NO882361L - Fremgangsmaate til maaling av azimut for borehull under boring. - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte tillater bestemmelse. av azimut for e£ borehull under boring ved hjelp av instrumenter nedhulis i borestrengen. Dataene til bestemmelse av azimut fåes mens borestrengen roterer.

Description

Oppfinnelsen angår borehullmåling. Mer spesielt angår oppfinnelsen måling under boring (MWD) og en fremgangsmåte for å måle azimutparameteren mens strengen roterer.

En annen patentsøknad (nr ), Martin E. Cobern og Richard D. DiPersio, for et annet system til måling av azimut under rotasjon, er søkt samtidig med den foreliggende søknad, og begge søknader er overdratt til innehaveren av denne.

I MWD-systemer er det vanlig fremgangsmåte å ta visse bore-hullparameteravlesninger eller -målinger bare når borestrengen ikke roterer. US-PS 4 013 945, tilhørende den foreliggende søknads innehaver, viser og påstår apparatur for å detektere fraværet av rotasjon og initiere operasjonen av parau>eter-sensorer til bestemmelse av azimut og helning når fravær av rotasjon registreres. Mens det er en rekke grunner for å ta forSKjellige MWD-målinger bare i fravær av borestrengrota-sjonen, er en hovedgrunn til å gjøre dette for azimut og helning ved boring at tidligere fremgangsmåter til måling eller bestemmelse av disse vinklene krevet at verktøyet måtte være stasjonært for å oppnå nullpunkter for énakseinnretninger eller for å skaffe den nøvendige midling når treaksige magnetometre og treaksige akselerometre benyttes til bestemmelse av azimut og inklinasjon. Det betyr at når treaksige magnetometre og akselerometre benyttes, er de enkelte feltmålinger nødvendige for bestemmelse av azimut og helning avhengig av den momentane eggvinkel når målingene tas. Dette fordi at rotasjon varierer kontinuerlig x- og y-akseavlesningene for magnetometre og akselerometre og bare x-akseavlisningen er konstant. (Ved referanse til x-, y- og z-aksen, er referanse-systemet borehullet (og måleverktøyet), med z-aksen langs borehullets (og verktøyets) akse og med x- og y-aksene gjen-sidig perpendikulære med z-aksen og hverandre. Dette koordinat-system må skjelnes fra jordkoordinatsystemet med øst (E), nord (N) (eller horisontal) og vertikal (D) (eller ned)).

Det finnes imidlertid omstendigheter hvor det er spesielt ønskelig å være i stand til å måle azimut og helning mens borestrengen roterer. Dette kravet 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 boring er spesielt vanskelig og ethvert avbrudd i rotasjonen vil øke problemer med skjæring av borestrengen, og (b) situasjoner hvor kjennskapet til momentan borkronegang er ønskelig for å kjenne og forutsi borehullets sanntidsvei. Et system er tidligere blitt foreslått benyttet til å finne helningen mens borestrengen roterer.

Den foreliggende oppfinnelse gjør det også mulig å finne azimut under rotasjon.

Fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse

er ment å skulle implementeres i samband med normal kommersiell drift av et kjent MWD-system og apparatur fra Teleco Oilfield Services, Inc. (søkeren) 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 proses-sering og slampulstelemetriapparatur, alt plassert nede i borehullet 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 å bestemme egg-vinkelen og inklinasjonen (vinkelen mellom horisontalen og retningen av magnetfeltet).Nedhulls-prosesseringsinnretningen til det kjente system bestemmer azimut (A) og helningsvinkelen (I) på kjent måte fra forskjellige parametre. Se f.eks. artik-kelen "Hand-Held Calculator Assists in Directional Drilling Control" av J.L. Marsh, Petroleum Engineer International, juli og september 1982.

Med henvisning til fig. 1 vises et blokkdiagram av det kjente CDS-system til Teleco. Dette CDS-system er plassert nedhulls

i borestrengen i-et vektrør nær borekronen. Dette CDS-system omfatter et treaksig akselerometer 10 og et treaksig magnetometer 12. x-aksen til henholdsvis akselerometeret og magneto-

meteret befinner seg på borestrengens akse. For kort og gene-relt å beskrive operasjonen av dette system, detekterer akselerometeret 10 Gx-, Gy- og Gz-komponentene av gravitasjonsfeltet Go nede i borehullet og leverer analogsignaler svarende til disse til en multiplekser 14 . Tisvarende detekterer magnetometeret 12 Hx-, Hy- og Hz-komponentene av magnetfeltet nede i borehullet. En temperatursensor 16 detekterer nedhulls-temperaturen til akselerometeret og magnetometeret og leverer en temperaturkompenserende signal til multiplekseren 14. Systemet har også en programmert mikroprosessorenhet 18, systemklokker 20 og et periferigrensesnittadapter 22. Alle data for kontroll, beregningsprogrammer og sensorkalibrering er lagret i en EPROM-hukommelse 23.

Under styring av mikroprosessoren 18, blir analogsignalene til multiplekseren 14 multiplekset til analog-digital-omformeren 24..De digitale dataord fraA/D-omformeren 24 blir deretter ført via et periferigrensesnittadapter (PIA) 22 til mikroprosessoren 18 hvor de lagres i en randomakses hukommelse

(RAM) 26 for beregningsoperasjonene. En aritmetisk prosessor (APU) 28 skaffer off-line aritmetikk med høy ytelse og en rekke trigonometrioperasjoner for å bedre databehandlingens kraft og hastighet. De digitale data for henholdsvis Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz midles i den aritmetiske prosessor 24 og dataene benyttes til å beregne azimuter og helningsvinkler i mikroprosessoren 18. Disse vinkeldata blir deretter overført via en forsinkelseskrets 13 for å drive en strømdriver 32 som i sin tur driver en slampulssender 34, slik som f.eks. beskrevet i US-PS 4 013 945.

I kjent normal drift av CDS-systemet, tas 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 middelavlesninger for hver komponent. En prosedyre har også tidligere vært imple-mentert for å bestemme helningen (I) mens borestrengen roterte. I denne prosedyre ble Gz-komponenten av gravitasjons feltet bestemt fra et middel av samplene funnet under rotasjon og helningsvinkelen (I) ble bestemt fra den enkle relasjon

hvor Go settes lik 1G (dvs. den nominelle verdi av tyngden). Dette system er akseptabelt for å måle helningen under rotasjon, da z-aksekomponenten Gz ikke endres av rotasjonen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse fås nå også azimutparameteren (A) under rotasjon. Før detaljene for fremgangsmåten ved måling av azimut skal beskrives, skal det med henvisning til fig. 2A og 21} gis en foreløpig beskrivelse av noen av de involverte vinkler og fremgangsmåten benyttet i henhold til denne oppfinnelsen. På fig. 2A er de ortogonale retninger øst (E), nord (N) og ned (D) (eller vertikalen) vist. Aksen til borehullet og verktøyet i borehullet er betegnet som Z. Helningsvinkelen (I) er den innvendige vinkel mellom Z-aksen og D-aksen. Uten kjennskap til azimut er imidlertid retningen av I ubestemt, alt man vet om den målte helningsvinkel er at den er en vinkel av en viss størrelse og dens retning kan ligge hvor som helst på overflaten av en imaginær rett sirkulær kjegle med den halve toppvinkel (I) rundt D-retningen. Denne imaginære kjegle er betegnet med C-^. Inklinasjonen (dvs. vinkelen retningen av magnetfeltet Ho danner med horisontalen) kan bestemmes fra de målte parametre (se ligning 6 nedenfor). En vinkel 9 , som er vinkelen mellom retningen av Ho og Z-aksen er definert i henhold til denne oppfinnelse. Vinkelen 6 har tidligere ikke blitt benyttet til bestemmelse av azimut. Det defineres en annen imagninær kjegle C2som er en rett sirkulær kjegle med den halve toppvinkel 0 om retningen av Ho. Kjeglen C2skjærer kjeglen C, ved to linjer S-^og som representerer to løsninger av den endelige ligning (ligning 7 eller 8) benyttet ved fremgangsmåten i henhold til denne oppfinnelse. Fig. 2B viser kjeglene og C2på fig. 1 projisert på horisontalplanet. Som vist på fig. 2B, danner projeksjonen av kjeglen C-^en sirkel om D-aksen (i planet av papiret ved sentrum av C-^) og projeksjonen av kjeglen C~danner en ellipse rundt nord-(N-) aksen som skjærer C-^ved de to steder S-^ og S^-Fra fig. 2A kan det sees at man har den følgende relasjon:

Ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse tas målinger av Gx, Gy og Gz og Hx, Hy og Hz under hvert tids-rom uten rotasjon og det nyeste sett av disse målingene lagres i RAM 26. Når det ønskes å skaffe en azimut-avlesning under rotasjon, bestemmes mikroprosessoren 18 Go og Ho fra relasjon-ene hvor Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz er de ferskeste ikke-rotasjons-verdier i RAM 26. Således tas sanntidsavlesninger under rotasjon av Gz og Hz. Som i det ikke-roterende tilfelle, tas et stort antall (typisk 2000-4000) momentane avlesninger i løpet av ca. 10 sek, og de midles for å få sanntidsverdier for Gz og Hz. For Gz reduserer eller eliminerer midlingen virkningen av aksialvibrasjon ved hver momentan måling av Gz. Disse sanntidsverdier blir deretter levert til mikroprosessoren 18 hvor helningen (I) bestemmes av ligning (2) hvor Gzr er verdien av Gz målt under rotasjon og Go bestemmes av ligning (4) fra de sist lagrede ikke-roterende verdier for Gx, Gy og Gz. Alternativt kan (I) bestemmes av ligning (I) Også vinkelen 0 bestemmes i mikroprosessoren 18 fra ligning (3)

hvor Hzr er verdien av Hz målt under rotasjon og Ho bestemmes av ligning (5) fra de senest lagrede ikke-roterende verdier av Hx, Hy og Hz.

Vinkelen 9 kan også bestemmmes av

Inklinasjonen (A ) beregnes også av mikroprosessoren 18 fra relasjonen hvor Gx, Gy, Gz, Hx, Hy og Hz er de sist lagrede ikke-roterende og Go og Ho henholdsvis bestemmes av ligningene (4) og (5) . Deretter blir ved fremgangsmåten azimutvinkelen (A) beregnet av mikroprosessoren 18 fra relasjonen

Samtidsverdiene for både helningen (I) og azimut (A) over-føres til overflaten av senderen 30 for bruk og behandling på overflaten av boreren og andre.

Da cos Q = Bz og cosi = Gz, kan ligning (7) også skrives

Bo Go

som

Istedenfor å beregne inklinasjonen fra ligning (6), kan verdien av A bestemmes fra relevante karter og lagres i hukom-melsen. Dessuten skal det, selv om fremgangsmåten i henhold til oppfin.nelsen er blitt beskrevet uttrykt ved nedhulls beregninger fra de målte data, naturligvis også forstås at de målte data Gx, Gy, Gx, Hx, Hy, Hz kan overføres til overflaten og beregningene utføres der. Det skal også forstås at alle trinn og beregninger kan utføres under programstyring av mikroprosessoren 18 ved hjelp av et hvert egnet program med vanlig kjennskap til teknikken e.ller ved modifikasjoner av det alle-rede eksisterende program for drift CDS-systemet, idet slike modifikasjoner ligger innenfor den vanlige tekniske fagkunn-skap .

Som et alternativ til bestemmelse av azimut (A) fra ligningen (7), kan den bestemmes fra relasjonen

I begge ligningene (7) og (8) kan verdien for (1) enten være verdien bestemt fra den siste ikke-roterende måling eller sanntidsverdien målt under rotasjon. I tilfelle av vanskelige boreforhold (f.eks. store aksialvibrasjoner), hvorved z-akse-akselerometre kan mettes, ville verdien for (I) bestemt fra den seneste ikke-roterende måling fortrinnsvis bli benyttet, ellers er det å foretrekke å benytte sanntidsverdien bestemt under rotasjon.

Det skal bemerkes at det er to løsninger til hver av ligningene (7) og (8). Det er tilstrekkelig informasjon til å bestemme størrelsen på azimuten, men ikke dens"fortegn. I de fleste tilfeller vil dette ikke være et problem, da vinkelen bare vil forandre seg ubetydelig fra den seneste verdi bestemt under ikke-rotasjon. Tvetydighet i fortegnet vil bare forekomme når boringen skjer nær nord- eller sydretningen.

Idet foretrukne utførelser er blitt vist og beskrevet, kan forskjellige modifikasjoner og substitusjoner foretas på disse uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og ramme. Følgelig skal det forstås at beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse er ment å være illustrerende og ikke-begrensende.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til å bestemme azimut for et borehull under boring, ved bruk av instrumenter i borestrengen nede i borehullet, karakterisert ved . at den omfatter trinn for med en akselerometerinnretning å detektere komponentene Gx, Gy og Gz av det samlede gravitasjonsfelt Go ved stedet for instrumentet under en periode hvor borestrengen ikke roterer, med en magnetometerinnretning å detektere komponentene Hz, Hy og Hz av det samlede magnetfelt ved stedet for instrumentet under en periode hvor borestrengen ikke roterer, idet komponentene Gz og Hz ligger langs aksen av borestrengen, komponentene Gx og Gy er ortogonale til Gz og komponentene Hx og Hy er ortogonale til Hz, å rotere magnetometerinnretningen med borestrengen og finne parameteren Hzr som er Hz-komponenten av magnetfeltet på stedet for instrumentet ved rotasjon av borestrengen, å bestemme Ho fra verdiene Hx, Hy og Hz detektert under ikke-rotasjon av borestrengen, å bestemme helnings vinkelen for borestrengen, å bestemme inklinasjonen Å for det magnetiske felt, å bestemme vinkelen 9 mellom retningen av magnetfeltet og borestrengens akse ved stedet for instrumentet fra Ho og Hzr og å bestemme azimut enten fra relasjonen:

eller fra relasjonen:

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor vinkelen bestemmes fra enten relasjonen

eller fra relasjonen

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at Ho bestemmes fra verdiene for Hx, Hy og Hz detektert under ikke-rotasjon.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 3, karakterisert ved at Go bestemmes fra verdiene for Gx, Gy og Gz detektert under ikke-rotasjon og helningsvinkelen fra relasjonen

hvor Gzr er er Gz-komponentene av gravitasjonsfeltet ved stedet for instrumentet under rotasjon av borestrengen.

5. Fremgangssmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at Go bestemmes fra verdiene av Gx, Gy og Gz detektert under ikke-rotasjon og helningsvinkelen bestemmes fra

hvor Gzr er Gz-komponenten av gravitasjonsfeltet ved stedet for instrumentet under rotasjonen av borestrengen.

6. Fremgangsmåte til bestemmelse av azimut til et borehull under boring, med instrumenter i borestrengen nede i borehullet, karakterisert ved den omfatter trinn for med en akselerometerinnretning å bestemme det totale gravitasjonsfelt Go ved stedet for instrumentet under en periode hvor borestrengen ikke rotererer, med en magnetometerinnretning å bestemme det totale magnetfelt Ho ved stedet for instrumentet under en periode hvor borestrengen ikke roterer, å rotere magnetometerinnretningen med borestrengen og bestemme parameteren Hzr som er komponenten for magnetfeltet langs borestrengens akse ved stedet for instrumentet under rotasjon av borestrengen, å bestemme helningsvinkelen for borestrengen, å bestemme inklinasjonen for magnetfeltet, å bestemme vinkelen 0 mellom retningen av magnetfeltet og aksen av borestrengen ved stedet for instrumentet, og å bestemme azimut (A) enten fra relasjonen:

eller fra relasjonen

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, karakterisert ved at vinkelen bestemmes fra enten relasjonen

eller fra relasjonen

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert ved at Ho bestemmes av verdiene for Hz, Hy og Hz detektert under ikke-rotasjon.

9. Fremgangsmåte i henhold,til krav 8, karakterisert ved at Go bestemmes fra verdien for Gx, Gy og Gz detektert under ikke-rotasjon og helningsvinkelen fra relasjonen

hvor Gzr er Gz-komponenten av gravitasjonsfeltet ved stedet for instrumentet under rotasjon av borestrengen.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at Go bestemmes fra verdiene for Gx, Gy og Gz detektert under ikke-rotasjon og helningsvinkelen bestemmes fra relasjonen

hvor Gzr er Gz-komponenten av gravitasjonsfeltet ved stedet for instrumentet under rotasjon av borestrengen.