NO321998B1 - Fremgangsmate for a posisjonsbestemme en sidebronn i forhold til en hovedbronn ved hjelp av en gyroskopinnretning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt bunnhullsanordninger for boring av oljebrønner, og mer spesielt bruk av gyroskop og andre sensorer til å bestemme borehullsretningen under boring av borehullene og for korreksjon av data fra slike sensorer.

For å utvinne hydrokarboner slik som olje og gass, blir brønner (også kalt borehull) boret ved å rotere en borkrone festet til enden av en boreanordning, vanligvis kalt en "bunnhullsanordning" eller "boreenheten". En stor del av den nåværende boreaktivitet innebærer boring av meget avvikende og hovedsakelig horisontale brønner for å øke hydrokarbonproduksjonen og/eller for å utvinne ytterligere hydrokarboner fra grunnformasjonene. Brønnbanen til slike brønner blir omhygge-lig planlagt forut for boring av brønnene ved å benytte seismiske kart av jordens undergrunn og brønndata fra tidligere borede brønner i de tilhørende oljefelter. På grunn av de meget høye borekostnadene for slike borehull og behovet for nøyak-tig å anbringe slike brønner i reservoaret, er det av avgjørende viktighet å bestemme posisjonen og retningen av boreenheten kontinuerlig, og dermed borkronen under boring av brønnene. Slik informasjon blir blant annet benyttet til å overvåke og justere boreretningen for brønnene.

I de vanligvis benyttede boreenheter innbefatter en retningspakke vanligvis et sett med akselerometre og et sett med magnetometre, som henholdsvis måler jordens gravitasjons- og magnetfelt. Boreenheten blir holdt stasjonær under målingene fra akselerometrene og magnetometrene. Verktøyfronten og helningsvinkelen blir bestemt fra akselerometermålingene. Asimut blir så bestemt fra magnetometermålingene i forbindelse med helningsvinkelen til verktøyfronten.

Jordens magnetfelt varierer fra dag til dag, noe som forårsaker tilsvarende endringer i den magnetiske asimut. Den varierende magnetiske asimut ødelegger nøyaktigheten av posisjonsmålingene når det benyttes magnetometre. I tillegg er det ikke rimelig å måle jordens magnetfelt ved nærvær av jernholdige materialer, slik som foringsrør og borerør. Gyroskoper måler hastigheten til jordrotasjonen, som ikke endres med tiden, og gyroskopet påvirkes heller ikke ugunstig av fore-kommende jernholdige materialer. I nærvær av jernholdige materialer kan således gyroskopmålingene gi mer nøyaktige asimutmålinger enn magnetometer-målingene.

US-patent 5,432,699 beskriver en fremgangsmåte og et apparat for måling av bevegelsessignaler for gyroskoper i nedhullsinstrumenter som benyttes til å bestemme et borehulls kurs. Akselerometer- og magnetometer-data langs tre ortogo-nale akser for en målekomponent, blir brukt for å tilveiebringe gravitasjons- og magnet-enhetsvektorer. Gyroskopmålingene blir brukt til å korrigere de magnet-og gravitasjonsmålingene som foretas henholdsvis ved hjelp av magnetometre og akselerometre. De beregninger som utføres i korreksjonsprosessen og andre tidligere kjente optimaliseringsmetoder basert på minste kvadraters metode, er gyl-dige når målingene blir ødelagt av tilfeldig tilleggsstøy. Som kjent for fagkyndige på området, er slike optimaliseringsmetoder ved hjelp av minste kvadraters metode upålitelige i nærvær av systematiske målefeil.

Kommersielt tilgjengelige gyroskoper inneholder systematiske feil eller forspenninger som kan ødelegge nøyaktigheten til et gyroskops målinger alvorlig, og dermed asimut. Gyroskoper er blitt benyttet i kabelundersøkelsesanvendelser, men har ikke blitt kommersielt akseptert ved verktøy for måling-under-boring, slik som bunnhullsanordninger.

US 5,868,210 beskriver en fremgangsmåte for utvinning av hydrokarboner fra et flergrens brønnsystem, hvor produksjonssidebrønner bores ut fra en ikke-produserende tilgangsbrønn.

I kabelanvendelser blir måleverktøyet transport inn i borehullet etter at borehullet er blitt boret, i motsetning til MWD-verktøy hvor målingen blir foretatt under boring av borehullene. Kabelmetoder er ikke praktiske til bestemmelse av borean-ordningsposisjonen og -retningen under boring av brønnene. Ved kabelanvendelser blir gyroskopene brukt enten i en kontinuerlig modus eller ved diskrete måleint-ervaller. Fremgangsmåter for kabelundersøkelser gjør det ofte unødvendig å an-vende teknikker til å kompensere for foreliggende verdi av gyroskopforspenning-ene. Ved kabelanvendelser kan gyroskopet energiseres på overflaten og tillates å stabilisere seg (termisk og dynamisk) over en forholdsvis lang tidsperiode. En oppvarmingsperiode på ti (10) minutter eller mer, blir vanligvis foretatt. Kraften til gyroskopet blir tilført kontinuerlig fra begynnelsen ved overflaten, gjennom den aktuelle brønnundersøkelse og gjennom den endelige kontroll av undersøkelsesverktøyet

ved overflaten ved slutten av undersøkelsen. Referanseinnretninger kan derfor foretas på overflaten forut for påbegynnelse av en brønnundersøkelse for å just-

ere eller verifisere innrettingsnøyaktigheten til det nord-søkende gyroskop. Den innledende, uavhengige referanse kan så brukes ved slutten av kabelundersøkel-sen. En eventuell forspenning i gyroskopet i et kabelverktøy, kan måles ved overflaten ved å ta differansen i innretningene ved begynnelsen og slutten av under-søkelsesboringene. Kabelverktøyet som bærer gyroskopet, kan lett dreies på overflaten til flere forskjellige verktøyfrontflater (rullevinkel) for å bestemme den forspenning som er tilstede på enten de transversale gyroskop (langs x- og y-aksen til verktøyet) når dette er på overflaten. Denne forspenningen kan brukes til å verifisere nøyaktigheten eller til å korrigere gyroskopmålingene.

I MWD-miljøet er de ovennevnte fordeler ved kabelsystemene ikke til stede. MWD-målingene blir vanligvis tatt i løpet av tilkoplingstider for borerør under boring av brønnen, idet disse intervallene er forholdsvis korte, generelt ett eller to minutter. Kraft til MWD-sondene blir generert nede i borehullet og/eller levert av batterier. For å bevare energien er det ønskelig å slå av gyroskopene når de ikke er i bruk, fordi gyroskopene forbruker betydelig kraft. For MWD-verktøy som benytter turbinvekselstrømsgeneratorer, blir kraften generert ved strømningen til borefluidet (slammet) som blir avbrutt ved hver rørskjøt. Selv om kraften kan tilfø-res kontinuerlig, er differansen i den forspenning som måles på overflaten forut for boringen og etter boringen, ikke å betrakte som en nøyaktig måling på grunn av den meget lange tid mellom opphenting av boreenheten, som vanligvis er mellom 30 og 300 timer.

Forspenningsstabilitet fra energisering til energisering er en hovedfeilkom-ponent for de nåværende tilgjengelige gyroskop av denne typen. Å fjerne forspenningen ved å rotere gyroskopene omkring en vertikal akse (langakse), er blitt benyttet i ikke-borende anvendelser. Orienteringsposisjonen til verktøyfrontflaten til en bunnhullsanordning under boring av borehullet, er ofte ikke en styringsvariabel som kan endres etter ønske. Dybden, hullvinkelen, verktøyawiket og borehullstil-standen begrenser ofte evnen til å innhente sensordata ved forskjellige rullevinkler for bunnhullsanordningen i borehullet. Derfor er det viktig å sikre at de gyroskop som brukes til MWD-målinger, blir forspenningskompensert i sanntid internt før måletakninger ved hvert intervall. Dette kan oppnås ved å bestemme og fjerne forspenningene i gyroskopene i transversal planet ved å bruke en intern indekserings- mekanisme i prosessen for å ta målinger nede i borehullet ved hvert boreintervall. Forspenninger kan også være til stede i andre målinger, dvs. de som foretas ved hjelp av magnetometre og akselerometre, av samme grunner som diskutert ovenfor under henvisning til gyroskoper. Det er ønskelig å fjerne disse forspenningene, samt å tilveiebringe nøyaktig måleinformasjon.

US-patentsøknad serienr. 09/204,908 til Estes mfl., som har samme søker som foreliggende søknad og hvis innhold er fullstendig innbefattet her som referanse, beskriver en fremgangsmåte for estimering og fjerning av forspenning i en nedhulls MWD-anordning. Nedhullsenheten som beskrives her, omfatter minst ett gyroskop som er dreibart montert i verktøyhus for å avgi signaler vedrørende jorden rotasjon. En anordning i verktøyet kan rotere gyroskopet inne i verktøyet i enhver ønsket grad. Ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen kombinerer en prosessor i verktøy målinger fra gyroskopet tatt ved to motstående posisjoner ved samme dybde for å bestemme den systematiske forspenning i gyroskopet før ytterligere behandling av signalene. I en annen utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter verktøyet magnetometre og akselerometre slik at forspenninger i målinger for-tatt ved hjelp av disse instrumentene, også kan bestemmes. Ved å bruke et antall aksialt atskilte magnetometre, kan den magnetiske gradient også måles, noe som gjør det mulig å korrigere for lokale magnetiske kilder. I en annen utførelsesform av oppfinnelsen kombinerer prosessoren målinger tatt fra akselerometre i MWD-verktøyet for å tilveiebringe gravitasjonsmålinger hvorfra verktøyfronten og helningen blir bestemt. De ikke forspente gyroskopmålingene blir brukt i forbindelse med verktøyfront- og helningsmålinger for å bestemme asimut og sann nord-verktøy-kraft. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer bunnhultsanordninger som benytter gyroskoper, akselerometre og magnetometre til å bestemme posisjonen og retningen av bunnhullsanordningen, og hvor forspenningene i gyroskopet, magnetometeret og akselerometeret i transversalplanet blir bestemt og fjernet nede i hullet under boreoperasjonen. Én av disse forspenningene blir fjernet, idet fremgangsmåter kan benyttes til å korrigere måledataene basert på det faktum at det er en redundans i de observasjoner som er foretatt ved å bruke de tre sensortypene.

Bunnhullsanordningen til Estes oppviser alvorlig rotasjonsmessig dynamikk under boreprosessen. Det er ønskelig å kunne rotere bunnhullssensorene internt for korreksjonsmålinger for forspenning og så mekanisk å låse dem fra rotasjons messig bevegelse mellom korreksjonsmålinger når verktøyet er i bevegelse mens brønnen bores. Under perioden med verktøybevegelse kan akselerometer- og magnetometer-målingene fortrinnsvis tas for å tilveiebringe kontinuerlig overvåk-ning av orienteringen til bunnhullsanordningen (BHA). Konvensjonelle anordninger benytter en motor til å drive en instrumentpakke rotasjonsmessig, og en separat-motor eller en solenoid til å aktivere en låsemekanisme. Dette arrangementet krever betydelig rom og kraft i nedhullspakken. Det vil være ønskelig å ha et apparat som krever mindre rom og kraft og gjør det mulig å bestemme forspenningen når BHA er stasjonær.

Det vil også være ønskelig å ha en MWD-gyromodul som kan hentes opp og som kan brukes i forbindelse med boring av et fdringssystem. Med et slikt arrangement vil MWD-gyromodulen ikke bli utsatt for de alvorlige nedhullsforhold-ene over lengre tidsperioder.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for utvinning av hydrokarboner fra et reservoar i en undergrunnsformasjon, idet fremgangsmåten omfatter å bore et første borehull inn i reservoaret og å fremskaffe informasjon om posisjonen til det første borehull i det minste inne i reservoaret. Fremgangsmåten er videre kjennetegnet ved å fore det første borehull med et foringsrør; å bore et annet borehull i nærheten av det første borehull ved å bruke en retningsboringsanordning; å bruke et MWD-gyroverktøy i det annet borehull for å fremskaffe informasjon om posisjonen og orienteringen til det annet borehull; og å styre retningsboringsinnretningen som reaksjon på den fremskaffede informasjon om posisjonen til det første borehull og den fremskaffede informasjon om det annet borehull, for å opprettholde en ønsket relasjon mellom posisjonen til det første borehull og posisjonen til det annet borehull.

I en foretrukket utførelsesform omfatter fremgangsmåte videre å injisere et fluid valgt fra den gruppe som består av (i) vann, (ii) CO2, (iii) damp, og å utvinne hydrokarboner i produksjonsbrønnen gjennom perforeringer i foringsrøret.

Det beskrives også en nedhullsanordning for måling-under-boring (MWD) for bruk ved boring av borehull som benytter gyroskoper og akselerometre for å bestemme borehullets inklinasjon (helning) og asimut under boring av borehullet. Nedhullsenheten omfatter minst ett gyroskop som er roterbart montert i et verktøy-hus for å tilveiebringe signaler vedrørende jordrotasjonen. En anordning i verktøy- et kan rotere gyroskopet i verktøyet ved enhver ønsket grad. I én utførelsesform kombinerer en prosessor i verktøyet målinger fra gyroskopet tatt ved et antall rotasjonsmessige posisjoner ved samme dybde, for å bestemme den systematiske forspenning i gyroskopet før ytterligere behandling av signalene. I en annen utfør-elsesform innbefatter verktøyet magnetometre og akselerometre slik at forspenninger i målinger foretatt ved hjelp av disse instrumentene, også kan bestemmes. Ved i tillegg å bruke et antall aksialt atskilte magnetometre, kan den magnetiske gradient også bestemmes, noe som gjør det mulig å korrigere for lokale magnetiske kilder. I en annen utførelsesform av oppfinnelsen kombinerer prosessoren målinger tatt fra akselerometre i MWD-verktøyet for å tilveiebringe gravitasjonsmålinger hvorfra verktøyfrontflaten og helningen blir bestemt. De ikke forspente gyroskopmålinger blir brukt i forbindelse med verktøyfront- og helningsmålingene til å bestemme verktøyflatens asimut og sanne nord-retning.

Det beskrives også en fremgangsmåte for å eliminere en systematisk forspenning som er tilstede i et måleinstrument utplassert i et verktøy for måling-under-boring under boring av et borehull. Fremgangsmåten omfatter å bore borehullet ved å benytte MWD-verktøyet til en dybde, fulgt av å rotere instrumentet gjennom et antall vinkler mens det tas målinger med instrumentet ved hver posisjon, og å estimere forspenningen ut fra disse flere målinger.

En intern anordning for å posisjonere og låse en nedhulls instrumentpakke rotasjonsmessig tilveiebringes for å lette mer nøyaktige retningsmålinger i en nedhulls anordning for måling-under-boring (MWD). En enkelt motor blir brukt til både å rotere instrumentpakken for forspenningsmålinger og for å drive en låsetapp aksialt inn i en låseskive for å hindre rotasjon når målingene ikke tas mens borehullet blir boret. Bruk av en enkelt drivmotor sparer både plass og kraft, idet begge disse er meget viktige faktorer nede i et borehull. Det tilveiebringes videre en positiv stans for å hindre skade på elektriske ledninger under rotasjon. I tillegg blir en elektrisk krets sluttet for å signalere når anordningen er i den tåste posisjon. Målinger med akselerometre, magnetometre og gyroskopet kan gjøres mens BHA er i bevegelse, og ved å bruke den forspenning som er bestemt før låsing av instrumentpakken, kan en oppdatert posisjon og orientering av BHA bestemmes.

Det beskrives videre en fremgangsmåte for å indeksere en låseskive for å sikre at låsetappen stikkes inn i midten av et låsen ull. Fremgangsmåten omfatter å ta en drivaksel gli gjennom en glidekopling med en fast størrelse, for å sikre riktig hullinnretning når låsetappen blir tilbakeført til den låste posisjon.

Med bruk av låsemotoren er det mulig å foreta indekseringsmålingene ved en enkelt dybde mens boreoperasjonene midlertidig stanses. Når forspenningene er blitt bestemt, blir husanordningen låst i posisjon og boreoperasjonene gjenopptatt. Målinger foretatt under kontinuerlig boreoperasjoner kan så korrigeres ved å bruke den på forhånd bestemte forspenning. Låsemekanismen reduserer sann-synligheten for skade på de følsomme instrumentene under de kontinuerlige boreoperasjoner.

Boringen kan utføres ved hjelp av en borhylse, og MWD-gyroanordningen er opptrekkbart montert i borhylsen for å foreta bestemmelser av borehullets orientering.

I nok en annen utførelsesform blir MWD-gyroanordningen brukt til å styre orienteringen til en injeksjonsbrønn som benyttes i sekundære utvinningsoperasjoner for å injisere fluidet slik som damp, CO2, vann eller en polymer i nærheten av en perforert, fåret produksjonsbrønn. På grunn av foringsrøret kan magnetometre ikke brukes til å opprettholde den ønskede relative posisjon av injeksjonsbrønnen og produksjonsbrønnen. Med MWD-gyroanordningen kan en posisjonsmessig nøyaktighet på tre meter eller mindre opprettholdes under boring av injeksjons-brønnen.

Eksempler på de viktigste trekk ved oppfinnelsen er blitt oppsummert ganske generelt slik at den detaljerte beskrivelse som følger her, bedre kan forstås, og slik at bidragene til teknikkens stand kan bli forstått. Det er selvsagt ytterligere trekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det etterfølgende og som vil utgjøre grunnlaget for de vedføyde patentkrav.

For å få en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse skal det vises til følgende detaljerte beskrivelse av den foretrukne utførelsesform, tatt i forbindelse med de vedføyde tegninger, hvor like komponenter er blitt gitt like henvisningstall, og hvor: fig. 1 viser et skjematisk diagram over et boresystem som anvender anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse i en utførelsesform for måling-under-boring; fig. 2A viser et skjematisk diagram over en del av bunnhullsanordningen med et sett gyroskoper og et tilsvarende sett akselerometre i henhold til en foretrukket utførelsesform; fig. 2B viser et skjematisk diagram som illustrerer bruken av et annet toakse-gyroskop i bunnhullsanordningen som er vist på fig. 2A; fig. 2C og 2D er diagrammer som viser sinusformet utgang fra toakse-gyroskopet; fig. 2E viser indekseringsmetoden som benyttes i en foretrukket utførelses-form; fig. 3 viser et funksjonsmessig blokkskjema over hovedelementene nede i hullet for et system i henhold til foreliggende oppfinnelse; fig. 4 viser en utførelsesform av oppfinnelsen som benytter to motorer til å drive to gyroer, hvorav én er koplet til magnetometrene og akselerometrene; fig. 5 viser en utførelsesform av oppfinnelsen som benytter en enkelt motor til å drive to gyroer, hvorav én er koplet til magnetometrene og akselerometrene; fig. 6A viser en utførelsesform som viser en del av sensorsystemet med en motordrivanordning og en låseanordning i låst stilling; fig. 6B viser utførelsesformen på fig. 6A med anordningen i den ulåste stilling; fig. 6C viser et tverrsnitt gjennom det slissede skulder/anslagstapp-arrangement på fig. 6A; fig. 6D viser et tverrsnitt av låseskive/låsetapp-arrangementet på fig. 6A; fig. 6E viser et oppriss av ledeskrue/kontakt-arrangementet som er vist på fig. 6A; fig. 7A viser er alternativ utførelsesform av låseskiven og låsetappen; fig. 7B viser en utførelsesform av en teleskopformet låsetapp; fig. 7C viser en annen utførelsesform av en teleskopformet låsetapp; fig. 7D viser en utførelsesform av låseskiven og låsetappen innrettet for frik-sjonsinngrep; fig. 8 viser det skjematiske arrangement av MWD-gyroanordningen brukt i forbindelse med en borehylse; og fig. 9 viser bruk av oppfinnelsen til å bore et annet borehull i nøyaktig og tett nærhet til et foret produksjonsborehull. Fig. 1 viser et skjematisk diagram av et boresystem 10 som har en bunnhullsanordning (BHA) eller en boreenhet 90 som innbefatter ett eller flere gyroskop i henhold til foreliggende oppfinnelse. BHA 90 blir transportert i et borehull 26. Boresystemet 10 innbefatter et konvensjonelt boretårn 11 anbrakt på et dekk 12 som understøtter et rotasjonsbor 14 som blir rotert av en hoveddrivanordning, slik som en elektrisk motor (ikke vist) med en ønsket rotasjonshastighet. Borestrengen 20 omfatter en rørledning (borerør eller oppkveilingsrør) 22 som strekker seg nedover fra overflaten inn i borehullet 26. En borkrone 50 festet til borestrengens 20 ende, bryter opp de geologiske formasjoner når den roteres for å bore ut borehullet 26. Borestrengen 20 er koplet til et heiseverk 30 via en Kelly-forbindelse 21, en svivel 28 og en ledning 29 gjennom en skive (ikke vist). Helse-verket 30 blir drevet for å styre vekten på borkronen (WOB), som er en viktig para-meter som påvirker inntrengningshastigheten (ROP). En rørinjektor 14a og en spole (ikke vist) blir brukt istedenfor rotasjonsboret 14 til å føre BHA inn i borehullet når et oppkveilingsrør blir brukt som transportorgan 22. Operasjonene til helse-verket 30 og rørinjektoren 14a er kjent på området, og beskrives derfor ikke i de-talj her.

Under boring blir et egnet borefluid 31 fra en slamgrop (kilde) 32 sirkulert under trykk gjennom borestrengen 20 ved hjelp av en slampumpe 34. Borefluidet passerer fra slampumpen 34 inn i borestrengen 20 via en trykkutjevningsanord-ning 36 og fluidledningen 38. Borefluidet 31 kommer ut ved borehullsbunnen 51 gjennom åpninger i borkronen 50. Borefluidet 31 sirkuleres oppover gjennom ring-rommet 27 mellom borestrengen 20 og borehullet 26 og returnerer til slamgropen 32 via en returledning 35 og en borkakssil 85 som fjerner borkaks 86 fra det tilba-kevendende borefluid 31b. En sensor Si i ledning 38 tilveiebringer informasjon om fluidstrømningshastigheten. En torsjonssensor S2på overflaten og en sensor S3tilknyttet borestrengen 20 tilveiebringer henholdsvis informasjon om torsjonskraf-ten og rotasjonshastigheten til borestrengen 20. Rørinnføringshastigheten blir bestemt av sensoren Ss, men sensoren S6tilveiebringer kroklasten for borestrengen 20.

I noen anvendelser blir borkronen 50 rotert ved bare å rotere borerøret 22.1 mange andre anvendelser er imidlertid en nedhullsmotor 55 (slammotor) anordnet i boreenheten 90 for å rotere borkronen 50, og borerøret 22 blir vanligvis rotert for å supplere rotasjonskraften, om nødvendig, og for å bevirke endringer i boreretningen. I begge tilfeller avhenger ROP (inntrengningshastigheten) for en gitt BHA hovedsakelig av WOB (vekten på borkronen) eller skyvkraften på borkronen 50 og dens rotasjonshastighet.

Slammotoren 55 er koplet til borkronen 50 via en d riva nord ni ng anordnet i en lagerenhet 57. Slammotoren 55 roterer borkronen 50 når borefluidet 31 passerer gjennom slammotoren 55 under trykk. Lagerenheten 57 understøtter de radiale og aksiale krefter på borkronen 50, det nedadrettede skyv på slammotoren 55 og den reaktive, oppadrettede belastning fra den påførte vekt på borkronen. En nedre stabiliseringsanordning 58a koplet til lagerenheten 57, virker som en sentre-ringsanordning for nedre del av borestrengen 20.

En styreenhet eller prosessor 40 på overflaten mottar signaler fra sensorene og anordningene nede i borehullet via en sensor 43 anordnet i fluidledningen 38, og signaler fra sensorene Si-Se og andre sensorer som benyttes i systemet 10, og behandler slike signaler i henhold til programmerte instruksjoner levert til overflatestyreenheten 40. Overflatestyreenheten 40 fremviser ønskede borepara-metre og annen informasjon på en fremvisningsanordning/monitor 42 som benyttes av en operatør til å styre boreoperasjonene. Overflatestyreenheten 40 inneholder en datamaskin, et minne for å lagre data, en registreringsanordning for å regi-strere data og andre periferienheter. Overflatestyreenheten 40 innbefatter også en simuleringsmodell og behandler data i henhold til programmerte instruksjoner. Styreenheten 40 er fortrinnsvis innrettet for å aktivere alarmer 44 når visse usikre eller uønskede driftstilstander inntreffer.

BHA kan også inneholde formasjonsevalueringssensorer eller innretninger for å bestemme følsomheten, densiteten og porøsiteten til de formasjoner som omgir BHA. En gammastrålingsinnretning for måling av gammastrålingsintensite-ten og andre nukleære og ikke-nuklære innretninger brukt som innretninger for måling-under-boring, er på passende måte innbefattet i BHA 90. For eksempel viser fig. 1 en resistivitetsmålingsanordning 64. Den leverer signaler hvorfra resistiviteten i formasjonen nær eller foran borkronen 90 blir bestemt. Resistivitetsinnretningen 64 har senderantenner 66a og 66b atskilt fra mottakerantennene 68a og 68b. Under drift blir de utsendte elektromagnetiske bølger forstyrret når de for-planter seg gjennom den formasjon som omgir resistivitetsinnretningen 64. Motta kerantennene 68a og 68b detekterer de forstyrrede bølger. Formasjonsresistivite-ten blir utledet fra fasen og amplituden til de detekterte signaler. De detekterte signaler blir behandlet i en nedhulls datamaskin 70 for å bestemme resistiviteten og dielektriske verdier.

Et inklinometer 74 og en gammastrålingsinnretning 76 er på passende

måte anordnet langs resistivitetsmålingsinnretningen 64 for henholdsvis å bestemme inklinasjonen eller helningen til den del av borestrengen som befinner seg nær borkronen 50, og intensiteten av gammastrålingen fra formasjonen. Enhver egnet inklinometer- og gammastrålingsinnretning kan imidlertid benyttes i forbindelse med foreliggende oppfinnelse. I tillegg kan posisjonssensorer, slik som akselerometre, magnetometre eller gyroskopanordninger være anordnet i BHA for å bestemme borestrengens asimut, virkelige koordinater og retningen i borehullet 26. Slike anordninger er kjent på området og blir ikke beskrevet mer detaljert her.

I den ovenfor beskrevne utførelsesform overfører slammotoren 55 kraft til borkronen 50 via én eller flere hule aksler som løper gjennom resistivitetsmålingsinnretningen 64. Den hule akselen gjør det mulig for borefluidet å passere fra slammotoren 55 til borkronen 50.1 en alternativ utførelsesform av borestrengen 20 kan slammotoren 55 være innkoplet under resistivitetsmålingsinnretningen 64 eller på en annet passende sted. Den ovenfor beskrevne resistivitetsinnretning, gammastrålingsinnretning og inklinometeret er fortrinnsvis anbrakt i et felles hus som kan være tilkoplet motoren. Innretningene for å måle formasjonsporøsitet, perme-abilitet og densitet (kollektivt betegnet med henvisningstall 78) er fortrinnsvis anordnet over slammotoren 55. Disse innretningene er kjent på området og blir derfor ikke beskrevet mer detaljert her.

Som nevnt tidligere benytter en stor del av de nåværende boresystemer, spesielt for boring av meget avvikende og horisontale brønner, oppkveilingsrør for å transportere boreenheten ned i hullet. I slike anordninger er en skyveanordning 71 utplassert i borestrengen 90 for å tilveiebringe den nødvendige kraft på borkronen. I forbindelse med foreliggende oppfinnelse blir uttrykket "vekt på borkronen" brukt for å betegne den kraft på borkronen som påføres borkronen under boreoperasjonen, uansett om den påføres ved å justere vekten av borestrengen eller ved hjelp av skyveanordninger. Når det benyttes oppkveilingsrør, blir heller ikke oppkveilingsrøret rotert av et rotasjonsbor, i stedet blir det innført i borehullet ved hjelp av en passende injektor 14a mens nedhullsmotoren 55 dreier borkronen 50.

Et antall sensorer er også anordnet i de forskjellige enkeltinnretninger i boreenheten. Et antall sensorer er f.eks. anordnet i slammotorens kraftseksjon, i

lagerenheten, i boreakselen, i rørledningen og i borkronen for å bestemme tilstan-den til disse elementene under boring, og for å bestemme borehullsparameterne. Den foretrukne måte for utplassering av visse sensorer i borestrengen 90 vil nå bli beskrevet. Den aktuelle BHA som benyttes for en spesiell anvendelse, kan inneholde noen eller alle de ovenfor beskrevne sensorer. For foreliggende oppfinnel-ses formål kan enhver slik BHA inneholde ett eller flere gyroskoper og et sett med akselerometre (kollektivt representert her ved henvisningstall 88) på et egnet sted i BHA 90. En foretrukket utførelsesform av slike sensorer er vist på fig. 2A.

Fig. 2A er et skjematisk diagram som viser en sensorseksjon 200 som inneholder et gyroskop 202 og et sett med tre akselerometre 204x, 204y og 204z anbrakt på et egnet sted i bunnhullsanordningen (90 på fig. 1) i henhold til en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Gyroskopene 202 kan være et enkeltakse-gyroskop eller et toakse-gyroskop. I vertikale borehull og borehull med lav inklinasjon blir et x-akse- og et y-akse-gyroskop ansett tilstrekkelig til å bestemme asimut og verktøyfrontflaten i forhold til virkelig nord-retning. Den konfigurasjon som er vist på fig. 2A benytter et enkelt toakse-gyroskop (x-akse og y-akse) som

frembringer utganger svarende til jordrotasjonshastigheter i de to akser (x-aksen og y-aksen) perpendikulært til borehullsaksen eller bunnhullsanordningens langs-gående akse, her referert til som z-aksen. Sensoren 202 måler således jordrota-sjonskomponenten i x-aksen og y-aksen. Akselerometerne 204x, 204y og 204z måler jordens gravitasjonskomponenter henholdsvis langs x, y og z-aksene til bunnhullsanordningen 90.

Gyroskopet 202 og akselerometerne 204x-204z er anordnet på et roterende underlag 210 som roterer omkring radiallagrene 212a-212b i et fiksert eller ikke-roterende hus 214. En indekseringsdrivmotor 216 som er koplet til det roterende underlaget 210 via en aksel 218, kan rotere underlaget 210 i bunnhullsanordningen 90 omkring z-aksen, for derved å rotere gyroskopene 202 fra én mekanisk posisjon til en annen posisjon ved enhver ønsket rotasjonsvinkel. En skrittmo tor blir foretrukket som indekseringsdrivmotoren 216, fordi skrittmotorer er presi-sjonsanordninger og gir positiv tilbakekopling om rotasjonsgraden. Enhver annen mekanisme, uansett om den drives elektrisk, hydraulisk eller på annen ønsket måte, kan benyttes til å dreie gyroskopene i bunnhullsanordningen 90. Gyroskopet 202 kan dreies fra en innledende vilkårlig posisjon til et mekanisk anslag (ikke vist) i verktøyet, eller mellom to mekaniske anslag, eller fra en innledende toppmåling til en annen posisjon som beskrevet nedenfor. Rotasjonsvinkelen som svarer til en spesiell akse, kan velges.

Selv om fig. 2A viser et enkelt toakse-gyroskop, kan det benyttes et separat gyroskop for hver akse. Ledningsutstyr 226 sender signaler fra gyroskopet og akselerometerne til prosessoren i bunnhullsanordningen 90. Likeledes leverer passende ledningsutstyr 220 kraft og signaler til skrittmotoren 216 og ytterligere ned-hullsutstyr. En fjærbelastet torsjonsbegrenser 240 kan brukes til å forhindre treg-hetsbelastning forårsaket av borestrengrotasjon fra å skade tannhjulsboksen til skrittmotoren 216.

I tillegg kan et annet toakse-gyroskop (x-akse og z-akse) 230 være roterbart montert i bunnhullsanordningen 90 i en roterende monteringsramme eller på annen måte for å måle rotasjonshastigheten i z-aksen og x-aksen, som vist på

fig. 2B. Sensoren 230 kan roteres omkring y-aksen ved å bruke et konisk tannhjul 242 og et akselledd 244 til den roterende monteringsramme 210, for derved å eliminere behovet for en ytterligere motor. Ledningsutstyret 244 for y-aksegyroen 230 må være spolet omkring gyroen for å oppta det rom som er tilgjengelig i et hus med liten diameter.

Som nevnt ovenfor krever et MWD-gyroskop optimalisering og/eller kompensering for flere parametere for å tilveiebringe den nødvendige ytelse fra typ-iske gyroskopiske følere som for tiden er tilgjengelige.

Én av feilparameterne som i visse tilfeller er for stor for ytelse med tilstrekkelig nøyaktighet i en typisk tilpasning av et MWD-gyroskop, er forspenningen på gyroskopets utgang. Noen gyroskop har små feilverdier for uttrykket for "tilfeldig forspenningsgange", og forholdsvis stabile forspenningsverdier etter en innledende oppvarmingsperiode, men har stor ustabilitet i forspenningen sett fra i gang-setting til igangsetting. Forspenningen og den tilfeldige forspenningsgange bestemmer i stor grad nøyaktigheten til en gyroskopisk sensor som anvendes i

gyrokompass-operasjon (nord-søkende). Et apparat og en fremgangsmåte for å korrigere for forspenningsfeilen som ses etter at kraft blir tilført under boring, er ønskelig.

Én utførelsesform av oppfinnelsen utfører kompensasjon for den systematiske forspenningsfeil i et gyroskop i et MWD-verktøy ved å indeksere gyroskopet til to posisjoner som har en avstand på 180 grader, og ved å bruke data fra disse posisjonene til å bestemme forspenningen. Addering av de to målingene resulte-rer i kansellering av de positivt-gående og negativt-gående signaler, og en dobling av forspenningsfeilen. Hvis alle andre parametere blir kompensert ved hjelp av en kalibreringsprosess som utføres forut for operasjonen av bunnhullsanordningen, blir den gjenværende feil i gyroskopet (forspenningen) fjernet etter beregningen på følgende måte: Forspenning = Vi (("null"-avlesning) + ("180"-avlesning)) (1)

Mekaniske anslag kan brukes til å rotere gyroskopet til en vilkårlig "null"-posisjon, og så til "180"-posisjonen. For et enkelt aksegyroskop kan denne teknikken bestemme forspenningen som så blir brukt til å kompensere etterfølgende målinger fra gyroskopet, i tillegg til de tidligere bestemte kalibreringsparametere. For et toakse-gyroskop kan teknikken med å indeksere fra "null"-posisjonen til "180"-posisjonen gi en måling av forspenningen for hver av de to transversale gyroskopaksene (X og Y). Alternativt kan en skrittmotor eller en drivmotor med en vinkelresolver brukes til å indeksere 180 grader fra en vilkårlig utgangsposisjon på rotasjonsaksen.

Denne teknikken er illustrert i diagrammet på fig. 2C ved hjelp av de små kvadratiske symbolene som er betegnet "innledende målepunkt". Denne posisjonen er vist ved 62 grader på horisontalaksen til diagrammet, svarende til en relativ rullevinkel (eller verktøyflatevinkel) på 62 grader. En annen måling kan så tilveiebringes ved 62 + 180 eller 242 grader, og forspenningen kan beregnes for gyroskop X eller gyroskop Y eller begge fra målingene ved disse to posisjonene.

Men denne teknikken med å ta den første måling ved en vilkårlig rullevink-elposisjon på kurven, kan resultere i en gyroskoputgang som inntreffer nær null (null på vertikalaksen). I et slikt tilfelle har utgangen fra gyroskopet en bratt helning og er meget følsom for variasjoner i posisjonen langs horisontalaksen. For å få gode resultater bør indekseringen fra "null"-punktet til "180"-punktet utføres med stor nøyaktighet og tett toleranse på bevegelsen over 180 grader må opprettholdes. Denne tette toleransen på et mekanisk indekseringsapparat kan være vanskelig å oppnå i en MWD-anordning på grunn av det barske miljøet og behovet for å tilveiebringe vibrasjons- og støt-dempende montering av de følsomme deler. Elastiske monteringer er ofte nødvendig, med tilstrekkelig plass for bøyning under dynamiske belastninger, og mekaniske anslag kan ødelegges av kontinuerlige støt.

Det refereres fremdeles til fig. 2C hvor det ifølge oppfinnelsen er tilveiebrakt en fremgangsmåte for å opprette en innledende "null"-referanseposisjon for å minimalisere feil i forspenningsmålingen, samtidig som det kan benyttes et mindre nøyaktig mekanisk indekseringsapparat. På fig. 2C er det klart at utgangen fra gyroskopet er mindre følsomt for vinkelposisjonsfeil nær de positive (250) og negative (252) toppdeler av sinusbølgen 255. De runde punktene 254a og 254b som er opptegnet nær nullverdien til sinusbølgen ved 85 og 90 grader, har betydelig mer vertikal forskyvning enn de trekantede punktene 250a og 250b som er opptegnet nær toppen av sinusbølgen 255.1 en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er "null"-posisjonen opprettet nær de positive og negative toppene. Dette kan gjennomføres ved å overvåke utgangen fra gyroskopet under rotasjon. Å finne toppen kan gjøres ved å se etter den posisjon hvor helningen til utgangen går fra stigende til fallende (eller omvendt) med økende vinkelposisjon. De innledende "nuH"-posisjonsmålingene kan foretas ved denne posisjonen og lagres for etterføl-gende beregning. Drivmotorapparatet kan så kommanderes til å ta målinger ved ytterligere rotasjonsmessige posisjoner i forhold til den innledende posisjon. Måling ved +180°gir minimumsverdien for X-aksen. Måling ved V 90° gir maksimums-og minimumsverdiene for Y-aksen. Anvendelse av ligning (1) på disse målingene, bestemmer forspenninger for X og Y som er optimalisert for å redusere feil relatert tit indekseringsfeil.

Når forspenningen på de to aksene er blitt bestemt ved hjelp av denne kali-bre ring ste kn i kke n nede i brønnen, kan utgangene fra X- og Y-aksene så korrigeres for denne forspenningen ved enhver posisjon på vinkelskalaen (den horisontale). Vinkelparametere av interesse for den nedhulls MWD-enhet (asimut og verk- tøyflate) kan så beregnes ved å bruke verdiene ved alle fire eller noen av de tidligere registrerte eller etterfølgende indekserte posisjoner.

De trekantede punktene som er opptegnet nær toppene til sinuskurvene blir kort sagt brukt til å beregne forspenningene, og så, etter kompensering, blir disse målingene sammen med målingene tatt ved de runde punktene som er opptegnet nær nullverdiene for sinuskurvene, benyttet til å beregne de vinkelparametere som er av interesse.

Det vises tilbake til fig. 2A hvor boringen blir avbrutt eller stoppet for å bestemme verktøyflaten, helningsvinkelen og asimut for bunnhullsanordningen 90. Gyroskopet blir energisert og jordhastighetsmålingene fra gyroskopet 202 og gravitasjonsmålingene fra hvert av akselerometrene 204x-204z blir tatt. Som nevnt inneholder hastighetsmålingene fra gyroskopet systematiske forspenninger eller feil. For å eliminere disse systematiske feilene, blir et annet sett med hastighets-målinger tatt etter å ha rotert gyroskopene 202 180 grader ved samme brønndyb-de og samme posisjon for bunnhullsanordningen uten å slå av kraften til gyroskopet 202.

Målingene vedrørende hver akse fra gyroskopet, tatt ved hver posisjon, blir så differensiert for å bestemme de respektive forspenninger. Den forspenning som svarer til hver akse blir fortrinnsvis lagret i et passende minne i prosessoren for senere bruk. Forspenningene blir brukt til å korrigere gyroskopmålingene forut for bestemmelse av asimut eller verktøyfiate i forhold til den sanne nord-retning på den måte som er beskrevet ovenfor. Disse metodene fjerner stort sett de systematiske, uavhengige verktøyflatefeil. De gjenværende feil blir fjernet ved å benytte forutbestemte modeller utledet fra laboratoriemålinger foretatt på overflaten.

Fig. 2D illustrerer en annen utførelsesform for å korrigere for gyroutgangen. Verktøyet blir rotert suksessivt gjennom vinkler 261a, 261b,... og ved hver rotasjonsvinkel blir gyroutgangen for X- og Y-gyroaksene tatt. Ved å betegne målingen av X-gyroen ved en vinkel 2-, som Uxj, kan målingene ved nærvær av tilfeldige målefeil, i, en forspenning bxrepresenteres som

UXj= Asin(9i+ ((>) + bx<+>ei (3)

hvor N er en fasevinkel og A er sinuskurvens amplitude. Denne ligningen har tre parametere som skai anslås, nemlig A, N og bx. Hvis målinger blir tatt ved tre av verktøyets rotasjonsvinkler, blir disse parameterne entydig bestemt. Hvis ytterligere målinger blir tatt, så er ligningene overbestemt og en løsning kan frembringes i en minste kvadraters betydning ved å bruke metoder som er kjente på området. Den samme prosedyre kan også brukes for de målinger som er tatt ved hjelp av Y-aksegyroen. Når både X-aksegyromålingene blir brukt, så er det et ytterligere krav at faseuttrykket for X- og Y-retningene atskiller seg med 90°. Dette kan også gjøres som en del av minste kvadraters minimaliseringsprosedyre.

Bruk av en presisjonskrittmotor til å indeksere det roterbare sensorhuset, har den fordel at et nøyaktig og vilkårlig rotasjonsinkrement kan oppnås. Uansett hva den innledende rotasjonsvinkel (f.eks. 2-, eller 261; på fig. 2D) er, kan sensoren dreies fra denne innledende posisjon i mange forutbestemte inkrementer. Ved hjelp av denne fremgangsmåten er det lett å oppnå f.eks. målinger ved V30° og V30° fra utgangsposisjonen (2;). Bruk av små inkrementer fra utgangsstillingen minimaliserer den tid som kreves for å indeksere til disse stillingene. Det minimaliserer også den tillatte rotasjonsmessige frihetsgrad som må være innlagt i ledningsutstyret. Måleverdiene og kjente tilhørende fasevinkler blir så brukt i forbindelse med ligning (3) til å løse den for den beste sinusløsning. Forspenningen blir så optimalt bestemt som "b"-uttrykket i denne ligningen.

Denne prosedyren er illustrert på fig. 2E hvor et mer realistisk tilfelle med en stor forspenning 280 er antydet. I virkeligheten kan forspenningen være flere volt mens amplituden til sinuskurven er i størrelsesorden noen få millivolt. Utgangen 275 fra én av gyroene er vist, og begynnende fra en innledende, vilkårlig rota-sjonsstilling 270a, blir målinger tatt ved V30° (270b, 270d) og ved V60°

(270c, 270e).

De ovenfor beskrevne fremgangsmåter for fjerning av forspenning i sanntid nede i brønnen under boringen av denne, her kalt de "mekaniske-indekserings-metoder", for gyroskoper, tillater stor bruksfleksibilitet, minimaliserer måletiden og kraftforbruket. Den muliggjør også bestemmelse av de systematiske forspenningsfeil som vanligvis finnes i kommersielt tilgjengelige gyroskoper, istedenfor å stole på stabiliteten av forspenningen for slike gyroskoper. Dette tillater igjen bruk av gyroskoper som ellers er uegnet for bruk som gyrokompass i MWD-miljøet på grunn av deres dårlige stabilitet eller store forspenningsustabilitet fra gang til gang. Det annet uttrykk som påvirker nøyaktigheten av gyroskopmålingen, nemlig tilfeldig gange, blir minimalisert (a) ved å velge gyroskoper med forholdsvis lav verdi av tilfeldig gange ved å utføre tester på overflaten før de benyttes i bunnhullsanordningen, og (b) å midle målingene til gyroskopene over tilstrekkelig lange tidsperioder for å fjerne de statistiske variasjoner av slike feil.

Fig. 3 viser et funksjonsblokkskjema for hovedelementene i bunnhullsanordningen 90, og illustrerer videre med piler, banene for samvirke mellom disse elementene. Det skal nevnes at fig. 3 bare illustrerer ett arrangement av elementene og ett system for samvirke mellom disse elementene. Andre like effektive ar-rangementer kan benyttes for å praktisere oppfinnelsen. Et forutbestemt antall diskrete datapunkt-utganger fra sensorene 352 (SrSj) er lagret i et mellomlager som, på fig. 3, er innbefattet som en avdelt del av minnekapasiteten til en datamaskin

350. Datamaskinen 350 omfatter fortrinnsvis kommersielt tilgjengelige faststoffan-ordninger som kan anvendes i borehullsmiljøet. Alternativt kan mellomlagringsan-ordningene omfatte et separat minneelement (ikke vist). De interaktive modeller blir lagret i minnet 348.1 tillegg er andre referansedata, slik som modeller for kalib-reringskompensering og forutbestemt borebane, også lagret i minnet 348. En to-veis kommunikasjonsforbindelse finnes mellom minnet 348 og datamaskinen 350. Responsen fra sensorene 352 blir sendt til datamaskinen 350 og/eller overflate-datamaskinen 40, hvor de blir omformet til parametere som er av interesse ved å bruke metoder som vil bli nærmere forklart i det følgende.

Datamaskinen 350 er også operativt koplet til visse styrbare nedhullsanord-ninger d1-dm, slik som en skyveanordning, justerbare stabiliseringsanordninger og en nødstoppmodul for geostyring og til en strømningsstyreanordning for å styre fluidstrømmen gjennom boremotoren for å regulere borkronens rotasjonshastighet.

Kraftkildene 344 leverer kraft til telemetrielementet 342, datamaskinen 350, minnemodulene 346 og 348 og tilhørende styrekretser (ikke vist), og sensorene 352 med tilhørende styrekretser (ikke vist). Informasjon fra overflaten blir sendt over den nedadrettede telemetribane som er illustrert med den stiplede linje 329 til mottakerelementet nede i borehullet i den nedhulls telemetrienhet 342, og blir så sendt til lagringsanordningen 348. Data fra nedhullskomponentene blir sendt opp gjennom hullet via en forbindelse 327. Ifølge foreliggende oppfinnelse blir de parametere som er av interesse, slik som verktøyfiate, helning og asimut, fortrinnsvis beregnet nede i hullet, og bare svarene blir sendt til overflaten.

Fig. 4 viser en sensorseksjon 400 som inneholder gyroskop 404,412, et sett med tre akselerometre 414x, 414y og 414z anordnet på et passende sted i bunnhullsanordningen 90 i henhold til en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Gyroskopene 404,412 er fortrinnsvis toakse-gyroskop. Sensorseksjonen inneholder også tre treakse-magnetometre 426a, 426b og 426c. Instrumentene er innelukket i et hus 430 med en nedre koplingsanordning 432 og en øvre koplingsanordning 402. En skrittmotor 408b driver sensorene 404,412,414x, 414y, 414z, 426a, 426b og 426c nedenfor skrittmotoren 408b ved hjelp av en flek-sibel kopling 410 slik at sensorene kan bringes trinnvis gjennom en rekke asimut posisjoner i forhold til verktøyaksen. De magnetiske sensorene 426a, 426b og 426c og magnetometerkortet 420 blir understøttet på en ramme 420 ved hjelp av ikke-magnetiske lagre 424. Med dette arrangementet blir, mens gyroskopet 412 føres trinnvis gjennom et antall vinkler for å bestemme dets forspenning, magnetometerne og akselerometerne ført trinnvis sammen med gyroskopet. Ved å bruke fremgangsmåter som beskrevet ovenfor under henvisning til gyroskopet, kan forspenningen i akselerometerne 414x og 414y og magnetometerne 426a, 426b og 426c bestemmes og etterfølgende målinger kan kompenseres for denne forspenningen.

Ved fravær av lokale magnetiske forstyrrelser, slik som de som forårsakes av stålgjenstander i sensoranordningen eller i nærheten av sensoranordningen, skal det ikke være noen z-gradient av magnetfeltet, dvs. langaksekomponenter til de magnetiske sensorer 426a, 426b og 426c alle bør ha samme verdi. Hvis de aktuelle målinger ikke tilfredsstiller denne betingelsen, så indikerer det en lokal magnetisk forstyrrelse. Den magnetiske feltforstyrrelse som forårsakes av magnetiske gjenstander i borehullet eller i nærheten av borehullet, følger den velkjente inverse kvadratlov, og ved å bruke kjente modelleringsteknikker kan posisjonen og styrken av forstyrrelsen bestemmes ut fra et antall magnetmålinger. Dette gjør det mulig å korrigere magnetometermålingene for forstyrrelsen og også bestemme en aksial avstand langs borehullet hvor z-gradienten er hovedsakelig null og magnetfeltet hovedsakelig uforstyrret.

Det vises fremdeles til fig. 4 hvor sensoranordningen også omfatter et annet gyroskop 404 drevet av en annen skrittmotor 408a gjennom et konisk tannhjul 406. Ved å bruke de metoder som er beskrevet ovenfor, kan forspenningen til denne gyroen også bestemmes under loggeoperasjoner, idet forskjellen er at i dette tilfelle er det y- og z-komponentene til forspenningen som blir bestemt ved å rotere gyroen 412 gjennom et antall forskjellige vinkler og ta målinger ved hver vinkel.

Når observasjonene er blitt korrigert for forspenning, kan de tre sett med

målinger basert på de tre typer sensorer brukes til å tilveiebringe et forbedret estimat av verktøyorienteringen. Som diskutert i US-patent 5,432,699 er vinkelhastigheten E° målt ved hjelp av gyroskopet, summen av vinkelhastighetsvektoren Ze til jorden og vinkelhastigheten £p til verktøyet i forhold til jorden

Q9 = ne + Cf (4)

Magnetometer- og akselerometer-målingene gir hver uavhengige målinger av verktøyets bevegelse i forhold til jorden. Ligningen som er betegnet med (4) er overbestemt og kan løses for å oppnå et forbedret estimat av verktøyets virkelige orientering i forhold til jorden ved å bruke tidligere kjente fremgangsmåter. Siden magnetometre gir en orientering i forhold til jordens magnetfelt, gir metoden lett en måling av den magnetiske deklinasjon (vinkel mellom geografisk og magnetisk nord).

Fig. 5 viser en annen utførelsesform av oppfinnelsen som benytter to gyroskop. Sensorseksjonen 500 inneholder gyroskop 504, 512, og et sett med tre akselerometre 514x, 514y og 514z anordnet på et egnet sted i bunnhullsanordningen 90. Gyroskopene 504,512 er fortrinnsvis toakse-gyroskop. Sensorseksjonen inneholder også treakse-magnetometre 526a, 526b og 526c. Instrumentene er innelukket i et hus 530 med en nedre koplingsanordning 532 og en øvre koplingsanordning 502. En skrittmotor 508 driver det transversale gyroskop 504 gjennom et konisk tannhjul 506a, idet skrittmotorens bevegelse videre blir overført gjennom et konisk tannhjul 506b til en aksel 518. Sensorene 512, 514x, 514y, 514z, 526a, 526b og 526c blir drevet synkront med gyroskopsensoren 504. De magnetiske sensorene 526a, 526b og 526c og magnetometerkortet 520 er montert på en ram me 522 ved hjelp av ikke-magnetiske lagre 524. Ved å bruke metoder som er beskrevet ovenfor under henvisning til gyroskopet, kan forspenningen i gyroskopene 504, 512, akselerometerne 514x, 514y og 514z og magnetometerne 526a, 526b og 526c bestemmes, og etterfølgende målinger kan kompenseres for denne forspenningen. Forspenningskorrigerte målinger blir så brukt til å fremskaffe et forbedret estimat av verktøyets posisjon og orientering ved å bruke den fremgangsmåte som er diskutert ovenfor under henvisning til fig. 4.

Fig. 6A er et skjematisk diagram av en utførelsesform av oppfinnelsen som benytter en låsemotor. Det er vist en roterende instrumentramme 610 som inneholder sensorer som beskrevet ovenfor, som roterer i et fast eller ikke-roterende hus 614. En reversibel indekseringsdrivmotor 616, koplet til den roterende instrumentramme 610 via en drivaksel 618 gjennom en glidekopling 665, kan rotere rammen 610 i bunnhullsanordningen 90 omkring z-aksen, for derved å dreie gyroskopet 602 og akselerometerne 604x-604z fra én mekanisk stilling til en annen

mekanisk stilling med enhver ønsket rotasjonsvinkel. En skrittmotor blir foretrukket som en den reversible indekseringsdrivmotor 616, fordi skrittmotorer er presisjons-anordninger og kan gi positiv tilbakekopling om rotasjonsstørrelsen. Enhver annen mekanisme uansett om den er drevet elektrisk, hydraulisk eller på annen måte,

kan brukes til å rotere gyroskopet i bunnhullsanordningen 90. Drivmotoren 616 kan være direkte koplet til slurekoplingen 665 eller kan være koplet gjennom en passende utvekslingsboks 625 til slurekoplingen 665.

Et sylindrisk tannhjul 670 er fastmontert på motorakselen 695. En ledeskrue 680 er montert i et spor i motorchassis 675 og er forskjøvet fra, og vesentlig parallell til, rotasjonsaksen til drivakselen 618. Ledeskruen 680 har en tannhjulsprofil på én ende for å stemme riktig radialt med det sylindriske tannhjulet 670. Ledeskruen 680 har en gjengeprofil på den annen ende innrettet for inngrep med en løpevogn 685 som blir drevet aksialt ved rotasjon av ledeskruen 680. En låsetapp 690 er montert på løpevognen 685. Løpevognen 685 er begrenset til å gli inne i en vognføring 715, som vist på fig. 6D og fig. 6E. Når motorakselen 695 roterer, roterer det sylindriske tannhjul 670 med motorakselen 695, kommer i inngrep med ledeskruen 680 og får ledeskruen 680 til å rotere. Når ledeskruen 680 roterer, kommer den i inngrep med løpevognen 685 og driver løpevognen 685 gjennom virkningen av gjengen som er skåret inn i ledeskruen 680, og løpevognen 685. Rotasjonsretningen tii den reversible motoren 616 bestemmer derfor den aksiale bevegelsesretningen til løpevognen 685 og låsetappen 690 på denne. En låseskive 660 er montert på drivakselen 618 og har minst ett låsehull 700 boret omkretsmessig inn i låseskiven 660. Låseskiven 660 er aksialt anordnet på akselen 618 i en posisjon for fullstendig å motta låsetappen 690 når løpevognen 685 er i den låste stilling som vist på fig. 6A. To fjær-energiserte, elektriske kontakttapper 720a og 720b er montert på vognføringen 715 for å kontakte løpevognen 685 når løpevognen 685 er i den låste stilling. Når løpevognen 685 og tappene 720a og 720b kommer i kontakt med hverandre, blir det dannet en elektrisk krets.

I den foretrukne utførelsesform blir instrumentrammen 610 vanligvis rotert mellom 0-360 vinkelgrader, idet rotasjonen blir begrenset av oppviklingen av de elektriske ledningene til sensorene. For å hindre overrotasjon er en rotasjonsstopp-tapp 650 montert i motorrammen 675 og i inngrep med en skulder 705 forsynt med hakk på drivakselen 614 ved rotasjonsgrensen, vist på fig. 6A og fig. 6C. Både stopptappen 650 og skulderen med hakk 705 er forsynt med ledninger for å lukke en elektrisk krets ved kontakt med hverandre.

Virkemåten til motoren kan best forstås ved å starte i den låste posisjon som er vist på fig. 6A. Drivmotoren 616 blir rotert i en retning for å føre løpevog-nen 685 mot den høyre eller ulåste stilling. Mens låsetappen 690 fremdeles er i inngrep med låsehullet 700, blir drivakselen 618 hindret fra å rotere og slurer i forhold til motorakselen 695 gjennom slurekoplingen 665. Torsjonen til slurekoplingen 665 tvinger kanten av låsehullet 700 til å presse mot låsetappen 690 mens låsetappen 690 blir trukket tilbake fra låsehullet 700. Låsetappen 690 har derfor minimal vinkelmessig klaring fra veggen i låsehullet 700 ved frigjøring. Som vist på fig. 6B, når låsetappen 690 kommer klar av låsehullet 700, begynner drivakselen 618 å rotere instrumentrammen 610 til forutbestemte posisjoner for sensor-målinger.

Ved slutten av målesekvensen er det ønskelig å tilbakeføre instrumentrammen 610 til den samme vinkelorientering som den hadde før begynnelsen av målesekvensen. Hvis løpevognen 685 og låsetappen 690 blir drevet tilbake mot den låste stilling, vil låsetappen 690 ankomme ved kanten av låsehullet 700, hvor den sist mistet kontakt med låseskiven 660. På grunn av slark i tannhjul og en ak-kumulering av fremstillingstoleranser, er det imidlertid mulig at en feilinnretting av låsetappen 690 og låsehullet 700 kan inntreffe slik at låsetappen 690 ikke vil treffe låsehullet 700, men i stedet vil komme i kontakt med overflaten av låseskiven 660. Den følgende teknikk blir brukt for å eliminere dette interferensproblemet.

Ved begynnelsen eller slutten av målesekvensen som er beskrevet ovenfor, blir motoren 616 drevet i opplåsende retning litt forbi det punkt hvor skulderen 705 med hakket på drivakselen 618 kommer i kontakt med rotasjonsstopp-tappen 650. Dette fører med hensikt til at slurekoplingen 665 slurer tilstrekkelig til å tilbakeføre løpevognen 685 og låsetappen 690 bort fra låseskiven 660 med en størrelse som minst er lik den vinkelmessige forskyvning av én halvdel av diameteren til låsehullet 700. Når derfor løpevognen 685 blir drevet mot låseskiven 660, kommer skulderen 705 i kontakt med stopptappen 650 fra den motsatte vinkelretning for å stop-pe rotasjonen av drivakselen 618 og låseskiven 660. Slurekoplingen 665 begynner å slure og løpevognen 685 med låsetappen 690, blir drevet fremover slik at låsetappen 690 treffer i midten av låsehullet 700.

I en alternativ utførelsesform hvor rotasjoner på mer enn 360 grader er nødvendig, er det ingen positiv rotasjonsmessig stopp. Antallet låsehull 700 er atskilt tilstrekkelig nær hverandre slik at låsetappen 690 automatisk vil treffe ett av låsehullene 700 ved praktisk talt enhver rotasjonsmessig stilling. Skrittmotoren 616 blir drevet et kjent antall skritt i låseretningen, noe som bør resultere i at låsetappen 690 opptas fullstendig i et låsehull 700. Når låsetappen 690 er fullt opptatt, kommer kontaktpinnene 720a-b i kontakt med løpevognen 685 og slutter en elektrisk krets som gir signal til motorstyringen om å slutte å aktivere skrittmotoren 616. Hvis motorstyringen ikke avføler kretsslutningen ved det tidspunkt da skrittmotoren 616 har gjennomgått det kjente antall skritt, vil motorstyringen reversere motoren 616 og drive låsetappen 690 til en fullstendig åpen stilling og begynne låsesekvensen på nytt inntil en vellykket låsing blir indikert ved at kretsen sluttes. Fig. 7A-7D viser alternative utførelsesformer for rotasjonsmessig låsing av akselen 618. Fig. 7A viser en låseskive 730 med et antall tapper 735 som rager ut fra overflaten. Disse tappene er montert i en omkretsmessig mønster på skiven 730 og er innrettet for å passe inn i en låsetapp 740 montert på løpevognen 685. Låsetappen 740 har en hul ende innrettet for å passe nøyaktig over tappene 735 som rager ut fra låseskiven 730. Andre aspekter ved låsings- og opplåsingsopera-sjonene er som beskrevet ovenfor. Fig. 7B viser en teleskopformet låsetapp 745 med indre gjenger på én ende og drevet av ledeskruen 680. Den ikke-gjengede ende av tappen 645 er innrettet for å stikke inn i et hvilket som helst av låsehullene 700 på låseskiven 660. Fig. 7C viser en teleskopformet låsetapp 750 med indre gjenger ved én ende og drevet av ledeskruen 680. Den ikke-gjengede ende av tappen 745 er innrettet for å passe over én av låsetappene 735 på låseskiven 730. Fig. 7D viser en låsetapp 760 innrettet for friksjonsmessig inngrep med låseskiven 755 med tilstrekkelig aksial kraft til å generere en tilstrekkelig friksjons-kraft mellom tappen 760 og skiven 755 til å hindre rotasjon av skiven 755.

I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen er indekseringsprosedyren litt modifisert. En første måling blir foretatt ved en vilkårlig orientering av huset. Etter-følgende målinger blir tatt ved V 30° og V 60°.

Ved én driftsmåte for verktøyet blir boringen midlertidig avbrutt, og ved å bruke indekseringsprosedyren som er diskutert ovenfor, blir forspenningen i instrumentene bestemt og brukt til å korrigere målingene. Fra de korrigerte målinger blir BHA-posisjonen og orienteringen bestemt. Ved å bruke låsearrangementet blir rammen 210 låst på plass og boringen blir gjenopptatt. Under boreprosessen tas det fortsatt målinger med gyroen, akselerometeret og/eller magnetometeret, og periodiske oppdateringer av BHA-posisjonen og orienteringen blir foretatt ved å bruke den bestemte forspenning. Ved neste avbrudd i boringen blir indekseringsprosedyren gjentatt, og nye forspenninger i gyroen, akselerometeret og magnetometerne blir bestemt.

Brukt i forbindelse med en bunnhullsanordning som innbefatter en slammotor, kan foreliggende oppfinnelse benyttes til å styre boreretningen. MWD-gyroanordningen er montert på en ikke-roterende del av BHA (ikke vist), og boringen fortsetter ved å bruke slammotoren. MWD-gyroanordningen blir brukt til å bestemme orienteringen og asimut for borehullet og BHA, og denne informasjonen blir brukt til å styre boreretningen.

US-patent 5,845,722, Makohl mfl., og US-patentsøknad, serienr. 09/206,969 som har same søker som foreliggende patentsøknad og hvis innhold herved inntas som referanse, beskriver et borehylsesystem for bruk ved boring gjennom formasjoner hvor trykket er betydelig forskjellig fra trykket i de tilstøtende formasjoner, og/eller hvor ustabile formasjoner gjør det vanskelig å beskytte for- masjonene med et féringsrør i hullet. Borehylsesystemet omfatter en indre streng som bærer et styrebor og en ytre enhet med et kjernebor. I én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse blir MWD-gyroverktøyet transportert på en opptrekkbar anordning montert i borehylsen.

Det vises nå til fig. 8 hvor en borkrone 782 ved enden av en borehylse 780 er vist. Inne i borehylsen 780 er et adapterrør for understøttelse av sensorenheten. Sensorenheten innbefatter MWD-gyrosensorene 790 som diskutert ovenfor, gammastrålingssensoren 792, den digitale stillingssensorenhet (DAS) 794, minne-enheten 796, batterienheten 798 og pulsgeneratoren 800. For å holde illustrasjo-nen enkel er understøttelser for adapterrøret og sensorenhetene ikke angitt. Sensorenheten kan hentes oppved å bruke en kabel 788 og en fiskeenhet 786-790.

Virkemåten til den anordning som er vist på fig. 8, er maken til den som er beskrevet ovenfor. Den opphentbare modulen blir transportert inne i borehylsen og målinger blir tatt etter hvert som boringen skrider frem, idet boringen blir avbrutt ved en første dybde hvor indekseringsoperasjonen blir utført. Når borehullets helning og asimut er bestemt som diskutert ovenfor, blir boringen gjenopptatt med MWD-gyrosensoranordningen låst på plass, og ytterligere målinger kan foretas med disse sensorene mens boringen fortsetter. Boringen kan avbrytes ved andre dybder og prosessen blir gjentatt.

Når boringen har nådd den ønskede dybde med borehylsen, blir sensorenheten hentet opp mens adapterrøret og hylsen blir etterlatt. Etterfølgende gjeninn-føring i borehullet med en mindre borkrone eller borehylse vil kreve utboring av adapterrøret. Av denne grunn er adapterrøret fortrinnsvis laget av et komposittma-teriale som er lett å bore gjennom. Alternativt kan adapterrøret være et kort rør med en lengde som strekker seg bare til en posisjon slik som 799, slik at den materialmengde som må bores ut under gjeninnføringen, er mindre.

De sensorer som er vist i tillegg til MWD-gyrosensorene, er kun for illustra-sjonsformål og er ikke ment å være noen begrensning av foreliggende oppfinnelse.

I en annen utførelsesform av oppfinnelsen kan MWD-gyroverktøyet som er beskrevet ovenfor, brukes til å ta målinger under opphenting (MWT, Measure-ments-while-tripping). For å gjøre dette ved de tidspunkter da en borestreng skal trekkes opp for å bytte borkronen, blir måleinstrumentet brukt til å ta målinger mens borestrengen trekkes opp. Vanligvis er borestrengen 20 sammensatt av borerørseksjoner på 30 fot, og overflateanordningen 10 er i stand til å trekke opp tre seksjoner med borerør (kalt en "stand"). Opphentingen kan således kreve at boreanordningen nede i hullet er i ro ved en fast dybde mens standen blir fjernet. I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen blir den indekseringsprosedyre som er beskrevet ovenfor, utført ved én eller flere av disse stasjonære posisjonene under opphenting. Resultatene er hovedsakelig jevnt atskilte (med hensyn til borehullsdybde, ikke nødvendigvis virkelig vertikal dybde) målinger som brukes til å finne borehullets helning og asimut. Kombinert med den kjente borehullsdybde (fra et antall borerørsegmenter som hentes opp), kan en undersøkelse av borehullet oppnås ved diskrete posisjoner.

Fagkyndige på området vil innse at under opphentingsoperasjoner blir sir-kulasjon av slam avbrutt. Med mindre sirkulasjonen dermed blir spesielt gjenopptatt, må de målinger som foretas under opphentingen, lagres i minnet i nedhulls-verktøyet for etterfølgende opphenting.

En spesiell fordel ved å ta MWT, er at de grunnere deler av borehullet vil bli undersøkt flere ganger enn de dypere deler av borehullet siden de grunnere deler vil gjennomgå flere opphentinger. Fremskaffelsen av flere sett med data over den grunneste seksjon gir en forbedret statistisk nøyaktighet for borehullets helning og asimut, noe som gir forbedrede målinger ved disse posisjonene.

Fig. 9 illustrerer en utførelsesform av oppfinnelsen i sekundære utvinningsoperasjoner. En produserende brønn 820 er blitt boret inn i et reservoarintervall 801 som inneholder hydrokarboner. Av forskjellige grunner, slik som lavt forma-sjonstrykk eller høy viskositet for hydrokarbonene i reservoaret, kan produksjon under vanlige hydrokarbontilstander være ved et uøkonomisk lavt tempo. I slike tilfeller blir det boret et annet borehull 822, vanligvis som en sideboring fra borehullet 820 slik at den blir hovedsakelig parallell med hovedbrønnen i reservoaret. Pro-duksjonsbrønnen er vanligvis foret med fåringsrøret 830 som har perforeringer 834. Fluid, slik som vann, C02eller damp blir så injisert i formasjonen gjennom sekundærbrønnen 822, og det injiserte fluid driver hydrokarbonene i formasjonen mot produksjonsbrønnen 820 hvor det kan utvinnes. En slik operasjon krever om-hyggelig posisjonering av det sekundære borehull 822 i nærheten av produksjons- brønnen 820. Det også viktig å opprettholde sekundærbrønnen i samme asimut som produksjonsbrønnen. På grunn av det faktum at produksjonsbrønnen er fåret, kan konvensjonelle magnetiske teknikker ikke brukes til å bestemme sekundær-brønnens inklinasjon og asimut. Ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen blir følg-elig posisjonen til produksjonsbrønnen lagret i et egnet minne, og informasjonen fra MWD-gyroverktøyet blir brukt til å styre retningen av boringen av sekundær-brønnen.

Selv om den foregående beskrivelse er rettet mot de foretrukne utførelses-former av oppfinnelsen, vil forskjellige modifikasjoner være opplagte for fagkyndige på området. Det er ment at alle varianter innenfor rammen av de vedføyde patentkrav, skal være omfattet av den foregående beskrivelse.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for utvinning av hydrokarboner fra et reservoar i en undergrunnsformasjon, idet fremgangsmåten omfatter: (a) å bore et første borehull (820) inn i reservoaret; (b) å fremskaffe informasjon om posisjonen til det første borehull i det minste inne i reservoaret; karakterisert ved: (c) å fore det første borehull med et fdringsrør; (d) å bore et annet borehull (822) i nærheten av det første borehull (820) ved å bruke en retningsboringsanordning; (e) å bruke et MWD-gyroverktøy (202) i det annet borehull (822) for å fremskaffe informasjon om posisjonen og orienteringen til det annet borehull; og (f) å styre retningsboringsinnretningen som reaksjon på den fremskaffede informasjon om posisjonen til det første borehull (820) og den fremskaffede informasjon om det annet borehull (822), for å opprettholde en ønsket relasjon mellom posisjonen til det første borehull og posisjonen til det annet borehull.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedå injisere i det annet borehull (822) et fluid valgt fra den gruppe som består av (i) vann, <ii) C02, (iii) damp, og å utvinne hydrokarboner i det første forede borehull (820) gjennom perforeringer i foringsrøret (830).