DE3328722A1

DE3328722A1 - Bohrlochmessinstrument

Info

Publication number: DE3328722A1
Application number: DE3328722A
Authority: DE
Inventors: Rand Harley 98052 Redmond Wash. Hulsing II; Rex B. 98072 Woodinville Wash. Peters; Kurt E. 98006 Bellevue Wash. Steinke
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1982-08-09
Filing date: 1983-08-09
Publication date: 1984-02-16
Also published as: NL8302768A; AU3371984A; JPS5946879A; SE8304214D0; US4434654A; SE8304214L; GB2135449B; AU1751283A; GB2135449A; DE3328722C2; GB8403297D0; AU553276B2; AU6368786A; GB2135450A; GB2124758A; GB2124758B; FR2531482B1; CA1196494A; AU539669B2; GB2135450B

Description

Sundstrand Data Control, Inc. Redmond, Washington 98o52 V.St.A.

Bohrlochmeßinstrument

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrlochmeßinstrument mit einer verbesserten Einrichtung zur Bestimmung der Drehorientierung der Bohrlochsonde während ihrer Bewegung durch ein vertikales Bohrloch sowie auf ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Bohrlochazimuts.

Die vorliegende Anmeldung steht in Beziehung zu den US-Patentanmeldungen Serial-Nr. 200 096 von Liu und Serial-Nr. 224 789 von Hulsing.

Ein typisches Bohrlochmeßinstrument umfaßt ein Sondengehäuse, das an einem Kabel aufgehängt ist und durch das Bohrloch bewegt wird. Ein Neigungsmesser, der z. B. eine orthogonale Beschleunigungsmesser-Triade ist, erfaßt den Winkel der örtlichen Vertikalen relativ zu der Sonde. Die Sonde ist um ihre Längsachse frei drehbar, während sich durch das Bohrloch bewegt wird. Es ist erforderlich, die Sondenorientierung zu messen, um einen Bezugswert für die Neigungsmesser-Meßwerte zu erhalten, so daß das Bohrlochazimut bestimmt werden kann. Es ist bekannt, die Orientierung mit einem Kreiselinstrument oder einem Magnetometer zu messen. Beide

unterliegen Beschränkungen, die ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigen, die Genauigkeit verschlechtern und zu hohen Kosten beitragen.

Die beiden vorgenannten US-Patentanmeldungen zeigen Bohrlochmeß instumente, die mehrgliedrige Sonden zusammen mit Mitteln zur Bestimmung der inkrementellen Azimutänderungen während der Bewegung der Sonde durch das Bohrloch verwenden. Diese Instrumente machen zwar das Kreiselinstrument oder das Magnetometer überflüssig, sind jedoch mit anderen Nachteilen behaftet, z. B. einer großen Sondenlänge und einer Summierung des Meßfehlers, wodurch die Meßgenauigkeit verringert wird.

Das vorliegende Bohrlochmeßinstrument mißt die Sondenorientierung direkt unter Verwendung von polarisierter elektromagnetischer Strahlung und überträgt ein Orientierungssignal zur Oberfläche durch einen Leiter, der die Polarisationsachse des Signals aufrechterhält. Das Instrument eignet sich besonders zur Erzeugung eines Meßwerts der Sondenorientierung, während die Sonde einen vertikalen Bohrlochabschnitt durchläuft, wo die Orientierung mit einem Neigungsmesser nicht erfaßt werden kann.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Bohrlochmeßinstrument eine verbesserte Einrichtung zur Bestimmung der Sondenorientierung aufweist, umfassend eine polarisierte Lichtquelle in der Sonde, die einen polarisierten Lichtstrahl erzeugt, dessen Polarisationsachse quer zur Sondenlängsachse und in unveränderlicher Beziehung zur Sonde verläuft, sowie einen Lichtleiter, der das polarisierte Licht zur Oberfläche leitet, und eine Vorrichtung zur Erfassung der Polarisationsebene des vom Leiter empfangenen

Lichts. Insbesondere sind die Lichtquelle und ein Polarisationsfilter an der Sonde befestigt, und der Lichtleiter bildet einen Teil des Kabels, an dem die Sonde aufgehängt ist.

In weiterer Ausgestaltung.der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Erfassung der Polarisationsebene des empfangenen Lichts einen Lichtmeßfühler, ein zwischen den Lichtleiter und den Lichtmeßfühler geschaltetes Polarisationsfilter, eine Einheit zum Drehen des Filters, so daß dieses das auf den Lichtmeßfühler auftreffende Licht moduliert, sowie eine Einheit zur Bestimmung der Sondenorientierung aus dem Phasenwinkel des modulierten Lichts relativ zur Rotation des zweiten Polarisationsfilters aufweist.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung des Bohrlochazimuts aus aufeinanderfolgenden Neigungsmesser-Meßwerten.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bohrlochmeßeinrichtung eine durch das Bohrloch bewegbare Sonde, einen in der Sonde befindlichen Neigungsmesser, eine Einheit zur Ableitung eines ersten Meßwerts des Bohrlochazimuts mit hoher Genauigkeit in einem vertikalen Bohrloch und verringerter Genauigkeit in einem horizontalen Bohrloch, eine Einheit zur Ableitung eines zweiten Meßwerts des Bohrlochazimuts mit hoher Genauigkeit in einem horizontalen Bohrloch und verringerter Genauigkeit in einem vertikalen Bohrloch sowie eine Einheit zum Kombinieren der beiden Bohrlochazimut-Meßwerte nach Maßgabe der Bohrlochneigung umfaßt.

COPY

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Beschleunigungsmesser- und weitere Signale von der Sonde durch Amplitudenmodulation des polarisierten Lichtstrahls zur Erdoberfläche übertragen werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Einrichtung nach der Erfindung mit einem Schnitt durch ein Bohrloch, in das eine Sonde eingeführt ist;

Fig. 2 eine diagrammatische Teildarstellung der Sonde, wobei die polarisierte Lichtquelle und ein Neigungsmesser gezeigt sind;

Fig. 3 Diagramme, die die Erfassung der Winkellage und 4 der Sonde zeigen;

Fig. 5-7 geometrische Diagramme, die für die Beschreibung der Bestimmung des Bohrlochazimuts verwendet werden;

Fig. 8 ein Diagramm eines Bohrlochmeßinstruments mit Mitteln zur Ableitung und zum Kombinieren von zwei Meßwerten des Bohrlochazimuts; und

Fig. 9 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Übermittlung von Meßfühlerinformation zur Erdoberfläche durch Amplitudenmodulation des polarisierten Lichtstrahls.

Bei der Meßeinrichtung nach Fig. 1 ist an einem Kabel 21 eine Sonde 20 aufgehängt, so daß sie durch ein Bohrloch 22 bewegbar ist. Die Sonde 20 ist im Bohrloch durch geeignete Abstandselemente 23 zentriert, so daß die Sondenlängsachse im Bohrloch mittig verläuft und als mit der Bohrlochachse übereinstimmend bezeichnet werden kann. Die Sonde 20 kann

sich während der Bewegung durch das Bohrloch frei drehen. Das Kabel 21 läuft auf einer umlaufenden Scheibe ab, die ein Maß 1 für die Entfernung der Sonde in Bohrlochabwärtsrichtung liefert. Ein Kabelhebezeug zum Senken und Heben d,er Sonde 20 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Die Sonde 20 weist Mittel auf, die die Bohrlochneigung relativ zum Vertikal- oder Schwerkraftvektor an aufeinanderfolgenden Stellen längs dem Bohrloch messen. Wie noch ersichtlich wird, liefert diese Messung in einem geneigten Bohrloch ausreichende Information, um die Änderung des Bohrlochazimuts von einer Stelle zur nächsten zu bestimmen. Viele Bohrlöcher weisen einen vertikalen Abschnitt, insbesondere den Anfangsabschnitt unter der Erdoberfläche, auf. Die Orientierung der Sonde in einem vertikalen Bohrloch wird unter Anwendung der polarisierten Lichteinheit, die nachstehend erläutert wird, gemessen. Neigung und Orientierung der Sonde bezeichnende Signale werden zur Erdoberfläche durch das Kabel 21 übermittelt und einem Detektor 25 zugeführt. Das Ausgangssignal des Detektors wird wiederum einer Datenverarbeitungseinheit 26 zugeführt, die mit einer Tastatur/Sichtanzeige 27 verbunden ist, die für die Dateneingabe zu und Datenausgabe aus der Einrichtung dient.

Die für die Erfindung wesentlichen Elemente der Sonde sind schematisch in Fig. 2 gezeigt. Die Sonde hat ein Gehäuse 30, in dem ein Neigungsmesser 31 positioniert ist, der bevorzugt aus einer orthogonalen Beschleunigungsmesser-Triade 32, 33, 34 besteht, deren Empfindlichkeitsachsen mit X, Y bzw. Z bezeichnet sind. Die Z-Achse koinzidiert mit der Sondenlängsachse. Die X- und die Y-Achse definieren eine Ebene, die unter rechten Winkeln zur Z-Achse verläuft. Bevorzugt sind die Beschleunigungsmesser, die den örtlichen Schwer-

kraftvektor messen, servogeregelte Vorrichtungen. Ausgangs- '■

signale der Beschleunigungsmesser bezeichnen den Neigungs- j winkel des Bohrlochs relativ zur Vertikalen und bei einem

geneigten Bohrloch den Rotationswinkel der Sonde relativ zu i

einer Vertikalebene durch die Sondenachse. Zwei Beschleuni-

gungsmesser oder andere Winkelbeziehungen könnten ebenfalls verwendet werden, aber der gezeigte Neigungsmesser wird bevorzugt. j

Eine Lichtquelle 35 in Form einer Leuchtdiode ist am Oberende der Sonde 20 angeordnet. Ein Polarisationsfilter 36 ist im Gehäuse 30 festgelegt und polarisiert das Licht von der Lichtquelle 35 längs einer Achse, die zur Sondenlängsachse quer verläuft. Ein Lichtleiter 37 empfängt polarisiertes Licht vom Filter 36 und leitet es zur Oberfläche. Der Lichtleiter 37 kann in das Kabel 21 des Hebezeugs eingebaut sein. Das Ende 37a des Lichtleiters ist bevorzugt am Ende des Sondengehäuses 30 befestigt. Wenn jedoch durch die Rotation der Sonde 20 während der Bewegung durch das Bohrloch das Kabel 21 zu stark verdeht wird, können Kabel und Lichtleiter 37 über eine Kugellagerverbindung (nicht gezeigt) mit dem Sondengehäuse 30 verbunden werden.

Während sich die Sonde 20 um ihre Achse dreht, dreht sich die Polarisationsebene des Lichts der LED 35 mit der Sonde. Die durch das Filter 36 definierte Polarisationsebene wird weder durch die Reflexion von Licht beim Durchgang desselben durch den Lichtleiter 37 noch durch ein Verdrehen des Kabels 21 und des Lichtleiters wesentlich modifiziert. Infolgedessen bezeichnet die Polarisationsachse des an der Erdoberfläche erfaßten Lichts die Orientierung der Sonde um deren Längsachse.

Das an der Oberfläche durch den Lichtleiter 37 empfangene polarisierte Licht wird einem Lichtmeßfühler 40 zugeführt, der mit dem Detektor 25 verbunden ist. Zwischen den Lichtleiter und den Lichtmeßfühler 40 ist ein zweites Polarisationsfilter 41 geschaltet, das von einem Motor 42 drehgetrieben wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Bestimmung der Sondenorientierung aus dem polarisierten Licht. Bei umlaufendem Filter 41 hat das vom Lichtmeßfühler 40 empfangene Licht einen Höchstwert, wenn die Polarisationsachsen der Filter koinzident sind, und einen Niedrigstwert, wenn die Achsen um 90 zueinander versetzt sind. Die Kurven von Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die Amplitude des empfangenen Lichts bzw. des Meßfühlersignals als eine Funktion der Winkellage des Filters 41. In Fig. 3 ist die Polarisationsachse des Filters 36 mit derjenigen des Filters 41 bei 0 ausgerichtet. Signalhöchstwerte treten bei 0 und 180 auf. Signalniedrigstwerte treten für das Filter 41 bei 90° und 270° auf. In Fig. 4 ist die Sonde 20 um 90 zu ihrer Drehlage von Fig. 3 versetzt. Wenn die Filterscheibe 41 sich bei 0° befindet, hat die Signalamplitude ihren Niedrigstwert, und dieser Zustand wiederholt sich, wenn sich die Filterscheibe bei 180° befindet. Signalhöchstwerte treten bei 90° und 270° auf.

Bei der Bohrlochmessung wird die Sonde am Oberende des Bohrlochs 22 relativ zu einem bekannten Azimutwert orientiert. Die Winkelbeziehung zwischen dem Ausgangssignal des Meßfühlers 40 und dem umlaufenden Filter 41 wird aufgezeichnet. Während sich die Sonde durch das Bohrloch bewegt, wird die Drehlage der Sonde mit der Entfernung 1 der Sonde entlang dem Bohrloch korreliert. Es ist nur erforderlich,

ι - 14 -

daß die Winkelgeschwindigkeit des umlaufenden Filters 41 erheblich höher als die Winkelgeschwindigkeit der Sonde 20 : ist. I

Signale, die die Ausgangswerte des Meßfühlers 40 und die ; Winkellage der Filterscheibe 41 bezeichnen, werden dem | Detektor 25 zugeführt, der den Phasenwinkel des Signals in I bezug auf die Winkellage des Filters 41 erfaßt und die i Drehlage der Sonde 20 bestimmt. Die relative Differenz j zwischen Signalspitzen und Nulldurchgängen kann sich mit den j Systembedingungen ändern, aber der Phasenwinkel ändert sich nicht. Grundsätzlich ist das Signal eine einweggleichgerich- i tete Sinuskurve mit einer Vorgleichspannung. Der Detektor 25 ; umfaßt z. B. eine Datenverarbeitungseinheit, die an das j Detektorsignal eine Fourier-Kurvenanpassung anlegt. Der j Grundfrequenzanteil des Signals beträgt das Zweifache der Scheibenrota'tion. Variable Terme in der Fourier-Darstellung des Signals können vernachlässigt werden. Der Phasenwinkel des Signals identifiziert in spezieller Weise die Sondenorientierung.

Die Bestimmung der Sondenlage im Bohrloch aufgrund der Signale, die die Orientierung der Sonde um ihre Längsachse, die Entfernung im Bohrloch und die Orientierung der Sonde relativ zur Schwerkraft darstellen und vom Neigungsmesser 31 stammen, wird in Verbindung mit den Fig. 5, 6 und 7 erläutert. Nach Fig. 5 verläuft das Bohrloch 22 von der Erdoberfläche nach unten. Ein dreidimensionales Koordinatensystem N (Nord), E (Ost) und G (Schwerkraft) hat seinen Ursprung am Schnittpunkt des Bohrlochs mit der Erdoberfläche. Die lokale Fläche kann als eben angesehen werden. Wenn die Sonde 20 an einem Punkt i positioniert ist, mißt der Neigungsmesser 31 den Winkel ψ zwischen der quer verlaufenden Bezugsachse der

Sonde, d. h. der Polarisationsachse des Filters 36, und der Vertikalebene 45, die die Sondenlängsachse enthält. Der Winkel *ψ ist zwischen der Polarisationsachse des Filters (die auch als die quer verlaufende Bezugsachse der Sonde bezeichnet wird) und einer zur Sondenlängsachse senkrecht verlaufenden Geraden 46, die in der Vertikalebene 45 liegt, angegeben. Der Neigungswinkel I der Sonde und des Bohrlochs am Punkt i ist als der Winkel zwischen einer Verlängerung der Längsachse 47 der Sonde und der Vertikallinie 48 in der Ebene 45 gezeigt.

Der Schnittpunkt der Vertikalebene 45 mit der Erdoberfläche definiert eine Gerade 49, deren Orientierung das Azimut des Bohrlochs am Punkt i ist. Der Azimutwinkel A wird im Uhrzeigersinn von Nord gemessen, wobei die Erdoberfläche von oben gesehen wird.

Der Neigungswinkel I wird aus den Beschleunigungsmessersignalen des Neigungsmessers 31 errechnet. Ebenso wird an jeder Stelle, an der die Bohrlochachse nicht vertikal verläuft, der Winkel aus den Beschleunigungsmessersignalen errechnet. Wenn jedoch die Bohrlochachse vertikal verläuft, gibt es keine spezielle Vertikalebene, und der Winkel ψ ist nicht definiert. Ein typisches Bohrloch hat einen vertikalen Anfangsabschnitt, und beim Durchlaufen eines solchen Vertikalabschnitts wird der Detektor für die Erfassung der Drehorientierung durch polarisiertes Licht benutzt. Wie erwähnt, werden zu Beginn eines Meßvorgangs die Sondenorientierung und der Phasenwinkel des polarisierten Lichtsignals aufgezeichnet. Änderungen der Rotationsorientierung der Sonde während der Abwärtsbewegung durch einen vertikalen Bohrlochabschnitt werden aufgezeichnet. Wenn die Sonde den vertikalen Bohrlochabschnitt verläßt, ist ihre Orientierung bekannt und bildet die Basis für eine weitere Bestimmung des Bohrloch-Azimuts.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Winkel ψ aus den Beschleunigungsmessersignalen bestimmt wird. In der eingangs genannten US-Patentanmeldung von Liu ist angegeben, daß der Winkel ψ und das Bohrlochazimut miteinander in Beziehung stehen. Die Beziehung ist implizit in einer Serie von Matrixoperationen enthalten, aus denen eine Darstellung der Bohrloch-Bahnkurve abgeleitet wird. Eine explizite Angabe der Beziehung ist die Grundlage des Verfahrens der Bestimmung des Bohrlochazimuts entsprechend der hier angegebenen Einrichtung.

Fig. 7 zeigt zwei aufeinanderfolgende Bohrlochpunkte i und i+1, und es sei angenommen, daß der Bohrlochabschnitt zwischen den beiden Punkten eine ebene Kurve ist. Dies gilt bei einem Bohrloch nicht immer, ist jedoch eine annehmbare Näherung und kann so genau wie erwünscht gemacht werden, indem sehr kleine Entfernungen zwischen den Punkten gewählt werden. Die Ebene P. ist eine Vertikalebene, die die Längsachse der Sonde am Punkt i enthält. Die Ebene P. hat einen Azimutwinkel A., und die Neigung der Sonde am Punkt i ist I.. Die Ebene Ρ·₊₁ ist eine Vertikalebene, die die Längsachse der Sonde am Punkt i+1 enthält. Die Ebene R enthält die ebene Bohrlochkurve vom Punkt i zum Punkt

Der Vektor j ist ein Einheitsvektor im Koordinatensystem der Sonde, der ursprünglich mit der Ε-Achse des globalen Koordinatensystems ausgerichtet ist. Durch Anwendung des Verfahrens Eulerscher Winkel kann gezeigt werden, daß die Komponenten des Einheitsvektors j im globalen Koordinatensystem folgende sind:

N = -cosAcosIsin^-sinAcosif/ E = -sinAcosIsini^+cosAcosiJ; G = sinlsintf/

-V

In Fig. 7 ist der Einheitsvektor j an beiden Punkten i und i+1 gezeigt und um einen Winkel θ aus den jeweiligen Vertikalebenen P. und Ρ·₊ι gedreht, so daß die Vektoren senkrecht zu der Ebene der Bohrlochkurve an beiden Punkten verlaufen. Die beiden Einheitsvektoren haben dann die gleiche Richtung und somit die gleichen Komponenten im NEG-Koordinatensystem. Somit gilt:

-cosA_i+1cosI_i+1sine_i+1-sinA_i+1cose_i+1-E= -fiinA.cosl. sinö^+cosA.cosö. ^a

G = sinl.sine. =

Die Änderung des Azimut-Winkels vom Punkt i zum Punkt i+1 kann ausgedrückt werden als

Durch lineare Kombination der N- und Ε-Gleichungen sind zwei, neue Gleichungen, ausgedrückt als Δ., ableitbar:

cosA.cosI.sine.-sinA.coseί = cosl_i+1sin9_i+1

sinA.cosl.sine.+cosA.cose. = cosS.

XXX XX X*T" X

Ein Winkel Y^ ist wie folgt definiert:

^Ti i+l \ i+1 i

Die vorstehenden Gleichungen können mit der Gleichung für die G-Komponenten des Einheitsvektors kombiniert werden:

[cosl.sinl. -siny.]cosΔ.-χ χ <* Xx χ

[sinl .-SInL ₊ -COSY. ] sinA. = sinl.cosl.₊₁siny.

sinl.-sinl.₊^cosY.]cosA.

[cosl.sinl. .siny.]sinA. =

^* ■*■ COPY

si"nl. cosy.-sinl. .

Wenn man diese Gleichungen für sinA: und cosA. auflöst
und die eine durch die andere dividiert unter Erhalt von
tanA., erhält man die folgende Beziehung:

Δ. = A. . -A. = tan

(cosl.+cosl. ₊ .',

~(l+cosl.cosI.₊₁)cosy.

Somit kann die Änderung des Azimutwinkels zwischen aufeinanderfolgenden Punkten des Bohrlochs aus den Neigungsmesser-Meßwerten an den beiden Punkten bestimmt werden.

Wie vorstehend angegeben wurde, wird die Orientierung der
Sonde 20 direkt an der Erdoberfläche erfaßt. Dann wird die Sonde durch das Bohrloch abgelassen. Solange die Bohrlochachse vertikal ist, wird die Sondenorientierung um ihre
Längsachse unter Verwendung der polarisierten Lichteinrichtung gemessen. An dem Punkt, an dem das Bohrloch von der
Vertikalen abweicht, werden Änderungen des Azimuts durch
aufeinanderfolgende Berechnungen von .Δ. bestimmt, und der Azimutwinkel an jedem Punkt wird dadurch bestimmt, daß die Azimutwinkel-Inkremente addiert werden. Wenn die Sonde auf einen weiteren vertikalen Bohrlochabschnitt trifft, wird die Sondenorientierung um ihre Längsachse während des Durchlaufens des vertikalen Abschnitts durch die polarisierte
Lichteinrichtung bestimmt.

Unter der weiteren Annahme, daß die Bohrlochkurve zwischen Punkten glatt ist und daß die Punkte so gewählt sind, daß
sie sehr nahe beieinanderliegen, so daß ψ· — "ψ" · _{+ 1} ein
kleiner Winkel ist, und wenn

dann ist

Diese Beziehung ist nützlich, um sich das Verhalten der Meßeinrichtung vorzustellen, und ist in manchen Anwendungsfällen ausreichend genau für tatsächliche Messungen.

Die vorstehend erläuterte Einrichtung ist einfacher als die in der Anmeldung von Liu angegebene, und zwar insofern, als sie nur einen anstatt zwei Neigungsmesser verwendet und die Sonde ein einziges kompaktes Gehäuse ist anstatt zwei Gehäuse, die durch einen Verbindungsabschnitt verbunden sind, der zwar entlang der Bohrlochachse biegsam ist, jedoch einer Drehung zwischen den Gehäusen um die Bohrlochachse widersteht. Dies sind vom mechanischen Standpunkt bedeutende Unterschiede. Ein wichtigerer Unterschied liegt jedoch bei der hier angegebenen Einrichtung bzw. dem Verfahren in der Art der Ableitung des Bohrlochazimuts. Bei den vorgenannten bekannten Einrichtungen summieren sich Meßfehler, so daß die Genauigkeit der Messungen mit steigender Anzahl abnimmt. Bei der vorliegenden Einrichtung werden Fehler aufgehoben, so daß der Fehler in jeder Azimutmessung eine Funktion der Differenz zwischen dem ursprünglichen Azimut und dem letzten Meßwert ist. Es können zehntausende von Messungen bei der Vermessung eines Bohrlochs durchgeführt werden, so daß der Genauigkeitsunterschied der beiden Einrichtungen sehr bedeutsam ist.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist, daß die Genauigkeit der beiden bekannten Einrichtungen in vertikalen oder nahezu vertikalen Bohrlöchern abnimmt. Bei der vorliegenden Einrichtung kann die Messung des Anfangs-Azimuts vollkommen

genau sein, und die Polarisationslichteinrichtung zur Erfasung der Sondenrotation minimiert etwaige Fehler, die während des Durchgangs der Sonde durch ein vertikales Bohrloch eingeführt werden.

Die Genauigkeit der vorliegenden Einrichtung nimmt jedoch ab, wenn sich das Bohrloch der Horizontalen nähert, wobei cosl nach Null geht. Wenn ein Bohrloch mit einem Horizontalabschnitt vermessen werden soll, wird die Einrichtung von Fig. 1 mit dem Instrument von Hulsing (Serial-Nr. 224 789) gemäß Fig. 8 kombiniert. Dabei ist die Sonde 55 an einem Kabel 56 aufgehängt und in das Bohrloch 57 abgelassen. Die Sonde 55 umfaßt zwei Glieder 58, 59, die mittels einer biegsamen Kupplung 60 verbunden sind, wie sie in der genannten US-Patentanmeldung beschrieben ist. Das obere Sondenglied 58 enthält einen Neigungsmesser und eine polarisierte Lichtquelle entsprechend Fig. 2. Die biegsame Kupplung 60 weist Mittel zur Erzeugung von Signalen auf, wobei diese den Winkel zwischen den beiden Sondengliedern darstellen. Die verschiedenen Signale werden zur Erdoberfläche durch das Kabel 56 übertragen und an einen Empfänger/Detektor/Prozessor-Block 62 angelegt. Die Signale der Polarisationslichteinrichtung und des Neigungsmessers werden verarbeitet unter Erzeugung eines ersten Meßwerts für das Azimut A, der in einem vertikalen Bohrloch einen hohen Genauigkeitsgrad hat. Signale vom Neigungsmesser und von der Kupplung 60 werden verarbeitet unter Erzeugung eines zweiten Meßwerts für das Azimut A¹, der in einem horizontalen Bohrloch einen hohen Genauigkeitsgrad und in einem vertikalen Bohrloch einen weniger hohen Genauigkeitsgrad hat. Die Azimutsignale A und A¹ werden in einem Mittelungsglied 63 nach Maßgabe der Sondenneigung i kombiniert unter Erzeugung eines zusammengesetzten Azimutsignals A , wobei

A_=TTQ = Acosl+A¹ (1-cosI) .
a ve

Signale von den verschiedenen Meßfühlern in der Sonde werden zur Erdoberfläche bevorzugt in digitaler Form durch Amplitudenmodulation des polarisierten Lichtstrahls übermittelt. Die Einrichtung zur Durchführung dieses Vorgangs ist in Fig. 9 in Blockform gezeigt. Die verschiedenen Meßfühler, z. B. Beschleunigungsmesser 32, 33 und 34 sowie die Winkelmeßfühler der Kupplung 60 von Fig. 8 sind in einem Block 65 zusammengefaßt. Die Ausgangssignale der Meßfühler werden einzeln von einem Multiplexer ausgewählt und einer Analog-Digital-Umsetzung unterworfen, was in Block 66 stattfindet. Die seriellen Digitalsignale werden einer Lampe 35 zugeführt und modulieren die Intensität des Lichtstrahls. Das Signal vom Lichtmeßfühler 40 hat den bei 67 gezeigten Verlauf; in der Praxis kann allerdings die Folgefrequenz der Digitalsignale das Vielfache der gezeigten Folgefrequenz betragen. Das Signal vom Lichtmeßfühler 40 wird sowohl dem Sondenwinkel-Detektor 68 als auch einem Digitalsignal-Detektor 69 zugeführt. Die Ausgangssignale der Detektoren werden einer Datenverarbeitungseinheit 70 zugeführt. Wenn die relativen Amplituden des gleichgerichteten Sinussignals und der Digitalimpulse derart sind, daß die Digitalsignale beim Nulldurchgang des Analogsignals verlorengehen, kann die Digitalinformation nur während des Auftritts der Spitzen der Sinuswellen gelesen werden. In diesem Fall können die jeden Meßfühlerausgang bezeichnenden Digitalsignale wiederholt werden, um einen Verlust von Meßfühlerinformation zu vermeiden.

Lee

rseite

Claims

Ansprüche

V. BohrlochmeßInstrument mit einer an einem Kabel gehalterten Sonde zum Durchlaufen eines Bohrlochs, wobei die Sonde eine Längsachse hat und um diese während des Durchlaufens Bohrlochs drehbar ist, und mit einer Einrichtung zur

der Sondenorientierung um ihre Längsachse, ekennzeichnet durch eine in der Sonde (20) vorgesehene polarisierte elektromagnetische Strahlungsquelle (35, 36), die ein polarisiertes Signal erzeugt, dessen Polarisationsachse quer zur Sondenlängsachse und in unveränderlicher Beziehung zur Sonde verläuft;

einen Signalleiter (37), der das polarisierte Signal zur Erdoberfläche leitet; und

Glieder (40, 41, 42, 25) zur Erfassung der Polarisationsebene des vom Signalleiter (37) empfangenen Signals.
2. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die polarisierte Signalquelle eine Lichtquelle (35) und ein Polarisationsfilter (36), die an der Sonde (20) befestigt sind, umfaßt.

572-B01401-Schö

COPY.
3. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Signalleiter (37) ein Teil des Sondenkabels (21) ist.
4. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Glieder zur Erfassung der Polarisationsebene des empfangenen Lichts umfassen:

einen Lichtmeßfühler (40), ein zwischen dem Ende des Signalleiters (37) und dem Lichtmeßfühler (40) angeordnetes Polarisationsfilter (41), einen Motor (42), der das Filter (41) drehantreibt zur Modulation des auf den Lichtmeßfühler (40) auftreffenden Lichts, und ein Glied (25), das die Sondenorientierung aus dem Phasenwinkel des modulierten Lichts relativ zu der Rotation des letztgenannten Polarisationsfilters (41) bestimmt.
5. Bohrlochmeßsonde,
gekennzeic h η et durch ein Gehäuse (30), das durch das Bohrloch bewegbar ist, eine Längsachse hat und um diese willkürlich drehbar ist, während es das Bohrloch durchläuft; einen im Gehäuse (30) angeordneten Neigungsmesser (31); und

eine polarisierte elektromagnetische Strahlungsquelle (35, 36), die am Gehäuse (30) festgelegt ist und ein polarisiertes Signal erzeugt, dessen Polarisationsachse orthgonal zur Gehäuselängsachse verläuft, wobei die Polarisationsachse des Signals ein Maß für die Gehäuseorientierung als Bezugswert für den Neigungsmesser (31) liefert.
6. Bohrlochmeßsonde nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

ein Organ (37), das das polarisierte Signal unter Aufrechterhaltung von dessen Polarisationsachse zur Erdoberfläche überträgt.
7. Bohrlochmeßsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die polarisierte elektromagnetische Strahlungsquelle eine Lichtquelle (35) und ein Polarisationsfilter (36), die am Gehäuse (30) befestigt sind, umfaßt, und daß der Signalleiter ein Lichtleiter (37) ist.
8. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

wenigstens einen Meßfühler (65) in der Sonde (55), dessen Ausgangssignal einen erfaßten Zustand bezeichnet; eine Einheit (35), die die Intensität des Lichtstrahls nach Maßgabe des Ausgangssignals des Meßfühlers moduliert;

Glieder (68, 69), die die Intensitätsmodulation des vom Lichtleiter empfangenen Lichtstrahls erfassen.
9. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das Ausgangssignal des Meßfühlers ein Analogsignal ist, wobei das Instrument einen Analog-Digital-Umsetzer (66), der auf das Analogsignal anspricht, sowie Mittel zur Amplitudenmodulation der Intensität des Lichtstrahls nach Maßgabe des digitalen Meßfühlersignals aufweist.
10. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch

eine Mehrzahl Meßfühler (65) sowie einen Multiplexer (66), der die Intensität des Lichtstrahls nach Maßgabe von sequentiell ausgewählten Meßfühler-Ausgangssignalen moduliert.
11. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausgangssignale der Meßfühler (65) Analogsignale sind und daß das Instrument einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist, der auf die sequentiell von dem Multiplexer ausgewählten analogen Meßfühler-Ausgangssignale anspricht.
12. Bohrlochmeßinstrument,
gekennzeichnet durch eine durch das Bohrloch bewegbare Bohrlochsonde (55); einen Neigungsmeßfühler in der Sonde (55); eine mit dem Meßfühler gekoppelte Einheit (62), die einen ersten Meßwert des Bohrloch-Azimuts mit hoher Genauigkeit in einem vertikalen Bohrloch und mit geringerer Genauigkeit in einem horizontalen Bohrloch ableitet;

-. eine mit dem Meßfühler gekoppelte Einheit, die einen zweiten Meßwert des Bohrloch-Azimuts mit hoher Genauigkeit in einem horizontalen Bohrloch und mit geringerer Genauigkeit in einem vertikalen Bohrloch ableitet; und

- eine Einheit (63), in der der erste und der zweite ■

Bohrlochazimut-Meßwert nach Mäßgabe der Bohrlochneigung | kombiniert werden.
13. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einheit zur Ableitung des ersten Bohrlochazimut-Meß- ^; werts Mittel zur Messung der Drehorientierung der Sonde (55) im Bohrloch umfaßt.
14. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einheit zur Ableitung des zweiten Bohrlochazimut-Meßwerts zwei flexibel (60) miteinander gekoppelte Sondenabschnitte (58, 59) sowie ein Element zur Messung des Winkels zwischen diesen Sondenabschnitten umfaßt.
15. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einheit, in der die beiden Bohrlochazimut-Meßwerte kombinierbar sind, einen Mittelwert der beiden nach Maßgabe der Bohrlochneigung gewichteten Meßwerte bildet.
16. Verfahren zum Bestimmen der Differenz des Bohrlochazimuts an aufeinanderfolgenden Punkten längs dem Bohrloch, gekennzeichnet durch Bewegen einer einen Neigungsmesser enthaltenden Sonde durch das Bohrloch;

Messen des Neigungswinkels zwischen der Schwerkraft und der Bohrlochachse an den aufeinanderfolgenden Punkten; Messen des Winkels zwischen der Schwerkraft und einer quer zur Bohrlochachse verlaufenden Sondenbezugsachse an den aufeinanderfolgenden Punkten; und Errechnen der Differenz des Bohrlochazimuts zwischen den aufeinanderfolgenden Punkten aus den vier Winkelmeßwerten.
17. Verfahren nach Anspruch 16 zur Bestimmung der Differenz Δ. des Bohrlochazimuts zwischen aufeinanderfolgenden Punkten i und i+1 längs dem Bohrloch entsprechend dem folgenden Ausdruck:

Δ. = tan

-1

mit I₁

Neigungswinkel der Bohrlochachse

am Punkt i;

Neigungswinkel der Bohrlochachse am Punkt

der Winkel zwischen der Schwerkraft und der Sondenbezugsachse am Punkt i; und der Winkel zwischen der Schwerkraft und der Sondenbezugsachse am Punkt i+1.