NO168964B - Fremgangsmaate for bestemmelse av et borehulls asimutvinkel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bestemmelse av asimutvinkelen i et borehull som bores i en grunn-formas jon under havets overflate.

Oppfinnelsen vedrører særlig en fremgangsmåte for

å bestemme og korrigere for påvirkningen fra forstyrrede magnetiske felter forårsaket av magnetisering av en borestreng, idet det foretas asimutvinkelmålinger ved hjelp av en magnetisk sensorenhet innsatt i borestrengen.

Under dypvanns-boreoperasjoner er det vanlig praksis fra tid til annen å overvåke retningen av borehullet ved hjelp av en sensorenhet som innsettes i borestrengen nær dennes nedre ende. Denne sensorenhet omfatter vanligvis et sett magnetometere som måler komponentene av den lokale magnetiske fluksvektor i dennes tre ortogonale retninger.

Siden retningen av jordens magnetiske feltvektor sammen med retningen av den lokale gravitasjonsvektor er passende refe-ranser når retningen av borehullet skal bestemmes, tas sikte på at de magnetiske feltmålinger som utføres av sensorenheten skal være en nøyaktig representasjon av jordens magnetiske felt.

Når orienteringen av sensorenheten måles i forhold til jordens magnetiske feltvektor mens borestrengen befinner seg i borehullet, kan forstyrrende magnetiske felter forårsaket av magnetisering av borestrengen gi en betydelig feil-måling når orienteringen skal fastsettes. For å redusere størrelsen av denne mulige feil så mye som mulig, er det vanlig praksis å anordne sensorenheten i en hylse i borestrengen, hvorved denne hylse lages av ikke-magentisk mate-riale. Dessuten anordnes denne hylse vanligvis i en del av borestrengen som omfatter en hel rekke slike umagnetiske hylser for derved å unngå at påvirkningen fra stålkomponen-tene i boreutstyret, såsom borehodet og rørene ovenfor hyl-sene gir, målbare bidrag til det magnetiske felt som omgir sensorenheten. Et problem som finnes når det benyttes umagnetiske borehylser, er at også disse hylser kan magne-tiseres under boreoperasjonen og da særlig når det finnes såkalte magnetiske punkter i hylsen nær sensorenheten, hvilket da vil redusere nøyaktigheten av asimutvinkelmålingen betydelig.

Det er kjent fra US-PS 4 163 324 delvis å eliminere den feil som oppstår ved asimutvinkelmålingen og som forårsakes av forstyrrende magnetiske felter i nærheten av sensorenheten, når dette felt hovedsakelig oppstår på grunn av magnetisering av borestrengen. I den kjente fremgangsmåte ifølge dette patentskrift, antas at vektoren for det forstyrrende magnetiske felt ved sensorenheten er orientert langs borehullets akse. Korreksjon av asimutvinkelmålingen ut fra dette aksiale magnetfelt bedrer generelt nøyaktigheten av asimutmålingene, men det finnes ingen korreksjon som tar hensyn til tverrgående eller radialt rettede magnetiske forstyrrende felter. Slike tverrgående felter kan stamme fra nærværet av magnetiske punkter eller stålkomponenter i boreutstyret.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å skaffe til veie en forbedret fremgangsmåte for asimutvinkelmålinger hvor feil som forårsakes av magnetisering i borestrengen blir under-trykt langt bedre enn med tidligere kjente metoder.

I samsvar med oppfinnelsen er det således skaffet til veie en fremgangsmåte for eliminering av påvirkningen av asimutmålinger i et borehull fra magnetfeltet fra en magneti-sert borestreng, idet den del av magnetfeltet som dannes av radialt rettede magnetiseringskomponenter søkes eliminert ved hjelp av i og for seg kjente metoder, hvor asimutmålingene utføres ved hjelp av en sensorenhet innsatt i borestrengen slik at enhetens sentrale lengdeakse hovedsakelig sammenfaller med borehullets egen, og hvor sensorenheten,omfatter minst ett magnetometer for måling av en radialt rettet komponent av den magnetiske fluksvektor B>m i sensorenhetens nærhet, idet frem-gangsmåten er kjennetegnet ved dreining av borestrengen med den innsatte sensorenhet i borehullet dg om dette og borestrengens lengdeakse mens de radialt rettede magnetiske fluksvektorkomponenter måles ved gitte vinkelstillinger av borestrengen, registrering av endringen av de radiale fluksvektorkomponenter under dreiningen, bestemmelse av borestrengens radialt rettede magnetiseringskomponenter ut fra de registrerte endringer, og korrigering av asimutmåleresultatene ved å trekke fra borestrengens således bestemte radialt rettede magnetiseringskomponenter.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter sensorenheten tre magnetometere for måling av komponentene

B , B og B i de tre innbyrdes ortogonale retninger x,y og z hvorved påvirkningen av de radialt rettede forstyrrende komponenter Mx og M yforårsaket av .magnetiseringen av borestrengen og overlagret det målte magnetiske felt, bestemmes ved plotting i et diagram med Bx som abscisse og B som ordinat, idet de målte radialt rettede komponenter Bx og B av den magnetiske fluksvektor måles ved forskjellige orienteringer av sensorenheten i borehullet. Hvis borestrengen dreies over en total vinkel på ca. 360°, kan en lukket sfærisk kurve trekkes i dia-

grammet gjennom de radialt rettede komponenter B og B som

x ■ y

måles, hvorved de tilsvarende radiale forstyrrende magnetiske komponenter M og M for borestrengens magnetiseringsvektor

-». ^ y

M kan bestemmes på basis av sentrum for den inntegnede kurve

i diagrammet.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere med henvisning til de ledsagende illustrasjoner, hvor fig. 1 er et skje-matisk perspektivriss av en borestreng som omfatter et treakset overvåkingsinstrument, fig. 2 er et diagram hvor det radialt rettede magnetiske felt målt av sensorer for radialfelter er innplottet under borestrengens dreining i borehullet, fig. 3 er et vektordiagram som illustrerer posisjonen av den målte magnetiske fluksvektor, i tillegg korrigert for magnetisering i radial retning av borestrengen, hvor posisjonen er gitt relativt til en kjegle definert av gravitasjonsvektoren og jordens magnetiske feltvektor, fig. 4 er et diagram hvor avstanden mellom grunnsirkelen for kjeglen og den korrigerte vektor beregnes for forskjellige antatte størrelser av magnetiseringen av borestrengen i aksial retning, fig. 5 viser en alternativ utførelse i henhold til oppfinnelsen, hvor sensorenheten omfatter ett enkelt magnetometer, og fig. 6 viser magnetometermålingene for sensoren på fig. 5 for ulike orienteringer av sensoren, oppnådd ved å dreie borestrengen.

På fig. 1 er vist et boreutstyr 1 som omfatter et borehode 2 koplet til den nedre ende av borestrengen 3.

Den nederste seksjon av borestrengen 3 omfatter to umagnetiske borehylser 4. I én av disse umagnetiske borehylser 4

er anordnet et treakset overvåkingsinstrument 5 som benyt-

tes for bestemmelse av asimutvinkelen og helningen av den sentrale akse z for borehylsen 4, hvorved denne akse er hovedsakelig koaksial med lengdeaksen av borehullet nær borehodet 2.

Overvåkingsinstrumehtet 5 omfatter tre akselerometere (ikke vist) innrettet for å måle gravitasjonskompo-nenter i tre innbyrdes ortogonale retninger x, y og z, og tre magnetometere (ikke vist) innrettet for måling av det magnetiske felt ved instrumentets posisjon og i de samme tre innbyrdes ortogonale retninger.

På fig. 1 er gravitasjonsvektoren g som måles med instrumentet 5 vist, denne vektor g utgjør vektorsummen

av de tre komponenter g , g og g målt av akselerometrene,

x y z

og vektoren Bm av den lokale magnetiske feltvektor som ut-gjøres av vektorsummen av de tre komponenter B , B og B

målt av magnetometrene i instrumentet 5. Som vist er vekto-

ren B orientert i en vinkel 9 i forhold til gravitasjons-

m m

vektoren g, og denne vinkel kan beregnes ut fra kjente mate-matiske formler.

På fig. 1 er også vist vektoren BQ for det sanne jordmagnetiske felt og helningsvinkelen BQ mellom denne vektor og gravitasjonsvektoren g. Størrelsen av vektoren BQ og retningen i forhold til gravitasjonsvektoren g kan bestemmes uavhengig av målingene i borehullet, eksempelvis fra målinger på yttersiden eller på innersiden av borehullet eller fra geomagnetiske kartleggingsdata.

Som det fremgår av fig. 1, samsvarer ikke målingene for den magnetiske feltvektor B^ med den sanne magnetiske feltvektor BQ. Dette skyldes det forstyrrende magnetiske felt M ved instrumentets posisjon, og dette felt for-åraskes hovedsakelig av nærværet av isolerte magnetiske punkter S i de umagnetiske borehylser 4 og av nærværet av stålkomponenter i boreutstyret 1. På fig. 1 er vektoren M dekomponert i en aksial komponent M og en tverrliggende radial vektor Mx^, hvilken i sin tur dannes som vektorsum-

men av komponentene M og M .

x y

I samsvar med oppfinnelsen elimineres påvirkningen

av det forstyrrende magnetiske felt M ved at den radiale vektor M blir bestemt først, deretter elimineres, ved hjelp av kjente metoder, påvirkningen fra den aksiale komponent Mz av det forstyrrende magnetiske felt.

å dreie boBreessttermemnegeln sen 36a0 v o diedn et raindisatrlue mvenektetot r 5 M ->■xsyamtskidjeig r <v>d<e>r<d>eier om den sentrale akse z mens målinger foretas kontinuerlig eller avbrutt for den magnetiske fluksvektor Bm i forskjellige stillinger for instrumentet 5 i forhold til sentralaksen z. Som illustrert på fig. 1, gir dreining over 360°

av boreutstyret i pilens retning en samtidig dreining av vektoren Mvv i samme dreieretning, og derved beskrives en sirkel C. Størrelsen og retningen av vektoren Mx^ bestemmes ut fra plotte-diagrammet vist på fig. 2, hvor de radiale komponenter Bx og B^ av det målte magnetiske felt B^ er inn-tegnet for de forskjellige orienteringer av instrumentet i forhold til sentralaksen z. I plotte-diagrammet ligger de målte verdier for B og B på en sirkel som ligger eksentrisk

X y -y

i forhold til sentrum (0,0) i diagrammet. Vektoren M bestemmes deretter på basis av bestemmelsen av sirkelsentrum 10 i forhold til diagrammets sentrum (0,0).

Nå innføres en vektor B i vektordiagrammet på fig.

1, og denne vektor B = B - M„ .

m_^ xy

Siden vektoren M kan uttrykkes av ligningen:

kan vektoren B uttrykkes ved ligningen Kaller vi nå komponentene B x - M for B A, 2v XC og får vi:

Ligning (1) gir korreksjon m.h.t.. påvirkningen av magnetiseringen i radial retning i borestrengen på det magnetiske felt som måles av overvåkningsinstrumentet 5.

Etter således å ha eliminert påvirkningen av denne magnetisering i radial retning (Mxy) i malingene utført av overvåkingsinstrumentet, kan påvirkningen av den aksiale forstyrrende komponent M korrigeres med en tilsvarende korreksjonsmetode som den beskrevet i det omtalte patentskrift US-PS 4 163 324.

Imidlertid er det foretrukket å korrigere overvåk-ingsmåleresultatene fra instrumentet 5 for aksiale magne tiserings-verdier i borestrengen ved hjelp av av en beregningsmetode som skal beskrives nedenfor og som henviser til fig. 3:

Størrelsen av vektoren B kan uttrykkes av:

og størrelsen av gravitasjonsvektoren g uttrykkes ved: som gir mulighet for å beregne en helningsvinkel 0 mellom vektorene B og g ved hjelp av formelen:

Vinkelen 9 er vist på fig. 1 og også på fig. 3

som er en tilsvarende, men forenklet representasjon av vektordiagrammet vist på fig. 1.

Bestemmelse av posisjonen for vektoren B i forhold o

-»■ -v

til vektoren B kompliseres ved det faktum at vektoren B kun defineres ved sin orientering ved en helningsvinkel Q rela-txvt gravitasjonsvektoren g. Dessuten er den eksakte stilling for den sanne magnetiske feltvektor BQ i forhold til aksene x, y og z fremdeles ukjent.Siden imidlertid den sanne magnetiske feltvektor B er orientert under en vinkel © i forhold til gravitasjonsvektoren g, innser man at vektoren BQ i vektordiagrammet på fig. 3 vil ligge på en kjegleflate 12 med hovedaksen sammenfallende med vektoren g og med en toppvinkel som er lik 2BQ. Vinkelen QQ er kjent, siden den har fremkommet uavhengig av målingene i borehullet.

Nå innføres, en avstand E i vektordiagrammet, og denne avstand E angir distansen mellom grunsirkelen 13 av kjegleflaten 12 og angrepspunktet for vektoren B.

Avstanden E er gitt av ligningen

Den verdi som her er funnet for E, innføres nå

i diagrammet på fig. 4, hvor B Ci er abscissen og E ordinaten.

Det neste trinn er å anta at aksialkomponenten Bz av det magnetiske felt målt åv instrumentet 5 kan variere i avhengighet av aksialkomponenten M zfor det forstyrrende magnetiske felt. Forskjellige antatte verdier for B zfast-legges, og for hver antatt verdi beregnes verdien for avstanden E ved hjelp av ligningene (2), (3), (4) og (5). Disse fremkomne verdier for E føres så inn i diagrammet på fig. 4, og det fremkommer derved en punktert kurve 14 hvor et mini-

mum 15 finnes ved en viss verdi B av B . Størrelsen av

zc z

den aksiale magnetiske komponent Mz for det forstyrrende felt kan nå bestemmes ut fra punktdiagrammet, siden denne størrelse tilsvarer avstanden mellom B z og B , da B=

B - M .

z z

Etter således å ha bestemt størrelsen B for den zc

aksiale komponent av det magnetiske felt ved instrumentets 5 posisjon, kan asimutvinkelen for borehullet beregnes på basis av i og for seg kjente formler, når det nå benyttes de korri-

gerte verdier B , B og B

3 xc yc zc

Man skal merke seg at sensorenheten innsettes i borestrengen på forskjellige måter. Enheten kan henges opp i borestrengen ved hjelp av wirer og låses til de umagnetiske seksjoner på en per se kjent måte, hvorved signalene som genereres av sensorene overføres til overflaten via kabelføring. Enheten kan også festes direkte til borestrengen eller bringes ned til en ønsket posisjon på innsiden av borestrengen, hvorved de genererte signaler enten overføres til overflaten via et trådløst telemetrisystem eller lagres i en lagringsenhet og deretter presses ut etter opptak av boreutstyret fra borehullet.

Dessuten foretrekkes det at det benyttes beregninger utført av én datamaskin i stedet for plotting av diagrammet vist på fig. 2 og 4, for å bestemme de korrigerte komponenter B , B og B for det magnetiske felt.

xc yc zc

Som det vil bli forklart med henvisning til fig.

5 og 6, kan også de korrigerte radiale komponenter B xcog ByC for det målte magnetiske felt oppnås i et hellende borehull med et overvåkingsinstrument som omfatter ett enkelt magnetometer. I det utførelseseksempel som er vist på fig. 5 omfatter overvåkingsinstrumentet ett enkelt magnetometer og to innbyrdes ortogonale akselerometere, hvor alle tre instrumenter er anordnet i et plan som ligger perpendiku-lært på borestrengens lengdeakse. Akselerometrene er orientert langs innbyrdes ortogonale akser x og y, og mag-netometeraksen m ligger parallelt med akselerometerets akse og x-aksen. Som illustrert på fig. 5i>: utgjør den magnetiske feltkomponent B som måles av magnetometeret summen av x-komponenten BQx for jordens magnetiske felt BQ og x-kompo-nenten M for det forstyrrende magnetfelt M forårsaket av magnetisering av selve borestrengen. Når borestrengen dreies i borehullet, vil magnetometeret, som har fast stilling i forhold til borestrengen, registrere et konstant magnetisk feltbidrag M for hver øvre vinkel 0 for gravitasjonen, bestemt av x-aksens og y-aksens akselerometere. I tillegg vil magnetometeret samtidig avlese et sinus-varierende magnetisk feltbidrag Bqx for jordens magnetiske feltvektor BQ. Når borestrengen dreies over 360° i forhold til lengdeaksen for det skrånede borehull, avleser magnetometeret, som vist på fig. 6, et sinus-varierende magnetisk felt med amplitude B xyc og 3 som ikke er forskjøvet i forhold til M mot den øvre vinkel 0 for gravitasjonen. For en gitt vinkelmessig orientering av borestrengen i borehullet og følgelig en gitt øvre gravitasjonsvinkel 0J,L , finnes B XCved korreksjon av avlesningen fra magnetometeret for den ikke forskjøvne Mx» B^c finnes deretter av diagrammet vist på fig. 6 ved korreksjon av avlesningen fra magnetometeret for den ikke forskjøvne Mx, og da ved en øvre gravitasjonsvinkel på 90° fra den gitte orientering for borestrengen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for eliminering av påvirkningen av asimutmålinger i et borehull fra magnetfeltet fra en magneti-sert borestreng, idet den del av magnetfeltet som dannes av radialt rettede magnetiseringskomponenter elimineres før de aksialt rettede magnetiseringskomponenter søkes eliminert ved hjelp av i og for seg kjente metoder, hvor asimutmålingené utføres ved hjelp av en sensorenhet innsatt i borestrengen slik at enhetens sentrale lengdeakse hovedsakelig sammenfaller med borehullets egen, og hvor sensorenheten omfatter minst ett magnetometer for måling av en radialt rettet komponent av den magnetiske fluksvektor Bm i sensorenhetens nærhet, KARAKTERISERT VED dreining av borestrengen med den innsatte sensorenhet i borehullet og om dette og borestrengens lengdeakse mens de radialt rettede magnetiske fluksvektorkomponehter måles ved gitte vinkelstillinger av borestrengen, registrering av endringen av de radiale fluksvektorkomponenter under dreiningen, bestemmelse av borestrengens radialt rettede magnetiseringskomponenter ut fra de registrerte endringer, og korrigering av asimutmåleresultatene ved å trekke fra borestrengens således bestemte radialt rettede magnetiseringskomponenter .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED bestemmelse av påvirkningen fra de radiale komponenter Mx og My av borestrengens magnetisering på det målte magnetiske felt, ved plotting i et diagram med Bx som abscisse og B^ som ordinat, ved at målingen av de radiale komponenter Bx og By av den magnetiske fluksvektor i borehullet utføres ved forskjellige stillinger av sensorenheten, idet denne omfatter tre magnetometere for måling av fluksvektorens Bm tre innbyrdes ortogonale komponenter Bx, By og Bz langs et rettvinklet koordinatsystems tre akser x, y og z.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED dreining av borestrengen om sin lengdeakse som sammenfaller med koordinatsystemets z-akse, over en vinkel på omkring 360°, inntegning av en lukket sfærisk kurve i et diagram for de radiale magnetflukskomponenter Bx og B^., slik at disse måles ved hver av sensorenhetens stillinger, og bestemmelse av de påvirkende, radialt rettede komponenter Mx og My som skyldes borestrengens magnetisering, representert ved en magnetiseringsvektor M, på grunnlag av posisjonen av sentrum av den inntegnede sfæriske kurve i diagrammet.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED subtraksjon av de radialt rettede påvirkende komponenter M x og M y fra de radialt rettede magnetflukskomponenter B og B , hvorved det fremkommer korrigerte radialt x y rettede magnetfluksverdier Bxc og Byc, og innføring av en vektor (B XC f B , B<Z>') korrigert for de radialt rettede komponenter'av borestrengens magnetisering, idet subtraksjonen kan set-tes opp som en formel:

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED, under forutsetning av at sensorenheten har gravitasjonssensorer for å bestemme de tre ortogonale komponenter g , g , g av den x y z lokale gravitasjonsvektor g", eliminering av den aksialt rettede påvirkning fra borestrengens magnetisering på asimut-vinkelmålingene ved å utføre følgende trinn: - beregning av gravitasjonsfeltstyrken g ut fra g = (g_x , 2 + g„ y 2 + g_ z2 )'3"■ /2, beregning av tallverdien B av den magnetiske fluksvektor 1!" korrigert for radialt rettet borestrengsmagnetisering ut fra B = (B xc 2 + B y c 2 + B z2)1/2, og deretter beregning av ett"helningsvinkel 0 mellom vektorene B* og g" ved: 0 = co<s>"<1> ((<B>xc<g>x + Bycgy + Bzgz)/Bg), fastleggelse av den sanne størrelse Bq for jordens magnetiske felt uavhengig av målingene i borehullet og helningsvinkelen 0Q mellom vektorene BQ og g", og fastleggelse i et vektordiagram av en kjegleflate med en hovedakse bestemt av gravitasjonsvektoren "g og beskrevet av Bq, idet kjegleflatens toppvinkel er lik 20 , o innføring av vektoren B som går gjennom kjegle flatens toppunkt og danner vinkelen 9 med kjegleflatens hovedakse og gravitasjonsvektoren g i samme vektordiagram, - innføring av en avstand E mellom vektoren IT og grunnsirkelen for kjegleflaten og beregnet ut fra formelen: E = (B<2> + B 2 - 2BB cos (6 - 6 ))<1/2 > o o o .beregning av E for forskjellige antatte verdier av Bz ut fra formlene for B, g, © og E, og deretter inntegning av disse beregnede verdier i et diagram hvor abscissen angir Bz og ordinaten E, idet de varierende verdier for E er beregnet for de forskjellige verdier av B z, bestemmelse i det inntegnede diagram av den minimale avstand E og fastleggelse av den verdi for B zsom tilsvarer denne avstand E, idet denne verdi, B , er den korrigerte z c aksialt rettede flukskomponent som måles av sensorenheten, hvorved asimutvinkelen for borehullet bestemmes på grunnlag av de korrigerte størrelser B , B , B • xc yc zc