NO320060B1 - Fremgangsmate for borehullsoppmaling ved bruk av reversert treghetsnavigasjon - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Oppfinnelsens område

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.

Beskrivelse av beslektet teknikk

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Det er da et formål for foreliggende oppfinnelse å løse ett eller flere av de problemer som er nevnt ovenfor.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

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.

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.

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.

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.

Fortrinnsvis velges gyroskopene fra en gyroskopgruppe bestående av halvkule-resonatorgyroskoper, laserringgyroskoper, vibrasjonsgyroskoper, fiberoptiske gyroskoper og avstemte tørr-gyroskoper.

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.

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.

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.

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.

Hastighetsfeilene databehandles fortrinnsvis ved bruk av et 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.

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.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

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

tegninger.

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.

Det skal nå henvises til tegningene, hvorpå:

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. 2 viser skjematisk den nedihulls måleproben som spesielt illustrerer (inertialmåleenheten (Intertial Measurement Unit) (IMU);

fig. 3 er en skisse av et kardanoppheng treghetsnavigasjonsutstyr (INS), fig. 4 viser et fastmontert INS,

fig. 5 er et blokkskjema for den angitte nedhulls-målesonde i fig. 1 og 2, og som beskriver sonden mer detaljert,

fig. 6 er en perspektivskisse av den IMU som skjematisk er vist i 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. 8 viser skjematisk koordinatsystemer for treghetsnavigasjon og som kan benyttes i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

fig. 9 er et blokkskjema som angir en fremgangsmåte for borehullsunder-søkelse i henhold til foreliggende oppfinnelse,

fig. 10 viser skjematisk en parallellforskyvningskorreksjon av de INS-angitte undersøkelsesposisjoner i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

fig. 11 viser skjematisk en skjevstilt gyroskop-referanse og en ortogonalre-feranseramme, og

fig. 12 viser skjematisk en referanseramme for et IMU-legeme med nye navn for å definere samtlige Euler-vinkler uten singularitet.

BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSER

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.

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.

Nedhulls måleapparatur er opphektet på borestrengen 6, som dreies av

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

• Treghets-koordinatsystemet: (X<1>, Y', Z')

• Det jord-fikserte koordinatsystem: (Xe, Y6, Z<e>)

• Det lokale/vertikale koordinatsystem: (øst, nord, oppover)

• Lokal/vertikalt vandre-asimut (LVWA)-koordinatsystem: (Xa, Y3, Za)

• Legeme-koordinatsystemet: (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.

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.

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.

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.

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").

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

La (xo, yo, zo) = kjente, sanne endepunkts-borebrønnskoordinater, og

(x0,y0,z0)= borebrønnens endepunkts-koordinater slik de fremgår av INS-undersøkelsen ved bruk av ZUPT.

Forskyvningsfeilvektoren fra det sanne endepunkt er da gitt ved:

(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:

Den korrigerte bevegelsesbane TCorr er da gitt ved:

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.

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.

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.

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.

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:

hvor skjevstilte akser er X, Y og Z, og ortogonale akser er X", Y' og Z\ antatt Videre,

Slik at X normaliseres ved:

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.

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.

Som vist nedenfor, transformerer DCM vektorer i navigasjonsrammen til vektorer i IMU-legemets ramme hvor de faktiske målinger av fysiske størrelser utføres:

hvor

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

rob (©") = vinkelhastighetsvektoren (hvilket vil si jorden omdreiningstakt ved stasjonær innretning) i forhold til det treghetsrom som måles i legeme (navigasjons)-rammen.

Ligning (1) kan nå uttrykkes som en enkel matriseligning på følgende måte:

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.

Når f x ©n * 0, kan ligning (2) løses til formen:

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:

Innsetting av (4), (5) og (6) i (3) gir:

Rett-frem-beregning av den inverse matrise i ligning (7) gir: Idet

Ved innsetning av (9) i (7) oppnås et sett av løsninger for ligning (2) uttrykt i ele-menter av DCM slik som følger:

hvor hb beregnes fra gyroskop- og akselerometerutganger som vist i (9):

Normalisering av vektorkomponentene gir da:

og med (10) skrevet i enklere form: hvor

Eksplisitt uttrykt ved sine komponenter, er nå DMC gitt ved:

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:

Da DCM er en ortogonal matrise, hvor Cj = (Cj )" 1, gir sammenligning mellom (13) og (14): Da er

hvor X-, Y-, og Z-aksene for legemet er definert som henholdsvis fremoverretning, til venstre og oppover ( se 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.

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.

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.

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.

For det første er legemet/treghets-DCM ved t=0 gitt ved:

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.

La C'b(0) = [ctjk], j,k = 1, 2, 3, og den opprinnelige kvatern fra legemets- til treg-hetsramme er da gitt ved:

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:

Uttrykt ved kvatern-elementene: Etter kvatern-oppdateringen (21), blir periodisk normalisert (f.eks. hvert 4. sek-und) over

Den oppdaterte (og normaliserte) legemets/treghets-DCM er nå uttrykt ved den oppdaterte og normaliserte kvatern (22) slik at:

På den annen side er oppdateringen av treghet-til-navigasjons-DCM C" = C"e Cei gitt ved:

På grunn av den tidligere antagelse, nemlig ingen posisjonsforskyvning av IMU under redskapsfront-dreiningen, har man da:

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:

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:

Fra (27 og (14), er da den oppdaterte helningsvinkel og den oppdaterte asimutvin-> kei også tilgjengelig, og er da gitt ved:

Helningsoppdatering:

Asimutoppdatering:

Den ovenfor angitte utledning av oppdatert redskapsfront, helning og asimut tar i betraktning jordrotasjons-kompenseringen over (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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at akselerometerne og gyroskopene er stivt festet til legemet.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at akselerometerne og gyroskopene er montert på en tre-akset treghetsstabilisert plattform forbundet med legemet.

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.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at sonden utgjør en del av et vektrør anordnet på en borestreng.

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.

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.

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.

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.

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.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at hastighetsfeilene behandles ved bruk av et Kalman-filter.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at et Kalman-filter anvendes for å korrigere de lokle/vertikale vandreasimut-posisjonssignaler.

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.

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.

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.

18. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, karakterisert ved at akselerometerne og gyroskopene er stivt festet til legemet.

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.

20. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at sonden er et vektrør anordnet på en borestreng.

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.

22. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at hastighetsfeilene behandles ved bruk av et 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.