NO972699L - Method and apparatus for determining the orientation of an instrument relative to the Earth's magnetic field - Google Patents
Method and apparatus for determining the orientation of an instrument relative to the Earth's magnetic fieldInfo
- Publication number
- NO972699L NO972699L NO972699A NO972699A NO972699L NO 972699 L NO972699 L NO 972699L NO 972699 A NO972699 A NO 972699A NO 972699 A NO972699 A NO 972699A NO 972699 L NO972699 L NO 972699L
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- magnetic field
- axis
- earth
- instrument
- sensor
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 39
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 27
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 12
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 3
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000792 Monel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 241001255854 Teras Species 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005358 geomagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003129 oil well Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000005624 perturbation theories Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/02—Determining slope or direction
- E21B47/022—Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism
Description
Fremgangsmåte og apparat for å korrigere geomagnetiske oppmålinger for tilstedeværende magnetiske anomalier i instrumenthuset. Method and apparatus for correcting geomagnetic surveys for magnetic anomalies present in the instrument housing.
Oppfinnelsens bakgrunn.The background of the invention.
Oppfinnelsen dreier seg om fagområdet instrumenter for orientering. Mer spesifikt omhandler oppfinnelsen fremgangsmåter og apparat for å redusere feil i geomagnetisk baserte orienteringsinstrumenter som har sin årsak i magnetiske anomalier i instrumenthuset til The invention relates to the field of instruments for orientation. More specifically, the invention deals with methods and apparatus for reducing errors in geomagnetically based orientation instruments which have their cause in magnetic anomalies in the instrument housing to
orienteringsinstrumentet.the orientation instrument.
Beskrivelse av kjent teknikk.Description of known technique.
Orienteringsinstrumenter brukes av forskjellige grunner for å bestemme den geografiske orienteringen av oljebrønner som er boret gjennom geologiske formasjoner, spesielt når slike brønner ikke er vertikalboret. En vanlig type orienteringsmåleinstrument omfatter tre gjensidig ortogonale fluxgate-magnetometre, som hver måler størrelsen av en komponent av jordens magnetfelt koaksial med sin sensorakse. Målingene av de magnetiske feltkomponentene brukes for å bestemme retningen av det geomagnetiske felt i forhold til orienteringsmåleinstrumentet. Instrumentet omfatter også typisk akselerasjonssensorer for å bestemme retningen av jordens gravitasjon i forhold til instrumentet. Målingene av jordens gravitasjon og magnetfelt kan kombineres til å bestemme instrumentets geografiske orientering. Instrumentet senkes ned i borehullet ved hjelp av forskjellige bærere, også omfattende spesialtilpassede borerør i en måling-under-boring (Measurement While Drilling, MWD) apparat, eller ved hjelp av armert elektrisk kabel som del av en "wireline" instrumentstreng eller -rekke. Fordi instrumentet for alle praktiske tilfeller er koaksial med borehullet, vil målingene av jordens magnetfeltretning og gravitasjonen tilsvare borehullets retning med hensyn til jordens magnetfelt og gravitasjon. Orientation instruments are used for various reasons to determine the geographic orientation of oil wells drilled through geological formations, especially when such wells are not vertically drilled. A common type of orientation measuring instrument comprises three mutually orthogonal fluxgate magnetometers, each of which measures the magnitude of a component of the Earth's magnetic field coaxial with its sensor axis. The measurements of the magnetic field components are used to determine the direction of the geomagnetic field relative to the orientation measuring instrument. The instrument also typically includes acceleration sensors to determine the direction of the Earth's gravity relative to the instrument. The measurements of the Earth's gravity and magnetic field can be combined to determine the instrument's geographical orientation. The instrument is lowered into the borehole using various carriers, including specially adapted drill pipes in a Measurement While Drilling (MWD) apparatus, or using armored electrical cable as part of a "wireline" instrument string or string. Because the instrument is in all practical cases coaxial with the borehole, the measurements of the Earth's magnetic field direction and gravity will correspond to the direction of the borehole with respect to the Earth's magnetic field and gravity.
Magnetometrene og tilhørende elektroniske kretser er typisk innkaplslet i et umagnetisk hus for å utelukke borehullsfluider fra det indre av instrumentet samtidig som det tillater måling av jordens magnetfelt. Umagnetiske metallhus har imidlertid noen ganger magnetiske anomalier. Anomaliene kan omfatte såkalte "hot-spots"i huset, og kilder til magnetisk interferens som har sitt utspring aksialt ovenfor eller nedenfor det umagnetiske hus. Størrelsen og posisjonen til den magnetiske anomali innenfor instrumentet er generelt ikke helt forutsigbar. Virkningen av de magnetiske anomaliene på magnetorneterets målinger er derfor ikke fullstendig forutsigbart. The magnetometers and associated electronic circuitry are typically encased in a non-magnetic housing to exclude borehole fluids from the interior of the instrument while allowing measurement of the Earth's magnetic field. However, non-magnetic metal housings sometimes have magnetic anomalies. The anomalies may include so-called "hot-spots" in the housing, and sources of magnetic interference that originate axially above or below the non-magnetic housing. The size and position of the magnetic anomaly within the instrument is generally not completely predictable. The effect of the magnetic anomalies on the magnetornet measurements is therefore not completely predictable.
Det finnes forskjellige metoder for å anslå størrelsen av effekten av magnetiske anomalier på magnetometermålingene. En fremgangsmåte beskrevet i US 4 510 696 (Roesler) gir en beregning av den minste nødvendige mengde av umagnetisk hus som må inkorporeres ovenfor og nedenfor magnetometrene for nøyaktig å måle komponenten av jordens magnetfelt som er koaksial med instrumentaksen. Metoden i US 4 510 696 verken viser eller foreslår noen metode for å kvantifisere effekten av "hot-spots" i huset eller andre magnetiske anomalier som ikke er koaksiale med instrumentaksen (kalt "kryss-aksiale" anomalier som genererer magnetfelt-komponenter i et plan perpendikulært på instrumentaksen). There are different methods for estimating the magnitude of the effect of magnetic anomalies on the magnetometer measurements. A method described in US 4,510,696 (Roesler) provides a calculation of the minimum required amount of non-magnetic housing that must be incorporated above and below the magnetometers to accurately measure the component of the Earth's magnetic field coaxial with the instrument axis. The method in US 4,510,696 neither discloses nor suggests any method for quantifying the effect of "hot-spots" in the housing or other magnetic anomalies that are not coaxial with the instrument axis (called "cross-axial" anomalies that generate magnetic field components in a plane perpendicular to the instrument axis).
En fremgangsmåte er beskrevet i US 4 682 421 (van Dongen et al.) for å kvantifisere kryss-aksiale magnetiske anomalier. Fremgangsmåten i van Dongens patent omfatter måling av kryssaksiale komponenter av jordens magnetfelt mens man roterer instrumentet om sin akse gjennom en mengde rotasjonsorienteringer. Mens måten i US 4 682 421 generelt kan anvendes i en MWD-streng eller tilsvarende apparat båret av borestreng, har instrumenter ført av wireline eller elektrisk kabel vanligvis ikke muligheten til å bli rotert omkring instrumentaksen når de er plassert i borehullet. Å bygge rotasjonsmuligheter inn i et typisk wireline-båret instrument kan være både vanskelig og dyrt. Å utføre magnetiske målinger i mange rotasjonsposisjoner krever også betraktelig lengre operasjonstid. A method is described in US 4,682,421 (van Dongen et al.) for quantifying cross-axial magnetic anomalies. The procedure in van Dongen's patent involves measuring cross-axial components of the Earth's magnetic field while rotating the instrument about its axis through a number of rotational orientations. While the method of US 4,682,421 can generally be used in an MWD string or similar apparatus carried by a drill string, instruments carried by wireline or electric cable do not usually have the ability to be rotated about the instrument axis when placed in the borehole. Building rotation capabilities into a typical wireline-borne instrument can be both difficult and expensive. Carrying out magnetic measurements in many rotational positions also requires considerably longer operating time.
Således er det et formål med oppfinnelsen å fremskaffe en fremgangsmåte for å bestemme orienteringen av et borehull med hensyn til jordens magnetfelt uten å måtte rotere instrumentet omkring sin akse for å bestemme effekten av kryss-aksiale magnetiske anomalier. Thus, it is an object of the invention to provide a method for determining the orientation of a borehole with respect to the earth's magnetic field without having to rotate the instrument about its axis to determine the effect of cross-axial magnetic anomalies.
Sammenfatning av oppfinnelsen.Summary of the Invention.
Oppfinnelsen er et apparat for å bestemme orienteringen av et instrument med hensyn til jordens gravitasjon og magnetfelt. I en foretrukket uførelse omfatter apparatet et første og et andre magnetometer. Hvert magnetometer omfatter tre sensorspoler. Hver av sensorspolene har en sensorakse adskilt fra sensoraksene i de andre spolene med en kjent vinkel, slik at en retning av et tilsynelatende magnetfelt kan bestemmes. Det tilsynelatende magnetfelt omfatter både jordens magnetfelt og interferens fra magnetiske anomalier. En foretrukket utførelse av apparatet omatter også akselerometre som hver har en sensorakse adskilt fra sensoraksene i de andre akselerometrene med en gitt vinkel slik at retningen av jordens gravitasjon kan bestemmes. Apparatet inneholder midler for å beregne størrelsene av retningskomponentene av det tilsynelatende magnetfeltet som har sin årsak i de magnetiske anomaliene fra målingene gjort med sensorspolene og akselerometrene, slik at retningskomponentene av jordens magnetfelt kan bestemmes. The invention is an apparatus for determining the orientation of an instrument with respect to the earth's gravity and magnetic field. In a preferred embodiment, the apparatus comprises a first and a second magnetometer. Each magnetometer comprises three sensor coils. Each of the sensor coils has a sensor axis separated from the sensor axes of the other coils by a known angle, so that a direction of an apparent magnetic field can be determined. The apparent magnetic field includes both the Earth's magnetic field and interference from magnetic anomalies. A preferred embodiment of the apparatus also accommodates accelerometers each of which has a sensor axis separated from the sensor axes of the other accelerometers by a given angle so that the direction of the Earth's gravity can be determined. The apparatus contains means for calculating the magnitudes of the directional components of the apparent magnetic field which have their cause in the magnetic anomalies from the measurements made with the sensor coils and accelerometers, so that the directional components of the earth's magnetic field can be determined.
I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er sensorspolene i hvert magnetometer gjensidig ortogonale. En spole fra hvert magnetometer er innrettet parallell med instrumentaksen og i motsatt polaritet i forhold til den tilsvarende spolen i det andre magnetometeret. De andre spolene ligger derfor i et plan perpendikulært til instumentaksen. Disse andre spolene er adskilt fra hverandre med en kjent vinkel. Sensoraksene i akselerometrene er også gjensidig ortogonale, og er parallelle med sensoraksene i sensorspolene i ett av magnetometrene. In a preferred embodiment of the invention, the sensor coils in each magnetometer are mutually orthogonal. A coil from each magnetometer is aligned parallel to the instrument axis and in opposite polarity to the corresponding coil in the other magnetometer. The other coils therefore lie in a plane perpendicular to the axis of the instrument. These other coils are separated from each other by a known angle. The sensor axes in the accelerometers are also mutually orthogonal, and are parallel to the sensor axes in the sensor coils in one of the magnetometers.
En annen utførelse av oppfinnelsen benytter tre magnetometre som hver har gjensidig ortogonale sensorspoler. Hvert magnetometer har en spole innrettet parallell med instrumentaksen, og de andre spolene ligger derfor i et plan perpendikulært til instrumentaksen. De andre spolene er adskilt fra hverandre med kjente vinkler. Another embodiment of the invention uses three magnetometers each having mutually orthogonal sensor coils. Each magnetometer has a coil arranged parallel to the instrument axis, and the other coils therefore lie in a plane perpendicular to the instrument axis. The other coils are separated from each other by known angles.
En fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen omfatter trinnene med å måle komponenter av et tilsynelatende magnetfelt i det vesentlige parallelt med instrumentaksen, og å måle komponenter av det tilsynelatende magnetfelt i radialt adskilte retninger i et plan i det vesentlige perpendikulær til instrumentaksen i instrumentet. De radialt adskilte retningene er adskilt fra hverandre ved kjente vinkler. En retning av jordens gravitasjon med hensyn til instrumentets orientering bestemmes ved å måle akselerasjonen i gjensidig ortogonale retninger. Det totale størrelse og fallretning av jordens magnetfelt bestemmes, og størrelsene av retningskomponentene av magnetfeltene indusert av de magnetiske anomaliene bestemmes ved å kombinere målingene av komponentene av det tilsynelatende magnetfeltet, retningen av gravitasjonen og den totale størrelse og fallvinkel av jordens magnetfelt, og med dette tillates beregningen av retningskomponenter av jordens magnetfelt med hensyn til instrumentets orientering. A method according to the invention includes the steps of measuring components of an apparent magnetic field essentially parallel to the instrument axis, and measuring components of the apparent magnetic field in radially separated directions in a plane essentially perpendicular to the instrument axis in the instrument. The radially separated directions are separated from each other by known angles. A direction of the Earth's gravity with respect to the orientation of the instrument is determined by measuring the acceleration in mutually orthogonal directions. The total magnitude and dip of the Earth's magnetic field is determined, and the magnitudes of the directional components of the magnetic fields induced by the magnetic anomalies are determined by combining the measurements of the components of the apparent magnetic field, the direction of gravity, and the total magnitude and dip of the Earth's magnetic field, thereby allowing the calculation of directional components of the Earth's magnetic field with respect to the orientation of the instrument.
Kortfattet figurbeskrivelse.Brief figure description.
Figur1viser et brønnloggeinstrument som omfatter magnetometre og akselerometre, senket ned i et borehull. Figur 2 viser et første og et andre magnetometer, og akselerometrene i instrumentet i større detalj. Figur 3 viser et diagram av de relative orienteringene av det første og det andre magnetometer. Figur 4 viser et eksempel på en magnetisk anomali i huset og definisjonene av dets aksiale avstander til hver av magnetometrene. Figur 5 viser en alternativ utførelse av oppfinnelsen som benytter tre magnetometre. Figur 6 viser et diagram av de relative orienteringene av det første, andre og tredje magnetometrene tilhørende den alternative utførelse. Figure 1 shows a well logging instrument comprising magnetometers and accelerometers, lowered into a borehole. Figure 2 shows a first and a second magnetometer, and the accelerometers in the instrument in greater detail. Figure 3 shows a diagram of the relative orientations of the first and second magnetometers. Figure 4 shows an example of a magnetic anomaly in the housing and the definitions of its axial distances to each of the magnetometers. Figure 5 shows an alternative embodiment of the invention which uses three magnetometers. Figure 6 shows a diagram of the relative orientations of the first, second and third magnetometers of the alternative embodiment.
Beskrivelse av den foretrukne utførelse.Description of the preferred embodiment.
Figur 1 viser et brønnloggeinstrument 10 plassert i et borehull 2. Instrumentet 10 kan fires inn i borehullet 2 i den ene enden av en armert elektrisk kabel 4. Instrumentet 10 kunne også være del av et måling-under-boring (MWD)- instrumentsystem og således er oppfinnelsen ikke begrenset til instrumenter som fires inn i borehullet 2 ved hjelp av kabelen 4. Kabelen 4 kan forsyne instrumentet 10 med elektrisk effekt og kan overføre signal til jordens overflate for registrering, lagring, dataprosessering og tolkning. Signalene tilsvarer typisk målinger gjort ved hjelp av forskjellige sensorer i instrumentet 10, som kan omfatte triaksiale magnetometre slik som vist ved i og 12 og som vil bli nærmere forklart, og innbefatter gjensidig ortogonale akselerometre, vist i pakken 18. Instrumentet 10 kan omfatte en telemetri/signalprosesseringsenhet (SPU) 6. SPUen 6 kan programmeres til å generere signalene for overføring til jordoverflaten, og for å kontrollere operasjonen av de forskjellige sensorene (innbefattet magnetometrene 8 og 12) i instrumentet 10. Oppfinnelsen krever ikke overføring av disse signalene til jordoverflaten. Signalene kan også lagres i instrumentet 10 selv ved hjelp av et passende datalagringsutstyr (ikke vist). Instrumentet 10 inneholder typisk sensorer (ikke vist) for å måle forskjellige egenskaper til geologiske formasjoner gjennomboret av borehullet 4. Figure 1 shows a well logging instrument 10 placed in a borehole 2. The instrument 10 can be inserted into the borehole 2 at one end of an armored electrical cable 4. The instrument 10 could also be part of a measurement-while-drilling (MWD) instrument system and thus, the invention is not limited to instruments which are inserted into the borehole 2 by means of the cable 4. The cable 4 can supply the instrument 10 with electrical power and can transmit a signal to the earth's surface for registration, storage, data processing and interpretation. The signals typically correspond to measurements made using various sensors in the instrument 10, which may include triaxial magnetometers as shown at i and 12 and which will be further explained, and include mutually orthogonal accelerometers, shown in package 18. The instrument 10 may include a telemetry /signal processing unit (SPU) 6. The SPU 6 can be programmed to generate the signals for transmission to the Earth's surface, and to control the operation of the various sensors (including magnetometers 8 and 12) in the instrument 10. The invention does not require transmission of these signals to the Earth's surface. The signals can also be stored in the instrument 10 itself by means of a suitable data storage device (not shown). The instrument 10 typically contains sensors (not shown) to measure various properties of geological formations pierced by the borehole 4.
Magnetometrene 8, 12 kan være triaksiale fluksgate magnetometre som er velkjente innen fagområdet. Hvert magnetometer 8, 12 omfatter typisk tre gjensidig ordogonale sensorspoler som vil bli nærmere forklart. Hver av sensorspolene måler størrelsen av en komponent av det tilsynelatende magnetfelt som er parallell med sensoraksen i den spesielle sensorspolen. Det foretrekkes at en av sensorspolene i hvert magnetometer 8, 12 er orientert i det vesentlige parallell med aksen 14 i instrumentet 10. Som det vil bli forklart nedenfor i teksten kan det tilsynelatende magnetfeltet omfatte jordens magnetfelt og effekten av hvilke som helst magnetiske anomalier. Delen av instrumenthuset 16 hvor magnetometrene 8, 12 er plassert er vanligvis dannet av et i det vesentlige umagnetisk materiale som monel. Monel og andre i det vesentlige umagnetiske materialer kan ha noe remanent magnetisering, som er en form av de ovenfor nevnte magnetiseringer. Den remanente magnetiseringen kan påvirke den delen av målingene som gjøres av en av sensorspolene som har sin årsak i jordens magnetfelt. En annen form for magnetisk anomali kan være elektromagnetisk interferens fra andre sensorer (ikke vist) som utgjør en del av instrumentet. The magnetometers 8, 12 can be triaxial fluxgate magnetometers which are well known in the field. Each magnetometer 8, 12 typically comprises three mutually orthogonal sensor coils which will be explained in more detail. Each of the sensor coils measures the magnitude of a component of the apparent magnetic field that is parallel to the sensor axis in that particular sensor coil. It is preferred that one of the sensor coils in each magnetometer 8, 12 is oriented substantially parallel to the axis 14 of the instrument 10. As will be explained below in the text, the apparent magnetic field may include the Earth's magnetic field and the effect of any magnetic anomalies. The part of the instrument housing 16 where the magnetometers 8, 12 are placed is usually formed from an essentially non-magnetic material such as monel. Monel and other essentially non-magnetic materials can have some remanent magnetization, which is a form of the above-mentioned magnetizations. The remanent magnetization can affect the part of the measurements made by one of the sensor coils that has its cause in the earth's magnetic field. Another form of magnetic anomaly can be electromagnetic interference from other sensors (not shown) that form part of the instrument.
Sammensetningen av magnetometrene 8, 12 og fremgangsmåten for å beregne jordens magnetfelt med oppfinnelsen gjør det mulig å beregne størrelsen og effekten av magnetiske anomalier, og dermed bestemme størrelsen av komponentene av jordens magnetfelt, som vil bli nærmere forklart. The composition of the magnetometers 8, 12 and the method for calculating the earth's magnetic field with the invention makes it possible to calculate the size and effect of magnetic anomalies, and thus determine the size of the components of the earth's magnetic field, which will be explained in more detail.
Akselerometerpakken 18 kan omfatte tre gjensidig ortogonale akselerometre av hvilken som helst type kjent i faget og som er anvendelig for å måle akselerasjoner omkring 1 g. Akselerometrene i pakken 18 er i en foretrukken utførelse orientert slik at sensoraksen i hvert akselerometer er i det vesentlige parallell med en av sensoraksene til sensorspolene (ikke vist i figur 1) i et av magnetometrene 8, 12 som vil bli forklart nærmere. The accelerometer package 18 can comprise three mutually orthogonal accelerometers of any type known in the art and which are applicable for measuring accelerations of around 1 g. The accelerometers in the package 18 are in a preferred embodiment oriented so that the sensor axis in each accelerometer is essentially parallel to one of the sensor axes of the sensor coils (not shown in Figure 1) in one of the magnetometers 8, 12 which will be explained in more detail.
Oppstillingen av magnetometrene 8, 12 og akselerometerpakken 18 kan bedre forstås ved å henvise til figur2. Et magnetometer 8, som henvises til som det første magnetometer, har fortrinnsvis en av sine sensorakser, vist ved 8c, i det vesentlige parallell med instrumentaksen 14. Sensorspolen 8c refereres til som z-akse-spolen for formålet med beskrivelsen av oppfinnelsen. De andre to sensorspolene, 8A og 8B foretrekkes ortogonal til z-akse-spolen 8c, og til hverandre. Sensorspolen 8A henvises for denne beskrivelsen som x-akse-spolen, og sensorspolen 8B kalles y-aksespolen. Signalstørrelsene fra hver av sensorspolene 8A, 8B, og 8C i det første magnetometeret 8 kan representeres ved vektornotasjoner Bxl, Bylog Bzlrespektive. The arrangement of the magnetometers 8, 12 and the accelerometer package 18 can be better understood by referring to Figure 2. A magnetometer 8, which is referred to as the first magnetometer, preferably has one of its sensor axes, shown at 8c, substantially parallel to the instrument axis 14. The sensor coil 8c is referred to as the z-axis coil for the purpose of the description of the invention. The other two sensor coils, 8A and 8B are preferably orthogonal to the z-axis coil 8c, and to each other. The sensor coil 8A is referred to for this description as the x-axis coil, and the sensor coil 8B is called the y-axis coil. The signal magnitudes from each of the sensor coils 8A, 8B, and 8C in the first magnetometer 8 can be represented by vector notations Bxl, Bylog Bzlrespectively.
Det andre magnetometeret 12, som kalles det andre magnetometeret, kan plasseres i instrumenthuset 16 nær det første magnetometeret 8. Det andre magnetometeret 12 kan også omfatte tre gjensidig ortogonale x- y- og z-akse-sensorspoler kalt henholdsvis 12A, 12B og 12C. Signalstørrelsen i sensorspolene 12A, 12B, 12C i det andre magnetometeret 12 kan for enkelhets skyld representeres ved vektornotasjoner Bx2, By2og Bz2respektive, på samme måte som for repsresentasjonene for signalene fra spolene i det første magnetometeret 8. z-akse-spolen 12C kan også være i det vesentlige parallell med instrumentaksen 14. z-aksespolen 12C er også helst motsatt i polaritet til z-aksespolen 8C i det første magnetometeret 8. Som det vil bli forklart nærmere nedenfor, vil et stort sett uniformt magnetfelt som induserer et signal i sensorspolen 8C generere stort sett den samme størrelsen men motsatt polaritet av signalet i sensorspolen 12C. Grunnen til at man inverterer polariteten i z-akse-spolen 12C med hensyn til dens motsats 8C i det første magnetometeret 8 er at effekten av en magnetisk anomali med hensyn til z-aksen vil indikeres ved en differans mellom signalene generert av spolen 12C og spolen 8C, fordi effekten av jordens magnetiske felt vil i det vesentlige utlignes når signalene fra spolen 8C og spolen 12C summeres. The second magnetometer 12, which is called the second magnetometer, can be placed in the instrument housing 16 near the first magnetometer 8. The second magnetometer 12 can also comprise three mutually orthogonal x-y- and z-axis sensor coils called 12A, 12B and 12C respectively. The signal magnitude in the sensor coils 12A, 12B, 12C in the second magnetometer 12 can be represented for simplicity by vector notations Bx2, By2 and Bz2 respectively, in the same way as for the rep representations of the signals from the coils in the first magnetometer 8. The z-axis coil 12C can also be substantially parallel to the instrument axis 14. The z-axis coil 12C is also preferably opposite in polarity to the z-axis coil 8C of the first magnetometer 8. As will be explained further below, a generally uniform magnetic field inducing a signal in the sensor coil 8C generate substantially the same magnitude but opposite polarity of the signal in sensor coil 12C. The reason for inverting the polarity of the z-axis coil 12C with respect to its opposite 8C in the first magnetometer 8 is that the effect of a magnetic anomaly with respect to the z-axis will be indicated by a difference between the signals generated by the coil 12C and the coil 8C, because the effect of the earth's magnetic field will essentially be equalized when the signals from coil 8C and coil 12C are summed.
x-akse og y-aksespolene 12A, 12B i det andre magnetometeret 12 foretrekkes orientert i en fast, kjent vinkel med hensyn til orienteringen av x-akse og y-akse-spolene 8A, 8B i det første magnetometeret 8. Denne vinkelen er vist i figur 3 som O. Størrelsen til vinkelen O er ikke kritisk for oppfinnelsen, det er bare nødvendig at den er kjent. Av praktiske hensyn bør O være tilstrekkelig stor til å fremskaffe vesentlige forskjeller i signalstørrelse mellom tilsvarende spoler 8A, 12A og 8B, 12B respektive, i hvert magnetometer 8 og 12. The x-axis and y-axis coils 12A, 12B of the second magnetometer 12 are preferably oriented at a fixed, known angle with respect to the orientation of the x-axis and y-axis coils 8A, 8B of the first magnetometer 8. This angle is shown in Figure 3 as O. The size of the angle O is not critical to the invention, it is only necessary that it be known. For practical reasons, O should be sufficiently large to produce significant differences in signal magnitude between corresponding coils 8A, 12A and 8B, 12B respectively, in each magnetometer 8 and 12.
Det er også eksplisitt underforstått at sensorspolene 8A, 8B, 8C, 12A, 12B, 12C i hvert magnetometer 8, 12 ikke må være gjensidig ortogonale for skikkelig operasjon av oppfinnelsen. Det er bare nødvendig at vinkelen som sensorspolene utspenner er kjent, og at vinkelen som utspennes mellom hvilken som helst sensorspole og en orienterings-referanse med hensyn til instrumenthuset16 er kjent, for å være i stant til å beregne orienteringen av huset 16 med hensyn til jordens magnetfelt. Referanser med hensyn til huset 16 omfatter vanligvis instrumentaksen 14 og en referanseindikator (ikke vist) på utsiden av huset 16 plassert på en linje som er parallell med x-aksen til spolen 8a i figur 2. De trigonometriske forhold for å beregne orienteringen fra signal generert ved ikke-ortogonale sensorspoler er vel kjent. Å velge x-aksen som posisjonsreferanse for referanseindikatoren (ikke vist) er bare av hensyn til å lette beskrivelsen og er ikke ment som en begrensning av oppfinnelsen. It is also explicitly understood that the sensor coils 8A, 8B, 8C, 12A, 12B, 12C in each magnetometer 8, 12 need not be mutually orthogonal for proper operation of the invention. It is only necessary that the angle subtended by the sensor coils be known, and that the angle subtended between any sensor coil and an orientation reference with respect to the instrument housing 16 be known, to be able to calculate the orientation of the housing 16 with respect to the Earth's magnetic field. References with respect to the housing 16 generally include the instrument axis 14 and a reference indicator (not shown) on the outside of the housing 16 located on a line parallel to the x-axis of the coil 8a in Figure 2. The trigonometric relationships for calculating the orientation from the signal generated in the case of non-orthogonal sensor coils is well known. Choosing the x-axis as the position reference for the reference indicator (not shown) is only for ease of description and is not intended as a limitation of the invention.
Det er også underforstått at oppsettet av magnetometre 8, 12 beskrevet her er gjort av hensyn til at systetndesigneren skal kunne anvende kommersielt tilgjengelige magnetometre. Kommersielt tilgjengelige magnetometre omfatter typisk tre gjensidig ortogonale sensorspoler. Systemdesigneren kan like gjerne velge å bygge apparatet ifølge oppfinnelsen ved å bruke individuelle sensorspoler med et oppset som beskrevet her, uten nødvendigvis å pakke slike sensorspoler i form av to adskilte kommersielt tilgjengelige magnetometre. Dette skal forstås dithen at sensorspolene kan settes opp slik at x- og y-akse-sensorspolene 8A, 12A og 8B, 12B respektive er i det vesentlige koplanare og radialt adskilte ved vinkelen <D som vist i figur 3. z-akse-sensorspolene 8C, 12C foretrekkes, uavhengig av oppsettet som velges for de andre sensorspolene, oppsatt som vist i figur 3 av hensyn til signalprosesseringen, noe som vil bli beskrevet nærmere. It is also understood that the set-up of magnetometers 8, 12 described here is made for the sake of the system designer being able to use commercially available magnetometers. Commercially available magnetometers typically comprise three mutually orthogonal sensor coils. The system designer may just as well choose to build the apparatus according to the invention using individual sensor coils with a setup as described here, without necessarily packaging such sensor coils in the form of two separate commercially available magnetometers. This is to be understood as meaning that the sensor coils can be set up so that the x- and y-axis sensor coils 8A, 12A and 8B, 12B respectively are substantially coplanar and radially separated by the angle <D as shown in Figure 3. The z-axis sensor coils 8C, 12C is preferred, regardless of the layout chosen for the other sensor coils, set up as shown in figure 3 for reasons of signal processing, which will be described in more detail.
Akselerometrene i pakken 18 er vist individuelt i figur 2 ved 18A, 18B, 18C. Akselerometrene 18A, 18B, 18C foretrekkes orientert slik at den sensitive aksen i hvert akselerometer er gjensidig ortogonal til sensoraksene i de andre akselerometrene. Akselerometrene 18A, 18B, 18C foretrekkes også arrangert slik at sensoraksen av hver av dem er parallell med sensoraksen i hver av sensorspolene i et av magnetometrene 8, 12. Som vist i figur 2 omfatter pakken 18 et x-akse akselerometer 18A som er i det vesentlige parallell med x-akse-sensorspolen 8A, et y-akse-akselerometer 18B som er i det vesentlige parallell med y-akse-sensorspolen 8B, og et z-akse-akselerometer 18C som er i det vesentlige parallell med instrumentaksen 14 og z-aksen-spolen 8C. Størrelsen av komponenten av jordens gravitasjon som er parallell med sensoraksen i hvert akselerometer 18A, 18B, 18C kan representeres med vektornotasjon som Gx, Gy, Gzrespektive. Aselerometrene 18A, 18B, 18C er i det vesentlige upåvirket av magnetiske anomalier i instrumenthuset 16 eller instrumentet 10 og derfor kan deres målinger brukes pålitelig for å bestemme retningen av gravitasjonen med hensyn til instrumentet 10. Fremgangsmåten for å beregne gravitasjonens retning med hensyn til instrumentet 10 ut fra målingene gjort med hvert akselerometer 18A, 18B, 18C er kjent. The accelerometers in the package 18 are shown individually in Figure 2 at 18A, 18B, 18C. The accelerometers 18A, 18B, 18C are preferably oriented so that the sensitive axis in each accelerometer is mutually orthogonal to the sensor axes in the other accelerometers. The accelerometers 18A, 18B, 18C are also preferably arranged so that the sensor axis of each of them is parallel to the sensor axis in each of the sensor coils in one of the magnetometers 8, 12. As shown in Figure 2, the package 18 comprises an x-axis accelerometer 18A which is in the substantially parallel to the x-axis sensor coil 8A, a y-axis accelerometer 18B substantially parallel to the y-axis sensor coil 8B, and a z-axis accelerometer 18C substantially parallel to the instrument axis 14 and z -axis-coil 8C. The magnitude of the component of the Earth's gravity parallel to the sensor axis in each accelerometer 18A, 18B, 18C can be represented by vector notation as Gx, Gy, Gzrespectively. The accelerometers 18A, 18B, 18C are essentially unaffected by magnetic anomalies in the instrument housing 16 or the instrument 10 and therefore their measurements can be reliably used to determine the direction of gravity with respect to the instrument 10. The method for calculating the direction of gravity with respect to the instrument 10 from the measurements made with each accelerometer 18A, 18B, 18C is known.
Mens orienteringen av sensorspolene i hvert magnetometer 8, 12 og aksélerometrene 18A, 18B, 18C med hensyn til hverandre har blitt generelt beskrevet som gjensidig ortogonale. Det er underforstått at andre ikke-ortogonale orienteringer også kunne fremskaffe gravitasjons- og magnetfelt-komponent-målinger som er nødvendige for oppfinnelsen for å virke som beskrevet her. Ortogonal-orientering av sensorsponene i hvert magnetometer 8, 12 og akselerometrene 18A, 18B, 18C har imidlertid den spesielle fordel at den gir den beste oppløsning i å bestemme jordens gravitasjonsretning og magnetfeltretning. Grunnen som kan forklares for eksempel i tilfellet méd gjensidig ortogonale akselerometre er at hvis et av akselerometrene er parallelt med jordens gravitasjon, så vil de andre to ortogonale akselerometrene indikere i det vesentlige null gravitasjonsakselerasjon. Kryssaksiale komponenter av den målte kvantitet har den minste effekt, og derfor den som er minst sårbar overfor svekket systemoppløsning når akselerometrene (eller magnetometersensoraksene) er gjensidig ortogonale. While the orientation of the sensor coils in each magnetometer 8, 12 and accelerometers 18A, 18B, 18C with respect to each other has generally been described as mutually orthogonal. It is understood that other non-orthogonal orientations could also provide gravity and magnetic field component measurements necessary for the invention to operate as described herein. However, orthogonal orientation of the sensor chips in each magnetometer 8, 12 and accelerometers 18A, 18B, 18C has the distinct advantage of providing the best resolution in determining the Earth's gravitational direction and magnetic field direction. The reason that can be explained for example in the case of mutually orthogonal accelerometers is that if one of the accelerometers is parallel to the earth's gravity, then the other two orthogonal accelerometers will indicate essentially zero gravitational acceleration. Cross-axial components of the measured quantity have the smallest effect, and therefore the least vulnerable to degraded system resolution when the accelerometers (or magnetometer sensor axes) are mutually orthogonal.
Når vi nå har beskrevet det foretrukne oppsett av akselerometre og magnetornetersensorspoler, er måten som målingene fremskaffet av magnetometrene (8, 12 i figur 2) og akselerometrene (18A, 18B, 18C i figur 2) kombineres på for å løse virkningen av magnetiske anomalier forklart nedenfor. Gravitasjonskomponent-målingene Gx, Gy, Gzgjort av akselerometrene 18A, 18B, 18C respektive kombineres slik som vist i ligning (l) for å gi jordens totale gravitasjonsfelt Having now described the preferred arrangement of accelerometers and magnetorter sensor coils, the manner in which the measurements provided by the magnetometers (8, 12 in Figure 2) and the accelerometers (18A, 18B, 18C in Figure 2) are combined to resolve the effect of magnetic anomalies is explained below. The gravity component measurements Gx, Gy, Gz made by the accelerometers 18A, 18B, 18C respectively are combined as shown in equation (l) to give the Earth's total gravitational field
Hvis akselerometrene er gjensidig ortogonale som vist i figur 2, kan inklinasjonen J av verktøyaksen 14 med hensyn til jordens gravitasjon (vertikalen) bestemmes fra gravitasjons-komponentmålingene ved uttrykket: If the accelerometers are mutually orthogonal as shown in Figure 2, the inclination J of the tool axis 14 with respect to the Earth's gravity (the vertical) can be determined from the gravity component measurements by the expression:
Hvis akselerometrene er orientert annet enn gjensidig ortogonalt, er de trigonometriske ligningene for å beregne inklinasjonen velkjente innen faget og kan lett brukes, gitt at akselerometerorienteringene er kjente. En vinkel F som spennes ut mellom rereferansemerket og vertikalen (noen ganger kalt "gravity toolface") kan beregnes fra gravitasjonskomponenten ved uttrykket: If the accelerometers are oriented other than mutually orthogonal, the trigonometric equations for calculating the inclination are well known in the art and can be easily used, given that the accelerometer orientations are known. An angle F subtended between the reference mark and the vertical (sometimes called the "gravity toolface") can be calculated from the gravity component by the expression:
hvor referansemerket som tidligere forklart vanligvis er definert som liggende på en linje normalt på verktøyakse 14, og parallell med x-aksen. Derfor vil referansemerket vanligvis være parallell med sensoraksen på x-akse-sensorspolen 8A og x-akse-akselerometeret 18A. Bruken av disse gravitasjons-utledede orienteringsverdiene vil bli nærmere forklart nedenfor. where the reference mark, as previously explained, is usually defined as lying on a line normally on the tool axis 14, and parallel to the x-axis. Therefore, the reference mark will usually be parallel to the sensor axis of the x-axis sensor coil 8A and the x-axis accelerometer 18A. The use of these gravity-derived orientation values will be further explained below.
Et magnetisk totalfelt Bt bestemt ved å kombinere målingene fra alle tre sensorspolene i hvert magnetometer skulle være vesentlig like fra hvert magnetometer 8, 12 fordi begge magnetometre er påvirket av det samme magnetiske totalfelt. Dette magnetiske totalfeltet omfatter jordens magnetfelt samt effekten av hvilke som helst magnetiske anomalier. Totalfeltet uttrykkes ved hjelp av de magnetiske komponentmålingene og kan uttrykkes ved følgende ligning: A total magnetic field Bt determined by combining the measurements from all three sensor coils in each magnetometer should be essentially the same from each magnetometer 8, 12 because both magnetometers are affected by the same total magnetic field. This total magnetic field includes the Earth's magnetic field as well as the effect of any magnetic anomalies. The total field is expressed using the magnetic component measurements and can be expressed by the following equation:
Det er jordens magnetfelt som man ønsker å orientere instrumentet 10 etter. Bidraget fra jordens magnetfelt til det magnetiske totalfelt kan representeres ved de aksiale komponentene av jordens magnetfelt Bx0, By0, Bz0(langs x-, y-, og z-aksene henholdsvis). Målingene som i virkeligheten gjøres av hver sensorspole består derfor av en aksial komponent av jordens magnetfelt og en aksial komponent av magnetfeltet utsendt av hvilken som helst magnetisk anomali, det magnetiske anomalifelt. Disse aksiale komponentene er parallelle med sensoraksen i de enkelte sensorspoler.Anomalifeltets aksialkomponenter kan representeres ved 8BX>8By, 8B2. Målingene som gjøres av hver sensorspole 8A, 8B, 8C i det første magnetometeret 8, for eksempel, kan derfor defineres ved hjelp av aksialkomponentene av jordens magnetfelt pluss anomalifelt-komponentene, gitt ved uttrykkene: It is the earth's magnetic field that you want to orient the instrument 10 according to. The contribution from the earth's magnetic field to the total magnetic field can be represented by the axial components of the earth's magnetic field Bx0, By0, Bz0 (along the x-, y- and z-axes respectively). The measurements actually made by each sensor coil therefore consist of an axial component of the Earth's magnetic field and an axial component of the magnetic field emitted by any magnetic anomaly, the magnetic anomaly field. These axial components are parallel to the sensor axis in the individual sensor coils. The axial components of the anomaly field can be represented by 8BX>8By, 8B2. The measurements made by each sensor coil 8A, 8B, 8C in the first magnetometer 8, for example, can therefore be defined by the axial components of the Earth's magnetic field plus the anomaly field components, given by the expressions:
Lignende ligninger kan lett utledes for signalene aom genereres ved sensorspolene 12A, 12B, 12C i det andre magnetometeret 12. Similar equations can be easily derived for the signals generated by the sensor coils 12A, 12B, 12C in the second magnetometer 12.
Størrelsen av jordens magnetfelt B„, og en inklinasjonsvinkel av jordens magnetfelt (kalt den magnetiske fallvinkel D) med hensyn til gravitasjonens vertikal er kjent for alle posisjoner på jorden. Disse to verdiene, totalstørrelsen og fallvinkelen kan oppnås fra forskjellige geomagnetiske referanseundersøkelser som er kjent innen faget. Størrelsen av det tilsynelatende magnetfelt, Bt, utledet fra sensorspole-målingene har ovenfor blitt definert ved sine x- y- og z-akse-komponenter i ligning (4), og dette tilsynelatende magnetfeltet kan videre defineres ut fra sine iboende (jordens magnetfelt) aksiale komponenter og det anomale felt feltets aksiale komponenter ved substitusjon av ligning (5). Den magnetiske fallvinkelen D av jordens magnetfelt B0kan utledes fra det iboende feltets komponenter (eller motsatt; kan brukes til å generere relative størrelser av de iboende felt-aksialkomponentene ved uttrykket: Størrelsen av en komponent av jordens magnetfelt som er i det vesentlige perpendikulær på z-aksen (og som derfor ligger i plan som omfatter sensoraksene i x- og y-sensorspolene, kalt x-y-planet) vil være stort sett det samme i både magnetometeret 8 og 12. Denne komponenten R kan defineres ved uttrykket The size of the earth's magnetic field B„, and an angle of inclination of the earth's magnetic field (called the magnetic dip angle D) with respect to the vertical of gravity are known for all positions on earth. These two values, the total magnitude and dip angle can be obtained from various geomagnetic reference surveys known in the art. The size of the apparent magnetic field, Bt, derived from the sensor coil measurements has been defined above by its x-y- and z-axis components in equation (4), and this apparent magnetic field can further be defined based on its inherent (earth's magnetic field) axial components and the anomalous field's axial components by substitution of equation (5). The magnetic dip angle D of the Earth's magnetic field B0 can be derived from the intrinsic field components (or vice versa; can be used to generate relative magnitudes of the intrinsic field axial components by the expression: The magnitude of a component of the Earth's magnetic field that is substantially perpendicular to the z- axis (and which therefore lies in the plane encompassing the sensor axes of the x and y sensor coils, called the x-y plane) will be largely the same in both the magnetometer 8 and 12. This component R can be defined by the expression
Når der er en magnetisk anomali, enten i instrumenthuset 16 eller annetsteds langs instrumentet 10, vil x- og y-komponentene av jordens magnetfelt som detektert ved x- og y- akse-sensorspolene i hvert magnetometer 8, 12 som forklart ovenfor omfatte en"offset" eller avvik fra det iboende (jordens) magnetfeltets aksial-komponentstørrelser, hvis iboende komponentstørrelser representeres ved Bx0og By0. Avviket har en ubestemt størrelse og retning fordi dets kilde ikke kan være kjent. Avviket, som ovenfor forklart, kan representeres ved sine x- og y-akse-komponenter 8BXog 8By. When there is a magnetic anomaly, either in the instrument housing 16 or elsewhere along the instrument 10, the x and y components of the Earth's magnetic field as detected by the x and y axis sensor coils in each magnetometer 8, 12 as explained above will comprise a offset" or deviation from the intrinsic (Earth's) magnetic field's axial component sizes, whose intrinsic component sizes are represented by Bx0 and By0. The deviation has an indeterminate magnitude and direction because its source cannot be known. The deviation, as explained above, can be represented by its x- and y-axis components 8BX and 8By.
X- og y-akse-sensorspole-målingene som i virkeligheten er gjort ved hvert magnetometer 8, 12 kan, som ovenfor forklart, representeres ved følgende uttrykk: The x- and y-axis sensor coil measurements that are actually made at each magnetometer 8, 12 can, as explained above, be represented by the following expression:
Ved substitusjon av forholdene i ligning (5) kan følgende uttrykk utledes: By substitution of the conditions in equation (5), the following expression can be derived:
Ligning (7) kan omdannes til å danne et forhold mellom x- og y-aksial-komponentene av det magnetiske anomalifeltet som vist heri -. Equation (7) can be converted to form a relationship between the x- and y-axial components of the magnetic anomaly field as shown here -.
Fra ligningene (7) og (13) er det mulig å løse iterativt for Bx0#Byo/5BXog 8By. I teras jons teknikken som foretrekkes brukt for å løse det iboende (jordens) magnetfeltets aksialkompcnenter og anomalifeltet (avviket eller "offset") aksialkomponenter kalles perturbasjonsteori. Denne teorien er beskrevet i A.E.H. Love: "A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity", pp 189-190 eller , W.H. Press et al. "Numerical Recipes in FORTRAN - The Art of Scientific Computing", Cambridge Univ. Press, pp. 65-67. Som det vil forstås av geofysikere, vil løsningen av Bx0, By0, 6bxog 5By direkte tillate bestemmelsen av den relative magnetiske orienteringen av instrumentets akse 14 og således borehullets orientering (2 i figur 1) . Etter å ha løst ligningene for Bx0, By0, 8BXog 8By er det mulig å løse ligningene for Bz0og 8BZ. Med henvisning til figur 4 vises en magnetisk anomali eller "hot spot" ved H på huset 16. I figur 4 er det kun vist z-akse-sensorspolene 8C og 12C for å gjøre illustrasjonen klarere. Den magnetiske anomalien H er plassert i en aksial avstand representert ved r2fra det som vi kan kalle et målepunkt (sensoren har en fysisk utstrekning) 12CA for sensorspolen 12C, og er plassert i en avstand representert ved rx fra målepunktet 8CA for sensorspolen 8C. Målepunktene 12CA og 8CA er i seg selv adskilte ved en aksial avstand r. På samme måte som for x- og y-akse -komponentene av det magnetiske totalfelt detektert ved hver sensorspole 8C og 12C kan uttrykkes som Bz0+ 8BZ= Bz. Et uttrykk som definerer Bzkan utvikles som følger: From equations (7) and (13) it is possible to solve iteratively for Bx0#Byo/5BX and 8By. In teras ions, the preferred technique used to resolve the intrinsic (Earth's) magnetic field axial components and the anomaly field (deviant or "offset") axial components is called perturbation theory. This theory is described in A.E.H. Love: "A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity", pp 189-190 or , W.H. Press et al. "Numerical Recipes in FORTRAN - The Art of Scientific Computing", Cambridge Univ. Press, pp. 65-67. As will be understood by geophysicists, the solution of Bx0, By0, 6bx and 5By will directly allow the determination of the relative magnetic orientation of the instrument axis 14 and thus the orientation of the borehole (2 in Figure 1). After solving the equations for Bx0, By0, 8BX and 8By it is possible to solve the equations for Bz0 and 8BZ. Referring to Figure 4, a magnetic anomaly or "hot spot" is shown at H on housing 16. In Figure 4, only the z-axis sensor coils 8C and 12C are shown for clarity of illustration. The magnetic anomaly H is located at an axial distance represented by r2 from what we can call a measurement point (the sensor has a physical extent) 12CA for the sensor coil 12C, and is located at a distance represented by rx from the measurement point 8CA for the sensor coil 8C. The measurement points 12CA and 8CA are themselves separated by an axial distance r. In the same way as for the x- and y-axis components of the total magnetic field detected at each sensor coil 8C and 12C can be expressed as Bz0+ 8BZ= Bz. An expression defining Bzcan be developed as follows:
Fordi z-akse-spolene foretrekkes motsatt i polaritet, er forskjellen i deres signalstørrelse, representert ved Abz, som kan uttrykkes ved følgende ligning: Because the z-axis coils are preferred opposite in polarity, the difference in their signal magnitude, represented by Abz, can be expressed by the following equation:
Ligning (15) kan omskrives som: og ligning (16) kan forenkles videre til følgende uttrykk: Equation (15) can be rewritten as: and equation (16) can be further simplified to the following expression:
Til slutt uttrykkes z-akse-komponenten av det magnetiske anomalifeltet, 5BZsom forårsakes av den magnetiske anomalikilden eller "hot-spoten" H kan vises ved følgende ligning: Finally, the z-axis component of the magnetic anomaly field, 5BZ caused by the magnetic anomaly source or "hot spot" H can be expressed by the following equation:
Som tidligere forklart, er totalsignalet fra alle disse tre spolene 8A, 8B, 8C i det første magnetometeret 8 uttrykt som: som fører til et uttrykk for z-komponenten av jordens magnetfelt Bz0: As previously explained, the total signal from all three of these coils 8A, 8B, 8C in the first magnetometer 8 is expressed as: which leads to an expression for the z-component of the earth's magnetic field Bz0:
Bz0kan tilnærmes ved følgende uttrykk som omfatter de tidligere beskrevne målinger av jordens gravitasjon: Bz0 can be approximated by the following expression, which includes the previously described measurements of the Earth's gravity:
slik at helt til slutt så kan Bz0og 8BZløses gjennom en iterasjonsprosess som ligner på den som er brukt for å derivere x- og y- akse-komponentene. so that finally Bz0 and 8BZ can be solved through an iteration process similar to that used to derive the x- and y-axis components.
Etter å ha bestemt alle de tre aksialkomponentene av jordens magnetfelt med hensyn til den kjente orienteringen langs huset 16, er det så mulig å bestemme den geomagnetiske retningen av instrumentaksen 14, og derfor, hvis ønsket, retningen av borehullet (2 i figur 1). Having determined all three axial components of the Earth's magnetic field with respect to the known orientation along housing 16, it is then possible to determine the geomagnetic direction of the instrument axis 14, and therefore, if desired, the direction of the borehole (2 in Figure 1).
Beskrivelse av en alternativ utførelse:Description of an alternative embodiment:
det er også mulig å inkludere flere magnetometer-sensorspoler til den første utførelsen av oppfinnelsen ved forskjellige vinkelawik mellom dem for eksplisitt å kunne bestemme virkningene av magnetiske anomalier på magnetometermålingene. Figur 5 viser en utførelse av instrumentet 10 med tre kommersielt tilgjengelige magnetometre 8, 12, 20. På samme måte som i den første utførelsen kan hvert av magnetometrene 8, 12, 20 i denne utførelsen omfatte tre gjensidig ortogonale sensorspoler: x-akse-spole 8A, y-aksespole 8B, og z-aksespole 8C for det første magnetometeret 8. Respektive x-akse, y-akse og z-aksespoler er fremskaffet for det andre 12 og tredje 20 magnetometer som vist ved 12A, 12B, 12C, og 20A, 20B og 20C. Helst bør alle z-aksespolene 8C, 12C og 20C være i det vesentlige parallelle med instrumentaksen 14, men som i den første utførelsen er dette et spørsmål om å lette arbeidet for systemdesigneren og må ikke oppfattes som noen begrensning for oppfinnelsens omfang. I en foretrukket utføresle er alle x- og y-aksespoler 8A, 8B, 12A, 12B, 20A, 2 0C i plan som står perpendikulært på instrumentaksen 114. x-og y-akse-spolene for hvert individuelt magnetometer 8,12, 20 er typisk vinkelforskjøvet 90 grader fra hverandre. Helst skal x- og y-aksespolene være radielt forskjøvet ved en nominell kjent vinkel fra hverandre. Vinkelforskjellen for x-og y-akse-spolene for de forskjellige magnetometrene 8, 12, 2 0 kan bedre forstås i det vi henviser til figur 6. x-aksespolen 8A fra det første magnetometereet 8 er vist som adskilt ved vinkelen Oj fra x-akse-spolen 12A i det andre magnetometeret 12 og er vinkelforskjøvet fra x-aksespolen 2OA i det tredje magnetometeret 20 ved en vinkel ø2. Merk at på samme måte som i den første utførelsen av oppfinnelsen kan x-og y-akse-sensorspolene anordnes for å være i det vesentlige koplanare hvis systemdesigneren velger å bruke individuelle sensorspoler. Det er også akseptabelt å utelate den tredje z-akse-sensorspolen 2 0C fordi denne ville gi en overskytende måling av z-aksekomponenten av det totale (tilsynelatende) magnetfeltet. it is also possible to include several magnetometer sensor coils to the first embodiment of the invention at different angular deviations between them to be able to explicitly determine the effects of magnetic anomalies on the magnetometer measurements. Figure 5 shows an embodiment of the instrument 10 with three commercially available magnetometers 8, 12, 20. In the same way as in the first embodiment, each of the magnetometers 8, 12, 20 in this embodiment can comprise three mutually orthogonal sensor coils: x-axis coil 8A, y-axis coil 8B, and z-axis coil 8C for the first magnetometer 8. Respective x-axis, y-axis, and z-axis coils are provided for the second 12 and third 20 magnetometers as shown at 12A, 12B, 12C, and 20A, 20B and 20C. Ideally, all of the z-axis coils 8C, 12C and 20C should be substantially parallel to the instrument axis 14, but as in the first embodiment, this is a matter of ease for the system designer and should not be construed as limiting the scope of the invention. In a preferred embodiment, all x- and y-axis coils 8A, 8B, 12A, 12B, 20A, 20C are in a plane perpendicular to the instrument axis 114. The x- and y-axis coils for each individual magnetometer 8, 12, 20 are typically angularly offset by 90 degrees from each other. Ideally, the x- and y-axis coils should be radially offset by a nominal known angle from each other. The angle difference for the x- and y-axis coils of the different magnetometers 8, 12, 20 can be better understood by referring to Figure 6. The x-axis coil 8A from the first magnetometer 8 is shown as separated by the angle Oj from the x- axis coil 12A in the second magnetometer 12 and is angularly offset from the x-axis coil 2OA in the third magnetometer 20 by an angle ø2. Note that, similarly to the first embodiment of the invention, the x- and y-axis sensor coils can be arranged to be substantially coplanar if the system designer chooses to use individual sensor coils. It is also acceptable to omit the third z-axis sensor coil 2 0C because this would provide an excess measurement of the z-axis component of the total (apparent) magnetic field.
Hvis man tar i betraktning x- og y-akse-komponentmålingene som genereres av hvert magnetometer, representert ved det første, 8, det andre, 12, og det tredje, 20, magnetometer som Bxl, Byl, Bz2, By2, Bx3, By3, respektive, kan følgende løsning utledes for jordens iboende magnetf elt komponent er Bx0;By0, og x- og y-akse-awiks-komponent-størrelsene 6BXog 6By. På samme måte som for den første utførelsen av oppfinnelsen kan de aktuelle sensorspole-målingene for det første magnetometeret 8 defineres ved hjelp av det iboende magnetfeltet pluss avviket ("offset") slik: Considering the x- and y-axis component measurements generated by each magnetometer, represented by the first, 8, the second, 12, and the third, 20, magnetometers as Bxl, Byl, Bz2, By2, Bx3, By3 , respectively, the following solution can be derived for the earth's intrinsic magnetic field component is Bx0;By0, and the x- and y-axis awiks component magnitudes 6BX and 6By. In the same way as for the first embodiment of the invention, the relevant sensor coil measurements for the first magnetometer 8 can be defined using the inherent magnetic field plus the deviation ("offset") as follows:
med tilsvarende uttrykk som kan utledes for det andre 12 og det tredje 2 0 magnetometers sensorspoler. Summen av kvadratene av aksialkomponent-målingene av jordens magnetfelt er i det vesentlige konstant for alle tre magnetometrene som vist ved følgende ligning: og derfor fremkommer ved substitusjon av ligning (22) og dens tilsvarende motstykker for det andre 12 og tredje 2 0 magnetometer: with corresponding expressions that can be derived for the second 12 and the third 20 magnetometer sensor coils. The sum of the squares of the axial component measurements of the Earth's magnetic field is essentially constant for all three magnetometers as shown by the following equation: and therefore, by substitution of equation (22) and its corresponding counterparts for the second 12 and third 2 0 magnetometers, results:
Ved å definere variabler d og C2som følger: By defining variables d and C2 as follows:
Ved å substituere C1 og C2inn i ligning (24) kan man utlede løsninger for komponentstørrelsene for x- og y-akse anomalifeltet ("offset" eller avviket) som følger: og: By substituting C1 and C2 into equation (24), solutions for the component sizes for the x- and y-axis anomaly field ("offset" or deviation) can be derived as follows: and:
Awikskomponent-størrelsene kan subtraheres fra sensorspole-målingene for å fremskaffe de iboende (jordens) magnetfelt-komponenter. Etter å ha løst x- og y-akse -komponentene av det iboende magnetfeltet, kan z-akse-komponenten enkelt utledes fra ligningen for det magnetiske totalfelt som beskrevet ovenfor er kjent for alle plasser på jorden og kan bestemmes fra geomagnetiske undersøkelser som kjent innen faget. The random component magnitudes can be subtracted from the sensor coil measurements to provide the intrinsic (Earth's) magnetic field components. After solving for the x- and y-axis components of the intrinsic magnetic field, the z-axis component can be easily derived from the equation for the total magnetic field described above is known for all locations on Earth and can be determined from geomagnetic surveys as known in the art the subject.
Hvis systemdesigneren ønsker det kan fire eller flere magnetometre anvendes, hvor sensoraksene er adskilte ved en kjent vinkel. Ved å bruke fire magnetometre ville man kunne få tre ekstra løsninger av det iboende magnetfelt, noe som ville gi en praktisk forbedring av løsningen. Antall magnetometre er i praksis begrenset av plasshensyn i huset 16 og tilgjengelige plasser i telemetriformatet og minnet i SPU (6 i figur l). If the system designer wishes, four or more magnetometers can be used, where the sensor axes are separated by a known angle. By using four magnetometers, it would be possible to obtain three additional solutions of the inherent magnetic field, which would provide a practical improvement of the solution. The number of magnetometers is in practice limited by space considerations in the housing 16 and available spaces in the telemetry format and memory in the SPU (6 in figure l).
Utførelsene av oppfinnelsen som er avdekket her er kun ment som eksempler på oppfinnelsen. Fagfolk vil lett kunne tilveiebringe andre utførelser som allikevel ikke vil avvike fra oppfinnelsens idé. Oppfinnelsen skal derfor kun avgrenses av de vedlagte krav. The embodiments of the invention disclosed here are intended only as examples of the invention. Those skilled in the art will easily be able to provide other embodiments which will nevertheless not deviate from the idea of the invention. The invention must therefore only be limited by the attached claims.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US66434196A | 1996-06-14 | 1996-06-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO972699D0 NO972699D0 (en) | 1997-06-12 |
| NO972699L true NO972699L (en) | 1997-12-15 |
Family
ID=24665602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO972699A NO972699L (en) | 1996-06-14 | 1997-06-12 | Method and apparatus for determining the orientation of an instrument relative to the Earth's magnetic field |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| GB (1) | GB2314163A (en) |
| NO (1) | NO972699L (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6122538A (en) * | 1997-01-16 | 2000-09-19 | Acuson Corporation | Motion--Monitoring method and system for medical devices |
| GB9812006D0 (en) | 1998-06-05 | 1998-07-29 | Concept Systems Limited | Sensor apparatus |
| US20100010338A1 (en) * | 2008-07-08 | 2010-01-14 | Peter Van Dam | Implantable Medical Device Orientation Detection Utilizing an External Magnet and a 3D Accelerometer Sensor |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4761889A (en) * | 1984-05-09 | 1988-08-09 | Teleco Oilfield Services Inc. | Method for the detection and correction of magnetic interference in the surveying of boreholes |
| DK197185A (en) * | 1984-05-09 | 1985-11-10 | Teleco Oilfield Services Inc | METHOD OF DETECTING AND CORRECTING MAGNETIC INTERFERENCE IN CONTROL OF A BORROW HOLE |
| GB2241583A (en) * | 1990-03-03 | 1991-09-04 | Baroid Technology Inc | Determination of magnetic interference in a borehole |
-
1997
- 1997-05-09 GB GB9709488A patent/GB2314163A/en not_active Withdrawn
- 1997-06-12 NO NO972699A patent/NO972699L/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2314163A (en) | 1997-12-17 |
| GB9709488D0 (en) | 1997-07-02 |
| NO972699D0 (en) | 1997-06-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11619518B2 (en) | System and method of directional sensor calibration | |
| US10584575B2 (en) | Utilization of dynamic downhole surveying measurements | |
| US5512830A (en) | Measurement of vector components of static field perturbations for borehole location | |
| CA2509562C (en) | Determining a borehole azimuth from tool face measurements | |
| EP0615573B1 (en) | Method and apparatus for determining the orientation of the axis of a borehole. | |
| CA2455581C (en) | Downhole calibration system for directional sensors | |
| NO320927B1 (en) | Method and apparatus for directional painting during drilling of boreholes by means of a gyroscope rotatably mounted in paint assembly | |
| NO820063L (en) | DEVICE FOR BOREHOLE MEASUREMENT | |
| NO813568L (en) | APPARATUS AND PROCEDURES FOR Borehole Measurement | |
| US5960370A (en) | Method to determine local variations of the earth's magnetic field and location of the source thereof | |
| US20160091620A1 (en) | Triaxial accelerometer assembly and in-situ calibration method for improved geodetic and seismic measurements | |
| CN110849403B (en) | Calibration method of directional sensor | |
| CA2505292A1 (en) | Method for computation of differential azimuth from spaced-apart gravity component measurements | |
| CA2752618A1 (en) | Multi-station analysis of magnetic surveys | |
| NO312853B1 (en) | Procedure for correction of axial and transverse error components in magnetometer measurements in borehole investigations | |
| US8180571B2 (en) | Wellbore surveying | |
| US4999920A (en) | Surveying of boreholes | |
| Kabirzadeh et al. | Dynamic error analysis of measurement while drilling using variable geomagnetic in-field referencing | |
| GB2535525A (en) | Downhole tool for measuring accelerations | |
| NO972699L (en) | Method and apparatus for determining the orientation of an instrument relative to the Earth's magnetic field | |
| CN107589473B (en) | Method for eliminating orthogonal error of measurement while drilling sensor | |
| CN109356568A (en) | A kind of deviational survey exploring tube sensor scaling method | |
| GB2317454A (en) | Magnetic field measurement in a sub-surface wellpath | |
| Zaiko et al. | An inclinometer system for underground spatial orientation | |
| Milovzorov et al. | On Inclinometric Systems Hardware Complexing |