posisjon ved å generere akselerasjonssignaler referert til legemets koordinatsystem og vinkelhastighetssignaler ved bruk av henholdsvis akselerometere og gyroskoper. Disse akselerasjonssignaler referert til legemets koordinatsystem og vinkelhastighetssignaler databehandles for å oppdatere en retnings-kosinusmatrise for omforming fra legemets koordinatsystem til treghetsrommets koordinatsystem. Akselerasjonssignalene i henhold til legeme-koordinatsystemet oversettes til akselerasjonssignaler i treghetsrommets koordinatsystem ved bruk av denne oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise. Denne oppdaterte retningskosinusmatrise for oversettelse fra legeme til treghet og akselerasjonssignalene i treghets-koordinatsystemet behandles i en treghetsnavigasjons-beregning. Hastighetssignaler i et lokal/vertikal-koordinatsystem blir også beregnet. Disse beregnede hastighetsssignaler i det lokal-vertikal-koordinatsystem sammenlignes så med referanse-hastighetssignalene for å utlede hastighets-feilsignaler. Disse hastighets-feilsignaler databehandles for kompensasjon av feil under under-søkelsen. Posisjonssignaler i et lokal/vertikal vandreasimut-koordinatsystem beregnes ved bruk av den oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise og akselerasjonssignalene i treghets-koordinatsystemet. In one embodiment of the present invention, the inertial measurement unit indicates the position of the probe by generating acceleration signals referred to the body's coordinate system and angular velocity signals using accelerometers and gyroscopes respectively. These acceleration signals referenced to the body coordinate system and angular velocity signals are computerized to update a direction cosine matrix for transformation from the body coordinate system to the inertial space coordinate system. The acceleration signals according to the body coordinate system are translated into acceleration signals in the inertial space coordinate system using this updated body/inertial direction cosine matrix. This updated direction cosine matrix for translation from body to inertial and the acceleration signals in the inertial coordinate system is processed in an inertial navigation calculation. Velocity signals in a local/vertical coordinate system are also calculated. These calculated velocity signals in the local vertical coordinate system are then compared with the reference velocity signals to derive velocity error signals. These speed error signals are computer-processed to compensate for errors during the survey. Position signals in a local/vertical travel azimuth coordinate system are calculated using the updated body/inertial direction cosine matrix and the acceleration signals in the inertial coordinate system.

De referansehastigheter som anvendes for å utlede hastighets-feilsignaler kan frembringes fra forskjellige kilder. Referansehastighetene kan f.eks. frembringes ved midlertidig å redusere sondens hastighet, i det vesentlige til null, innenfor flere tidsperioder under sondens uttrekk, slik at det opprettes nullhastighets-refe-ranser. I dette tilfelle bestemmes hastighetsfeilene ved bruk av de sondehastigheter som er fastlagt av treghetsmåleenheten under de forskjellige nullhastighets-perioder. The reference speeds used to derive speed error signals can be generated from different sources. The reference speeds can e.g. is produced by temporarily reducing the speed of the probe, essentially to zero, within several time periods during the probe's extraction, so that zero speed references are created. In this case, the velocity errors are determined using the probe velocities determined by the inertial measurement unit during the various zero-velocity periods.

I det tilfelle sonden er en sonde som er opphengt på en kabel i borebrøn-nen kan alternativt referansehastighetene utledes fra signaler som representerer et stort antall kabelhastighets-avlesninger. In the event that the probe is a probe that is suspended on a cable in the borehole, the reference speeds can alternatively be derived from signals representing a large number of cable speed readings.

Hastighetsfeilene databehandles fortrinnsvis ved bruk av et Kalman-filter. The speed errors are preferably processed using a Kalman filter.

Det er også å foretrekke at det anvendes et Kalman-filter for å korrigere de lokal/vertikale vandreasimut-posisjonssignaler, slik at brønnundersøkelsens nøy-aktighet forbedres. It is also preferable that a Kalman filter is used to correct the local/vertical travel azimuth position signals, so that the accuracy of the well survey is improved.

Foreliggende oppfinnelsesgjenstand kan også uttrykkes som en fremgangsmåte som omfatter posisjonsinnstilling av en sonde med en treghetsmåleenhet i en borebrønn med borebrønnens bunn som antatt mål. En undersøkelse ved hjelp av treghetsnavigasjonsutstyr innledes ved bruk av koordinatene for dette mål på borehullsbunnen angitt ved treghetsmåleenhetens utgangssignaler. Sonden trekkes bort fra målet på borehullsbunnen og kartleggingsdata frembringes ut i fra treghetsmåleenhetens utgangssignaler under uttrekket. Sondens hastigheter fastlegges også under uttrekket ved bruk av treghetsmåleenheten. De fastlagte hastigheter sammenlignes med referanse-sondehastigheter for å utlede hastighetsfeil. Undersøkelsesdata oppdateres ved utnyttelse av disse hastighetsfeil. Sondens uttrekk stanses når treghetsmåleenhetens utgangssignaler angir at sonden befinner seg i en posisjon ved et undersøkelsesendepunkt hvis sanne koordinater er kjent. Undersøkelsesdata blir så korrigert ved bruk av forskjellen mellom de endepunktkoordinater for sondeundersøkelsen som angis av treghetsmåleenhetens utgangssignaler og de kjente sanne endepunktskoordinater for undersøk-elsesprosessen. The subject matter of the present invention can also be expressed as a method which comprises setting the position of a probe with an inertial measurement unit in a borehole with the bottom of the borehole as the assumed target. A survey using inertial navigation equipment is initiated using the coordinates of this target on the bottom of the borehole indicated by the output signals of the inertial measurement unit. The probe is pulled away from the target at the bottom of the borehole and mapping data is produced from the inertial measurement unit's output signals during the pullout. The probe's velocities are also determined during the extraction using the inertial measurement unit. The determined velocities are compared to reference probe velocities to derive velocity errors. Survey data is updated by exploiting these speed errors. Probe extraction is stopped when the inertial measurement unit output signals indicate that the probe is in a position at a survey endpoint whose true coordinates are known. Survey data is then corrected using the difference between the endpoint coordinates of the probe survey indicated by the inertial measurement unit output signals and the known true endpoint coordinates of the survey process.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

For at den måte hvorpå de ovenfor angitt særtrekk, fremgangsmåter og formål for foreliggende oppfinnelse er oppnådd kan forstås i detalj, vil nå en mer om-fattende beskrivelse av den oppfinnelse som er blitt kort sammenfattet ovenfor, bli gitt under henvisning til en foretrukket utførelse som er vist på de vedføyde So that the manner in which the above-mentioned distinctive features, methods and objects of the present invention have been achieved can be understood in detail, a more comprehensive description of the invention which has been briefly summarized above will now be given with reference to a preferred embodiment which is shown on the attachments

tegninger. drawings.

Det bør imidlertid bemerkes at de vedføyde tegninger bare angir en typisk utførelse av foreliggende oppfinnelse og må derfor ikke betraktes som begrensende for oppfinnelsens omfang, da oppfinnelsen også muliggjør andre like effek-tive utførelser. However, it should be noted that the attached drawings only indicate a typical embodiment of the present invention and must therefore not be regarded as limiting the scope of the invention, as the invention also enables other equally effective embodiments.

Det skal nå henvises til tegningene, hvorpå: Reference must now be made to the drawings, whereupon:

fig. 1 viser et oppriss, delvis i snitt, av et flytende borefartøy og en nedhulls målesonde i et MWD-utstyr i henhold til foreliggende oppfinnelse, fig. 1 shows an elevation, partially in section, of a floating drilling vessel and a downhole measuring probe in an MWD equipment according to the present invention,

fig. 2 viser skjematisk den nedihulls måleproben som spesielt illustrerer (inertialmåleenheten (Intertial Measurement Unit) (IMU); fig. 2 schematically shows the downhole measuring probe which particularly illustrates the (Inertial Measurement Unit (IMU);

fig. 3 er en skisse av et kardanoppheng treghetsnavigasjonsutstyr (INS), fig. 4 viser et fastmontert INS, fig. 3 is a sketch of a gimbal suspension inertial navigation equipment (INS), fig. 4 shows a permanently mounted INS,

fig. 5 er et blokkskjema for den angitte nedhulls-målesonde i fig. 1 og 2, og som beskriver sonden mer detaljert, fig. 5 is a block diagram of the indicated downhole measuring probe in FIG. 1 and 2, and which describes the probe in more detail,

fig. 6 er en perspektivskisse av den IMU som skjematisk er vist i fig. 2, fig. 6 is a perspective sketch of the IMU schematically shown in fig. 2,

fig. 7 er en delvis uttrukket skisse av et halvkule-resonatorgyroskop (HRG) som anvendes i én utførelse av den IMU som er vist fig. 6, fig. 7 is a partially exploded view of a hemispherical resonator gyroscope (HRG) used in one embodiment of the IMU shown in FIG. 6,

fig. 8 viser skjematisk koordinatsystemer for treghetsnavigasjon og som kan benyttes i samsvar med foreliggende oppfinnelse, fig. 8 schematically shows coordinate systems for inertial navigation and which can be used in accordance with the present invention,

fig. 9 er et blokkskjema som angir en fremgangsmåte for borehullsunder-søkelse i henhold til foreliggende oppfinnelse, fig. 9 is a block diagram indicating a method for borehole investigation according to the present invention,

fig. 10 viser skjematisk en parallellforskyvningskorreksjon av de INS-angitte undersøkelsesposisjoner i samsvar med foreliggende oppfinnelse, fig. 10 schematically shows a parallel displacement correction of the INS-indicated survey positions in accordance with the present invention,

fig. 11 viser skjematisk en skjevstilt gyroskop-referanse og en ortogonalre-feranseramme, og fig. 11 schematically shows a skewed gyroscope reference and an orthogonal reference frame, and

fig. 12 viser skjematisk en referanseramme for et IMU-legeme med nye navn for å definere samtlige Euler-vinkler uten singularitet. fig. 12 schematically shows a reference frame for an IMU body with new names to define all Euler angles without singularity.

BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSER DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Fig. 1 viser en typisk boreoperasjon hvor en utførelse av foreliggende oppfinnelse kan anvendes med fordel under MWD-anvendelser. Det vil være velkjent for fagfolk på området at slike anvendelser omfatter uttak av målinger i en under-jordisk borebrønn med minst en del av borestrengen, innbefattet borkronen, i posisjon nede i borebrønnen under ut boring, stillstand og/eller tripping. Vanlige fagfolk på området vil imidlertid også erkjenne at oppfinnelsesgjenstanden i tillegg kan finne anvendelse i kabelfremført måleutstyr. Fig. 1 shows a typical drilling operation where an embodiment of the present invention can be used with advantage during MWD applications. It will be well known to professionals in the field that such applications include taking measurements in an underground borehole with at least part of the drill string, including the drill bit, in a position down in the borehole during drilling, standstill and/or tripping. Ordinary experts in the field will, however, also recognize that the subject of the invention can also find application in cable-fed measuring equipment.

Et boreskip S som er vist å ha vanlig roterende boreutstyr 5 utstyrt med nedhullsapparatur for å utføre målinger av underjordiske formasjonsegenskaper under utboringen. Atter vil fagkyndige på området erkjenne at oppfinnelsen på ingen måte er begrenset til anvendelser i forbindelse med borefartøyer, men kan utnytte andre typer boreutstyr og rigger til havs, så vel som av landbaserte bore-rigger. A drilling ship S shown to have conventional rotary drilling equipment 5 equipped with downhole equipment to perform measurements of underground formation properties during drilling. Again, experts in the field will recognize that the invention is in no way limited to applications in connection with drilling vessels, but can utilize other types of offshore drilling equipment and rigs, as well as land-based drilling rigs.

Nedhulls måleapparatur er opphektet på borestrengen 6, som dreies av Downhole's measuring equipment is hooked onto the drill string 6, which is turned off

rotasjonsboret 4 på boreskipet, samt omfatter ett eller flere vektrør, slik som vekt-røret F som er vist i fig. 1 og som er utstyrt med stabilisator/inger. Slike vektrør er utstyrt med hensiktsmessige følere for å måle resistivitet, porøsitet og andre egen-skaper ved underjordiske formasjoner. Disse følere er komponenter i elektriske, kjernefysiske eller akustiske instrumenter som frembringer signaler som angir de nevnte formasjonsegenskaper ved hjelp av følerne. the rotary drill 4 on the drilling ship, and includes one or more weight pipes, such as the weight pipe F shown in fig. 1 and which is equipped with stabilizer(s). Such neck tubes are equipped with appropriate sensors to measure resistivity, porosity and other properties of underground formations. These sensors are components of electrical, nuclear or acoustic instruments that generate signals that indicate the aforementioned formation properties by means of the sensors.

Slike signaler lagres vanligvis nede i lagringsmoduler inne i vektrøret F nede i borehullet, men signalene kan videre fjemoverføres til jordoverflaten ved hjelp av vanlig MWD-telemetri-apparater og -fremgangsmåter. En MWD teleme-treringssub D er f.eks. anordnet på borestrengen 6 inne i bunnsammenstillingen BH A, som også omfatter vektrøret F og borkronen B. Telemetreirngssuben T mot-tar signaler som frembringes av instrumentene i vektrøret F, så vel som fra målesuben eller sonden M som vil bli beskrevet nedenfor, og fjernoverfører disse signaler over slambanen eller borestrengen 6 til overflateinstrumentene 7 ved hjelp av trykkføleren 21 i pumperøret 15. Such signals are usually stored down in storage modules inside the collar F down in the borehole, but the signals can further be transmitted to the earth's surface using standard MWD telemetry devices and methods. A MWD telemetering sub D is e.g. arranged on the drill string 6 inside the bottom assembly BH A, which also includes the casing F and the drill bit B. The telemetry sub T receives signals produced by the instruments in the casing F, as well as from the measurement sub or probe M which will be described below, and remotely transmits these signals over the mud path or drill string 6 to the surface instruments 7 using the pressure sensor 21 in the pump pipe 15.

Boreriggen 5 omfatter videre en motor 2 som overfører dreiemoment til rotasjonsboret 4 som befinner seg i inngrep med og dreier drivrøret 3. Borestrengen 6 er koplet for rotasjon sammen med drivrøret 3, og dreies således sammen med drivrøret av rotasjonsboret. Borestrengen 6 roterer i sin tur borkronen B, hvilket bringer borkronen til boring gjennom de underjordiske formasjoner 32 og derved danne borebrønnen 9 i disse. Diameteren av de borerør som danner borestrengen 6 er mindre enn den midlere diameter av borebrønnen 9, hvilket fører til at det dannes et ringformet rom 10. Dette ringrom er da definert som den del av borebrønnen som ligger mellom utsiden av borestrengen 6, innbefattet bunnsammenstillingen BH A og innsiden eller veggen av borehullet. Et slikt ringformet rom dannes også av den rørformede foring 18 som løper fra boreskipet S gjennom i det minste et øvre parti av borebrønnen 9 i sjøbunnen. The drilling rig 5 further comprises a motor 2 which transfers torque to the rotary drill 4 which is in engagement with and turns the drive pipe 3. The drill string 6 is coupled for rotation together with the drive pipe 3, and is thus turned together with the drive pipe by the rotary drill. The drill string 6 in turn rotates the drill bit B, which brings the drill bit to drill through the underground formations 32 and thereby form the drill well 9 in them. The diameter of the drill pipes that form the drill string 6 is smaller than the average diameter of the drill well 9, which leads to the formation of an annular space 10. This annular space is then defined as the part of the drill well that lies between the outside of the drill string 6, including the bottom assembly BH A and the inside or wall of the borehole. Such an annular space is also formed by the tubular liner 18 which runs from the drillship S through at least an upper part of the borehole 9 in the seabed.

Midtpartiene av drivrøret 3 og de borerørseksjoner som danner borestrengen 6 er hule, og nedhullssubene T, M og F omfatter alle gjennomløpspassasjer, og alt dette er for det formål å føre borefluid eller "slam" fra boreskipet S til bor-kronens B. Slammet trekkes ut fra en slamgrop 13 ombord i boreskipet ved hjelp av en pumpe 11 og avgis til pumperøret 15 og injektorhodet 8 gjennom drivrøret 3, borestrengen 6, subene T, M og F, samt endelig til borkronen B. Dette slam tjener til å smøre borkronen og føre borespon i borebrønnen oppover til jordoverflaten gjennom ringrommet 10. Det tilbakeførte slam avgis så tilbake til slamgropen 13, hvor boresponene fraskilles og slammet avgasses samt gjøres klart for videre bruk. The middle parts of the drive pipe 3 and the drill pipe sections that form the drill string 6 are hollow, and the downhole subs T, M and F comprise all through passages, and all this is for the purpose of conveying drilling fluid or "mud" from the drill ship S to the drill bit B. The mud is drawn from a mud pit 13 on board the drilling ship by means of a pump 11 and is delivered to the pump pipe 15 and the injector head 8 through the drive pipe 3, the drill string 6, the subs T, M and F, and finally to the drill bit B. This mud serves to lubricate the drill bit and lead drilling chips in the borehole up to the ground surface through the annulus 10. The returned sludge is then returned to the sludge pit 13, where the drilling chips are separated and the sludge is degassed and made ready for further use.

Målesuben eller sonden M er vist skjematisk i fig. 2 med en treghetsmåleenhet IMU som omfatter et legeme 20 montert inne i sonden M og som inneholder flere akselerometere 52, 54, 56 for å avgi hvert sitt signal Gx, Gy og Gz som angir legemets akselerasjon langs hver av de tre akser i et koordinatsystem som er fastlagt i forhold til legemet 20, slik som angitt ved x-, y-, og z-aksene som er angitt i fig. 2. Dette koordinatsystem betegnes da som "legeme-koordinatsystemet". Legemet 20 inneholder videre flere gyroskoper 62, 64, 66 for å avgi hvert sitt signal QXl Qy, og Qz som angir legemets vinkeldreietakt i forhold til de tre akser i legeme-koordinatsystemet. The measuring sub or probe M is shown schematically in fig. 2 with an inertial measurement unit IMU which comprises a body 20 mounted inside the probe M and which contains several accelerometers 52, 54, 56 to each emit a signal Gx, Gy and Gz which indicates the acceleration of the body along each of the three axes in a coordinate system which is determined in relation to the body 20, as indicated by the x-, y-, and z-axes indicated in fig. 2. This coordinate system is then referred to as the "body coordinate system". The body 20 further contains several gyroscopes 62, 64, 66 to each emit a signal QXl Qy, and Qz which indicates the body's angular rate of rotation in relation to the three axes in the body coordinate system.

Fagkyndige på området vil videre erkjenne at sonden M også kan være utstyrt med flere magnetometere for å avgi signaler HXl Hy og Hz som angir jordens lokale magnetiske nordvektor i forhold til legeme-koordinatsystemets tre akser, slik det vil være velkjent i beslektet teknikk. Bruk av slike magnetometere sammen med en spesiell utførelse av foreliggende oppfinnelse vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Those skilled in the field will further recognize that the probe M can also be equipped with several magnetometers to emit signals HXl Hy and Hz which indicate the earth's local magnetic north vector in relation to the three axes of the body coordinate system, as will be well known in the related art. The use of such magnetometers together with a special embodiment of the present invention will be described in more detail below.

Akselerometerne og gyroskopene kan være montert inne i IMU-legemet på forskjellige måter. For eksempel kan akselerometerne og gyroskopene være montert på en treakset treghetsstabilisert plattform som er forbundet med sonden M, slik som vist i fig. 3. Akselerometerne og gyroskopene kan også være fast montert på sondelegemet 20, slik som angitt i fig. 4. The accelerometers and gyroscopes can be mounted inside the IMU body in different ways. For example, the accelerometers and gyroscopes can be mounted on a three-axis inertial stabilized platform which is connected to the probe M, as shown in fig. 3. The accelerometers and gyroscopes can also be permanently mounted on the probe body 20, as indicated in fig. 4.

Den treaksede treghetsstabiliserte plattformmekanisme i fig. 3 utgjør et ombordværende referanseaksesystem understøttet av kardanopphenger, dreiemo-mentmotorer, sleperinger, servoer og gyroskoper. Den kardanopphengte plattform isolerer treghetsfølerne fra sondens rotasjonsbevegelse. De tre akselerometerne Ax, Ay og Az er montert på den treghetsplattform 22 som er festet til sonden M. Gyroskopene gx, gy og gz anvendes for å opprettholde en fast stilling av treghetsplattformen i forhold til treghetsrommet. På en plattform av denne type måler ikke gyroskopene noen som helst, så de behøver ikke å være i stand til å kunne måle store rotasjonsverdier. Gyroskopene i fig. 3 kan således være plattformgyroskoper ved en awiksytelse på 0,01 grader pr. time og med forholdsvis lite dynamisk område. The three-axis inertial stabilized platform mechanism in fig. 3 constitutes an on-board reference axis system supported by gimbal suspension, torque motors, slip rings, servos and gyroscopes. The gimbal-suspended platform isolates the inertial sensors from the probe's rotational motion. The three accelerometers Ax, Ay and Az are mounted on the inertial platform 22 which is attached to the probe M. The gyroscopes gx, gy and gz are used to maintain a fixed position of the inertial platform in relation to the inertial space. On a platform of this type, the gyroscopes do not measure anything, so they do not need to be able to measure large rotational values. The gyroscopes in fig. 3 can thus be platform gyroscopes at a deviation performance of 0.01 degrees per hour and with a relatively small dynamic range.

I motsetning tii treghetsplattformen i fig. 3, viser fig. 4 en fastmontert mekanisme hvor alle seks treghetsfølere er fast forbundet med IMU-legemet 20. De fastmonterte gyroskoper måler faktisk sondens dreiebevegelse, til forskjell fra gyroskopene på treghetsplattformen. Et vanlig fast montert gyroskop med en ytel-se på 0,01 grader/time må da ha et større dynamisk område, f.eks. to størrelses-ordener større enn et treghetsplattform-gyroskop. In contrast to the inertial platform in fig. 3, shows fig. 4 a fixed mechanism where all six inertial sensors are fixedly connected to the IMU body 20. The fixed gyroscopes actually measure the rotational movement of the probe, unlike the gyroscopes on the inertial platform. A normal permanently mounted gyroscope with a performance of 0.01 degrees/hour must then have a larger dynamic range, e.g. two orders of magnitude larger than an inertial platform gyroscope.

Fagkyndige på området vil erkjenne at både utførelsen med treghetsplattform og fastmonteringsutførelsen kan anvendes i forbindelse med MWD. Hvert av disse opplegg kjennetegnes imidlertid av visse fordeler og visse ulemper, som kan gjøre valg av det ene eller det andre et logisk valg under visse omstendigheter. Treghetsplattform-utstyrets kardanske struktur utgjør f.eks. en arbeidskrevende, presisjonsfremstilt mekanisme som vil være kostbar og ømtålig. Utstyr med kar-danopphengning vil således ikke være velegnet i anvendelser hvor kraftige sjokk kan forekomme. Those skilled in the art will recognize that both the inertial platform version and the fixed mounting version can be used in conjunction with MWD. However, each of these schemes is characterized by certain advantages and certain disadvantages, which can make choosing one or the other a logical choice under certain circumstances. The gimbal structure of the inertial platform equipment constitutes e.g. a labour-intensive, precision-made mechanism that will be expensive and delicate. Equipment with gimbal suspension will therefore not be suitable for applications where strong shocks can occur.

Det fastmonterte utstyr har på den annen side sine egne begrensninger, men det utgjør en robust konstruksjon som er bedre egnet til å motstå sjokk og vibrasjoner. Den fastmonterte mekanisme foretrekkes således for tiden i forbindelse med foreliggende oppfinnelsesgjenstand, særlig under MWD-forhold. The fixed equipment, on the other hand, has its own limitations, but it constitutes a robust construction that is better suited to withstand shock and vibration. The fixed mechanism is thus currently preferred in connection with the present invention, particularly under MWD conditions.

Fig. 5 viser et blokkskjema med påførte betegnelser og som angir en bestemt utførelse av MWD-sonden M i fig. 1 mer detaljert. MWD-sonden M omfatter en elektronikk-underavdeling 201 som omfatter effektforsyningen 202, flere magnetometere 204 samt en hovedregulator 206. MWD-sonden M omfatter også IMU-legemet 20 hvis komponenter kommuniserer med elektronikk-underavdelingen 201 over en ytre databuss 208. IMU-legemet 20 omfatter et sett på tre gyroskoper 62, 64, 66 og et sett på tre akselerometere 52, 54, 56, slik som nevnt ovenfor. Fig. 5 angir også en programlagringsinnretning 210.1 den spesielle utfør-else som er vist, blir de signaler som genereres av akselerometersettet og gyro-skopsettet vanligvis behandlet av programvare etter at de er samlet opp av opp-samlingselektronikken 212, 214 som er montert på IMU-legemet 20. Nærmere bestemt er programlagringsinnretningen 210 kodet med instruksjoner, som når de ut-føres, vil utgjøre en fremgangsmåte av samme art som den metode 100 som er anskueliggjort i fig. 9 og vil bli beskrevet nedenfor. Programlagringsinnretningen kan være anbrakt nede i borehullet, slik som den viste utførelse i fig. 5, eller på oversiden av borehullet. Hvis den er plassert opphulls, blir data overført oppover i borehullet til utstyr slik som overflateinstrumentene 7 som er angitt i fig. 1, for behandling og lagring. Alternative utførelser kan velge å anbringe programlagringsinnretningen 210 nede i borehullet inne i elektronikk-underavdelingen 201. Hvis den er plassert nedhulls, kan instruksjonene utføres av en nedhullsprosessor, slik som hovedregulatoren 206. Fig. 6 er en perspektivskisse av IMU-legemet 20 og de komponenter av denne som først er omtalt ovenfor i forbindelse med fig. 2, slik den kan anvendes i en bestemt utførelse av foreliggende oppfinnelse. IMU-legemet 20 omfatter et sett på tre akselerometere 52, 54, 56 som er plassert vinkelrett på hverandre, og et sett på tre HRG 62, 64, 66. Den enkleste utførelse av IMU anbringer også de tre gyroskoper ortogonalt i 90° i forhold til hverandre. Fig. 6 viser en annen alternativ utførelse hvor det ortogonale arrangement av de tre gyroskoper er skjevstilt for å redusere pakkestørrelsen. I denne utførelse, som vil bli nærmere omtalt nedenfor i forbindelse med fig. 7 og 11-12, er gyroskopenes inngangsakser skjevstilt 60° fra hverandre i forhold til lengdeaksen for MWD-sonden M. Hver av disse utførelser, såvel som også andre kan anvendes i forskjellige oppbygninger av foreliggende oppfinnelsesgjenstand. Fig. 5 shows a block diagram with applied designations and which indicates a specific embodiment of the MWD probe M in fig. 1 in more detail. The MWD probe M comprises an electronics subdivision 201 comprising the power supply 202, several magnetometers 204 and a main regulator 206. The MWD probe M also comprises the IMU body 20 whose components communicate with the electronics subdivision 201 over an external data bus 208. The IMU body 20 comprises a set of three gyroscopes 62, 64, 66 and a set of three accelerometers 52, 54, 56, as mentioned above. Fig. 5 also indicates a program storage device 210.1 In the particular embodiment shown, the signals generated by the accelerometer set and the gyroscope set are usually processed by software after being collected by the acquisition electronics 212, 214 mounted on the IMU body 20. More specifically, the program storage device 210 is coded with instructions which, when carried out, will constitute a method of the same kind as the method 100 which is visualized in fig. 9 and will be described below. The program storage device can be placed down in the borehole, such as the embodiment shown in fig. 5, or on the upper side of the borehole. If it is placed uphole, data is transmitted up the borehole to equipment such as the surface instruments 7 indicated in fig. 1, for processing and storage. Alternative embodiments may choose to place the program storage device 210 downhole within the electronics sub-section 201. If located downhole, the instructions may be executed by a downhole processor, such as the main controller 206. Fig. 6 is a perspective view of the IMU body 20 and the components of this which is first mentioned above in connection with fig. 2, as it can be used in a specific embodiment of the present invention. The IMU body 20 comprises a set of three accelerometers 52, 54, 56 which are placed perpendicular to each other, and a set of three HRGs 62, 64, 66. The simplest embodiment of the IMU also places the three gyroscopes orthogonally at 90° to each other to each other. Fig. 6 shows another alternative embodiment where the orthogonal arrangement of the three gyroscopes is skewed to reduce the package size. In this embodiment, which will be discussed in more detail below in connection with fig. 7 and 11-12, the input axes of the gyroscopes are skewed 60° from each other in relation to the longitudinal axis of the MWD probe M. Each of these embodiments, as well as others, can be used in different structures of the present invention.

Fortrinnsvis er gyroskopene valgt fra en gyroskopgruppe bestående av halvkuleformede resonatorgyroskoper, ringlaser-gyroskoper, vibrasjonsgyroskoper, fiberoptiske gyroskoper og avstemte tørr-gyroskoper. Halvkule-resonatorgyro-skopet, som også er kjent som HRG, har vist seg ut i fra en flyvelegeme-prøve å være særlig vel egnet for fastmontert navigeringsutstyr, hovedsakelig på grunn av dets iboende enkelthet. HRG har et meget bredt dynamisk driftsområde. I motsetning til et ringlaser-gyroskop, har HRG ingen lavtakt-blokkering og krever ikke noen vibreringsmekanisme som vil tilføre støy til stillings-utgangene. Preferably, the gyroscopes are selected from a gyroscope group consisting of hemispherical resonator gyroscopes, ring laser gyroscopes, vibrating gyroscopes, fiber optic gyroscopes and tuned dry gyroscopes. The hemispherical resonator gyroscope, which is also known as the HRG, has been shown by an airframe test to be particularly well suited for fixed navigation equipment, mainly due to its inherent simplicity. HRG has a very broad dynamic operating area. Unlike a ring laser gyroscope, the HRG has no low-rate blocking and does not require any vibration mechanism that would add noise to the position outputs.

Det skal nå henvises til fig. 7, hvor det er vist en spesiell utførelse av HRG i form av et faststoff-gyroskop hvis treghetsfølsomme element er et sluttet akse-symmetrisk hylster av silisiumoksid (kvarts) som danner resonator 32. Resonatoren 32 dreies om sin akse og de oscillerende masseelementer på denne erfarer Coriolis-krefter som får en standbølge til å rotere eller presesere i forhold til resonatoren. I tillegg til selve resonatoren 32 omfatter opptakshuset i to deler en driver 36 utført i kvarts med påsmeltede elektroder for kapasitiv driving og utlesning. Dri-veren 36 og opptakeren 38 er sammenføyet ved hjelp av en glassmelte-binding. Hele sammenstillingen av resonator 32, driver 36 og opptaker 38 er så loddet sammen ved bruk av et tinn/sølv/indium-loddemiddel, inne i et Invar-vakuum-hylser 34. Reference must now be made to fig. 7, where a special embodiment of the HRG is shown in the form of a solid-state gyroscope whose inertia-sensitive element is a closed axisymmetric casing of silicon oxide (quartz) which forms resonator 32. The resonator 32 is rotated about its axis and the oscillating mass elements on this experiences Coriolis forces that cause a standing wave to rotate or precess relative to the resonator. In addition to the resonator 32 itself, the two-part recording housing comprises a driver 36 made of quartz with fused-on electrodes for capacitive driving and reading. The driver 36 and the recorder 38 are joined by means of a glass fusion bond. The entire assembly of resonator 32, driver 36 and recorder 38 is then soldered together using a tin/silver/indium solder, inside an Invar vacuum sleeve 34.

HRG i fig. 7 er orientert slik at lengdeaksen 42 for resonatoren 32 er skråstilt i forhold til lengdeaksen 44 for hylsteret 34. Oppfinnelsesgjenstanden er imidlertid ikke begrenset til en slik utførelse, og HRG kan være montert slik at lengde-aksene 42, 44 ligger på linje eller står vinkelrett på hverandre. Den viste skjevstilte utførelse gir mulighet for en pakke med tre HRG, av den art som er vist i fig. 6, vanligvis blir mere kompakt enn en ikke-skjevstilt pakke med tre HRG (ikke vist). Kompakthet er vanligvis ønsket ved utførelse og drift av slike instrumenter, og en slik skjevstilt utførelse kan da være å foretrekke fremfor en linjerettet utførelse i mange anvendelsesforhold. HRG in fig. 7 is oriented so that the longitudinal axis 42 of the resonator 32 is inclined in relation to the longitudinal axis 44 of the casing 34. However, the object of the invention is not limited to such an embodiment, and the HRG can be mounted so that the longitudinal axes 42, 44 lie in line or are perpendicular at each other. The skewed design shown allows for a package of three HRGs, of the type shown in fig. 6, usually becomes more compact than an unbiased bundle of three HRGs (not shown). Compactness is usually desired in the design and operation of such instruments, and such an inclined design may then be preferable to a linear design in many applications.

Konstruksjon og drift av den bestemte HRG som er vist i fig. 7, er angitt mer deltaljert i US-patent nr. 5,712,427 med tittelen "Vibratory Rotation Sensor with Scanning-Tunneling-Transducer Readout", gitt 27. januar 1998 til Litton Systems Inc., overdratt fra oppfinneren Anthony Matthews. Construction and operation of the particular HRG shown in fig. 7, is set forth in more detail in US Patent No. 5,712,427 entitled "Vibratory Rotation Sensor with Scanning-Tunneling-Transducer Readout", issued January 27, 1998 to Litton Systems Inc., assigned from inventor Anthony Matthews.

MWD-sonden M omfatter i den viste utførelse i fig. 1 minst to MWD-drifts-modi under utboring: (i) en gyrokompassmodus som er i virksomhet hver gang borestrengen 6 stoppes for å foreta en tilslutning eller fråkopling av en rørseksjon (omtrent for hver 27 meter borerør), hvor målingen utløses med slampumpenes syklusdrift slått av, idet måleresultatene lagres nede i borehullet i en lagermodul (ikke vist) som er montert på IMU-legemet 20, eller eventuelt opphulis over slampuls-telemetri. (ii) en kontinuerlig treghetsnavigasjons-modus, hvor MWD-sonden M arbeider for kontinuerlig undersøkelse av borebrønnen, f.eks. med utgangspunkt fra borebrønnsbrønnen før borestrengen trekkes ut. The MWD probe M comprises in the embodiment shown in fig. 1 at least two MWD operating modes during drilling: (i) a gyrocompass mode which is in operation whenever the drillstring 6 is stopped to make a connection or disconnection of a pipe section (approximately for every 27 meters of drill pipe), where the measurement is triggered by the cyclic operation of the mud pumps switched off, as the measurement results are stored down in the borehole in a storage module (not shown) which is mounted on the IMU body 20, or optionally stored over mud pulse telemetry. (ii) a continuous inertial navigation mode, where the MWD probe M works for continuous survey of the borehole, e.g. starting from the borehole well before the drill string is pulled out.

Ved et visst tidspunkt under boreprosessen vil instrumentene inne i sonden M angi at sonden befinner seg hovedsakelig på målet ved borebrønnsbunnen. Ved dette tidspunkt vil borestrengen 6 vanligvis bli trukket ut fra borebrønnen 9.1 henhold til foreliggende oppfinnelse anvendes den dødtid som er iboende under uttrekket av borestrengen fra borebrønnen for nøyaktig kartlegging av borebrøn-nen. Borebrønnen blir således undersøkt ved uttrekk av sonden fra borebrønnens bunn under bestemmelse av skrittvise posisjonsforandringer av sonden under uttrekket ved bruk av treghetsmåleenheten IMU inne i sonden M. Sondeuttrekket stanses ved et endepunkt for undersøkelsen, f.eks. i brønnhodet på jordoverflaten eller ved havbunnens slamlinje hvor brønnhodet er anbrakt, og hvis sanne posisjon er kjent. Undersøkelsesdata blir så korrigert ut i fra forskjellen mellom sondeposisjonen ved undersøkelsens endepunkt, slik den er fastlagt av treghetsmåleenheten, og det kjente sanne endepunkt for brønnundersøkelsen. At a certain point during the drilling process, the instruments inside the probe M will indicate that the probe is located mainly on the target at the bottom of the borehole. At this point, the drill string 6 will usually be pulled out of the drill well 9.1 according to the present invention, the dead time inherent during the extraction of the drill string from the drill well is used for accurate mapping of the drill well. The borehole is thus examined by extracting the probe from the bottom of the borehole while determining stepwise positional changes of the probe during the extraction using the inertial measurement unit IMU inside the probe M. The probe extraction is stopped at an end point for the investigation, e.g. in the wellhead on the surface of the earth or at the mudline of the seabed where the wellhead is located, and whose true position is known. Survey data is then corrected based on the difference between the probe position at the survey end point, as determined by the inertial measurement unit, and the known true end point of the well survey.

Fig. 8 viser en variant av de koordinatsystemer som anvendes ved den videre beskrivelse av foreliggende oppfinnelse. I henhold til foreliggende oppfinnelse utnyttes informasjon fra flere forskjellige koordinatsystemer. F.eks. innsamles informasjon i et visst koordinatsystem, med andre ord innenfor referanserammen for sonden M, og utnyttes i et annet referansesystem, f.eks. treghets-referansesyste-met. Nærmere bestemt angir fig. 8 skjematisk typiske ortogonale koordinatsystemer beslektet med det fastmonterte treghetsnavigasjonsutstyr som er omtalt her, idet slike koordinatsystemer omfatter: Fig. 8 shows a variant of the coordinate systems used in the further description of the present invention. According to the present invention, information from several different coordinate systems is utilized. E.g. information is collected in a certain coordinate system, in other words within the reference frame for the probe M, and utilized in another reference system, e.g. inertial reference system met. More specifically, fig. 8 schematically typical orthogonal coordinate systems related to the stationary inertial navigation equipment discussed herein, such coordinate systems comprising:

• Treghets-koordinatsystemet: (X<1>, Y', Z') • The inertial coordinate system: (X<1>, Y', Z')

• Det jord-fikserte koordinatsystem: (Xe, Y6, Z<e>) • The earth-fixed coordinate system: (Xe, Y6, Z<e>)

• Det lokale/vertikale koordinatsystem: (øst, nord, oppover) • The local/vertical coordinate system: (east, north, up)

• Lokal/vertikalt vandre-asimut (LVWA)-koordinatsystem: (Xa, Y3, Za)• Local/Vertical Walk Azimuth (LVWA) coordinate system: (Xa, Y3, Za)

• Legeme-koordinatsystemet: (X<b>, Y", Z<b>) • The body coordinate system: (X<b>, Y", Z<b>)

Treghetskoordinatsystemet er definert som et høyrehånds, ikke-roterende koordinatsystem i forhold til en fast stjerne, hvor X-aksen forløper parallelt med jordens nordpolakse. Det jordfaste koordinatsystem er definert som et høyrehånds koordinatsystem på jorden hvor X-aksen er rettet langs jordens polakse, men hvor koordinatsystemet dreier seg om X-aksen sammen med jorden og med jordens omdreiningstakt. Lokal/vertikal (<n>LV")-koordinatsystemet kan f.eks. defineres slik at dets X-akse er rettet mot øst, dets Y-akse er rettet mot nord og Z-aksen er rettet oppover. Lokal/vertikal vandreasimut ("LVWA")-koordinatsystemet er fastlagt som det lokal/vertikale koordinatsystem faller sammen med lokal/vertikale koordinatsystem når vandrevinkelen a er lik null. Ellers kan LVWA-koordinatsystemet oppnås ved å dreie LV-koordinatsystemet en vinkel a om oppover-aksen. Endelig kan legeme-koordinatsystemet defineres slik at X-aksen er i retning fremover på IMU-legemet langs legemets akse, mens f.eks. Y-aksen da er til venstre og Z-aksen er oppover. The inertial coordinate system is defined as a right-handed, non-rotating coordinate system in relation to a fixed star, where the X-axis runs parallel to the Earth's north pole axis. The geostationary coordinate system is defined as a right-handed coordinate system on Earth where the X-axis is directed along the Earth's polar axis, but where the coordinate system revolves around the X-axis together with the Earth and with the Earth's rate of rotation. For example, the local/vertical (<n>LV") coordinate system can be defined so that its X-axis is directed east, its Y-axis is directed north and the Z-axis is directed upward. Local/vertical travel azimuth ( "LVWA") coordinate system is defined as the local/vertical coordinate system coincides with the local/vertical coordinate system when the wandering angle a is equal to zero. Otherwise, the LVWA coordinate system can be obtained by rotating the LV coordinate system by an angle a about the upward axis. Finally, the The body coordinate system is defined so that the X-axis is in the forward direction on the IMU body along the body's axis, while, for example, the Y-axis is then to the left and the Z-axis is upwards.

Som nevnt ovenfor, omfatter sonden M som anvendes for å iverksette foreliggende oppfinnelse en elektronikk-underavdeling samt en IMU. Denne IMU omfatter tre en-aksede HRG og tre en-aksede akselerometere. Disse treghetsfølere, nemlig med andre ord HRG-enhetene og akselerometerne, er montert på IMU-legemet 20 som er ubevegelig festet til sondehuset. Ved å utnytte tre en-aksede HRG og tre en-aksede akselerometere som en fastmontert treghetsmåleenhet (IMU) kan det frembringes tre akser for vinkelbestemmende og lineære forskyvningssignaler innenfor et visst tidsrom. As mentioned above, the probe M used to implement the present invention comprises an electronics subdivision as well as an IMU. This IMU comprises three single-axis HRGs and three single-axis accelerometers. These inertial sensors, namely the HRG units and the accelerometers, are mounted on the IMU body 20 which is immovably attached to the probe housing. By utilizing three one-axis HRG and three one-axis accelerometers as a fixed inertial measurement unit (IMU), three axes of angular and linear displacement signals can be generated within a certain time.

Det skal nå atter henvises til fig. 1, hvor gyroskop- og akselerometer-data ved en utførelse av foreliggende oppfinnelse sendes opphulls av IMU i sonden M for å behandles av overflateinstrumentene 7. Den eneste del av INS-utstyret som er anbrakt nede i borehullet på MWD-sonden M er da IMU. De gjenværende funk-sjoner som er fremvist i fig. 10 er da anbrakt på oversiden av borehullet og utføres av forskjellige partier av overflate-instrumentpakken 7. De gjenværende arbeids-funksjoner er da vanligvis definert og utføres ved hjelp av programvare, slik at de iverksettes av en prosessor som utøver instruksjoner på en lagringsinnretning. Reference must now be made again to fig. 1, where gyroscope and accelerometer data in an embodiment of the present invention is sent uphole by the IMU in the probe M to be processed by the surface instruments 7. The only part of the INS equipment that is located down the borehole of the MWD probe M is then the IMU . The remaining functions shown in fig. 10 is then placed on the upper side of the borehole and is performed by various parts of the surface instrument package 7. The remaining work functions are then usually defined and performed with the help of software, so that they are implemented by a processor that executes instructions on a storage device.

I en annen utførelse blir de seks lineære og angulære forskyvningssignaler som frembringes av treghetsføleme analysert ved bruk av følgende beregningsal-goritmer iverksatt på nedhullssonden: (i) gyrokompass-beregninger for begynnende fastleggelse av sondens stilling ved hjelp av analytisk (grov) innretningsberegning samt fin innretningsberegning, eventuelt ved å benytte et Kalman-filter, (ii) hastighets/stillings-beregninger ved bruk av de tre-aksede HRG-signaler som oppdaterer en kvaterne eller en retnings-kosinusmatrise (DCM) fra sondens legemeramme i forhold til treghetsrammen samt oversetter skritthastig-heten fra treakse-akselerometerne til treghetsrammen, og (iii) posisjonsberegninger som beregner breddegrad og lengdegrad ved å bruke treghets-navigasjonsteknikken ved lokal/vertikal vandreasimut. In another embodiment, the six linear and angular displacement signals produced by the inertial sensors are analyzed using the following calculation algorithms implemented on the downhole probe: (i) gyrocompass calculations for initial determination of the probe's position by means of analytical (coarse) facility calculation as well as fine facility calculation , possibly by using a Kalman filter, (ii) velocity/position calculations using the three-axis HRG signals which update a quaternary or a direction cosine matrix (DCM) from the probe's body frame relative to the inertial frame as well as translating step speed -theity from the three-axis accelerometers to the inertial frame, and (iii) position calculations that calculate latitude and longitude using the inertial navigation technique at local/vertical travel azimuth.

Beregningene av (ii) og (iii) samt av sann vertikal dybde ("TVD") fremmes av en lineær eller ikke-lineær estimator for å kompensere for systemfeil i kombina-sjon med nullhastighets-oppdateringer. De lineære og ikke-lineære estimatorer kan omfatte lineære og utvidede Kalman-filtre ("KF"), bakoverrettede Kalman-utjevnere samt estimatorer av minste modellfeil ("MME"). The calculations of (ii) and (iii) as well as of true vertical depth ("TVD") are advanced by a linear or non-linear estimator to compensate for system errors in combination with zero rate updates. The linear and nonlinear estimators may include linear and extended Kalman filters ("KF"), backward Kalman smoothers, and minimum model error ("MME") estimators.

Det skal nå henvises til blokkskjemaet i fig. 9, hvor det er vist at hver av de tre ortogonal-orienterte akselerometere og de tre ortogonal-orienterte gyroskoper i det fastmonterte IMU-legemet 20 frembringer et temperatur-kompensert signal, slik som angitt ved de forskjellige blokker 110,112. De tre akselerometere danner til sammen et treakset akselerometer, slik det vil være velkjent innenfor fagområ-det og angir da tre hasttghetstrinn for sonden M målt i legeme-koordinatrammen. De tre gyroskoper er i denne spesielle utførelse halvsirkelformede resonatorgyroskoper ("HRG"), slik det er nevnt ovenfor, og deres signaler angir da tre inkrementale dreievinkler, som også måles i legeme-koordinatrammen. I den utførelse som er vist i fig. 4 og 6, er de tre akselerometere og de tre gyroskoper orientert ortogonalt i forhold til hverandre. En slik orientering er imidlertid ikke nødvendig for å praktisere foreliggende oppfinnelse. Det skal nå atter henvises til fig. 9, hvor det er angitt at tre temperaturkompenserte tre-aksede akselerometersignaler 110 og tre-aksede HRG-signaler 112 fra den fastmonterte IMU derpå føres inn i en buffermo-dul i blokk 114. Reference should now be made to the block diagram in fig. 9, where it is shown that each of the three orthogonally-oriented accelerometers and the three orthogonally-oriented gyroscopes in the fixed-mounted IMU body 20 produces a temperature-compensated signal, as indicated by the various blocks 110,112. The three accelerometers together form a three-axis accelerometer, as will be well known in the field and then indicate three speed steps for the probe M measured in the body coordinate frame. The three gyroscopes in this particular embodiment are semicircular resonator gyroscopes ("HRG"), as mentioned above, and their signals then indicate three incremental rotation angles, which are also measured in the body coordinate frame. In the embodiment shown in fig. 4 and 6, the three accelerometers and the three gyroscopes are oriented orthogonally in relation to each other. However, such an orientation is not necessary to practice the present invention. Reference must now be made again to fig. 9, where it is indicated that three temperature-compensated three-axis accelerometer signals 110 and three-axis HRG signals 112 from the permanently mounted IMU are then fed into a buffer module in block 114.

Signalene 110,112 blir så kompensert for større deterministiske feilkoeffisienter i akselerometerne og gyroskopene ved hjelp av henholdsvis akselerometer-feilkompensatoren 116 og gyroskop-feilkompensatoren 118. Eksempler på "større deterministiske feilkoeffisienter" omfatter, men er ikke begrenset til systematiske avvik, skalafaktor-feil og skjeve innstillinger. De kompenserte signaler 120, 122 overføres til en hastighets/stillings-prosessor, slik som angitt ved blokk 124. The signals 110,112 are then compensated for larger deterministic error coefficients in the accelerometers and gyroscopes using the accelerometer error compensator 116 and the gyroscope error compensator 118, respectively. Examples of "larger deterministic error coefficients" include, but are not limited to, systematic deviations, scale factor errors and skewed settings . The compensated signals 120, 122 are transmitted to a speed/position processor, as indicated at block 124.

Hastighets/stillings-prosessoren 124 oppdaterer enten en legeme/treghets-retningskosinusmatrise ("DCM") eller en legeme/treghets-kvaterne. Én spesiell ut-førelse utnytter legeme/treghets-DCM, og denne iverksetting vil bli anvendt for videre omtale av denne spesielle utførelse. Den beregnede legeme/treghets-DCM oversetter den inkrementale hastighetsvektor fra legeme-koordinatsystemet til treghets-koordinatsystemet. Den oppdaterte legeme/treghets-DCM og treghets-systemets inkrementale hastighetsvektor avgis til LVWA-treghetsnavigasjonsprosessoren slik som angitt ved blokk 126. LVWA-treghetsnavigasjonsprosessoren 126 benytter seg av en jord-tyngdekraftmodell 128, som i denne spesielle utfør-else er en modell fra US-Department of Defense World Geodetic Survey (WGS 72/84). The velocity/position processor 124 updates either a body/inertial direction cosine matrix ("DCM") or a body/inertial quaternion. One particular embodiment utilizes body/inertial DCM, and this implementation will be used for further discussion of this particular embodiment. The calculated body/inertial DCM translates the incremental velocity vector from the body coordinate system to the inertial coordinate system. The updated body/inertial DCM and inertial system incremental velocity vector are output to the LVWA inertial navigation processor as indicated at block 126. The LVWA inertial navigation processor 126 utilizes an Earth gravity model 128, which in this particular embodiment is a model from the US -Department of Defense World Geodetic Survey (WGS 72/84).

Hastighetsvektoren i LV-koordinatsystemet (øst-nord-oppover) slik den er fastlagt av LVWA-treghetsnavigasjonsprosessoren 126 foretar en hastighetsfeil-observasjon når sonden M er i hvile, da referansehastigheten ved hvile er null-hastighet. Referansehastighetene som anvendes for å utlede hastighetsfeilsigna-ler kan frembringes fra forskjellige kilder. Referansehastighetene kan f.eks. fastlegges ved midlertidig å redusere sondens hastighet i det vesentlige til null i flere tidsperioder under sondens uttrekk, slik at det derved opprettes nullhastighets-referanser. I dette tilfelle bestemmes hastighetsfeilene ved å anvende de fastlagte sondehastigheter av treghetsmåleenheten under de forskjellige nullhastighets-perioder. The velocity vector in the LV coordinate system (east-north-up) as determined by the LVWA inertial navigation processor 126 makes a velocity error observation when the probe M is at rest, as the reference velocity at rest is zero velocity. The reference speeds used to derive speed error signals can be produced from different sources. The reference speeds can e.g. is determined by temporarily reducing the probe's speed essentially to zero for several time periods during the probe's extraction, so that zero speed references are thereby created. In this case, the velocity errors are determined by using the determined probe velocities of the inertial measurement unit during the various zero-velocity periods.

Slike nullhastighets-tilfeller opptrer under MWD-operasjonene når borestrengens uttrekk stoppes for å frakople et skjøteparti eller en seksjon av borerøret fra strengen. I det tilfelle sonden er en sonde som er opphengt i borebrøn-nen på en trådledningskabel, frembringes referansehastighetene alternativt ved signaler som representerer mange forskjellige hastighetsavlesninger for kabelen. Such zero-velocity cases occur during MWD operations when the drill string pullout is stopped to disconnect a joint or section of drill pipe from the string. In the event that the probe is a probe that is suspended in the borehole on a wireline cable, the reference speeds are alternatively produced by signals representing many different speed readings for the cable.

Hastighetsfeil-observasjonene avgis, som vist ved blokk 130, til Kalman-filteret 132. Dette Kalman-filteret 132 vurderer de systematiske feil som er angitt og kompenserer for disse systemfeil ved tilbakekopling 134,136,138,140,142 inn i treghetsnavigasjonssystemet ("INS"). En Kalman-utjevner, som er angitt ved blokk 144, kan også utnyttes for ytterligere å korrigere posisjonsutganger 146 i de nullhastighets-oppdaterte (ZUPT) INS-korreksjoner med det formål å nedsette navigasjonsfeilene til et minimum. The velocity error observations are provided, as shown at block 130, to the Kalman filter 132. This Kalman filter 132 evaluates the systematic errors indicated and compensates for these system errors by feedback 134,136,138,140,142 into the inertial navigation system ("INS"). A Kalman equalizer, indicated at block 144, may also be utilized to further correct position outputs 146 in the zero velocity updated (ZUPT) INS corrections for the purpose of minimizing the navigation errors.

Ved dette tidspunkt er det blitt treghetsnavigert gjennom borebrønnen ved hjelp av ZUPT-korreksjoner, fra et mål på bunnen av borehullet til et kjent slutt-punkt for undersøkelsen, slik som f.eks. et brønnhode eller et sted på havbunnen. Så snart navigeringen gjennom borebrønnen er fullført, blir hele borebrønnsbanen eller kartleggingen numerisk korrigert ved en parallelltransport-beregning. En slik beregning fremgår av skissen i fig. 10, og kan beskrives matematisk på følgende måte. At this point, it has been inertial navigated through the borehole using ZUPT corrections, from a target at the bottom of the borehole to a known end point for the survey, such as e.g. a wellhead or a place on the seabed. As soon as the navigation through the borehole is completed, the entire borehole trajectory or mapping is numerically corrected by a parallel transport calculation. Such a calculation appears from the sketch in fig. 10, and can be described mathematically in the following way.

La (xo, yo, zo) = kjente, sanne endepunkts-borebrønnskoordinater, og Let (xo, yo, zo) = known, true end-point borehole coordinates, and

(x0,y0,z0)= borebrønnens endepunkts-koordinater slik de fremgår av INS-undersøkelsen ved bruk av ZUPT. (x0,y0,z0)= the end point coordinates of the borehole as they appear from the INS survey using ZUPT.

Forskyvningsfeilvektoren fra det sanne endepunkt er da gitt ved: The displacement error vector from the true endpoint is then given by:

(d(x0,x0), d(y0,y0), dtø, z0)) = (x0 - x0, y0- y0, zo-z0). (d(x0,x0), d(y0,y0), dtø, z0)) = (x0 - x0, y0- y0, zo-z0).

Hele bevegelsesbanen Tzupt som er angitt av INS ved bruk av ZUPT kan da re-presenteres ved: The entire motion path Tzupt specified by INS using ZUPT can then be re-represented by:

Den korrigerte bevegelsesbane TCorr er da gitt ved: The corrected movement path TCorr is then given by:

Fagkyndige på området vil erkjenne at en posisjonsfeil på bunnen av borehullet kan forårsakes av flerskudds gyrokompassinnstillinger under MWD-operasjonene. Den omvendte treghetsnavigasjonsmetode i henhold til foreliggende oppfinnelse kan nedsette slike bunnposisjonsfeil med hensyn til hele borebrønnsnavi-gasjonen da den feil som skriver seg fra ZUPT hovedsakelig er mindre enn de feil som påføres ved gyrobestemt undersøkelse. Those skilled in the art will recognize that a downhole position error can be caused by multi-shot gyrocompass settings during MWD operations. The inverse inertial navigation method according to the present invention can reduce such bottom position errors with regard to the entire borehole navigation, as the error that is written from ZUPT is mainly smaller than the errors that are caused by gyro-determined survey.

Som angitt ovenfor, er foreliggende oppfinnelse tenkt som en omvendt treghetsnavigasjonsmetode, hvor akselerometer- og gyroskop-målinger som tas når borestrengen befinner seg i hvile, slik som når ytterligere skjøteseksjoner av borerør fjernes fra borestrengen 6 under uttrekk av borestrengen fra borebrønnen 9. Sonden M kan imidlertid erfare bevegelse selv om riggens rotasjonsbor befinner seg i hvile, nemlig ved forsinket "vridning" av det nedre parti av borestrengen som reaksjon på tidligere dreining av borestrengens øvre parti ved rotasjonsboret. Slik vridebevegelse kan opptre ved landrigger såvel som i forbindelse med flyterigger eller boreskip. Når det gjelder flyterigger og boreskip, kan sjøens stampebevegel-ser også frembringe bevegelse av sonden M inne i borebrønnen 9. As indicated above, the present invention is conceived as a reverse inertial navigation method, where accelerometer and gyroscope measurements are taken when the drill string is at rest, such as when additional splice sections of drill pipe are removed from the drill string 6 during extraction of the drill string from the wellbore 9. The probe M can, however, experience movement even if the rig's rotary bit is at rest, namely by delayed "twisting" of the lower part of the drill string in reaction to earlier turning of the upper part of the drill string by the rotary bit. Such a twisting movement can occur with land rigs as well as in connection with floating rigs or drilling ships. In the case of floating rigs and drillships, the sea's pounding movements can also cause movement of the probe M inside the borehole 9.

US-patent nr. 5,432,699, som er felles overdratt til innehaveren av foreliggende oppfinnelse og hvis innhold tas inn her som referanse, beskriver en fremgangsmåte og et apparat for å korrigere slike bevegelsesinnførte feil i gyroskop-signalene. 699-patenten gjør bruk av magnetometer-utgangssignaler for å korrigere de bevegelsesfrembrakte gyroskopfeil, slik at borebrønnens baneretning kan bestemmes mer nøyaktig under perioder hvor boreoperasjonene er stanset. US Patent No. 5,432,699, which is jointly assigned to the assignee of the present invention and the contents of which are incorporated herein by reference, describes a method and apparatus for correcting such motion-induced errors in the gyroscope signals. The 699 patent makes use of magnetometer output signals to correct the motion-induced gyroscope errors, so that the borehole trajectory can be determined more accurately during periods when drilling operations are halted.

Som omtalt ovenfor og vist i fig. 7, er HRG-enhetene i én utførelse av foreliggende oppfinnelse skjevstilt med hensyn til sine orienteringer i forhold til lengdeaksen for IMU-legemet 20. Denne orientering påvirker den måte hvorpå HRG-signalene analyseres. For å anskueliggjøre denne virkning, er algoritmer for grov (analytisk)-innretning og kontinuerlig stillingsoppdatering for en skjevstilt gyroskop-IMU angitt nedenfor. For vanlige IMU-enheter som omfatter ortogonalt montert gyroskoper, kan to-akset gyroskop-utstyr anvendes for innretninger i vertikale eller horisontale brønner. På bekostning av innretnings-nøyaktighet kan også fastmonterte to-gyroskops IMU anvendes i awiksbrønner. En fastmontert IMU bestående av tre skjevstilte HRG-enheter og tre ortogonal-monterte akselerometere antas anvendt her. As discussed above and shown in fig. 7, the HRG units in one embodiment of the present invention are skewed with regard to their orientations relative to the longitudinal axis of the IMU body 20. This orientation affects the way in which the HRG signals are analyzed. To illustrate this effect, algorithms for coarse (analytical) alignment and continuous position update for a tilted gyroscope IMU are given below. For common IMU units that include orthogonally mounted gyroscopes, two-axis gyroscope equipment can be used for installations in vertical or horizontal wells. At the expense of setup accuracy, fixed two-gyro IMUs can also be used in awiks wells. A fixed-mounted IMU consisting of three tilted HRG units and three orthogonally-mounted accelerometers is assumed to be used here.

Fig. 11 viser sammenhengen mellom et eksempel på skjevstilt gyroskop-ramme og en ortogonal slik ramme. En koordinat-transformasjon mellom disse to rammer er da gitt ved: Fig. 11 shows the connection between an example of a skewed gyroscope frame and an orthogonal such frame. A coordinate transformation between these two frames is then given by:

hvor skjevstilte akser er X, Y og Z, og ortogonale akser er X", Y' og Z\ antatt Videre, where skewed axes are X, Y and Z, and orthogonal axes are X", Y' and Z\ assumed Furthermore,

Slik at X normaliseres ved: So that X is normalized by:

Når så den matematiske form av koordinat-transformasjonen mellom de to rammer er gitt som ovenfor, så vil den ortogonale koordinatramme (XYZ) i det følgende blir brukt i denne beskrivelse. For enkelthets skyld skal det i denne beskrivelse antas at akselerometerne og gyroskopene dele ett og samme IMU-legeme 20. Mekaniske feilinnretninger mellom treghetsfølere vil således ikke bli betraktet her. When the mathematical form of the coordinate transformation between the two frames is given as above, then the orthogonal coordinate frame (XYZ) will be used in the following in this description. For the sake of simplicity, it shall be assumed in this description that the accelerometers and gyroscopes share one and the same IMU body 20. Mechanical fault devices between inertial sensors will thus not be considered here.

Analytisk innretning. Ved den analytiske innretning av IMU fastlegges en retnings-kosinusmatrise ("DCM") som transformerer den lokal/vertikale navigasjons-koordinatramme til en koordinatramme for fastmontert plattform (legeme). De tre Euler-vinkler, nemlig gyroskop-redskapsfront (rulling), skråstilling (stamping), og asimut (giring) kan umiddelbart utledes fra DCM. For enkelhets skyld er den IMU som er vist i fig. 11 skråstilt. IMU-legemets koordinatramme, nemlig X, Y, Z i fig. 11, gis da nye betegnelser slik som X'=Z, Y--Y, Z-X for det formål å fastlegge alle Euler-vinkler uten singularitet, slik som vist i fig. 12. Definisjonen av en fastmontert legemeramme er faktisk vilkårlig, og den bør anvendes korrekt og koptes inn i IMU-innretningen mellom vertikale og horisontale avsnitt av brønnen for å hindre singulariteter. Analytical facility. At the analytical facility of the IMU, a direction cosine matrix ("DCM") is determined which transforms the local/vertical navigation coordinate frame into a fixed platform (body) coordinate frame. The three Euler angles, namely gyroscope-tool front (roll), pitch (pitch), and azimuth (yaw) can be immediately derived from the DCM. For simplicity, the IMU shown in fig. 11 slanted. The IMU body coordinate frame, namely X, Y, Z in fig. 11, new designations such as X'=Z, Y--Y, Z-X are then given for the purpose of determining all Euler angles without singularity, as shown in fig. 12. The definition of a fixed body frame is actually arbitrary, and it should be applied correctly and incorporated into the IMU device between vertical and horizontal sections of the well to prevent singularities.

Som vist nedenfor, transformerer DCM vektorer i navigasjonsrammen til vektorer i IMU-legemets ramme hvor de faktiske målinger av fysiske størrelser utføres: As shown below, the DCM transforms vectors in the navigation frame to vectors in the IMU body frame where the actual measurements of physical quantities are performed:

hvor where

f*3 (f<1>) = den spesifikke vektor (hvilket vil si tyngdekraft i stasjonær innretning) i forhold til det treghetsrom som måles i legeme (navigasjons)-rammen, og f*3 (f<1>) = the specific vector (that is, gravity in a stationary device) relative to the inertial space measured in the body (navigation) frame, and

rob (©") = vinkelhastighetsvektoren (hvilket vil si jorden omdreiningstakt ved stasjonær innretning) i forhold til det treghetsrom som måles i legeme (navigasjons)-rammen. rob (©") = the angular velocity vector (that is, the earth's rate of rotation in the case of a stationary device) in relation to the inertial space measured in the body (navigation) frame.

Ligning (1) kan nå uttrykkes som en enkel matriseligning på følgende måte: Equation (1) can now be expressed as a simple matrix equation in the following way:

for j = 1, 2, 3 og Cjk er det jk-te element i DCM Cb = (qi). Den inverse matrise av 3x3 matrisen på venstre side av (2) eksisterer hvis f x g><n> * 0, hvilket vil si hvis tyngdekraftsvektoren ikke er parallell med jordens omdreiningstakt-vektor. Ligning (2) har følgelig ingen løsning omkring det cjk hvor de to vektorer er parallelle, nemlig på nordpolen og sydpolen, og innretningen blir da meningsløs. for j = 1, 2, 3 and Cjk, the jk-th element of the DCM is Cb = (qi). The inverse matrix of the 3x3 matrix on the left-hand side of (2) exists if f x g><n> * 0, that is, if the gravity vector is not parallel to the Earth's rotation rate vector. Equation (2) consequently has no solution around the cjk where the two vectors are parallel, namely at the north pole and the south pole, and the device then becomes meaningless.

Når f x ©n * 0, kan ligning (2) løses til formen: When f x ©n * 0, equation (2) can be solved in the form:

Fastleggelse av navigasjonsrammen som en øst/nord/opp-ramme og ut-trykk av graviditet og jordens omdreiningstakt-vektorer i denne ramme, gir da: hvor n = jordens omdreiningstakt, og L = geografisk breddegrad ved innretningen. Vektorproduktet er da gitt ved: Determining the navigation frame as an east/north/up frame and expressing pregnancy and the earth's rotation rate vectors in this frame then gives: where n = the earth's rotation rate, and L = geographical latitude at the device. The vector product is then given by:

Innsetting av (4), (5) og (6) i (3) gir: Insertion of (4), (5) and (6) in (3) gives:

Rett-frem-beregning av den inverse matrise i ligning (7) gir: Idet Straight-forward calculation of the inverse matrix in equation (7) gives: Idet

Ved innsetning av (9) i (7) oppnås et sett av løsninger for ligning (2) uttrykt i ele-menter av DCM slik som følger: By inserting (9) into (7), a set of solutions for equation (2) expressed in elements of DCM is obtained as follows:

hvor hb beregnes fra gyroskop- og akselerometerutganger som vist i (9): where hb is calculated from gyroscope and accelerometer outputs as shown in (9):

Normalisering av vektorkomponentene gir da: Normalization of the vector components then gives:

og med (10) skrevet i enklere form: hvor and with (10) written in simpler form: where

Eksplisitt uttrykt ved sine komponenter, er nå DMC gitt ved: Explicitly expressed by its components, DMC is now given by:

På den annen side kan legemet/navigerings-DCM C[) = (Cj| )'<1> uttrykkes ved Euler-parametere, nemlig redskapsfront (rulling) <J>, helning (stamping) 0, og asimut (giring) <*>F på følgende måte: On the other hand, the body/navigation DCM C[) = (Cj| )'<1> can be expressed in terms of Euler parameters, namely implement front (roll) <J>, pitch (pitch) 0, and azimuth (yaw) <* >F in the following way:

Da DCM er en ortogonal matrise, hvor Cj = (Cj )" 1, gir sammenligning mellom (13) og (14): Da er Since DCM is an orthogonal matrix, where Cj = (Cj )" 1, comparison between (13) and (14) gives: Then is

hvor X-, Y-, og Z-aksene for legemet er definert som henholdsvis fremoverretning, til venstre og oppover ( se fig. 10). where the X-, Y- and Z-axes for the body are defined as forward direction, left and upwards respectively (see fig. 10).

Uttrykkene (16a)-(16c) viser at utledningen av Euler-vinklene er direkte basert på målinger av akselerasjon og dreietakt. Hvis de målte signaler ved hjelp av gyroskop og akselerometer inneholder vesentlig tilfeldig støy, vil den analytiske innretning basert på (16a)-(16c) ikke lenger være praktisk. En fremgangsmåte som benytter innretning ved Kalman-filter benyttes da vanligvis i slike tilfeller for å oppnå system-redundans. Expressions (16a)-(16c) show that the derivation of the Euler angles is directly based on measurements of acceleration and turning rate. If the measured signals using the gyroscope and accelerometer contain significant random noise, the analytical device based on (16a)-(16c) will no longer be practical. A method that uses a Kalman filter device is then usually used in such cases to achieve system redundancy.

Asimut-feilanalyse. I kardanoppheng-utstyr gjør den mekaniske konstruksjon av kardanopphengningen vanligvis en systembegrensning med hensyn til den maksimale helning, f.eks. ved 70° helning i praksis. I fastmontert utstyr foreligger imidlertid i prinsipp ingen slik begrensning av den maksimale helning, spesielt ikke etter endring av legemets rammedefinisjon, slik som beskrevet tidligere. Azimuth error analysis. In gimbal equipment, the mechanical construction of the gimbal usually places a system limitation with respect to the maximum tilt, e.g. at 70° inclination in practice. In fixed equipment, however, there is in principle no such limitation of the maximum inclination, especially not after changing the frame definition of the body, as described earlier.

Generelt er asimut-usikkerheten 54<*> når den fastmonterte IMU er sant rettet mot nord i øst/nord/oppover-navigasjonsrammen gitt ved hvor Bw og Nw er henholdsvis vest (y)-gyroskopbasis og vilkårlig dreievinkelvand-ring, og hvor T er en innretningstid. Ligning (17) anvendes generelt for å vise inn-retningens kvalitetsnivå i det fastmonterte IMU-system. In general, the azimuth uncertainty is 54<*> when the fixed IMU is pointing true north in the east/north/up navigation frame given by where Bw and Nw are the west (y) gyroscope base and arbitrary yaw angle wander, respectively, and where T is an installation time. Equation (17) is generally used to show the device's quality level in the fixed IMU system.

Redskapsfront-oppdatering. Oppdatering av redskapsfronten er utledet ute i en stillestående posisjon, hvilket innebærer at det tilnærmet ikke foreligger noen posisjonsforskyvning av IMU under dreiningen om legemets X-akse. Tool Front Update. Update of the tool front is derived in a stationary position, which means that there is almost no positional displacement of the IMU during rotation about the body's X-axis.

For det første er legemet/treghets-DCM ved t=0 gitt ved: First, the body/inertial DCM at t=0 is given by:

C„ (0) er da den opprinnelige navigasjons/jordfaste-ramme DCM, og X er en geografisk lengdegrad. Videre er C£ (0) gitt ved (14) over den analytiske innretning. C„ (0) is then the original navigation/ground-fixed frame DCM, and X is a geographic longitude. Furthermore, C£ (0) is given by (14) over the analytical device.

La C'b(0) = [ctjk], j,k = 1, 2, 3, og den opprinnelige kvatern fra legemets- til treg-hetsramme er da gitt ved: Let C'b(0) = [ctjk], j,k = 1, 2, 3, and the original quaternion from the body to the inertial frame is then given by:

Nå forfølges den annen-ordens kvatern-oppdatering. La A8£ = [AØi, A02, A03]' være en gyroutlesning (vinkel-inkrement) ved t + At i legemet (XYZ)-rammen i forhold til treghetsrommet. Den annen-ordens oppdaterte kvatern er da gitt ved: Now the second-order quaternion update is being pursued. Let A8£ = [AØi, A02, A03]' be a gyro reading (angular increment) at t + At in the body (XYZ) frame relative to inertial space. The second-order updated quaternion is then given by:

Uttrykt ved kvatern-elementene: Etter kvatern-oppdateringen (21), blir periodisk normalisert (f.eks. hvert 4. sek-und) over Expressed by the quaternary elements: After the quaternary update (21), is periodically normalized (e.g. every 4 sec-und) over

Den oppdaterte (og normaliserte) legemets/treghets-DCM er nå uttrykt ved den oppdaterte og normaliserte kvatern (22) slik at: The updated (and normalized) body/inertial DCM is now expressed by the updated and normalized quaternion (22) such that:

På den annen side er oppdateringen av treghet-til-navigasjons-DCM C" = C"e Cei gitt ved: On the other hand, the inertia-to-navigation DCM update C" = C"e Cei is given by:

På grunn av den tidligere antagelse, nemlig ingen posisjonsforskyvning av IMU under redskapsfront-dreiningen, har man da: Due to the previous assumption, namely no position displacement of the IMU during the tool front rotation, one then has:

f cosk 0 - sinX C<n>e(t<+>At) = C<n>e(t) = C<n>e(0) = C^O)' = - sinteinL cosL -cosXsinL (25) l, sinXcosL sinL cosXcosL) og på grunn av jord rotasjonen i forhold til treghetsrommet under IMU-redskaps-frontens dreinin<g>, har man: f cosk 0 - sinX C<n>e(t<+>At) = C<n>e(t) = C<n>e(0) = C^O)' = - sinteinL cosL -cosXsinL (25) l, sinXcosL sinL cosXcosL) and due to the earth's rotation in relation to the inertial space during the IMU instrument front's dreinin<g>, one has:

Innsetting av (25) og (26) i (24), samt bruk av (23), gir da: i Over (27) og (14) er nå den oppdaterte redskapsfront-vinkel gitt ved: Inserting (25) and (26) into (24), as well as using (23), then gives: in Over (27) and (14) the updated implement front angle is now given by:

Fra (27 og (14), er da den oppdaterte helningsvinkel og den oppdaterte asimutvin-> kei også tilgjengelig, og er da gitt ved: From (27) and (14), the updated inclination angle and the updated azimuth angle are also available, and are then given by:

Helningsoppdatering: Slope update:

Asimutoppdatering: Azimuth update:

Den ovenfor angitte utledning av oppdatert redskapsfront, helning og asimut tar i betraktning jordrotasjons-kompenseringen over (26). The above-mentioned derivation of updated tool front, inclination and azimuth takes into account the earth rotation compensation above (26).

Orientering. HRG-enhetene måler projeksjonen av horisontalkomponenten av jordens omdreiningstakt, og de ombordværende MWD-akselerometere angir gyroskopenes posisjon i forhold til vertikalretningen. En klassisk nordsøkningsbe-stemmelse er da utført, hvilket gir utstyrets orientering i forhold til geografisk nord, slik som vist ved de ovenfor angitte ligninger. Den avfølte rotasjonshastighet integreres med hensyn på tiden for å frembringe dreievinkelvariasjonen, da den opprinnelige orientering gir styreevne ved bruk av gyro-redskapsfronten, slik som angitt ved ligning (16a) ovenfor. Briefing. The HRG units measure the projection of the horizontal component of the Earth's rotation rate, and the onboard MWD accelerometers indicate the position of the gyroscopes relative to the vertical direction. A classic north-finding determination is then carried out, which gives the equipment's orientation in relation to geographical north, as shown by the above-mentioned equations. The sensed rotation speed is integrated with respect to time to produce the rotation angle variation, as the original orientation provides steering capability using the gyro tool front, as indicated by equation (16a) above.

I minst én utførelse vil IMU 20 vanligvis være drevet med magnetometere, gyroskoper og akselerometere som alle er i sving med å generere data som er av betydning for vedkommende arbeidsoperasjon. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til dette. Hvis f.eks. effektforbruk er av betydning, kan gyroskopene være slått av for å spare elektrisk effekt så snart magnetfeltet befinner seg innenfor godtagbare verdier. Når gyroskopene er slått av, fortsetter arbeidsfunksjonen ved at gravitasjons-redskapsfronten utnytter de 6 standard MWD-følere, nemlig tre magnetometere og tre akselerometere. In at least one embodiment, the IMU 20 will typically be powered by magnetometers, gyroscopes, and accelerometers, all of which are engaged in generating data relevant to the work operation in question. However, the invention is not limited to this. If e.g. power consumption is important, the gyroscopes can be switched off to save electrical power as soon as the magnetic field is within acceptable values. When the gyroscopes are turned off, the work function continues with the gravity tool front utilizing the 6 standard MWD sensors, namely three magnetometers and three accelerometers.

Kartlegging. Brønnens asimutretning kan fastlegges under alle forhold, enten innenfor en foring eller utenfor denne. Inne i ffiringen anvendes HRG-enhetene for å utføre en nordsøkings-operasjon, slik som beskrevet under orientering, og hvis brønnen ikke er vertikal, så vil brønnens asimutretning være fastlagt ved bruk av ligning 16c. Utenfor foringen vil det foreslåtte utstyr være i stand til enten å fortsette å bruke gyroskopet eller også å bruke magnetometerne. Under visse forhold til utkopling av gyroskopene vil det være hensiktsmessig for å spare batteri-effekt og tillate lengre boresekvenser uten tripper for utskiftninger. Under visse andre forhold, og hvis utborings-kjøringene er korte eller hvis MWD-utstyret er tur-bindrevet, vil det være mulig å utføre alle undersøkelser ved hjelp av gyroskopene. Den ombordværende redundans vil også tillate valg av den ene eller den andre arbeidsmodus i tilfelle en føler skulle svikte. Mapping. The azimuth direction of the well can be determined under all conditions, either within a casing or outside it. Inside the fringing, the HRG units are used to perform a north search operation, as described under orientation, and if the well is not vertical, then the azimuth direction of the well will be determined using equation 16c. Outside the liner, the proposed equipment will be able to either continue to use the gyroscope or also to use the magnetometers. Under certain conditions, disconnecting the gyroscopes will be appropriate to save battery power and allow longer drilling sequences without tripping for replacements. Under certain other conditions, and if the boring runs are short or if the MWD equipment is trip-bin driven, it will be possible to carry out all investigations using the gyroscopes. The on-board redundancy will also allow selection of one or the other working mode in the event of a sensor failure.

I betraktning av det som er angitt ovenfor er det åpenbart at foreliggende oppfinnelse er vel egnet for å oppnå alle de formål og særtrekk som er fremsatt ovenfor, sammen med øvrige formål og særtrekk som er iboende i det apparat som er beskrevet her. In consideration of what has been stated above, it is obvious that the present invention is well suited to achieve all the purposes and features set forth above, together with other purposes and features inherent in the apparatus described here.

Som det umiddelbart vil være klart for fagkyndige på området, kan foreliggende oppfinnelsesgjenstand lett fremstilles i andre spesifikke former uten at det derved finner sted noe avvik fra oppfinnelsens idéinnhold eller vesentlige særtrekk. Den foreliggende utførelse må derfor anses som bare anskueliggjørende og ikke som begrensende. Oppfinnelsens ramme er da angitt ved de etterfølgende patentkrav eller enn av den forutgående beskrivelse, idet alle forandringer som ligger innenfor idéinnholdet og ekvivalensområdet for patentkravene er derfor ment å være omfattet av disse. As will be immediately clear to those skilled in the field, the subject matter of the present invention can easily be produced in other specific forms without thereby taking place any deviation from the invention's conceptual content or essential characteristics. The present embodiment must therefore be regarded as illustrative only and not as limiting. The scope of the invention is then indicated by the subsequent patent claims or by the preceding description, since all changes that lie within the idea content and equivalence area of the patent claims are therefore intended to be covered by these.

Claims (23)

1. Fremgangsmåte for undersøkelse av en borebrønn, og som omfatter følg-ende prosesstrinn: posisjonsinnstilling av en sonde (M) med en treghetsmåleenhet (20) i en borebrønn (9) ved brønnens bunn, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter: undersøkelse av borebrønnen ved tilbaketrekking av sonden fra borebrønn-ens bunn og herunder bestemmelse av inkrementale posisjoner for sonden under uttrekket ved bruk av treghetsmåleenheten, stans av sondens tilbaketrekning ved et endepunkt for undersøkelsen og hvis sanne posisjon er kjent, samt korrigering av undersøkelsesprosessen ved bruk av forskjellen mellom sondens endepunktposisjon etter undersøkelsen, slik den er fastlagt ved hjelp av treghetsmåleenheten, og den kjente sanne endepunktposisjon for undersøkelsen.1. Procedure for examining a borehole, and which includes the following process steps: position setting of a probe (M) with an inertial measurement unit (20) in a borehole (9) at the bottom of the well, characterized in that the method further comprises: examination of the borehole by withdrawing the probe from the bottom of the borehole and including determination of incremental positions for the probe during extraction using the inertial measurement unit, stopping the probe's retraction at an end point for the investigation and if the true position is known, and correcting the survey process using the difference between the probe's post-survey endpoint position, as determined by the inertial measurement unit, and the known true survey endpoint position. 2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter prosesstrinn som går ut på: bestemmelse av sondens hastigheter under uttrekket ved bruk av treghets-måleenheten, sammenligning av de fastlagte hastigheter med referansehastigheter for å utlede hastighetsfeil, og oppdatering av undersøkelsesresultatene ved bruk av hastighetsfeilene.2. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the method further comprises process steps which include: determination of the probe's speeds during the extraction using the inertial measuring unit, comparison of the determined speeds with reference speeds to derive speed errors, and updating the survey results using the speed errors. 3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at treghetsmåleenheten omfatter et legeme montert inne i sonden og som inneholder flere akselerometere for å avgi signaler som angir legemets akselerasjon i forhold til de tre akser i et koordinatsystem for legemet, og flere gyroskoper for å avgi signaler som angir legemets vinkeldreietakt i forhold til de tre akser i legemets koordinatsystem.3. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the inertial measurement unit comprises a body mounted inside the probe and which contains several accelerometers to emit signals indicating the acceleration of the body in relation to the three axes in a coordinate system for the body, and several gyroscopes to emit signals indicating the body's angular rate of rotation in relation to the three axes in the body's coordinate system. 4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at akselerometerne og gyroskopene er stivt festet til legemet.4. Procedure as stated in claim 3, characterized in that the accelerometers and gyroscopes are rigidly attached to the body. 5. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at akselerometerne og gyroskopene er montert på en tre-akset treghetsstabilisert plattform forbundet med legemet.5. Procedure as stated in claim 3, characterized in that the accelerometers and gyroscopes are mounted on a three-axis inertial stabilized platform connected to the body. 6. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at gyroskopet er valgt fra en gyroskopgruppe bestående av halvkuleresonator-gyroskoper, ringlaser-gyroskoper, vibrasjonsgyroskoper, fiberoptiske gyroskoper og avstemte tørr-gyroskoper.6. Procedure as stated in claim 3, characterized in that the gyroscope is selected from a gyroscope group consisting of hemispherical resonator gyroscopes, ring laser gyroscopes, vibration gyroscopes, fiber optic gyroscopes and tuned dry gyroscopes. 7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at sonden utgjør en del av et vektrør anordnet på en borestreng.7. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the probe forms part of a weight tube arranged on a drill string. 8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at sonden utgjør en del av en sonde som er opphengt i borebrønnen på en trådledningskabel.8. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the probe forms part of a probe which is suspended in the borehole on a wireline cable. 9. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at treghetsmåleenheten angirundersøkelsessondens posisjoner i samsvar med en metode som omfatter følgende prosesstrinn: generering av akselerasjonssignaler og vinkelhastighetssignaler i legemets koordinatsystem ved bruk av henholdsvis akselerometere og gyroskoper, databehandling av akselerasjonssignalene og hastighetssignalene i legemets koordinatsystem for å oppdatere en legeme/treghets-retningskosinusmatrise, overføring av akselerasjonssignalene i legemets koordinatsystem til akselerasjonssignaler i treghetskoordinatsystemet ved bruk av den oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise, behandling av den oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise og akselerasjonssignalene i treghetskoordinatsystemet i en treghetsnavigasjons-beregning, beregning av hastighetssignaler i et lokal/vertikal-koordinatsystem, sammenligning av de beregnede hastighetssignaler i det lokal/vertikale-koordinatsystem med referanse-hastighetssignaler for å utlede hastighetsfeil-signaler, behandling av hastighetsfeil-signalene for kompensasjon av feil i undersøk-elsesprosessen, og beregning av posisjonssignaler i et lokal/vertikal-vandreasimut-koordinat-system ved bruk av den oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise og akselerasjonssignalene i treghetskoordinatsystemet.9. Procedure as specified in claim 3, characterized in that the inertial measurement unit indicates the positions of the survey probe in accordance with a method comprising the following process steps: generation of acceleration signals and angular velocity signals in the body's coordinate system using accelerometers and gyroscopes respectively, data processing of the acceleration signals and velocity signals in the body's coordinate system to update a body/inertial direction cosine matrix, transfer of the acceleration signals in the body coordinate system to acceleration signals in the inertial coordinate system using the updated body/inertial direction cosine matrix, processing of the updated body/inertial direction cosine matrix and the acceleration signals in the inertial coordinate system in an inertial navigation calculation, calculation of velocity signals in a local/vertical coordinate system , comparison of the calculated velocity signals in the local/vertical coordinate system with reference velocity signals to derive velocity error signals r, processing the velocity error signals for compensation of errors in the survey process, and calculation of position signals in a local/vertical horizontal azimuth coordinate system using the updated body/inertial direction cosine matrix and the acceleration signals in the inertial coordinate system. 10. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at referansehastighetene frembringes ved midlertidig å redusere sondens hastighet i det vesentlige til null i flere tidsperioder under uttrekket av sonden.10. Procedure as stated in claim 2, characterized in that the reference speeds are produced by temporarily reducing the speed of the probe essentially to zero for several time periods during the extraction of the probe. 11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at hastighetsfeilene fastlegges ved bruk av de sondehastigheter som er utledet av treghetsmåleenheten under de forskjellige nullhastighets-perioder.11. Procedure as specified in claim 10, characterized in that the speed errors are determined using the probe speeds derived by the inertial measurement unit during the various zero-speed periods. 12. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at sonden er en kabelsonde opphengt i borebrønnen på en trådledningskabel, og referansehastighetene frembringes av signaler som angir flere kabelhastighetsavlesninger.12. Procedure as stated in claim 2, characterized in that the probe is a cable probe suspended in the borehole on a wireline cable, and the reference speeds are produced by signals indicating several cable speed readings. 13. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at hastighetsfeilene behandles ved bruk av et Kalman-filter.13. Procedure as stated in claim 2, characterized in that the speed errors are processed using a Kalman filter. 14. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at et Kalman-filter anvendes for å korrigere de lokle/vertikale vandreasimut-posisjonssignaler.14. Procedure as stated in claim 9, characterized in that a Kalman filter is used to correct the local/vertical travel azimuth position signals. 15. Fremgangsmåte for undersøkelse av en borebrønn, og som omfatter følg-ende prosesstrinn: posisjonsinnstilling av en sonde (M) med en treghetsmåleenhet (20) i en borebrønn (9) med borebrønnens bunn som antatt mål, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter: innledning av en treghetsnavigasjons-undersøkelse ved bruk av koordinatene for målet på borebrønnsbunnen og som angis ved treghetsmåleenhetens utgangssignaler, uttrekk av sonden fra målet på borebrønnsbunnen og utledning av under-søkelsesdata fra treghetsmåleenhetens utgangssignaler under uttrekket, bestemmelse av sondens hastigheter under uttrekket ved bruk av treghets-måleenheten, sammenligning av de fastlagte hastigheter med referanse-sondehastighet for å utlede hastighetsfeil, oppdatering av undersøkelsesprosessen ved bruk av hastighetsfeilene, stans av sondeuttrekket når utgangssignalene fra treghetsmåleenheten angir at sonden har nådd en posisjon på et endepunkt for undersøkelsen, og hvis sanne koordinater er kjent, og korrigering av undersøkelsesprosessen ved bruk av forskjellen mellom sondens utledede endepunktskoordinater for undersøkelsen, som angis av treghetsmåleenhetens utgangssignaler med de kjente sanne endepunktkoordinater for undersøkelsen.15. Procedure for examining a borehole, and which includes the following process steps: position setting of a probe (M) with an inertial measurement unit (20) in a borehole (9) with the bottom of the borehole as the assumed target, characterized in that the method further comprises: initiation of an inertial navigation survey using the coordinates of the target on the bottom of the borehole and which are indicated by the output signals of the inertial measurement unit, extraction of the probe from the target on the bottom of the borehole and derivation of survey data from the output signals of the inertial measurement unit during extraction, determination of the probe's velocities during the extraction using the inertial measurement unit, comparing the determined velocities with the reference probe velocity to derive velocity errors, updating the survey process using the velocity errors, stopping the probe extraction when the inertial measurement unit outputs indicate that the probe has reached an endpoint position for the survey, and whose true coordinates are known, and correcting the survey process using the difference between the probe's derived survey endpoint coordinates, as indicated by the inertial measurement unit outputs, with the known true endpoint coordinates naters for the survey. 16. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at referanse-sondehastigheten frembringes ved midlertidig å redusere sondens hastighet hovedsakelig til null i flere tidsperioder under uttrekket av sonden, og hastighetsfeilene bestemmes ved bruk av de fastlagte sondehastigheter ved hjelp av treghetsmåleenheten under de forskjellige nullhastighets-perioder.16. Procedure as stated in claim 15, characterized by that the reference probe speed is produced by temporarily reducing the speed of the probe to substantially zero for several periods of time during the extraction of the probe, and the speed errors are determined using the determined probe speeds by means of the inertial measurement unit during the various zero speed periods. 17. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at treghetsmåleenheten omfatter et legeme montert inne i sonden og som inneholder: flere akselerometere for å avgi signaler som angir legemets akselerasjon i forhold til et treakset koordinatsystem for legemet, og flere gyroskoper for å avgi signaler som angir legemets vinkeldreietakt i forhold til de tre akser i legemets koordinatsystem.17. Procedure as stated in claim 15, characterized in that the inertial measurement unit comprises a body mounted inside the probe and which contains: several accelerometers to emit signals that indicate the body's acceleration in relation to a three-axis coordinate system for the body, and several gyroscopes to emit signals that indicate the body's angular rate of rotation in relation to the three axes in the body's coordinate system. 18. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, karakterisert ved at akselerometerne og gyroskopene er stivt festet til legemet.18. Procedure as specified in claim 17, characterized in that the accelerometers and gyroscopes are rigidly attached to the body. 19. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, karakterisert ved at gyroskopene er valgt fra en gyroskopgruppe bestående av halvkuleresonator-gyroskoper, ringlaser-gyroskoper, vibrasjonsgyroskoper, fiberoptiske gyroskoper og avstemte tørr-gyroskoper.19. Procedure as stated in claim 17, characterized in that the gyroscopes are selected from a gyroscope group consisting of hemisphere resonator gyroscopes, ring laser gyroscopes, vibration gyroscopes, fiber optic gyroscopes and tuned dry gyroscopes. 20. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at sonden er et vektrør anordnet på en borestreng.20. Procedure as stated in claim 15, characterized in that the probe is a weight tube arranged on a drill string. 21. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, karakterisert ved at treghetsmåleenheten angir posisjoner for under-søkelsessonden i samsvar med en metode som omfatter følgende prosesstrinn: generering av akselerasjonssignaler og vinkelhastighetssignaler i legemets koordinatsystem ved bruk av henholdsvis akselerometere og gyroskoper, behandling av akselerasjonssignaler og vinkelhastighetssignaler i legemets koordinatsystem for å oppdatere en legeme/treghets-retningskosinusmatrise, omforming av akselerasjonssignaler i legemets koordinatsystem til akselerasjonssignaler i et treghetskoordinatsystem ved bruk av den oppdaterte legeme/ treghets-retningskosinusmatrise, behandling av den oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise og akselerasjonssignalene i treghetskoordinatsystemet i en treghetsnavigasjons-beregning, beregning av hastighetssignaler i et lokal/vertikal koordinatsystem, sammenligning av de beregnede hastighetssignaler i det lokal/vertikale koordinatsystem med referanse-hastighetssignaler for å utlede hastighetsfeil-signaler, behandling av hastighetsfeil-signalene for å kompensere feil under under-søkelsesprosessen, og beregning av posisjonssignaler i et lokal/vertikal vandreasimut-koordinat-system ved bruk av den oppdaterte legeme/treghets-retningskosinusmatrise og akselerasjonssignalene i treghetskoordinatsystemet.21. Procedure as specified in claim 17, characterized in that the inertial measurement unit indicates positions for the investigation probe in accordance with a method comprising the following process steps: generation of acceleration signals and angular velocity signals in the body's coordinate system using accelerometers and gyroscopes respectively, processing of acceleration signals and angular velocity signals in the body's coordinate system to update a body/ inertial direction cosine matrix, transformation of acceleration signals in the body coordinate system into acceleration signals in an inertial coordinate system using the updated body/inertial direction cosine matrix, processing of the updated body/inertial direction cosine matrix and the acceleration signals in the inertial coordinate system in an inertial navigation calculation, calculation of velocity signals in a local/vertical coordinate system, comparison of the calculated velocity signals in the local/vertical coordinate system with reference velocity signals to derive velocity errors signals, processing the velocity error signals to compensate for errors during the survey process, and calculating position signals in a local/vertical travel azimuth coordinate system using the updated body/inertial direction cosine matrix and the acceleration signals in the inertial coordinate system. 22. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at hastighetsfeilene behandles ved bruk av et Kalman-filter.22. Procedure as stated in claim 15, characterized in that the speed errors are processed using a Kalman filter. 23. Fremgangsmåte som angitt i krav 21, karakterisert ved at et Kalman-filter anvendes for å korrigere posisjonssignaler i det lokale/vertikale vandreasimutsystem.23. Procedure as stated in claim 21, characterized in that a Kalman filter is used to correct position signals in the local/vertical travel azimuth system.
NO20003345A 1999-07-01 2000-06-27 Procedure for borehole grinding using reverse inertial navigation NO320060B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US34590199A 1999-07-01 1999-07-01

Publications (3)

Publication Number Publication Date
NO20003345D0 NO20003345D0 (en) 2000-06-27
NO20003345L NO20003345L (en) 2001-01-02
NO320060B1 true NO320060B1 (en) 2005-10-17

Family

ID=23357009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20003345A NO320060B1 (en) 1999-07-01 2000-06-27 Procedure for borehole grinding using reverse inertial navigation

Country Status (2)

Country Link
GB (1) GB2351807B (en)
NO (1) NO320060B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108519085A (en) * 2018-03-27 2018-09-11 京东方科技集团股份有限公司 Guidance path acquisition methods, device, system and its storage medium

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2002357415A1 (en) * 2002-11-22 2004-06-18 Reduct Method for determining a track of a geographical trajectory
GB2401434A (en) * 2003-05-07 2004-11-10 Jhl Concepts Ltd Inertial positioning system for both up-hole and down-hole measurement
SE531222C2 (en) * 2005-12-15 2009-01-20 Atlas Copco Rock Drills Ab Drill rig System
US7798216B2 (en) 2006-12-27 2010-09-21 Schlumberger Technology Corporation Wellbore surveying system and method
US7801704B2 (en) 2008-05-15 2010-09-21 Schlumberger Technology Corporation Method and system for azimuth measurements using gyro sensors
CN101661047B (en) * 2009-09-29 2011-03-16 哈尔滨工程大学 Output conversion device of strapdown inertial navigation accelerometer
FR2953588B1 (en) * 2009-12-07 2011-12-23 Sagem Defense Securite METHOD FOR DETERMINING A CAP BY ROTATING AN INERTIAL DEVICE
WO2016081758A1 (en) * 2014-11-19 2016-05-26 Scientific Drilling International, Inc. Inertial carousel positioning
CN104729505B (en) * 2015-03-25 2017-11-07 北京航天控制仪器研究所 A kind of MEMS Inertial Measurement Units
CN106525038A (en) * 2016-10-27 2017-03-22 陕西航天时代导航设备有限公司 Small-size optical fiber IMU collecting system for navigation attitude measurement and collecting method thereof
EP3645836A4 (en) * 2017-06-26 2021-04-07 HRL Laboratories, LLC System and method for generating output of a downhole inertial measurement unit
CN109826619B (en) * 2019-03-06 2020-11-24 北京华瑞九州能源科技有限公司 Control system of triaxial fiber-optic gyroscope inclinometer
CN111024065B (en) * 2019-12-02 2022-04-01 东南大学 Strict reverse navigation method for optimal estimation fine alignment
CN111878064B (en) * 2020-05-11 2024-04-05 中国科学院地质与地球物理研究所 Gesture measurement method
CN114183202A (en) * 2021-12-20 2022-03-15 天地科技股份有限公司 Fully mechanized caving mining top coal migration track monitoring device and monitoring method

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4812977A (en) * 1986-12-31 1989-03-14 Sundstrand Data Control, Inc. Borehole survey system utilizing strapdown inertial navigation
AU1321892A (en) * 1991-12-09 1993-07-19 Bob J. Patton System for controlled drilling of boreholes along planned profile
US5657547A (en) * 1994-12-19 1997-08-19 Gyrodata, Inc. Rate gyro wells survey system including nulling system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108519085A (en) * 2018-03-27 2018-09-11 京东方科技集团股份有限公司 Guidance path acquisition methods, device, system and its storage medium

Also Published As

Publication number Publication date
GB2351807B (en) 2001-08-22
NO20003345L (en) 2001-01-02
GB0012720D0 (en) 2000-07-19
NO20003345D0 (en) 2000-06-27
GB2351807A (en) 2001-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6453239B1 (en) Method and apparatus for borehole surveying
EP0646696B1 (en) Motion compensation apparatus and method for determining heading of a borehole
CN111655970B (en) Continuous trajectory computation for directional drilling
US6842699B2 (en) Use of MWD assembly for multiple-well drilling
US6668465B2 (en) Continuous measurement-while-drilling surveying
US6631563B2 (en) Survey apparatus and methods for directional wellbore surveying
US6347282B2 (en) Measurement-while-drilling assembly using gyroscopic devices and methods of bias removal
NO320060B1 (en) Procedure for borehole grinding using reverse inertial navigation
CN102140913B (en) Small-diameter directional gyro inclinometer for drilling
NO322555B1 (en) Method and apparatus for determining the path of a borehole during drilling
WO2004013573A2 (en) Borehole navigation system
US20040089474A1 (en) Continuous measurement-while-drilling surveying
CN110792430A (en) While-drilling inclination measurement method and device based on multi-sensor data fusion
CN111878068A (en) High-temperature solid-state resonance gyroscope and drilling measurement system composed of same
Ledroz et al. FOG-based navigation in downhole environment during horizontal drilling utilizing a complete inertial measurement unit: Directional measurement-while-drilling surveying
US4696112A (en) Bore hole navigator
EP0918920A1 (en) Method and apparatus for providing a magnetic direction reference
EP1426552B1 (en) Method of recovery of hydrocarbons from a subterranean reservoir
GB2385079A (en) Device for rotatably positioning and locking a drive shaft
AU767165B2 (en) Measurement-while-drilling assembly using gyroscopic devices and methods of bias removal
OKOYE FOR NIGERIAN SOCIETY OF ENGINEERS
de Bruin et al. Most accurate drilling guidance by dead-reckoning using high precision optical gyroscopes

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Lapsed by not paying the annual fees