NO882359L

NO882359L - Fremgangsmaate og apparat til maaling av azimut under boring

Info

Publication number: NO882359L
Application number: NO882359A
Authority: NO
Inventors: Martin E Cobern; Richard D Dipersio; Edmund M Hamlin
Original assignee: Teleco Oilfield Services Inc
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1988-11-28
Also published as: FR2615900A1; NO882359D0; GB2205954B; GB2205954A; CA1295125C; US4894923A; NL8801346A; GB8812469D0

Description

Oppfinnelsen angår feltet borehullmåling. Mer spesielt angår oppfinnelsen måling under boring (MWD) og en fremgangsmåte til måling av azimutparameteren mens borestrengen roterer.

I MWD-systemer tas vanligvis visse borehullparameter-avlesninger eller -målinger bare når borestrengen ikke roterer. US-PS 4 013 945 viser og påstår apparatur til deteksjon av fravær av rotasjon og igangsettelse av parametersensorer til bestemmelse av azimut og helning når fravær av rotasjon registreres. Mens det har vært gitt flere grunner for å ta forskjellige MWD-målinger bare i fravær av borestrengrotasjon, er en hovedgrunn til å gjøre dette for borets azimut og helningsvinkler at tidligere metoder til måling eller bestemmelse av disse vinkler krever at verktøyet skal være stasjonært for å oppnå nullpunktene til énakseinnretninger eller for å skaffe midlingen som er nødvendig når treaksige magnetometre og akselerometre benyttes til bestemmelse av azimut og helning. Det vil si at når treaksige magnetometre og akselerometre benyttes, er de enkelte feltmålinger nød-vendige til bestemmelse av azimut og helning uavhengig av den momentane verktøyeggvinkel når målingene tas. Dette fordi at under rotasjon varierer x- og y-akse-magnetometer-

og akselerometeravlesningene kontinuerlig, og bare z-akse-avlesningen er konstant. Med henvisning til x-, y- og z-aksen er koordinatsystemet borehullet (og måleverktøyet), med z-aksen langs borehullaksen (og verktøyet), og med x- og y-aksene gjensidig perpendikulære til z-aksen og hverandre. Dette koordinatsystem må skjelnes fra jordkoordinatsystemet med øst (E), nord (N) (eller horisontalen) og vertikalen

(D) (eller ned).

Det gis imidlertid omstendigheter hvor det er særlig ønskelig

å være i stand til å måle azimut og helning mens borestrengen roterer. Dette krav har ført til den foreliggende oppfinnelse av en fremgangsmåte til måling av azimut og helning under boring. Eksempler på slike omstendigheter omfatter (a) brønner hvor boringen er spesielt vanskelig og ethvert avbrudd i rotasjon vil øke problemene med skjæring av borestrengen og (b) situasjoner hvor kjennskap til den momentane gang av borkronen erønskelig for å kjenne og predikere samtids-veien for borehullet. Et system er tidligere blitt foreslått og benyttet for å finne helningen mens borestrengen roterer. Den foreliggende oppfinnelse gjør det også mulig å finne azimut under rotasjon.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse skaffes det en metode til bestemmelse av azimut for et borehull under boring og ved bruk av instrumenter i borestrengen nede i brønnhullet omfattende følgende trinn: 1) å detektere med en akselerometeranordning komponentene Gx, Gy og Gz av det samlede gravitasjonsfelt Go ved

stedet for instrumentet mens borestrengen roterer,

2) å detektere med en magnetometeranordning komponentene Hx, Hy og Hz av det samlede magnetfelt Ho ved stedet

for instrumentet mens borestrengen roterer,

3) idet komponentene Gz og Hz ligger langs borestrengens akse, og komponentene Gx og Gy er ortogonale til Gz, og

komponentene Hx og Hz er ortogonale til Hz,

4) å bestemme fra et forhåndsbestemt sett av målinger av Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz de invariante størrelser

(a) Hx Gy - Hy Gx

(b) Gx<2>+ Gy<2>

(c) Hx Gx + Hy Gy

(d) Gz

(e) Hz

5) å bestemme azimut A fra relasjonen

En utførelse av oppfinnelsen skal nå beskrives som eksempel og med henvisning til den ledsagende tegning.

Fig. 1 viser et blokkdiagram av et kjent CDS-system.

Fig. 2A og 2B viser relasjonen mellom de forskjellige ret-ninger og vinkler som er involvert. Fig. 3 viser et blokkdiagram av en annen utførelse av oppfinnelsen.

Fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse

er ment å skulle implementeres i forbindelse med normal kommersiell drift av et kjent MWD-system og apparat fra Teleco Oilfield Services Inc., og som har vært i kommersiell drift i en rekke år. Det kjente system tilbys av Teleco som dets CDS (Computerized Directional System) for MWD-måling,

og systemet omfatter bl.a. et treaksig magnetometer, et treaksig akselerometer, elektronikk for kontroll, deteksjon og prosessering, og et slampulstelemetriapparat, samtlige plassert nede i brønnhullet i et roterbart vektrørsegment av borestrengen. Det kjente apparat er i stand til å detektere komponentene Gx, Gy og Gz av det samlede gravitasjonsfelt Go, komponentene Hx, Hy og Hz av det samlede magnetfelt Ho, og bestemme verktøyets eggvinkel og inklinasjon (vinkelen mellom horisontalen og retningen av magnetfeltet). Prosesser-ingsapparaturen nede i brønnhullet i det kjente system bestemmer azimut (A) og helningsvinkel (I) på en kjent måte fra de forskjellige parametrer. Se f.eks. artikkelen "Hand-held Calculator Assists in Directional Drilling Control" av J. L. Marsh, Petroleum Engineer International, juli & september 1982.

På fig. 1 er det vist et blokkdiagram av Telecos kjente CDS-system. Dette CDS-system er plassert nede i borehullet

i borestrengen i et vektrør nær borkronen. Dette CDS-system omfatter et treaksig akselerometer 10 og et treaksig magnetometer 12. z-aksen til henholdsvis akselerometeret og magnetometeret ligger på borestrengens akse. For kort og generelt å beskrive operasjonen av systemet detekterer akselerometeret 10 Gx-, Gy- og Gz-komponentene av gravitasjonsfeltet Go nede i brønnhullet og leverer analogsignaler svarende til

disse til en multiplekser 14. På tilsvarende måte detekterer magnetometeret 12 Hx-, Hy- og Hz-komponentene av magnetfeltet nede i brønnhullet. En temperatursensor 16 detekterer temperaturen til akselerometeret og magnetometeret nede i brønn-hullet og leverer et temperaturkompenserende signal til multiplekseren 14. Systemet har også en programmert mikro-prosessorenhet 18, systemklokker 20 og en periferigrense-snittadapter (PIA) 22. Samtlige data for kontroll, beregnings-programmer og sensorkalibrering lagres i EPROM-hukommelsen 23.

Under styring av mikroprosessoren 18 multiplekses analog-signalene til multiplekseren 14 til analog/digital-omformeren 24. De leverte digitaldataord fra A/D-omformeren 24 føres deretter via periferigrensesnittadapteren (PIA) 22 til mikroprosessoren hvor de lagres i en random-aksesshukommelse (RAM) 26 for beregningsoperasjonene. En aritmetisk prosessor-enhet (APU) 28 skaffer off-line høyytelses-aritmetikk og en rekke trigonometrioperasjoner til å bedre kraften og hastig-heten av databehandlingen. De digitale data for henholdsvis Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz midles i den aritmetiske prosessor-enhet 28 og dataene benyttes til å beregne azimuter og helningsvinkler i mikroprosessoren 18. Disse vinkeldata blir deretter levert via forsinkelseskretsen 30 for å drive en strømdriver 32 som i sin tur opererer en slampulssender 34, som f.eks. beskrevet i US-PS 4 013 945.

I kjent normal drift av CDS-systemet has akselerometer- og magnetometer-avlesningene under perioder hvor borestrengen ikke roterer. Så mange som 2000 sampler av henholdsvis Gx,

Gy, Gz, Hx, Hy og Hz tas for en enkelt avlesning, og disse samplene midles i APU 26 for å skaffe gjennomsnittsavlesninger for hver komponent. En prosedyre har også tidligere vært implementert for å bestemme helningen (I) mens borestrengen roterte. Ved denne prosedyre ble Gz-komponenten av gravitasjonsfeltet bestemt fra et gjennomsnitt av sampler funnet under rotasjon og helningsvinkelen (I) bestemmes av den enkle relasjon hvor Go settes lik 1G (dvs. den nominelle verdi av gravita-sjon) . Dette system er akseptabelt for å måle helning under rotasjon, da z-aksekomponenten Gz ikke endres av rotasjon.

Ved drift av det kjente CDS-system blir utgangssignalene

fra det treaksige akselerometeret 10 og det treaksige magnetometer 12 når verktøyet er stasjonært, benyttet til å utlede azimut. Verdiene for Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz detekteres når verktøyet roterer og lagres i RAM 26.

Så mange som 2000 eller flere avlesninger av hver x-, y- og z-komponent kan tas for et enkelt sett av avlesninger, og verdiene midles. Azimut blir deretter beregnet i mikroprosessoren 18 fra ligningen

Verdien av azimut (eller tan A) blir deretter overført til overflaten av senderen 34.

Det er lett å vise at små avvik vil resultere i en azimutfeil som varierer sinusoidalt med verktøyeggens referansevinkel (dvs. verktøyets orientering om sin egen akse). Virkningen av denne feil elimineres ved å la verktøyet rotere minst én gang og fortrinnsvis flere ganger rundt sin akse under mål-ingen, men dette krever i tilfelle at azimut måles under rotasjon. Etter som verktøyet roterer, vil de enkelte x- og z-sensorutgangssignaler fra både akselerometeret 10 og magnetometeret 12 variere sinusoidalt og midles til null over flere rotasjoner. I den ovenstående ligning (2) for azimut er imidlertid både teller og nevner invariante under rotasjon om verktøyaksen, dvs. om z-aksen. Dette kan forstås ved å omformulere ligning (2) som

I ligning (3) er hver term enten en invariant skalar (dvs.

et indre produkt av vektorlengden) av z-komponenten av en vektor eller et vektorkryssprodukt. Da z-aksen av verktøyet forblir stasjonær under rotasjon, vil telleren og nevneren være uforandret ved rotasjon bortsett fra random-variasjon og virkningene av sensorfeil (som vil midle til null over hver rotasjon). Fortegnene for telleren og nevneren vil bevare den nødvendige kvadrantinformasjon. Ved den foreliggende oppfinnelse kan man således beregne telleren og nevneren (eller disses invariante komponenter) i ligning (2) fra hvert momentane sett av målinger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz og midle disse beregnede invariante verdier over hele måle-perioden for å finne verdien av azimut fra ligning (3).

I samsvar med en første utførelse av den foreliggende oppfinnelse sendes et enkelt sett av rådata Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz til RAM 26. Fra det ene sett av data beregnes følgende invarianter av ligning (2) av MPU (18) som følger:

(1) Hx Gy - Hy Gx

(2) Gx<2>+ Gy<2>

(3) Hx Gx + Hy Gy

(4) Gz

(5) Hz

De invariante for hver momentane avlesning blir deretter lagret i RAM 26. Denne prosess gjentas, fortrinnsvis minst flere hundre ganger, og de invariante verdier bestemt for hver sykel blir deretter midlet. De midlede verdier av de invariante (1) - (5) benyttes til å beregne azimut fra ligning (2). Den beregnede azimutverdi blir deretter overført til overflaten av senderen 34.

Det innses at nøyaktigheten til ethvert momentant sett av avlesninger kan påvirkes av det faktum at verktøyet ikke roterer. Da f.eks. alle målinger i den første utførelse i ett sett tas sekvensielt, vil verktøyet ha rotert et lite stykke under hvert sett av avlesninger slik at hvert sett tas bare tilnærmet momentant. En måte å redusere denne effekt er å pare og midle avlesningene. Det vil si at to sett av momentane avlesninger kan tas i en forhåndsbestemt speil-symmetrisk sekvens slik som

Gz Hz Gx Gy Hx Hy Hy Hx Gy Gx Hz Gz

For hvert paret sett av slike avlesninger kommer de to sukses-sive avlesninger av hvert parameter i par med samme avstand fra sentrum av settet (som ligger mellom Hy og Hy i den ovenstående sekvens). Hvert par av avlesninger blir deretter midlet for å redusere virkningene på nøyaktigheten på grunn av det faktum at verktøyet roterer mens målingene tas, og et sett av invariante (l)-(5) bestemmes fra disse midlede, parede verdier.

Som hittil beskrevet kan prosessen ved den foreliggende oppfinnelse utøves ved å overføre de beregnede invariante (l)-(5) til overflaten for beregning der, eller prosessen kan utføres med beregningene foretatt nede i brønnhullet og azimutinformasjonen overført til overflaten. I hvert tilfelle foregår brønnhullversjonen av prosessen under programstyring av mikroprosessoren 18 ved hjelp av ethvert egnet program som er kjent av fagfolk eller ved modifikasjon av det eksi-sterende program i CDS-enheten, idet en slik modifikasjon kan foretas av fagfolk.

Verdien av helningsvinkelen I kan også bestemmes under rotasjon på kjent måte fra

og sendes til overflaten.

Prosessen ved den foreliggende oppfinnelse kan også implementeres i en annen utførelse som omfatter en modifikasjon av systemet vist skjematisk på fig. 1. På fig. 3 er sample-og-hold-kretser 36 innbefattet i systemet, idet en av hver er forbundet mellom multiplekseren 14 og henholdsvis x-, y- og z-komponentsensorene til akselerometeret 10 og magnetometeret 12 og temperaturkompensasjonssensoren 16. Hver av sample-og-hold-kretsene 36 er forbundet for å motta driftssignaler fra MPU 18 som vist. Bortsett fra tilføyelsen av sample-og-hold-kretsen 36 og deres forbindelse til MPU 18, som vist på fig. 3, er maskinvaren i systemet på fig. 2 uforandret.

I denne utførelse av oppfinnelsen avleses alle seks sensorene til akselerometeret 10, magnetometeret 12 og temperatursensoren 16 samtidig for å ta et "øyeblikksbilde" av magnetisme-og gravitasjonskomponenten. Det vil si at et fullt sett av målinger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz (og temperatur om nødvendig) alle tas samtidig, og hver måling leveres til og holdes i sin respektive sample-og hold-krets 36. Multiplekseren 14 sampler deretter hver sample-og hold-krets 36 sekvensielt for å levere dataene sekvensielt til A/D-omformeren 24 og deretter til RAM 26 for lagring. Disse lagrede data som svarer til en momentanverdi av Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz,

blir deretter kompensert for temperaturen ved inngangssignalet fra temperatursensoren 16. MPU 18 beregner eller bestemmer deretter de følgende invariante deler av ligning (2):

(1) Hx Gy - Hy Gx

(2) Gx<2>+ Gy<2>

(3) Hx Gx + Hy Gy

(4) Gz

(5) Hz

Disse beregnede eller bestemte invariante verdier blir deretter lagret i RAM 26. Over et tidsrom T tas en rekke slike "øyeblikks"-sett av slike avlesninger og de ovennevnte be-regninger utføres, og beregningene og Gz og Hz midles over tidsrommet T. Deretter foretar mikroprosessoren 18 beregningen av ligning (2) basert på de midlede verdier for å finne tan A. Azimutvinkel-informasjon (enten i form av tan A eller som A) blir deretter overført til overflaten av senderen 34 .

Apparatet og fremgangsmåten ved denne annen utførelse elimi-nerer problemet ved å ta avlesninger innenfor en begrenset kort vinkeldistanse for verktøyets bevegelse som i den første utførelse.

Det skal bemerkes at for hver av utførelsene av den foreliggende oppfinnelse blir feil i x- og y-akselerometeravlesningene på grunn av sentripitalakselerasjonseffekter kansel-lert ved hjelp av midlingsteknikken benyttet ved denne oppfinnelse .

Claims

1. Fremgangsmåte til å bestemme azimut for et borehull under boring og ved borets instrumenter som befinner seg i borestrengen nede i brønnhullet, karakterisert ved at den omfatter trinn for:

1) å detektere med en akselerometeranordning komponentene Gx, Gy og Gz av det samlede gravitasjonsfelt Go ved stedet for instrumentet mens borestrengen roterer,

2) å detektere med en magnetometeranordning komponentene Hx, Hy og Hz av det samlede magnetfelt Ho ved stedet for instrumentet mens borestrengen roterer,

3) idet komponentene Gz og Hz ligger langs borestrengens akse, og komponentene Gx og Gy er ortogonale til Gz, og komponentene Hx og Hz er ortogonale til Hz,

4) å bestemme fra et forhåndsbestemt sett av målinger av Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz de invariante størrelser (a) Hx Gy - Hy Gx (b) Gx <2> + Gy <2> (c) Hx Gx + Hy Gy (d) Gz (e) Hz

5) å bestemme azimut A fra relasjonen

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at trinn (1) og (2) gjentas, at trinn (4) gjentas for hver gjentagelse av trinnene (1) og (2) for å finne middelverdier for de invariante (a)-(e), og at azimut bestemt i henhold til trinn (5) bestemmes fra middelverdiene for de invariante (a)-(e).

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, karakterisert ved at hvert sett målinger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz fås samtidig.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at hvert sett av målinger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz fås samtidig.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at komponentene blir registrert i en speil-symmetrisk sekvens.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, karakterisert ved at den speilsymmetriske sekvens er Gz Hz Gx Gy Hx Hy Hy Hx Gy Gx Hz Gz

7. Apparat til å bestemme azimut for et borehull under boring, med instrumenter i borestrengen nede i brønnhullet, karakterisert ved at det omfatter en akselerometeranordning for under rotasjon av borestrengen å bestemme komponentene Gx, Gy og Gz av det samlede gravitasjonsfelt Go ved stedet for instrumentet, en magnetometeranordning for under rotasjon av borestrengen å detektere komponentene Hx, Hy og Hz av det samlede magnetfelt Ho ved stedet for instrumentet, idet komponentene Gz og Hz ligger langs borestrengens akse og komponentene Gx og Gy er ortogonale til Gz og komponentene Hx og Hz er ortogonale til Hz, en anordning for fra et forhåndsbestemt sett av målinger av Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz å bestemme de invariante størrelser (a) Hx Gy - Hy Gx (b) Gx <2> + Gy <2> (c) Hx Gx + Hy Gy (d) Gz (e) Hz samt en anordning for å bestemme azimut A fra relasjonen

8. Apparat i henhold til krav 7, og med hvilket trinn (1) og (2) i henhold til krav 1 gjentas, karakterisert ved en anordning til å finne middelverdier for de invariante (a)-(e) og innrettet til å bestemme azimutvinkelen fra middelverdiene av de invariante (a)-(e).

9. Apparat i henhold til krav 8, karakterisert ved at hvert sett av målinger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz fås samtidig.

10. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at hvert sett av målinger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz fås samtidig.

11. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at det omfatter en anordning til å lagre og holde et helt sett av avlesninger Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz tatt samtidig.

12. Apparat i henhold til krav 11, karakterisert ved at det innbefatter en anordning til å bestemme de invariante (a)-(e) for hvert fullt sett av avlesningene og en anordning for å midle de invariante (a)-(e) til bruk ved bestemmelse av azimut.