NO972699L - Fremgangsmåte og apparat for å bestemme et instruments orientering i forhold til jordens magnetfelt - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat for å korrigere geomagnetiske oppmålinger for tilstedeværende magnetiske anomalier i instrumenthuset.

Oppfinnelsens bakgrunn.

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

orienteringsinstrumentet.

Beskrivelse av kjent teknikk.

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.

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.

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).

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.

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.

Sammenfatning av oppfinnelsen.

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.

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.

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.

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.

Kortfattet figurbeskrivelse.

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.

Beskrivelse av den foretrukne utførelse.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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:

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:

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.

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:

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:

Lignende ligninger kan lett utledes for signalene aom genereres ved sensorspolene 12A, 12B, 12C i det andre magnetometeret 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

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.

X- og y-akse-sensorspole-målingene som i virkeligheten er gjort ved hvert magnetometer 8, 12 kan, som ovenfor forklart, representeres ved følgende uttrykk:

Ved substitusjon av forholdene i ligning (5) kan følgende uttrykk utledes:

Ligning (7) kan omdannes til å danne et forhold mellom x- og y-aksial-komponentene av det magnetiske anomalifeltet som vist heri -.

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:

Fordi z-akse-spolene foretrekkes motsatt i polaritet, er forskjellen i deres signalstørrelse, representert ved Abz, som kan uttrykkes ved følgende ligning:

Ligning (15) kan omskrives som: og ligning (16) kan forenkles videre til følgende uttrykk:

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:

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:

Bz0kan tilnærmes ved følgende uttrykk som omfatter de tidligere beskrevne målinger av jordens gravitasjon:

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.

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).

Beskrivelse av en alternativ utførelse:

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.

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:

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:

Ved å definere variabler d og C2som følger:

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:

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.

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).

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.

Claims (15)

1. Apparat for å bestemme orientering av et instrument med hensyn til jordens magnetfelt, karakterisert ved magnetometre som hvert omfatter sensorspoler, der hver av sensorspolene har en følsom akseretning adskilt ved en kjent vinkel fra den følsomme akseretning til hver av de andre sensorspolene, slik at en retning av et tilsynelatende magnetfelt kan bestemmes med hensyn til instrumentet, der magnetfeltet omfatter jordens magnetfelt og interferens fra magnetiske anomalier; en flerhet av akselerometre som hver har en følsom akseretning adskilt med en kjent vinkel fra den følsomme akseretning til hvert av de andre akselerometre slik at en retning til jordens gravitasjon kan bestemmes; og midler for å beregne størrelsen til komponentene av de magnetiske anomaliene fra målinger gjort ved sensorspolene og akselerometrene, slik at retningen til jordens magnetfelt kan bli bestemt ved å subtrahere komponentene av det tilsynelatende magnetfelt fra retningsmessig tilsvarende komponenter av jordens magnetfelt.

2. Apparat ifølge krav 1, videre karakterisert ved midler for å beregne orienteringen av instrumentet med hensyn til jordens gravitasjon og magnetfelt fra målinger av akselerometrene og komponentene av jordens magnetfelt bestemt ved midlene for beregning.

3. Apparat ifølge krav en, karakterisert ved at aksen av en utvalgt av sensorspolene fra hver av magnetometrene er posisjonert i det vesentlige parallell til en akse i instrumentet, og sensoraksen av et første av de utvalgte sensorspoler er posisjonert i motsatt polaritet til en annen av de utvalgte sensorspoler

4. Apparat ifølge krav 3 karakterisert ved at sensoraksen i sensorspolene i hvert enkelt magnetometer er i det vesentlige gjensidig ortogonale.

5. Apparat ifølge krav 4 karakterisert ved at i samsvarende sensorer i sensorspolene i hvert av magnetometrene ligger i plan i det vesentlige perpendikulært på aksen i instrumentet, og sensoraksen av de samsvarende sensorspoler er adskilt fra hverandre ved den kjente vinkel.

6. Apparat ifølge krav 1 karakterisert ved at sensoraksene i akselerometrene er i det vesentlige gjensidig ortogonale.

7. Apparat for bestemmelse av orienteringen til et instrument med hensyn til jordens magnetfelt, karakterisert ved at det omfatter minst to magnetometre som hver har tre gjensidig ortogonale sensorakser for å bestemme komponentstørrelsene av et tilsynelatende magnetfelt, hvor det tilsynelatende magnetfelt omfatter jordens magnetfelt og et anomalifelt, hvor hver av sensorspolene i hvert magnetometer har en sensorakse adskilt ved en kjent vinkel fra sensoraksene i sensorspolene i de andre magnetometrene; og midler for å beregne størrelsen og retningen av det magnetiske anomalifelt fra målinger av sensorspolene for å beregne størrelsen og retningen av jordens magnetfelt.

8. Apparat ifølge krav 7 karakterisert ved at sensoraksen av den utvalgte av sensorspolene fra hver enkelt av magnetometrene er i det vesentlige parallell med en akse i instrumentet.

9 Apparat ifølge krav 8 karakterisert ved at sensoraksene i samsvarende sensorspolene i hver av magnetometrene ligger i plan som er i det vesentlige perpendikulære til en akse i instrumentet, og sensoraksen i de samsvarende sensorspoler er adskilte fra hverandre ved den kjente vinkel.

10. Fremgangsmåte for å bestemme orienteringen av et instrument med hensyn til jordens magnetfelt karakterisert ved måling av komponentene av et tilsynelatende magnetfelt i det vesentlige parallell med en akse i instrumentet, hvor det tilsynelatende magnetfelt omfatter jordens magnetfelt og et magnetfelt indusert av magnetiske anomalier; måling av komponenter av det tilsynelatende magnetfelt i en flerhet av radielt adskilte retninger i plan i det vesentlige perpendikulært på aksen i instrumentet, hvor de radielt adskilte retninger er adskilt ved kjente vinkler; bestemmelse av en retning av jordens gravitasjon med hensyn-til instrumentet; bestemmelse av den totale størrelsen og fallretningen til jordens magnetfelt; og beregning av størrelsene av retningskomponenter av magnetfeltet indusert av de magnetiske anomaliene ved å kombinere målingene av komponentene av det tilsynelatende magnetfelt, retningen av gravitasjonen og den totale størrelse og fallvinkel av jordens magnetfelt, og dermed muligjøres beregning av størrelser av retningskomponenter av jordens magnetfelt med hensyn til orienteringen av instrumentet.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10 karakterisert ved at trinnet med å bestemme retningen av gravitasjonen inkluderer måling av akselerasjonen i gjensidig ortogonale retninger og å løse retningen av gravitasjonen.

12. Fremgangsmåten ifølge krav 10 karakterisert ved at den totale størrelse og fallretning av jordens magnetfelt er fremskaffet ved en geomagnetisk oppmålingsundersøkelse.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10 hvor trinnet for å måle komponentene av det tilsynelatende magnetfelt i det vesentlige parallelt med aksen og i planet er karakterisert ved måling av styrken av det tilsynelatende magnetfelt i gjensidig ortogonale retninger på en første lokalitet, hvor en av retningene er i det vesentlige parallell med aksen av instrumentet; måling av styrken av det tilsynelatende magnetfelt i gjensidig ortogonale retninger på en andre lokalitet, hvor en av retningene er i det vesentlige parallell med aksen av instrumentet og har motsatt polaritet til den ene retning på den første lokalitet; og de gjensidig ortogonale retninger som ligger i planet på den første lokalitet, er adskilt fra de gjensidig ortogonale retninger som ligger i planet på den andre lokalitet med en kjent vinkel.

14. Fremgangsmåte for å bestemme orienteringen av et instrument med hensyn til jordens magnetfelt karakterisert ved måling av komponentene av et tilsynelatende magnetfelt i det vesentlige parallell med en akse i instrumentet, hvor det tilsynelatende magnetfelt omfatter jordens magnetfelt og et magnetfelt indusert av magnetiske anomalier; måling av komponenter av det tilsynelatende magnetfelt i radielt adskilte retninger i plan i det vesentlige perpendikulært til aksen i instrumentet, hvor de adskilte retninger er adskilt ved kjente vinkler, der trinnet for å måle komponentene i planet omfatter minst tre par akser, der de tre par akser er adskilt fra hverandre med kjente vinkler; og beregning av størrelsene av retningskomponentene til magnetfeltet indusert av de magnetiske anomaliene ved kombinering av målingene av komponentene av det tilsynelatende magnetfelt i det vesentlige parallell med aksen i instrumentet og i planet, og dermed muliggjøre beregning av retningskomponenter av jordens magnetfelt med hensyn til instrumentet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at trinnet med å måle komponentene liggende i planet som inneholder aksene innenfor hvert par av aksene som er ortogonale til hverandre, der parene er adskilt fra hverandre ved kjente vinkler.