NO335468B1 - Differensiell gravitasjonssensor med to fritt fallende reflektorer - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet en gravitasjonssensor (10) som innbefatter en første masse (26) innrettet for fritt fall når den selektivt frigjøres fra en innledende posisjon. Massen har optiske elementer (26) innrettet for å endre lengden av en optisk vei som reaksjon på bevegelse av massen (26). Sensorutgangen blir koplet til en strålesplitter (22). En utgang fra splitteren (22) er koplet hovedsakelig direkte optisk til et interferometer (24). En annen utgang fra splitteren er koplet til interferometeret (24) gjennom en optisk forsinkelseslinje (18). En frekvens for interferensmønsteret er direkte relatert til gravitasjonen ved massen. En annen slik masse (28) som har lignende optikk, optisk koplet i serie med den første masse (26) og innrettet for å endre veilengden med motsatt fortegn når den selektivt slippes for å forårsake tidssammenfallende bevegelse av de to massene (26, 28), genererer et interferensmønster som har frekvens relatert til gravitasjonsdifferansen.

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt brønnloggingsområdet.

Mer spesielt angår oppfinnelsen sensorer for måling av akselerasjon som skyldes jordens gravitasjon, samt en fremgangsmåte for å måle gravitasjon.

Slike målinger kan anvendes til å evaluere undergrunnsformasjoner.

Målinger av jordens gravitasjonsmessige akselerasjon og målinger av for-skjeller i jordens gravitasjonsmessige akselerasjon (gravitasjonsdifferanse) mellom forskjellige dybder i jorden, kan være nyttige til å bestemme masse-densiteten (eller den spesifikke gravitasjon) for forskjellige grunnformasjoner blant andre anvendelser. Mer spesielt kan målinger av gravitasjonsdifferanse mellom to posisjoner eller dybder brukes til å bestemme om olje, vann eller gass hoved-sakelig fyller porerommene i grunnformasjonene ved forskjellige dybder og ved forskjellige geografiske posisjoner i jorden.

Måling av en fysisk egenskap ved grunnformasjoner under jordoverflaten blir i praksis utført ved en prosess kalt "brønnlogging", hvor instrumenter som er utrustet med forskjellige sensorer blir senket ned i et borehull boret gjennom grunnformasjonene. Instrumentene kan senkes ned i borehullet og hentes opp fra dette ved enden av en armert elektrisk kabel, idet denne prosessen er kjent som "kabelbrønnlogging". Alternative transportteknikker som er kjent på området innbefatter å senke instrumentene ned i brønnhullet koplet til enden av et borerør, en produksjonsrørledning eller et oppkveilingsrør. Teknikken med transport ved hjelp av borerøret spesielt blir vanligvis kalt "logging under boring" når målingene utføres under den aktuelle boring av et borehull. Brønnloggingsinstrumentene, uansett om de er transportert ved hjelp av en kabel eller et rør, kan innbefatte forskjellige innretninger til å måle jordens tyngdeakselerasjon.

En type gravitasjons- og gravitasjonsdifferanse-måleinstrument er beskrevet i US-patent nr. 5.892.151 utstedt til Niebauer m. fl. Dette instrumentet innbefatter minst én, og fortrinnsvis flere, i langsgående retning adskilte gravitasjonssensorer omsluttet av et instrumenthus. Gravitasjonssensorene er fiberoptiske interferometrianordninger som måler en hastighet for en fritt fallende masse ved å bestemme, med hensyn til tid, interferenslinjer til en lysstråle som splittes mellom en første vei som har en lengde svarende til posisjonen av den fritt fallende masse, og en annen "referansevei" (med fast lengde). Interferenslinjer er relatert til den fritt fallende masses hastighet som kan korreleres med jordens gravitasjon ved nøyaktig måling av massens posisjon og tiden fra starten av det frie fall. Målinger av gravitasjonsdifferanser blir utført ved å bestemme en differanse i gravitasjonsmålinger foretatt mellom to av de individuelle gravitasjonssensorer som er posisjonert ved vertikalt adskilte posisjoner.

En begrensning ved bruk av gravitasjonssensorer slik som de som er beskrevet i Niebauer m. fl. '151-patent, er at nøyaktigheten av gravitasjonsmål-ingen kan være utilstrekkelig til å foreta gravitasjonsdifferansemålinger i borehull. For å være brukbare til bestemmelse av densiteten til grunnformasjoner i nær-heten av et borehull, er det vanligvis ønskelig å ha gravitasjonsdifferansemålinger foretatt med en vertikal separasjon på omkring en meter eller mindre. Gravitasjonsmålingssensorer av den type som er beskrevet i Niebauer m. fl. '151 - patent, kan ha et støynivå slik at gravitasjonsdifferansen mellom slike små virkelige vertikale avstander er under den nødvendige nøyaktighet for anvendelser i borehull. En annen begrensning ved å bruke slike sensorer som er beskrevet i Niebauer m. fl. '151 -patent, er at hver enkelt sensor krever en separat optisk vei mellom en lyskilde og en lysdetektor. I anvendelser ved overvåkning av reservoarer som kan kreve at mange slike sensorer er posisjonert ved vertikalt adskilte posisjoner langs et borehull, og eventuelt at mange slike "sensorstrenger" er posisjonert i et antall slike borehull, kan signaltransmisjon og behandling bli meget komplisert. Den implementering som er foreslått i Niebauer m. fl. '151-patent antyder videre at en laserkilde skal posisjoneres nær den enkelte sensor. Fordi mange borehull har høye indre temperaturer, kan posisjonering av en slik laserkilde i et brønnloggingsinstrument, og mer spesielt, et brønnloggings-instrument som kan være permanent installert i et borehull, være upraktisk.

Det som behøves er en gravitasjonssensor og differensialgravitasjons-sensor som har en nøyaktighet egnet for reservoarovervåkning, og som har forbedret motstand mot omgivelsesmessige virkninger.

Oppfinnelsen tilveiebringer en differensiell gravitasjonssensor som innbefatter en første masse innrettet for fritt fall når den frigjøres selektivt, idet massen er påsatt optiske elementer innrettet for å endre en lengde av en optisk vei gjennom sensoren som reaksjon på bevegelse av massen;

en strålesplitter operativt koplet til en utgang fra den optiske vei som gjennomtrenges av sensoren, idet en utgang fra splitteren er koplet hovedsakelig

direkte optisk til et interferometer, og en annen utgang fra splitteren er koplet til interferometeret gjennom en optisk forsinkelseslinje,

og videre omfattende en annen masse innrettet for fritt fall når den frigjøres selektivt, idet den annen masse er utstyrt med optiske elementer koplet optisk i serie med de optiske elementene på den første masse, slik at de optiske elementer på den annen masse er innrettet for å endre en lengde av den optiske vei gjennom sensoren som reaksjon på bevegelse av den annen masse i en retning motsatt av endringen i lengde som bevirkes ved bevegelse av den første masse.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å måle gravitasjon, som innbefatter å belyse optiske elementer på en første masse innrettet for fritt fall når den frigjøres, idet de optiske elementer er innrettet for å endre en lengde av den optiske vei som reaksjon på bevegelse av den første masse;

å slippe den første masse ved et valgt tidspunkt;

å splitte lys som forplanter seg bort fra de optiske elementer på den første masse;

å lede en utgang fra splitteren hovedsakelig direkte til en inngang på et interferometer;

å lede en annen utgang fra splitteren til interferometeret gjennom en valgt tidsforsinkelse;

å bestemme en frekvens for et interferensmønster i interferometeret, idet frekvensen er relatert til gravitasjon;

og videre omfattende:

å dirigere, forut for splittingen, det lys som forlater de optiske elementer på den første masse til optiske elementer på en annen masse, hvor den annen masse er innrettet for fritt fall når den frigjøres selektivt, idet de optiske elementer på den annen masse er innrettet for å endre lengden av en optisk vei som reaksjon på bevegelse av den annen masse, der lengdeendringen som reaksjon på bevegelse av den annen masse har motsatt fortegn i forhold til lengdeendringen som reaksjon på bevegelse av den første masse;

selektivt å slippe den annen masse, idet den selektive slipping av den annen masse er tidsstyrt for å muliggjøre i det minste delvis tidssammenfallende bevegelse av den første masse og den annen masse; og

å bestemme en frekvens for et interferensmønster i interferometeret under den tidssammenfallende bevegelse av den første og den annen masse, idet interferensmønster-frekvensen for den tidssammenfallende bevegelse er relatert til en differanse i gravitasjon mellom den første masse og den annen masse.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser et skjematisk diagram over et eksempel på en kombinert gravitasjons-gravitasjonsdifferanse-sensor,

fig. 1A viser en utspilt skisse av en utførelsesform av en sensor, slik som på fig. 1,

fig. 2 viser et eksempel på et brønnloggingsinstrument som innbefatter en eller flere av sensorene som er vist på fig. 1;

fig. 3 viser et eksempel på en indre ramme for et loggeinstrument slik som vist på fig. 2,

fig. 4 viser et eksempel på et tidsskjema for bevegelse av masse/reflektor-kombinasjonene i eksempelet på en sensor som på fig. 1,

fig. 5 viser et arrangement av sensorer slik som på fig. 1, som kan ta en adskilt gruppe med gravitasjons-/gravitasjonsdifferanse-målinger ved å bruke bare en enkelt optisk kanal,

fig. 5A og 5B viser eksempler på falltidsmåling for arrangementet av sensorer på fig. 1,

fig. 6 viser et instrument slik som et på fig. 2, innsatt i et borehull for overvåkning av et reservoar.

Ved en gravitasjonssensor bestemmes generelt akselerasjon som skyldes jordens gravitasjon ved hjelp av en interferometriteknikk som innbefatter å sende en lysstråle fra en kilde, slik som en laser, på en fritt fallende masse/reflektor. Den fritt fallende masse/reflektor kan være en speildekket masse anordnet i et vakuumkammer. Sensoren innbefatter andre optiske anordninger innrettet slik at når massen/reflektoren faller, endrer den lengden av en lysvei gjennom sensoren.

Det lys som til slutt passerer gjennom sensoren, blir så splittet i to stråler. En stråle forplanter seg hovedsakelig direkte til en inngang på et interferometer koplet til en fotodetektor, slik som fotodiode. Den annen stråle blir ført gjennom en optisk forsinkelseslinje på sin vei til den optiske inngang på interferometeret. Den optiske forsinkelseslinje kan være en valgt lengde av f.eks. en optisk fiber. Den direkte stråle og den forsinkede stråle blir så kombinert i interferometeret. Interferenslinjer f for det interferensmønster som genereres ved å kombinere den direkte og den forsinkede lysstråle, er lineært relatert til den eksisterende tyngdeakselerasjon ved den fritt fallende masse/reflektor ved uttrykket:

hvor g representerer jordens tyngdeakselerasjon, Td representerer tidsforsinkelsen i den optiske forsinkelseslinje, og X representerer bølgelengden til lyset fra kilden. Legg merke til at frekvensen f til interferensmønsteret også er proporsjonal med tidsforsinkelsen Td. Som det kan utledes fra denne relasjonen, vil følsomheten av målinger tatt ved hjelp av en sensor økes når den valgte tidsforsinkelse Td blir øket. En grense for tidsforsinkelsen er imidlertid den totale falltid for massen som er påsatt de optiske elementer. I henhold til en utførelsesform blir derfor tidsforsinkelsen valgt å være høyst lik den forventede falltid for massen, og fortrinnsvis litt mindre enn den forventede falltid. Dette gir den høyeste følsomhet for målingen. Den forventede falltid kan bestemmes fra den avstand som massen er innrettet for å falle i en utførelsesform av sensoren, og en omtrentlig verdi av jordens tyngdeakselerasjon.

En differensiell gravitasjonssensor i henhold til oppfinnelsen kan direkte ta gravitasjons-differansemålinger. I en differensiell gravitasjonssensor i henhold til oppfinnelsen, er en første fritt fallende masse/reflektor som kan være maken til den type som brukes til å måle gravitasjon som beskrevet ovenfor,

kombinert i optisk serie med en annen fritt fallende masse/reflektor langs den samme totale lysvei. En av de to fritt fallende masser/reflektorer er innrettet slik at ved dens fall øker lengden av lysveien gjennom sensoren. Den andre fritt fallende masse/reflektor er innrettet slik at lengden av lysveien blir forkortet når den fritt fallende reflektor faller. Som ved gravitasjonsmåling blir så lysveien splittet i to stråler etter at den passerer gjennom reflektoranordningen og kommer ut av sensoren. En stråle fra splitteren blir tidsforsinket, og den annen stråle passerer hovedsakelig direkte til et interferometer. Som i de andre utførelsesformer blir den

forsinkede stråle kombinert med den direkte stråle i interferometeret. I differensielle gravitasjonssensorer er interferenslinjer til inter-ferensmønsteret som mates ut fra interferometeret, relatert lineært til differansen i eksisterende gravitasjon mellom hver av de to fritt fallende masser/reflektorer, slik som ved uttrykket:

I uttrykket ovenfor representerer gi jordens gravitasjon ved posisjonen for den første fritt fallende masse/reflektor, og gzrepresenterer jordens gravitasjon ved posisjonen til den annen fritt fallende masse/reflektor. For å bestemme gravitasjonsdifferansen er det bare mulig å få begge de fritt fallende reflektorer til å falle i løpet av en sammenfallende tidsperiode. Den resulterende interferometri vil frembringe en måling som er direkte relatert til (i frekvens) gravitasjonsdifferansen mellom posisjonene til de to masser/relfektorer. Som i den gravitasjonsmålende utførelsesform som det er referert til tidligere, er en foretrukket tidsforsinkelse høyst omtrent lik den forventede falltid av enten den første masse eller den annen masse, og er helst mindre enn den forventede falltid.

En grunnleggende utforming av en utførelsesform av en gravitasjonssensor, og en differensiell gravitasjonssensor i henhold til oppfinnelsen, er vist skjematisk på fig. 1. En gravitasjonssensor som har et første "fortegn", "retning" eller "polarisasjon" (noe som betyr endringen i lysveiens lengde gjennom sensoren når massen/ reflektoren blir sluppet) er vist ved 10. Sensoren 10 innbefatter en reflektor koplet til en masse, vist i kombinasjon ved 26 og hensiktsmessig kalt en reflektor. Reflektoren 26 er innrettet for å bli beveget til toppen av et sensorhus 34 og sluppet ved en valgt tid. For å tydeliggjøre beskrivelsen er en mekanisme som brukes til å flytte reflektoren og slippe den, ikke vist på fig. 1, men vil bli forklart mer detaljert senere. Sensorhuset 34 er vanligvis evakuert slik at massen/reflektoren 26 hovedsakelig vil være i fritt fall uhindret av friksjon når den slippes av mekanismen (ikke vist). Selv om beskrivelsen av masse/reflektor-kombinasjonen 26 her for letthets skyld blir referert til som en "reflektor", skal det klart forstås at enhver kombinasjon av optiske elementer koplet til massen som resulterer i en endring av lengden til den optiske bane gjennom sensoren 10 når massen beveges, kan brukes i andre utførelsesformer av oppfinnelsen. Oppfinnelsen er følgelig ikke begrenset bare til utførelsesformer som kopler reflektorer til massen, men kan alternativt innbefatte prismer, linser eller eventuelle lignende optiske elementer som gjør det mulig for lys som kommer inn i sensoren å gjennomtrenge en vei som blir påvirket med hensyn til total lengde, av massens posisjon.

Når massen/reflektoren 26 slippes, avtar lengden av lysveien inne i sensoren 10 mellom massen/reflektoren 26 og et optisk mål 30. Det optiske mål 30 og massen/reflektoren 26 kan i tillegg innbefatte en utforming av optiske elementer innrettet for å motta lys fra en kilde, slik som en laser 14, og tilveiebringe en utgang som innbefatter en optisk vei som omslutter avstanden mellom massen/reflektoren 26 og det optiske mål 30. Sensoren 10 som er vist på fig. 1, som innbefatter en lysvei med avtakende lengde når massen/reflektoren 26 blir sluppet, vil for letthets skyld bli referert til som en sensor av "type A". Optiske elementer på massen/reflektoren 26 innbefatter fortrinnsvis optiske anordninger (ikke vist separat) som får lys til å krysse veien mellom målet 30 og massen/reflektoren 26 et antall ganger, slik at en liten bevegelse av massen/reflektoren 26 forårsaker en meget større total endring i lengden av lysbanen gjennom sensoren 10.

Som vist på fig. 1 kan en lysutgang fra den første sensor 10 (av type A) være direkte eller reflekterende koplet, som vist ved 36, til en lysinngang på en annen sensor 12. Den annen sensor 12 kan være innesluttet i det samme hus 34 eller i et annet hus enn den første sensor 10. I begge tilfeller bør huset for den annen sensor 12 også være evakuert for å muliggjøre hovedsakelig friksjonsfritt fall av en masse i dette. Den annen sensor 12 innbefatter et optisk mål 32 som kan være reflekterende som i den første sensor 10. Den annen sensor 12 innbefatter en masse koplet til en reflektor, vist generelt ved 28, som kan ha samme utforming som masse/reflektor-kombinasjonen 26 som er anordnet i den første sensor 10. Den annen sensor 12 er imidlertid utformet slik at når dens masse/reflektor 28 blir sluppet, øker lengden av lysveien gjennom den annen sensor 12, noe som er motsatt retning eller fortegn i forhold til endringen i den optiske veilengden for den første sensor 10.1 den følgende beskrivelse blir en sensor som har en lysbane med økende lengde ved fall av reflektoren/massen, slik som den annen sensor 12, referert til som en sensor av "type B". Enda mer generelt talt, har hver av de to sensortypene, type A og type B, en lysveilengde som endres med motsatt fortegn eller motsatt retning i forhold til den annen type sensor som reaksjon på at massen faller.

Akkurat som i tilfellet med massen/reflektoren 26 i den første sensor 10, kan massen/reflektoren 28 i den annen sensor 12 i forskjellige utførelsesformer innbefatte en kombinasjon av optiske elementer innrettet for å endre lengden av lysveien gjennom sensoren 12 når massen blir sluppet. Selv om de optiske elementer er reflektorer i denne utførelsesformen, skal det forstås at enhver kombinasjon av optiske elementer som resulterer i den valgte endring av lengden av lysveien, kan brukes i andre utførelsesformer av en sensor i henhold til oppfinnelsen.

I utførelsesformen som er vist på fig. 1 innbefatter derfor en fullstendig lysvei fra kilden 18 til detektoren 16 både den første 10 og den annen 12 sensor koplet i optisk serie.

En optisk utgang fra den annen sensor 12 er i denne utførelsesformen koplet til en strålesplitter 22. Strålesplitteren 22 separerer utgangen fra den annen sensor 12 slik at den forplanter seg forholdsvis direkte langs en vei, slik som over den fiberoptiske linje 20 til et interferometer 24 koplet til en optisk detektor 16. Detektoren 16 kan være en fotodiode eller lignende koplet til en prosessor (ikke vist) innrettet for å omforme utgangen fra detektoren 16 til signaler som kan behandles for å frembringe målinger av jordens gravitasjon og gravitasjonsdifferansen ved sensorene 10,12. Den annen vei fra strålesplitteren 22 passerer gjennom en optisk forsinkelseslinje 18. Den optiske forsinkelseslinje 18 tilveiebringer en tidsforsinkelse av forutbestemt størrelse mellom den direkte stråle over den fiberoptiske linje 20 og utgangen fra forsinkelseslinjen 18. Utgangen fra forsinkelses-linjen 18 blir rekombinert med den direkte stråle med interferometeret 24. Detektoren 16 kan generere et signal som svarer til amplituden av det lys som mottas fra interferometeret 24. I noen utførelsesformer kan forsinkelseslinjen 18 være en fiberoptisk linje som har en forhåndsvalgt lengde. I noen utførelsesformer kan forsinkelseslinjen 18 ha en lengde på flere kilometer for å tilveiebringe en brukbar størrelse på tidsforsinkelsen. I spesielle utførelsesformer blir lengden av forsinkelseslinjen 18 valgt slik at størrelsen av tidsforsinkelsen høyst er lik, og helst mindre enn den forventede falltid for enten massen/reflektoren 26 fra sensoren av type A og/eller den forventede falltid for massen/reflektoren 28 i sensoren av type B.

Det skal forstås at den spesielle kombinerte sensorkonstruksjon for en gravitasjons-/differensiell gravitasjons-sensor, slik som vist på fig. 1, i et enkelt hus, ikke er ment å begrense omfanget av oppfinnelsen. En enkelt sensor utformet slik som den første sensor 10 (en sensor av type A) kan være direkte optisk koplet mellom lyskilden 14 og strålesplitteren 22 for å frembringe målinger som svarer til tyngdeakselerasjon ved posisjonen til denne sensoren. En sensor slik som den annen sensor 12 (en sensor av type B) kan likeledes være direkte optisk koplet mellom kilden 14 og strålesplitteren 22 for å frembringe målinger som svarer til tyngdeakselerasjon ved posisjonen til sensoren 12. Det er også innenfor oppfinnelsens ramme at individuelle sensorer av type A og type B, som er anordnet i separate hus, kan kombineres i optisk serie mellom en lyskilde og en fotodetektor som vist på fig. 1, slik at gravitasjonsdifferansemålinger kan utføres mellom de enkelte sensorer av type A og type B.

Kombinasjonen av den første sensor 10 og den annen sensor 12 som er i optisk serie, som vist på fig. 1, gir mulighet til, som forklart tidligere, å fremskaffe en direkte måling av gravitasjonsdifferansen mellom posisjonene til den første 10 og den annen 12 sensor. Alt som er nødvendig for å foreta slike gravitasjonsdifferansemålinger, som vil bli forklart mer detaljert nedenfor, er å ha masse/reflektor-kombinasjoner for både den første 10 og den annen 12 sensor som faller i løpet av minst ett sammenfallende tidsintervall. Under drift av utførelsesformen som er vist på fig. 1, blir de kombinerte sensorer 10, 12 initialisert slik at reflektorene 26, 28 er i sine øverste posisjoner. For sensoren 10 av type A er dette nær toppen av huset 34. For sensoren 12 av type B er dette nær det optiske mål 32. For å ta en måling av gravitasjonen ved sensor 10 av type A blir den første masse/reflektor 26 sluppet, og frekvensen til et interferensmønster generert i interferometeret 24, blir bestemt. En måling av gravitasjonen ved sensoren 12 av type B kan likeledes tas ved å slippe den annen masse/reflektor 28 og bestemme frekvensen til inter-ferensmønsteret. For å ta en måling av gravitasjonsdifferensen mellom sensoren 10 av type A og sensoren 12 av type B, må varigheten av fallet til den første masse/reflektor 26 bare delvis overlappe varigheten av fallet til den annen masse/reflektor 28. I løpet av det første overlappingsintervall (tidsintervallet med sammenfallende bevegelse) blir differansen i gravitasjon mellom sensoren 10 av type A og sensoren 12 av type B bestemt ved å bestemme frekvensen til inter-ferensmønsteret.

En utspilt skisse av en utførelsesform i henhold til oppfinnelsen er vist ved 10 på fig. 1A. Sensoren 10 innbefatter et vakuumkammer 100A, 100B innrettet til å omslutte sensorens aktive elementer, selvsagt innbefattende den frittfallende masse/reflektor-enhet 28. Massen/reflektoren 28 er anbrakt inne i en ramme 106 som i denne utførelsesformen innbefatter permanente magneter 102 på hver side av denne. Magnetene 102 induserer et magnetfelt som kan være perpendikulært til bevegelsen av massen/reflektoren 28. En feltspole 104 er anordnet ved bunnen av rammen 106. Feltspolen 104 er orientert slik at energisering av spolen 104 frembringer et transversalt magnetfelt. Det transversale magnetfelt løfter en elevator 108 anordnet under massen/reflektoren 28. Når elevatoren når toppen av rammen 104, kan en liten elektromagnet 110 energiseres for å holde massen/ reflektoren 28 på plass ved toppen av rammen 104. Slipping av massen/reflektoren kan utføres ved å deenergisere elektromagneten 110.

Utførelsesformen av sensoren som er vist på fig. 1 A, er bare ett eksempel på en sensor som innbefatter en mekanisme for selektivt å slippe en masse som er utstyrt med optiske elementer. For formålene med oppfinnelsen vil enhver mekanisme som selektivt kan slippe eller løfte og slippe en masse som har optiske elementer påmontert, utføre den nødvendige masseslippfunksjon i en gravitasjonssensor i henhold til oppfinnelsen. Andre typer "masseskyvings"- og fall-anordninger er kjent på området. Se f.eks. US-patent nr. 5.351.122 utstedt til Niebauer m. fl. For formålene med foreliggende oppfinnelse er det bare nødvendig at kombinasjonen av massen og dens optiske elementer er innrettet for fritt fall over et valgt tidsintervall. Dette kan innbefatte å slippe eller kaste og slippe fra en innledende posisjon.

Ett eksempel på tidsmåling av slipp av massene og resulterende målinger, er illustrert grafisk på fig. 4. Et tidsintervall 54 fra frigjøring 50 av den første masse/reflektor (26 på fig. 1) til den nærmeste ende av dens fall, vist ved 52, blir valgt for delvis å overlappe, vist ved intervall 64, et tidsintervall 60 som strekker seg fra slippet 56 av den annen masse/reflektor (28 på fig. 1) til omtrent slutten av dens fall 58.1 løpet av tidsintervallet 62 hvor den første reflektor faller og den annen reflektor er stasjonær, svarer utgangen fra detektoren (16 på fig. 1) til gravitasjonen ved den første sensor (10 på fig. 1). Under det overlappende intervall 64 svarer utgangen fra detektoren (16 på fig. 1) til differansen i gravitasjon mellom den første (10 på fig. 1) og den annen (12 på fig. 1) sensor. Etter at den første masse/reflektor (26 på fig. 1) har avsluttet sin bevegelse, men mens den annen masse/reflektor (28 på fig. 1) fremdeles er i fall, svarer så utgangen fra detektoren (16 på fig. 1) til gravitasjon ved den annen sensor (12 på fig. 1). Det skal klart forstås at masse/reflektor-falltidsbestemmelsen som er vist på fig. 4, bare er ett eksempel på masse/reflektor-falltidsbestemmelsen som kan benyttes i forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen, og at en slik tidsbestemmelse ikke er ment å begrense oppfinnelsens totale rekkevidde.

Utførelsesformer av en gravitasjons-/differensiell gravitasjons-sensor i kan fortrinnsvis innbefatte et antall sensorer av type A og type B kombinert i optisk serie langs en lysvei fra en kilde 14 til en detektor 16, slik at gravitasjons- og gravitasjonsdifferanse-målinger kan tas ved et antall forskjellige posisjoner under bruk av bare ett instrument med utstrakt lengde. Som vist på fig. 5, kan f.eks. en lyskilde 14 være optisk koplet, slik som ved hjelp av en optisk fiber, til en inngang på en første sensor av type A, vist ved A1 (eller en sensor av type B, den nøyaktige rekkefølge er ikke viktig for formålene med oppfinnelsen). Utgangen av den første sensor A1 av type A kan være koplet til en inngang på en første sensor av type B, vist ved B1. Gravitasjonsdifferansemålinger kan tas mellom posisjonene til sensorene A1 og B2 ved å frembringe overlappende falltid mellom deres masser/reflektorer, som forklart ovenfor. Som vist på fig. 5 kan utgangen fra sensor B1 være optisk koplet til inngangen på en annen sensor A2 av type A. Gravitasjonsdifferansemålinger mellom sensorene B1 og A2 kan tas ved å frembringe overlappende masse/reflektor-falltid mellom sensorene A2 og B1.

En slik rekke med sammenkoplede, vekslende sensorer av type A og B kan fortsette i ethvert valgt instrument til et valgt antall, n, av slike sensorer som er koplet i optisk serie mellom kilden 14 og detektoren 16. De n sensorer i rekken er indikert ved An og Bn på fig. 5. Et instrument laget i henhold til utførelses-eksempelet som er vist på fig. 5, kan med fordel ta et antall adskilte gravitasjons-/gravitasjonsdifferansemålinger ved å bruke bare en enkelt optisk totalbane mellom kilden 14 og detektoren 16.

Et eksempel på et system som får de respektive sensorer til å falle ved valgte tidspunkter, kan være en enkelt fallstyreenhet 210 som er operativt koplet til hver sensor. Alternativt kan hver sensor være koplet til en kilde for et igangsettingssignal, slik som en spenningspuls, og hver kan være under styring av en individuell sensorstyreenhet (ikke vist) innrettet for å frigjøre den tilhørende masse/reflektor ved en forutbestemt tidsforsinkelse etter deteksjon av igangsettingspulsen.

Et eksempel på masse/reflektor-falltidsbestemmelse som vil gi gravitasjonsmålinger ved hver av sensorene i arrangementet på fig. 5, er vist skjematisk på fig. 5A. Den første av sensorene (A1 på fig. 5) i den optiske serien blir aktivert til å slippe sin masse/reflektor ved en innledningstid TO. Det tidsintervall under hvilket massen/reflektoren faller, er vist ved lengden langs tidsaksen til strek A1 på fig. 5A. Dette tidsintervallet vil være avhengig av gravitasjonen, men kan anslås rimelig nøyaktig. Slippet av massen/reflektoren kan f.eks. i utførelsesformen på fig. 1A, innbefatte frigjøring av elektromagneten (110 på fig. 1A). Slippstyreenheten (210 på fig. 5) i instrumentet kan være programmert for sekvensielt å frigjøre massene i hver av de seriekoplede sensorer B1, A2, B2 osv. etter tilsvarende valgte forsinkelsestider AT1, AT2, AT3, osv. Alternativt kan hver sensor A1, B1, A2, B2 An, Bn, innbefatte en programmerer eller styreenhet (ikke vist) som deenergiserer den tilhørende elektromagnet etter en valgt tidsforsinkelse etter en initialiseringshendelse, slik som en klokkepuls generert ved TO. I den gravitasjonsmålende tidssekvens på fig. 5A blir hver masse/reflektor sluppet, slik at det er hovedsakelig ingen tid med sammenhengende bevegelse mellom en hvilken som helst to av masse/reflektor-kombinasjonene. I dette tilfellet svarer det interferensmønsteret som genereres i interferometeret (24 på fig. 1) til gravitasjonen ved posisjonen til den masse som er i bevegelse ved ethvert tidspunkt.

Masse/reflektor-slipptiden kan alternativt være anordnet som vist f.eks. på fig. 5B, for å muliggjøre gravitasjonsdifferansemåling mellom tilstøtende sensorpar. På fig. 5B blir den første masse/reflektor sluppet ved TO. Massen/reflektoren i den neste sensor B1 blir sluppet etter en tidsforsinkelse AT4, valgt slik at massen i den første sensor A1 fremdeles er i bevegelse. Fordi sensoren B1 har motsatt fortegnsendring av lyslengdebanen i forhold til lengdeendringen til sensoren A1, representerer, under et tidssammenfallende massebevegelsesintervall AT7, utgangen fra interferometeret differanse i gravitasjon mellom sensor A1 og sensor B1. Etterat massen i sensor A1 har sluttet å bevege seg, men før massen i sensor B2 har sluttet å bevege seg, vist på fig. 5B som etter tidsforsinkelsen AT5, blir massen i den neste sensor A2 sluppet. Sensor A2 haren lengdeendring med motsatt fortegn i forhold til sensor B1. Under det tidssammenfallende bevegelsesintervall som er indikert ved AT8, representerer utgangen fra interferometeret differansen i gravitasjon mellom sensor B1 og A2. Sekvensen blir gjentatt for sensorene A2 og B2 som vist ved tidsforsinkelsen AT6 og det tidssammenfallende bevegelsesintervall AT9. Denne typen tidssekvens kan gjentas for alle sensorene opptil An, Bn i ethvert spesielt brønnloggingsinstrument.

Et eksempel på et brønnloggingsinstrument som innbefatter et antall kombinasjoner av sensorer av type A og type B er vist på fig. 2. Instrumentet i dette eksempelet innbefatter et antall kombinasjoner av sensorer av type A og B 42, 44, 46 posisjonert inne i et instrumenthus 40 ved aksialt adskilte posisjoner. Et eksempel på avstanden mellom sensorene 42, 44, 46 er en meter, men avstanden mellom sensorene 42, 44, 46 er ikke ment å begrense omfanget av oppfinnelsen. Instrumenthuset 40 kan være innrettet for å bli senket ned i et brønnhull (ikke vist på fig. 2) ved enden av en armert elektrisk kabel, ved enden av et borerør eller et oppkveilingsrør, eller ved en hvilken som helst annen transporttype som er kjent på området for å bevege instrumenter gjennom brønnhull. Sensorene 42, 44, 46 i denne utførelsesformen er sensorkombinasjoner av type A og type B, slik som vist på fig. 1, men det skal bemerkes at individuelle sensorer av type A og type B også kan være posisjonert slik som vist på fig. 2.

En mer detaljert skisse av en del av en instrumentramme på hvilken sensorene 42, 44, 46 er montert, er vist ved 48 på fig. 3. Rammen 48 er anbrakt inne i instrumenthuset (40 på fig. 2). Den del av rammen 48 som er vist på fig. 3, innbefatter en av sensorkombinasjonene 42 av type A og type B. Under bruk i et brønnloggingsinstrument er det ønskelig å montere sensorene 42 (og 44, 46 på fig. 2) inne i et bevegelig rammeverk, slik som i et kardangoppheng som gjør at sensorene er orientert vertikalt selv når instrumenthuset (40 på fig. 2) ikke er orientert vertikalt. Slike bevegelige rammeverk er velkjente på området. Se f.eks. US-patent nr. 5.970.787 utstedt til Wignall. Noen bevegelige rammeverk muliggjør bare orientering langs to av tre ortogonale akser. For å muliggjøre vertikal orientering av hver sensor uansett den rotasjonsmessige orientering av instrumenthuset i et borehull, innbefatter den utførelsesform som er vist på fig. 3, en motor 50 innrettet for å rotere rammen 48 omkring dens akse inne i huset (40 på fig. 2), slik at det bevegelige rammeverk som omslutter hver sensor 42, kan roteres til en hoved-sakelig vertikal orientering. Riktig rotasjonsmessig orientering kan f.eks. bestemmes ved hjelp av gravitasjonsmålinger tatt fra en sensor innrettet for å bestemme retningen av jordens gravitasjon, slik som et treakset akselerometer 52 av en type som er velkjent på området. Slike treakse-akselerometre blirf.eks.brukt i instrumenter for retningsboring. Treakse-akselerometrene 52 tilveiebringer målinger som til slutt indikerer den tilnærmede retning av jordens gravitasjonsvektor i forhold til instrumentet. Rullemotoren 50 dreier rammen 48 som reaksjon på gravitasjonsvektor-bestemmelsen, inntil rammen 48 er orientert slik i forhold til gravitasjonen at sensorene 42 (og 44, 46 på fig. 2) er hovedsakelig vertikalt orientert.

Når riktig orientert med treakse-akselerometre, kan f.eks. helningsmålere (ikke vist) brukes til ytterligere å posisjonere hver sensor vertikalt. Når de er vertikalt orientert, kan sensorene 42 (og 44, 46 på fig. 2) opereres for å ta gravitasjons- og gravitasjonsdifferansemålinger.

Treakse-akselerometeret 52 kan også tilveiebringe målinger som indikerer helningen til instrumenthuset (40 på fig. 2) fra vertikalen. Som fagkyndige på området vil forstå, er den virkelige differanse i vertikal posisjon mellom enhver av sensorene i loggeinstrumentet relatert både til den aksiale avstand mellom dem og instrumenthelningen fra vertikalen. Gravitasjonsdifferansemålinger tatt mellom enhver av to sensorer er i mange tilfeller korrelert med den virkelige vertikale avstand mellom sensorene.

Et eksempel for bruk i et brønnloggingsinstrument slik som det som er beskrevet under henvisning til fig. 2 og 3, er vist på fig. 6. På fig. 6 er et gravitasjons/ gravitasjonsdifferanse-brønnloggingsinstrument 66 senket ned i et borehull 76 som er boret gjennom grunnformasjoner 68. Instrumentet 66 er festet til en ende av en armert elektrisk kabel 64 som blir spolet opp på og spolet av fra en vinsj 62 eller en annen transportanordning som kjent på området. Elektrisk kraft til instrumentet 66 og signalregistrerings- og dekodings-utstyr er vanligvis anordnet i en registreringsenhet 60 på overflaten. Borehullet 76 på fig. 6 er vist å gjennomtrenge et reservoar som innbefatter (i dette eksempelet) en vann/gass-kontakt 70 som generelt befinner seg mellom en hydrokarbonførende sone 72 og en vann-førende sone 74. Instrumentet 66 kan senkes ned til en dybde i borehullet slik at det krysser den forventede posisjonen til kontakten 70 mellom den hydrokarbonførende sone 72 og den vannførende sone 74. Instrumentet 66 blir så aktivert slik at i det minste gravitasjonsdifferansemålinger blir tatt langs lengden av instrumentet 66. En registrering kan gjøres i registreringsenheten 60 av gravitasjonsdifferansen med hensyn til dybde i borehullet 76. Gravitasjonsdifferansen vil endre seg brått ved posisjonen til hydrokarbon/vann-kontakten 70, fordi, som kjent på området, gravitasjonsdifferansen svarer til densiteten av formasjonene mellom sensorene på instrumentet. Generelt er det en endring i densitet over kontakten 70. Dybdeposisjonen til kontakten 70 kan noteres, og på et senere tidspunkt kan prosessen med å måle gravitasjonsdifferansen gjentas for å bestemme bevegelse av kontakten 70 etterhvert som hydrokarboner blir fjernet fra den hydrokarbonførende sone 72. Fagkyndige på området vil lett forstå at kontakten 70 også kan være en gass/olje-kontakt, eller en olje/vann-kontakt. Gjentatt måling av gravitasjonsdifferansen ved valgte tidspunkter gjør det mulig å bestemme om en slik kontakt har beveget seg i den mellomliggende tid.

I det tilfelle at et spesielt borehull innbefatter mer enn én kontakt, kan instrumentet beveges langs borehullet til den forventede dybde av en slik kontakt, og måleprosessen kan gjentas.

Noen reservoarer blir som kjent på området tømt ved hjelp av et antall borehull, eller kan innbefatte noen borehull som er boret gjennom reservoarene med det formål å gjøre det mulig for overvåkningsinstrumenter å krysse reservoaret. Det instrumentet som er vist på fig. 6, kan i disse tilfellene være innsatt i et antall borehull, innbefattende produksjonsborehull og overvåkningsborehull. De avstandsmessige fordelinger av eventuelle gass/olje- eller hydrokarbon/vann-kontakter kan så bestemmes ved å bestemme dybdene av slike kontakter i hver av de brønner hvor kontaktdybdene blir bestemt.

Selv om det instrumentet som er vist på fig. 2, 5 og 6 er beskrevet som transportert inn og ut av et borehull ved hjelp av en armert elektrisk kabel, skal det klart forstås at andre utførelsesformer av et gravitsjons/gravitasjonsdifferanse-instrument kan være innrettet for å bli transportert ved hjelp av andre midler som er kjent på området, slik som borerør, oppkveilingsrør, systemer for måling under boring og lignende. Andre utførelsesformer kan være montert permanent i et borehull, slik som i spesielle hus eller moduler koplet til brønnforingen. Andre utførelsesformer kan innbefatte sensorer i henhold til oppfinnelsen som er permanent anordnet i hver av et antall borehull som er avstandsmessig fordelt innenfor et reservoar, slik at eventuell bevegelse av gass/vann-kontakten, olje/vann-kontakten eller gass/olje-kontakten kan overvåkes hyppig uten at det er nødvendig å avbryte hydrokarbonproduksjonen. Instrumenter fremstilt i henhold til utførelsesformen på fig. 5 krever f.eks. fortrinnsvis og hovedsakelig bare én optisk vei mellom lyskilden og fotodetektoren for å ta en gruppe med gravitasjons- og gravitasjonsdifferansemålinger. Et slikt arrangement forenkler i stor grad utformingen av utstyr som brukes til å overvåke reservoarer.

Utførelsesformer av et gravitasjons/gravitasjonsdifferanse-instrument i henhold til forskjellige utførelsesformer kan også ha lyskilden og/eller fotodetektoren anordnet på jordens overflate istedenfor i et borehull. Som kjent på området blir fotoelektronikk fortrinnsvis holdt borte fra omgivelser med høye temperaturer. Utførelsesformer av et instrument i henhold til oppfinnelsen som innbefatter en lyskilde og en fototdetektor på jordens overflate, kan være mindre utsatt for feil enn andre utforminger som anordner kilden og detektoren i selve instrumenthuset. Det er kjent brønnloggingskabler på området som innbefatter optiske fibre for overføring av lys fra jordoverflaten til et brønnloggingsinstrument og tilbake. Se f.eks. US-patent nr. 5.495.547 utstedt til Rafie m. fl.

Claims (12)

1. Differensiell gravitasjonssensor, karakterisert ved: en første masse innrettet for fritt fall når den frigjøres selektivt, idet massen er utstyrt med optiske elementer innrettet for å endre en lengde av en optisk vei gjennom sensoren som reaksjon på bevegelse av massen; en strålesplitter operativt koplet til en utgang for den optiske vei som krysses av sensoren, idet en utgang fra splitteren er koplet hovedsakelig direkte optisk til et interferometer, og en annen utgang fra splitteren er koplet til interferometeret gjennom en optisk forsinkelseslinje; og videre omfattende en annen masse innrettet for fritt fall når den frigjøres selektivt, idet den annen masse er utstyrt med optiske elementer koplet optisk i serie med de optiske elementene på den første masse, slik at de optiske elementer på den annen masse er innrettet for å endre en lengde av den optiske vei gjennom sensoren som reaksjon på bevegelse av den annen masse i en retning motsatt av endringen i lengde som bevirkes ved bevegelse av den første masse.

2. Sensor ifølge krav 1, hvor de optiske elementer på den første masse omfatter reflektorer.

3. Sensor ifølge krav 1, hvor bevegelsen av den første masse resulterer i en minskning av lengden til den optiske vei.

4. Sensor ifølge krav 1, hvor bevegelsen av den første masse resulterer i en økning av lengden til den optiske vei.

5. Sensor ifølge krav 1, hvor de optiske elementer på den annen masse omfatter reflektorer.

6. Sensor ifølge krav 1, videre omfattende en slippstyreenhet for å slippe den første masse ved et første valgt tidspunkt, idet slippstyreenheten er innrettet for å slippe den annen masse ved et annet tidspunkt valgt for å muliggjøre i det minste en viss tidssammenfallende bevegelse av den første masse og den annen masse.

7. Fremgangsmåte for måling av gravitasjon, karakterisert ved: å belyse optiske elementer på en første masse innrettet for fritt fall når den frigjøres, idet de optiske elementer er innrettet for å endre en lengde for en optisk vei som reaksjon på bevegelse av den første masse; å slippe den første masse ved et valgt tidspunkt; å splitte lys som forplanter seg bort fra de optiske elementer på den første masse; å føre en utgang fra splittingen hovedsakelig direkte til en inngang på et interferometer; å føre en annen utgang fra splittingen til interferometeret gjennom en valgt tidsforsinkelse; og å bestemme en frekvens for et interferensmønster i interferometeret, idet frekvensen er relatert til gravitasjon; og videre omfattende: å dirigere, forut for splittingen, det lys som forlater de optiske elementer på den første masse til optiske elementer på en annen masse, hvor den annen masse er innrettet for fritt fall når den frigjøres selektivt, idet de optiske elementer på den annen masse er innrettet for å endre lengden av en optisk vei som reaksjon på bevegelse av den annen masse, der lengdeendringen som reaksjon på bevegelse av den annen masse har motsatt fortegn i forhold til lengdeendringen som reaksjon på bevegelse av den første masse; selektivt å slippe den annen masse, idet den selektive slipping av den annen masse er tidsstyrt for å muliggjøre i det minste delvis tidssammenfallende bevegelse av den første masse og den annen masse; og å bestemme en frekvens for et interferensmønster i interferometeret under den tidssammenfallende bevegelse av den første og den annen masse, idet interferensmønster-frekvensen for den tidssammenfallende bevegelse er relatert til en differanse i gravitasjon mellom den første masse og den annen masse.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor fallet til den første masse forårsaker en minskning i lengden til den optiske vei.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor fallet til den første masse forårsaker en økning i lengden til den optiske vei.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, videre omfattende: forut for splittingen, å dirigere lys som forlater de optiske elementer på den annen masse til optiske elementer på hver av et antall masser som hver er innrettet for fritt fall når de selektivt frigjøres, idet de optiske elementer på hver av antallet masser er koplet optisk i serie og innrettet for å endre lengden av den optiske vei som reaksjon på fallet til hver av antallet med masser, hvor endringen i lengde som forårsakes av hver av antallet med masser har et fortegn motsatt endringen i lengde for en tidligere masse blant antallet masser i den optiske seriekopling; selektivt å slippe hver av antallet med masser, idet den selektive slipping er tidsstyrt for å frembringe i det minste delvis tidssammenfallende bevegelse av to tilstøtende seriekoplede masser blant antallet med masser; og å bestemme en frekvens for et interferensmønster i interferometeret som reaksjon på den tidssammenfallende bevegelse av to tilstøtende seriekoplede masser blant antallet masser, idet denne frekvensen svarer til en differanse i gravitasjon mellom de to tilstøtende seriekoplede masser blant antallet masser.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, videre omfattende å gjenta den selektive slipping slik at hvert par med tilstøtende seriekoplede masser blir sluppet slik at de har i det minste delvis tidssammenfallende bevegelse, og å gjenta bestemmelsen av frekvensen for hver gjentakelse av den selektive slipping, for derved å bestemme gravitasjonsdifferanse mellom hvert par med tilstøtende seriekoplede masser.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 7, videre omfattende å få lys til å krysse en vei mellom den første masse og et optisk mål et antall ganger i optisk serie, slik at endringen i lengde av den optiske vei er en multippel av en endring i avstand mellom den første masse og det optiske mål.