DE2756219A1

DE2756219A1 - Borehole direction measuring device - having single-degree-of-freedom gyro and gravity sensors to give inclination and azimuth

Info

Publication number: DE2756219A1
Application number: DE19772756219
Authority: DE
Inventors: Michael King Russell
Original assignee: RUSSELL ANTHONY WILLIAM; RUSSELL MICHAEL KING
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1977-12-16
Filing date: 1977-12-16
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2756219C2

Abstract

A bore-hole direction measuring instrument has a gyro rotor mounted in a pair of gimbals to form a single degree of freedom gyro, a pick-up and torquer sensing and cancelling relative movement between the gimbals. A resolver measures the rotation of the torquer relative to the instrument casing and a gravity sensor unit measures gravity components along the axes. To survey a borehole, the pick-up and torquer continually operate to eliminate the relative rotation of the two gimbals and at a series of stations gravity components are sensed in three orthogonal directions relative to the outer gimbal. From these measurements the borehole inclination and azimuth are calculated for each station. The use of a single-degree of freedom gyro simplifies instrument design and makes gimbal bearing friction less critical.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen Method and device for measuring

der Richtung eines Bohrloches Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Richtung eines Bohrloches gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 5. the direction of a borehole The invention relates to a method and a device for measuring the direction of a borehole according to the preamble of claim 1 or claim 5.

Bei der Bestimmung der Orientierung eines Bohrloches wird dessen Richtung entweder ständig oder bei einer Mehrzahl von Beobachtungsstationen in Bohrlochlängsrichtung gemessen.When determining the orientation of a borehole, its direction is determined either continuously or at a plurality of observation stations in the longitudinal direction of the borehole measured.

Die Überwachung der räumlichen Orientierung des Verlaufs eines Bohrloches wird üblicherweise aus einem Satz von Meßwerten für einen Azimuthwinkel und einen Elevationswinkel ermittelt.The monitoring of the spatial orientation of the course of a borehole is usually made up of a set of measured values for an azimuth angle and a Elevation angle determined.

Messungen, aus denen Werte für diese beide Winkel abgeleitet werden können, werden bei aufeinanderfolgenden Beobachtungsstationen längs des Bohrloches gemacht, wobei die Abstände zwischen benachbarten Überwachungsstationen genau bekannt sind.Measurements from which values for these two angles are derived can be used at successive observation stations along the borehole made, whereby the distances between neighboring monitoring stations are known exactly are.

Hat man mit einem Bohrloch zu tun, bei dem das Magnetfeld der Erde durch die Gegenwart des Bohrloches nicht geändert wird, so können die Messungen der Schwerkraftkomponenten und der Magnetfelder in Richtung der gehäusefesten Achsen dazu verwendet werden, Werte für den Azimuthwinkel und den Elevationswinkel abzuleiten. Der Azimuthwinkel wird dabei bezüglich eines erdfesten~ma Vergleichsnormals gemessen, z.B. bezüglich der magnetischen Nordrichtung. Es kommen jedoch auch Fälle vor, bei denen das magnetische Erdfeld durch die lokal angetroffenen Zustände in einem Bohrloch geändert werden. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn das Bohrloch mit einer Verkleidung aus Stahl abgestützt wird. In diesem Falle können zur Bestimmung eines Azimuthwinkels bezüglich eines erdfesten Vergleichsnormals keine Magnetfeldmessungen mehr verwendet werden. In diesem Falle müssen einen Kreisel enthaltende Geräte verwendet werden.You have to do with a borehole in which the magnetic field of the earth is not changed by the presence of the borehole, so the measurements of the gravitational components and the magnetic fields in the direction of the axes fixed to the housing can be used to derive values for the azimuth angle and the elevation angle. The azimuth angle is measured with reference to an earth-fixed ~ ma comparison standard, e.g. regarding magnetic north. However, there are also coming Cases in which the earth's magnetic field is affected by the locally encountered conditions can be changed in a borehole. This is the case, for example, when the borehole is supported with a cladding made of steel. In this case you can use the determination of an azimuth angle with respect to a reference standard fixed on the earth, no magnetic field measurements be used more. In this case, equipment containing a gyro must be used will.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, einen Kreiselkompaß zu verwenden, bei dem die Kreiselachse beim offenen Ende des Bohrloches auf eine erdfeste Bezugslinie eingestellt wird und - soweit dies möglich ist - im Inertialraum stationär gehalten wird. Dieses Verfahren hat jedoch viele Nachteile, die zum größten Teil darauf zurückzuführen sind, daß man ein derartiges Überwachungsgerät so auslegen muß, daß es innerhalb eines schmales Bohrlochrohres arbeiten kann. Die Größe des Kreiselrotors, der mit transversal zum Rohr verlaufender Achse angeordnet werden muß, ist sehr stark begrenzt. Damit ist es in der Praxis sehr schwierig, zufriedenstellende Driftgeschwindigkeiten der Präzessionsbewegung zu erhalten, da die Reibung in den Lagern der Lagerbügel sehr klein sein muß, um einen Ausgleich für die fehlende Trägheit des Kreiselspins zu erhalten.It has also been suggested to use a gyro compass in which the gyro axis at the open end of the borehole on a fixed reference line is set and - as far as possible - held stationary in the inertial space will. However, this method has many drawbacks, for the most part due to it are that such a monitoring device must be designed so that it is within a narrow borehole pipe can work. The size of the gyro rotor that goes with must be arranged transversely to the pipe axis is very limited. It is therefore very difficult in practice to achieve satisfactory drift speeds to get the precession motion, because the friction in the bearings of the bearing bracket must be very small in order to compensate for the lack of inertia of the gyro spin to obtain.

Wird ein derartiges Überwachungsgerät verwendet, so treten auch die üblichen Probleme bei der Wahl der Geometrie für die Lagerbügel auf.If such a monitoring device is used, the common problems with the choice of geometry for the bearing bracket.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird einç;Vorrichtung zum Messen der Richtung eines Bohrloches geschaffen mit einem Gehäuse, dessen Längsachse im Einsatz mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, die gekennzeichnet ist durch einen einen Freiheitsgrad aufweisenden Kreisel mit einem äußeren Lagerbügel, der im Gehäuse so angeordnet ist, daß seine Achse mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt, mit einem inneren Lagerbügel, der in dem äußeren Lagerbügel so angeordnet ist,daß seine Achse senkrecht auf der Achse des äußeren Lagerbügels steht, und mit einem in dem inneren Lagerbügel angeordneten Rotor; durch einen Fühler zum Bestimmen der Winkelbewegung des inneren Lagerbügels bezüglich des äußeren Lagerbügels; durch einen Antrieb zum Ausüben eines Drehmomentes auf den äußeren Lagerbügel und zum Drehen desselben um seine Achse, derart, daß der innere Lagerbügel durch Präzession in seine Ausgangslage zurückkehrt; durch eine Einrichtung zum Messen des Drehwinkels des Gehäuses um seine Längsachse bezüglich des äußeren Lagerbügels; und durch eine Schwerkraftfühleranordnung, welche die drei Komponenten der Schwerkraft in drei nichtkoplanaren Richtungen mißt.In accordance with one aspect of the present invention, there is provided an apparatus to the Measuring the direction of a borehole created with a housing whose longitudinal axis coincides in use with the axis of the borehole, which is indicated by a gyro having a degree of freedom with an outer bearing bracket, the is arranged in the housing so that its axis coincides with the longitudinal axis of the housing, with an inner bearing bracket which is arranged in the outer bearing bracket so that its axis is perpendicular to the axis of the outer bearing bracket, and with a rotor arranged in the inner bearing bracket; through a feeler to determine the Angular movement of the inner bearing bracket with respect to the outer bearing bracket; by a drive for exerting a torque on the outer bearing bracket and for Rotate the same about its axis, so that the inner bearing bracket by precession returns to its original position; by a device for measuring the angle of rotation the housing about its longitudinal axis with respect to the outer bearing bracket; and by one Gravity sensor assembly which divides the three components of gravity into three measures non-coplanar directions.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein angegeben Verfahren zum Überwachen eines Bohrloches, bei dem ein Überwachungsgerät längs des Bohrloches bewegt wird, das ein Gehäuse aufweist, dessen Längsachse mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Überwachungsgerät einen einen Freiheitsgrad aufweisenden Kreisel hat, der seinerseits aufweist: Einen äußeren Lagerbügel, der so im Gehäuse des Überwachungsgerätes angeordnet ist, daß seine Achse mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt, einen inneren Lagerbügel, der im äußeren Lagerbügel so angeordnet ist, daß seine Achse senkrecht auf der Achse des äußeren Lagerbügels steht, und einen Kreiselrotor, der im inneren Lagerbügel angeordnet ist; daß die Winkelbewegung des inneren Lagerbügels bezüglich des äußeren Lagerbügels ständig gemessen wird, während das Oberwachungsgerät längs des Bohrlochs bewegt wird und auf den äußeren Lagerbügel ein Drehmoment ausgeübt wird, so daß dieser um seine Achse gedreht wird, derart, daß der innere Lagerbügel durch Präzession wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt; Ermitteln eines Satzes von drei Schwerkraftkomponenten in drei nichikoplanaren Richtungen bezüglich des äußeren Lagerbügels bei einer jeden einer Reihe von Beobachtungsstationen, die längs des Bohrloches in Abstand angeordnet sind; Berechnen des Elevationswinkels des Bohrloches und des nicht umlaufenden hochseitigen Winkels des Überwachungsgerätes bezüglich einer Referenzrichtung, die nicht um die Längsachse des Gerätes umläuft, wenn dieses längs des Bohrloches zu einer jeden der Beobachtungsstationen bewegt wird aus den gemessenen Schwerkraftkomponenten bei einer jeden der Überwachungsstationen; und Berechnen des Azimuthwinkels des Bohrloches bei einer jeden der Überwachungsstationen aus dem Elevationswinkel und dem nicht umlaufenden hochseitigen Winkel.According to a further aspect of the present invention, a is provided A method of monitoring a borehole in which a monitoring device is installed along the Borehole is moved, which has a housing, the longitudinal axis of which with the axis of the borehole coincides, which is characterized in that the monitoring device has a top having one degree of freedom, which in turn has: One outer bearing bracket which is arranged in the housing of the monitoring device that his Axis coincides with the longitudinal axis of the housing, a inner bearing bracket, which is arranged in the outer bearing bracket so that its axis is perpendicular to the axis of the outer bearing bracket, and a gyro rotor, the is arranged in the inner bearing bracket; that the angular movement of the inner bearing bracket with respect to the outer bearing bracket is constantly measured while the monitoring device is moved along the borehole and exerted a torque on the outer bearing bracket is so that it is rotated about its axis, such that the inner bearing bracket returns to its original position by precession; Find a sentence of three components of gravity in three nichicoplanar directions with respect to the outer bearing bracket at each of a number of observation stations running lengthways of the borehole are spaced apart; Calculate the elevation angle of the borehole and the non-circumferential high side angle of the monitor with respect to a reference direction that does not revolve around the longitudinal axis of the device when this is moved along the borehole to each of the observation stations from the measured gravity components at each of the monitoring stations; and Calculate the azimuth angle of the borehole at each of the monitoring stations from the elevation angle and the non-circumferential high-sided angle.

Verwendet man eine kreiselstabilisierte einachsige Blattform, so hat man den Vorteil, daß an den Lagern des äußeren Lagerbügels auftretende Reibungskräfte nicht kritisch sind, da auf den äußeren Lagerbügel ein Drehmoment ausgeübt wird. Beim inneren Lagerbügel ist die Reibung bei den Lagern kritisch, die Winkelbewegung ist jedoch auf kleine Werte beschränkt. Damit wird der Bereich von beim Konstruieren der Lager verwendbaren Techniken vergrößert. Z.B. kann der innere Lagerbügel schwimmend innerhalb des äußeren Lagerbügels angeordnet sein und es können Litzen verwendet werden, um dem Antriebsmotor für den Kreiselrotor die Energie zuzuführen.If a gyro-stabilized uniaxial blade shape is used, then one has the advantage that frictional forces occurring on the bearings of the outer bearing bracket are not critical because on torque the outer bearing bracket is exercised. In the case of the inner bearing bracket, the friction in the bearings is critical, however, the angular movement is limited to small values. This becomes the area augmented by techniques that can be used in constructing the bearings. E.g. the inner bearing bracket can be arranged in a floating manner within the outer bearing bracket and stranded wires can be used to power the drive motor for the gyro rotor To supply energy.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen: Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen der Richtung eines Bohrloches; Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht des Bohrloches und eines erdfesten Koordinatensystems und eines vorrichtungseigenen Koordinatensystems (diese Figur wird später zur Behandlung der Transformation eines Koordinatensystems in das andere verwendet), Figuren Diagramme, in denen in zwei Dimensionen die ver-3 - 5 schiedenen Stadien der Transformation zwischen den beiden in Figur 2 gezeigten Koordinatensystemen gezeigt sind; Figur 6 eine graphische Darstellung, in der der Effekt der Drehung der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung um ihre Achse dargestellt ist; Figur 7 ein Blockschaltbild des die Informationen speichern den Abschnittes der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung; Figur 8 ein Blockschaltbild der auf der Erdoberfläche angeordneten Einheit zum Verarbeiten von Information, die zusammen mit der in den Figuren 1 und 7 gezeigten Vorrichtung verwendet wird; und Figur 9 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform für den Informationsspeicherabschnitt für ein unten im Bohrloch befindliches Überwachungsgerät mit ähnlichem Aufbau wie in Figur 1 gezeigt.The invention is described below using an exemplary embodiment Explained in more detail with reference to the accompanying drawing. In this show: figure 1 is a schematic perspective view of a device for measuring the direction a borehole; Figure 2 is a schematic perspective view of the borehole and an earth-based coordinate system and a device-specific coordinate system (This figure will later be used to deal with the transformation of a coordinate system used in the other), figures diagrams in which in two dimensions the ver-3 - 5 different stages of transformation between the two shown in FIG Coordinate systems are shown; FIG. 6 a graphic representation, in which the effect of rotating the device shown in Figure 1 about its axis is shown; Figure 7 is a block diagram of the information store Section of the device shown in Figure 1; Figure 8 is a block diagram of the Unit arranged on the earth's surface for processing information that is used in conjunction with the device shown in Figures 1 and 7; and Figure 9 is a block diagram of another embodiment for the information storage section for a monitoring device located down in the borehole with a similar structure as shown in FIG.

In Figur 1 ist ein Gerät zum Messen der Richtung eines Bohrloches dargestellt, das ein zylindrisches Gehäuse 10 hat. In zwei Lagerbügeln 14 und 16 ist ein Kreiselrotor 12 angeordnet.In Figure 1 is a device for measuring the direction of a borehole which has a cylindrical housing 10. In two bearing brackets 14 and 16 a gyro rotor 12 is arranged.

Die Achse des äußeren Lagerbügels 16 fällt mit der Gehäuseachse zusammen. Der innere Lagerbügel 14 hat Lager 18 mit niederer Reibung, welche nur eine Bewegung über einen begrenzten Winkelbereich zulassen. Ein Stellungsgeber 20 stellt an seinem Ausgang ein Fehlersignal bereit, das der Abweichung des inneren Lagerbügels 14 aus der Senkrechtstellung zum äußeren Lagerbügel 16 entspricht. Das vom Stellungsgeber 20 des inneren Lagerbügel 14 bereitgestellte Fehlersignal wird zur Ansteuerung eines Drehmomenten-Stellmotors 22 verwendet, der mit einer Welle 24 des äußeren Lagerbügels 16 verbunden ist und auf diesen ein Drehmoment ausübt. Auf diese Weise wird der äußere Lagerbügel 16 so gedreht, daß der innere Lagerbügel 14 durch Präzession wieder in die Senkrechtstellung zum äußeren Lagerbügel 16 zurückbewegt wird.The axis of the outer bearing bracket 16 coincides with the housing axis. The inner bearing bracket 14 has low friction bearings 18 which have only one movement allow over a limited angular range. A position transmitter 20 is on his Output an error signal ready that the deviation of the inner bearing bracket 14 from corresponds to the vertical position to the outer bearing bracket 16. That from the position provider 20 of the inner bearing bracket 14 provided error signal used to control a torque servomotor 22 with a shaft 24 of the outer bearing bracket 16 is connected and exerts a torque on this. In this way, the outer bearing bracket 16 is rotated so that the inner bearing bracket 14 moved back into the vertical position to the outer bearing bracket 16 by precession will.

Die Welle 24 des äußeren Lagerbügels trägt ferner einen Winkelgeber 26. Der Winkelgeber 26 hat einen Stator mit zwei Spulen, deren Achsen senkrecht aufeinander stehen, und einen Rotor mit zwei entsprechenden, senkrecht aufeinanderstehenden Spulen.The shaft 24 of the outer bearing bracket also carries an angle encoder 26. The angle encoder 26 has a stator with two coils, the axes of which are perpendicular stand on top of each other, and a rotor with two corresponding, perpendicular to each other Wash.

Die Spulen des Rotors sind magnetisch mit den Spulen des Stators gekoppelt. Auf eine der Spulen des Rotors wird ein Bezugssignal gegeben, die andere Rotorspule ist geerdet. Werden die Ausgangs signale von den beiden Spulen des Stators mit a bzw. b bezeichnet, so ist der Quotient a/b gleich dem Tangens des Drehwinkels zwischen Rotor und Stator. Dieser Drehwinkel 1 ist der Winkel zwischen einer Bezugsrichtung auf dem Gehäuse, die senkrecht zu dessen Achse verläuft, und einer entsprechenden Vergleichsrichtung auf dem äußeren Lagerbügel 16.The coils of the rotor are magnetically coupled to the coils of the stator. A reference signal is sent to one of the coils of the rotor, the other rotor coil is grounded. Are the output signals from the two coils of the stator with a or b, the quotient a / b is equal to the tangent of the angle of rotation between Rotor and stator. This angle of rotation 1 is the angle between a reference direction on the housing, which is perpendicular to its axis, and a corresponding one Comparison direction on the outer bearing bracket 16.

Die Vorrichtung weist ferner eine Schwerkraftfühleranordnung 28 auf, die aus drei Schwerkraftfühlern besteht. Diese Anordnung ist auf dem äußeren Lagerbügel angeordnet und mißt die Schwerkraftkomponenten gx " g, und gz, in drei zueinander senkrecht Richtungen OX', OY' und OZ', wie unten noch genauer beschrieben wird. Dabei fällt die Richtung OZ' mit der Achse des Bohrloches zusammen. Bei einer jeden der Stationen, bei der Messungen beim Absenken der Vorrichtung in einem Bohrloch nach unten durchgeführt werden, gibt der Satz von Werten (gx,, gy,, gz,, 81) genügend Informationen zum Berechnen eines Satzes von Werten (#, e), wobei t der Azimuthwinkel des Bohrloches ist und e der Elevationswinkel des Bohrloches ist. Dies wird nachstehend ebenfalls noch genauer beschrieben. Werden stattdessen die drei Schwerkraftfühler auf dem Gehäuse 10 vorgesehen anstatt auf dem äußeren Lagerbügel 16, so enthält der erhaltene Wertesatz (gx,gy,gz,1) ebenfalls ausreichend Information zur Berechnung des Wertesatzes #,#).The device further comprises a gravity sensor arrangement 28, which consists of three gravity sensors. This arrangement is on the outer bearing bracket arranged and measures the gravity components gx "g, and gz, in three to each other perpendicular directions OX ', OY' and OZ ', as will be described in more detail below. The direction OZ 'coincides with the axis of the borehole together. At each of the stations where measurements are taken when the device is lowered into down a borehole, the set of values (gx ,, gy ,, gz ,, 81) enough information to compute a set of values (#, e), where t is the azimuth angle of the borehole and e is the elevation angle of the borehole is. This is also described in more detail below. Instead the three gravity sensors are provided on the housing 10 instead of on the outer one Bearing bracket 16, the set of values obtained (gx, gy, gz, 1) also contains sufficient information Information on the calculation of the set of values #, #).

In Figur 2 ist ein Bohrloch 30 schematisch dargestellt. Dort sind ferner die verschiedenen Bezugsachsen wiedergegeben, bezüglich deren die Orientierung des Bohrloches 30 angegeben werden kann. Es ist ferner ein Satz von erdfesten Achsen (ON, OE, oV) gezeigt, wobei OV in vertikaler Richtung nach unten verläuft und ON eine horizontale Bezugsrichtung darstellt. Ein entsprechender gehäusefester Satz von Achsen (OX, OY, OZ) ist ebenfalls gezeigt, wobei OZ der Längsachse des Bohrloches (und damit des Meßgerätes) entspricht und OX und OY in einer Ebene liegen, die senkrecht auf der Achse des Bohrloches steht, welch letztere durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Der erdfeste Satz von Achsen läßt sich durch die nachstehenden drei Drehungen im Uhrzeigersinne in den gerätefesten Satz von Achsen überführen: - Drehung um die Achse OV um den Azimuthwinkel #, wie in Figur 3 gezeigt; - Drehung um die Achse OE1 um den Elevationswinkel e, wie in Figur 4 gezeigt; und - Drehung um die Achse OZ um den oberhalb der X-Y-Ebene liegenden (hochseitigen) Winkel O, wie in Figur 5 gezeigt.A borehole 30 is shown schematically in FIG. There are also reproduced the various reference axes with respect to which the orientation of the borehole 30 can be specified. It is also a set of axles fixed to the earth (ON, OE, oV), with OV running vertically downwards and ON represents a horizontal reference direction. A corresponding set fixed to the housing of axes (OX, OY, OZ) is also shown, where OZ is the longitudinal axis of the borehole (and thus of the measuring device) and OX and OY lie in a plane that is perpendicular on the axis of the borehole, which latter is indicated by a dash-dotted line is indicated. The earth-fixed set of axes can be broken down into the following three Transfer clockwise rotations to the fixed set of axes: - Rotation about the axis OV by the azimuth angle #, as shown in Figure 3; - rotation about the axis OE1 by the elevation angle e, as shown in FIG. 4; and - rotation about the axis OZ by the (high side) angle O above the X-Y plane, as shown in FIG.

Die Beziehung zwischen diesem hochseitigen Winkel O und dem vom Winkelgeber 26 des Gerätes gemessenen Winkel 1 ist in Figur 6 gezeigt. OX', OY' und OZ' sind die auf den äußeren Lagerbügel bezogenen Achsen, längs derer die drei Schwerkraftkomponenten gx,, gY' und gz' gemessen werden. 2 ist der hochseitige Winkel, der erhalten würde, wenn das Meßgerät zu einem Beobachtungspunkt bewegt würde, ohne um die gehäusefeste Achse Z bewegt zu werden.The relationship between this high-sided angle O and that of the angle encoder 26 of the device measured angle 1 is shown in FIG. OX ', OY' and OZ 'are the axes related to the outer bearing bracket, along which the three gravity components gx ,, gY 'and gz' can be measured. 2 is the high sided angle that would be obtained if the measuring device were to be moved to an observation point without the fixed housing Axis Z to be moved.

Sind die Schwerkraftfühler auf dem Gehäuse angeordnet, so läßt sich der Schwerkraftvektor schreiben zu g = gx Ux + gy.Uy + Uz wobei Ux, U und Uz Einheitsvektoren in den gehäusefesten Richy tungen OX, OY bzw. OZ sind. Sind die Schwerkraftfühler auf dem äußeren Lagerbügel angeordnet, so läßt sich der Schwerkraftvektor schreiben als g = gx' ux' + gy'uy' + gz'uz' wobei Ux,, Uy und Uz' die Einheitsvektcren in den durch den äußeren Lagerbügel vorgegebenen Richtung OX', OY' bzw. OZ' sind.If the gravity sensors are arranged on the housing, it can be the gravity vector write as g = gx Ux + gy.Uy + Uz where Ux, U and Uz are unit vectors in the directions OX, OY or OZ fixed to the housing. Are the gravity sensors arranged on the outer bearing bracket, the gravity vector can be written as g = gx 'ux' + gy'uy '+ gz'uz' where Ux ,, Uy and Uz 'are the unit vectors in the direction OX ', OY' or OZ 'specified by the outer bearing bracket.

Somit gilt: gx: = gxcos ç1 - gysin #1 ..........(A) gy: = gxsin ç1 + gycos #1 ..........(B) gz: = gz ..........(C) Sind UN, UE und Uv Einheitsvektoren in den erdfesten Achsenrichtungen ON, OE bzw. OV, so erhält man für die Vektortransformation vom einen Koordinatensystem in das andere unter Berücksichtigung der Definitionen für die Winkel und e die nachstehende Transformationsgleichung: wobei die verschiedenen Transformationsmatrizen gegeben sind durch: Die umgekehrte Vektortransformation genügt der Gleichung Die Anwendung des Operators auf den Schwerkraftvektor g . Uv ergibt gx = g . sin# cos# ...............(i) gy = g . sin# sin# ...............(ii) gz = = g . cose (iii) Damit erhält man gx, = -g . sine cos cos#1 - g . sine sina sin#1 = -g . sine . cos(#-#1) gx' = -g . sin# cos# sin#1 + g. sin# sin# cos#1 = g . sin# . sin(#-#).Thus: gx: = gxcos ç1 - gysin # 1 .......... (A) gy: = gxsin ç1 + gycos # 1 .......... (B) gz: = gz .......... (C) If UN, UE and Uv are unit vectors in the fixed axis directions ON, OE or OV, one obtains for the vector transformation from one coordinate system to the other, taking into account the definitions for the Angle and e the following transformation equation: where the various transformation matrices are given by: The reverse vector transformation satisfies the equation The use of the operator on the gravity vector g. Uv gives gx = g. sin # cos # ............... (i) gy = g. sin # sin # ............... (ii) gz = = g. cose (iii) This gives gx, = -g. sine cos cos # 1 - g. sine sina sin # 1 = -g. sine. cos (# - # 1) gx '= -g. sin # cos # sin # 1 + g. sin # sin # cos # 1 = g. sin #. sin (# - #).

Fallen die erdfesten Achsen, die gehäusefesten Achsen und die auf den äußeren Lagerbügel bezogenen Achsen bei der Bohrlochöffnung zusammen, unmittelbar bevor eine Inspektion des Bohrloches durchgeführt wird, so gilt ° = 1 + 2 und man hat gx' = -g . sin # . cos#2 ..........(iv) gy' = g . sin# . sin# ...........(v) gz' = g . cos# ...........(vi) werden somit die Sätze (gz'' gy'' gz') bei einem jeden Beobachtungspunkt aufgezeichnet so können die entsprechenden Werte für e und 2 für einen jeden Beobachtungspunkt aus den nachstehenden Gleichungen berechnet werden: Es soll nun beim Beobachtungspunkt (#2, #, # ) ein Vektor V - x . Ux + y . Uy + z . Uz betrachtet werden, der um kleine Drehwinkel # α. Ux + # ß. Uy. gedreht werden soll, wobei ein Vektor V1 + x. . Ux1 + y . Uy1 + z. Uz1 erhalten wird, wobei Uz1, Uy1 und Uz1 Einheitsvektoren im gehäusefesten Koordinatensystem bei dem Beobachtungspunkt (2 + ##2, e + #e, # + sind. Der Index 2 ist hier zulässig, da keine Drehung des Vektors um die Achse OZ zwischen zwei benachbarten Beobachtungspunkten erfolgt.If the axes fixed to the ground, the axes fixed to the housing and the axes related to the outer bearing bracket coincide at the opening of the borehole, immediately before an inspection of the borehole is carried out, then ° = 1 + 2 and one has gx '= -g. sin #. cos # 2 .......... (iv) gy '= g. sin #. sin # ........... (v) gz '= g. cos # ........... (vi) if the sentences (gz '' gy '' gz ') are recorded at each observation point, the corresponding values for e and 2 for each observation point can be obtained from the the following equations can be calculated: There should now be a vector V - x at the observation point (# 2, #, #). Ux + y. Uy + z. Uz must be considered, the small angle of rotation # α. Ux + # ß. Uy. should be rotated, where a vector V1 + x. . Ux1 + y. Uy1 + z. Uz1 is obtained, where Uz1, Uy1 and Uz1 are unit vectors in the housing-fixed coordinate system at the observation point (2 + ## 2, e + #e, # +. The index 2 is permissible here, since there is no rotation of the vector about the axis OZ between two neighboring observation points takes place.

Die Komponenten des Vektors V1 im erdfesten Koordinatensystem können dann der nachstehenden Vektorgleichung entnommen werden: Man erhält nun V1 = (x Ux + y . Uy + z. Uz) + #α. Ux x(x . Ux + y . Uy + z. Uz) + #ß. Uy x(x . Ux + y. Uy + z. Uz); ist #α und #ßklein, so vereinfacht sich diese Gleichung zu V1 = (x+z . #ß) . Ux + (y-z. #α). Uy + (z + y . #α - x. #ß). Uz Die Komponenten des Vektors V1 im erdfesten Koordinatensystem können also aus der nachstehenden Vektorgleichung ermittelt werden Werden die in den Gleichungen (vii) und(viii) angegebenen Matrixoperatoren auf den Vektor (0,0,1) angewandt, so erhält man bei geeigneter Wahl der betrachteten Matrixelemente die Gleichungen; #ß(sin#2. cos#. cos# + cos#2 . sin#) + #ß (cos#2 cos# . cos# - sin#2 . sin#) - - ##. sin#. sin# + ## . cos# . cos# . cos # .......(ix) #α(-sin #2. sin#) + #ß(-cos#2.sin#) + ##. sin# ....(x) Werden die Matrixoperatoren der Gleichungen (vii) und (viii) auf den Vektor (1,0,0) angewandt so erhält man durch geeignete Auswahl aus den entsprechenden Matrixelementen die nachstehenden Gleichungen: #ß. cos# = ##2 . sin#2. sin# -##. cos#2.cos# ........ (xi) Aus Gleichung (x) folgt ## = #ß. cos#2 + #α. sin#2 ........ (xii) en Aus den Gleichung (x) und(xi) erhält man ##2 + co@#. (- #ß. sin#2 + #α. cos#2) ...... (xiii) Die Gleichungen (ix) und (x) ergeben ## = 1 (#ß. sin#2 - #ß. cos#20 ..... (xiv) sine Schließlich erhält man aus den Gleichungen (xiii) und (xiv) = - 1 . ##2 ......(E) cose Ist somit bei einem jeden der Beobachtungspunkte in Längsrichtung des Bohrloches der Satz von Werten (gx' gy' #1) bekannt, 80 können enteprechende Sätze von werten (gx,, gy'' gz') aus den obenstehenden Gleichungen (A), (B) und (C) berechnet werden. Entsprechende Sätze von Werten (#. #2) können dann unter Verwendung der Gleichung (D) abgeleitet werden, und die Zunahme des Azimuthwinkels # P zwischen zwei beliebigen benachbarten Beobachtungspunkten kann aus der Zunahme##2 zwischen diesen zwei Beobachtungspunkten unter Verwendung der Gleichung (E) berechnet werden. Fallen die auf den äußeren Lagerbügel bezogenen Koordinatenachsen und die erdfesten Koordinatenachsen beim Mund des Bohrloches zusammen, unmittelbar bevor ein Abfahren des Bohrloches zur Ermittlung seines Verlaufes durchgeführt wird, so kann man den Azimuthwinkel bei einem jeden Beobachtungspunkt längs des Weges, der bezüglich der ON-Richtung gemessen wird, dadurch ermitteln, daß man die Inkremente des Azimuthwinkels längs des Weges bei einem jeden Beobachtungspunkt kontinuierlich aufsummiert. In der Praxis läßt sich jedoch ein Ausrichten der Kreiselachse auf die ON Richtung am Mund des Bohrloches erübrigen, wenn nur der Anfangswinkel #0 zwischen der OX'-Richtung und der ON-Richtung bekannt ist. Der Azimuthwinkel läßt sich dann unter Berücksichtigung einer Korrektur ç 0 ermitteln, so daß « #0 + £(a y) ist, wobei die Summation längs des Weges zu dem betrachteten Beobachtungspunkt erfolgt.The components of the vector V1 in the earth's fixed coordinate system can then be taken from the following vector equation: We now get V1 = (x Ux + y. Uy + z. Uz) + # α. Ux x (x. Ux + y. Uy + z. Uz) + # ß. Uy x (x. Ux + y. Uy + z. Uz); if # α and # ß are small, this equation simplifies to V1 = (x + z. # ß). Ux + (yz. # Α). Uy + (z + y. # Α - x. # Ss). Uz The components of the vector V1 in the earth's fixed coordinate system can therefore be determined from the following vector equation If the matrix operators given in equations (vii) and (viii) are applied to the vector (0,0,1), the equations are obtained with a suitable choice of the matrix elements under consideration; # ß (sin # 2. cos #. cos # + cos # 2. sin #) + # ß (cos # 2 cos #. cos # - sin # 2. sin #) - - ##. sin #. sin # + ##. cos #. cos #. cos # ....... (ix) # α (-sin # 2. sin #) + # ß (-cos # 2.sin #) + ##. sin # .... (x) If the matrix operators of equations (vii) and (viii) are applied to the vector (1,0,0), the following equations are obtained by suitable selection from the corresponding matrix elements: # ß. cos # = ## 2. sin # 2. sin # - ##. cos # 2.cos # ........ (xi) From equation (x) follows ## = # ß. cos # 2 + # α. sin # 2 ........ (xii) en From equations (x) and (xi) we get ## 2 + co @ #. (- # ß. sin # 2 + # α. cos # 2) ...... (xiii) The equations (ix) and (x) result in ## = 1 (# ß. sin # 2 - # ß. cos # 20 ..... (xiv) sine Finally, from the equations (xiii) and (xiv) = - 1. ## 2 ...... (E) cose is therefore at each of the observation points in In the longitudinal direction of the borehole the set of values (gx 'gy'# 1) is known, 80 corresponding sets of values (gx ,, gy '' gz ') can be calculated from the above equations (A), (B) and (C) Corresponding sets of values (#. # 2) can then be derived using equation (D), and the increase in azimuth angle # P between any two adjacent observation points can be derived from the increase ## 2 between these two observation points using equation (E) If the coordinate axes related to the outer bearing bracket and the earth-fixed coordinate axes coincide at the mouth of the borehole, immediately before the borehole is traversed to determine its course is guided, the azimuth angle at each observation point along the path measured with respect to the ON direction can be determined by continuously adding up the increments of the azimuth angle along the path at each observation point. In practice, however, it is not necessary to align the gyro axis in the ON direction at the mouth of the borehole if only the starting angle # 0 between the OX 'direction and the ON direction is known. The azimuth angle can then be determined taking into account a correction ç 0, so that # 0 + £ (ay), the summation taking place along the path to the observation point under consideration.

Neben der kreiselstabilisierten einachsigen Plattform und der Schwerkraftfühleranordnung, die oben schon beschrieben worden sind, enthält das in das Bohrloch abgesenkte Gerät ferner noch einen Abschnitt zum Speichern von Information, der in Figur 7 gezeigt ist. Da die Schwerkraftfühleranordnung 28 auf dem äußeren Lagerbugel angeordnet ist, wobei die Meßachsen der Fühler auf die OX-, OY- und OZ-Richtung ausgerichtet sind, sind die Ausgangssignale dieser Fühler direkt gleich gx,, gy, Diese Ausgangssignale werden direkt auf ein Aufzeichnungsgerät 32 gegeben. Damit brauchen die Gleichungen (A), (B) und (C) nicht verwendet zu werden. Die Ausgangssignale des Winkelgebers 26 werden ebenfalls auf das Aufzeichnungsgerät 32 gegeben und dienen dazu, den Anfangswert des Winkel 1 zwischen der Spinachse des Kreiselrotors 12 und der erdfesten Bezugsrichtung ON zu Beginn eines jeden Abfahrens des Bohrloches zu bestimmen.In addition to the gyro-stabilized single-axis platform and the gravity sensor arrangement, which have already been described above, contains the device lowered into the borehole furthermore a section for storing information, which is shown in FIG is. Since the gravity sensor assembly 28 is arranged on the outer bearing bracket with the measuring axes of the sensors aligned with the OX, OY and OZ directions the output signals of these sensors are directly equal to gx ,, gy, These Output signals are given directly to a recorder 32. So need equations (A), (B) and (C) not to be used. The output signals of the angle encoder 26 are also given to the recording device 32 and are used in addition, the initial value of the angle 1 between the spin axis of the gyro rotor 12 and to the earth-fixed reference direction ON at the beginning of each drifting of the borehole determine.

Das Auf zeichnungsgerät 32 zeichnet auch die Ausgangssignale eines Taktgebers 34 auf, so daß man den Zeitpunkt kennt, zu dem jeweils die Ausgangssignale der Schwerkraftfühleranordnung 28 aufgezeichnet worden sind.The recording device 32 also records the output signals of a Clock 34 so that you know the time at which the output signals the gravity sensor assembly 28 have been recorded.

Figur 8 zeigt die entsprechende an der Oberfläche angeordnete Ausrüstung für den in Figur 7 gezeigten Vorrichtungsabschnitt zum Speichern von Information, der selbst in das Bohrloch abgesenkt wird. Die Ausgangssignale eines oberflächenseitigen Taktgebers 36 und eines Kabellängenmessers 38 werden von einem oberflächenseitigen Auf zeichnungsgerät 40 während eines jeden Abfahrens des Bohrloches zu Meßzwecken aufgezeichnet. Der Kabellängenmesser 38 mißt die Länge des Kabels oder Seiles, an dem das ins Bohrloch abgesenkte Gerät hängt.Figure 8 shows the corresponding equipment placed on the surface for the device section shown in FIG. 7 for storing information, which is lowered into the borehole itself. The output signals of a surface-side Clock 36 and a cable length meter 38 are from a surface-side On recording device 40 during each traversing of the borehole for measurement purposes recorded. The cable length meter 38 measures the length of the cable or rope which hangs the device lowered into the borehole.

Nach Beendigung eines jeden Abfahrens des Bohrloches werden die von dem abgesenkten Aufzeichnungsgerãt 32 gemachten Aufzeichnungen an eine Signalverarbeitungseinheit 42 überspielt, wo die Aufzeichnungen simultan mit den Aufzeichnungen des oberflächenseitigen Aufzeichnungsgerates 40 wieder abgespielt werden. Die aufgezeichneten Ausgangssignale des abgesenkten Taktgebers 34 werden zusammen mit den Taktsignalen und den den Kabellängen entsprechenden Ausgangssignalen des oberflächenseitigen Aufzeichnungsgerätes 40 auf einen Zeitvergleicher 44 gegeben. Dieser erzeugt ein Signal zum Identifizieren des Beobachtungspunktes, das aus dem Kabellängensignal besteht und auf das Abspielen der aufgezeichneten Werte für die Ausgangssignale der Schwerkraftfühleranordnung 28 synchronisiert ist. Dieses Signal zur Identifizierung des Beobachtungspunktes wird auf eine Eingangsklemme eines Druckers 46 gegeben. Die Ausgangssignale gx'' gy'' gz' und #1 werden auf eine an der Erdoberfläche angeordnete Recheneinheit 48 gegeben, die den Elevationswinkel 9 und den Azimuthwinkel 't berechnet und diese Winke +arstellendenSignale auf den Drucker 46 gibt. Auf diese Weise erhält man eine Aufzeichnung des Elevationswinkels 9 und des Azimuthwinkels wobei einem jeden der Beobachtungspunkte, und diese Aufzeichnung erscheint zusammen mit der Information zum Identifizieren des jeweils betrachteten Beobachtungspunktes.After the completion of each drift of the borehole, the the lowered recording device 32 made recordings to a signal processing unit 42 dubbed where the records are simultaneous with the recordings of the surface-side Recording device 40 can be played back. The recorded output signals of the lowered clock 34 are together with the clock signals and the Cable lengths output signals from the surface-side recording device 40, respectively given to a time comparator 44. This generates a signal for identification the observation point consisting of the cable length signal and the playback the recorded values for the output signals of the gravity sensor arrangement 28 is synchronized. This signal to identify the observation point is applied to an input terminal of a printer 46. The output signals gx '' gy '' gz 'and # 1 are stored on a computing unit 48 arranged on the earth's surface given, which calculates the elevation angle 9 and the azimuth angle 't and this Beck and produce signals to printer 46. This is how you get one Record the elevation angle 9 and the azimuth angle with each of the Observation points, and this record appears with the information to identify the observed observation point.

Die von dem äußeren Lagerbügel 16 getragene Schwerkraftfühleranordnung (vergleiche Figur 1) kann durch drei Schwerkraftfühler ersetzt werden, die auf dem Gehäuse 10 des Gerätes so angeordnet sind, daß ihre Meßachsen sich längs der OX-, OY-und OZ-Richtung erstrecken. Die Ausgangssignale der Schwerkraftfühler sind somit proportional zu gx, 9y und gz. Figur 9 zeigt einen ins Bohrloch absenkbaren Geräteabschnitt, der unter diesen Umständen verwendbar ist. Das Ausgangssignal des Winkelgebers 26 und des Taktgebers 34 werden wie vorher auf das Aufzeichnungsgerät 32 gegeben. Das gz-Ausgangssignal einer auf dem Gehäuse 10 angeordneten Schwerkraftfühlereinheit 50 wird ebenfalls direkt auf das Aufzeichnungsgerät 32 gegeben; die gx- und gy-Ausgangssignale der Schwerkraftfühleranordnung 50 werden jedoch auf eine zugeordnete der Statorwicklungen eines zweiten Drehmelders 52 gegeben, der ebenfalls zwischen dem äußerer. Lagerbügel 16 und dem Gehäuse 10 angeordnet ist. Die Ausgangs. le von den Rotorspulen des Drehmelders 52 steller die Signale gy, und gx,, und diese Signale werden auf das Aufzeichnungsgerät 32 gegeben. Die aufgezeichneten Signale sind somit dieselben wie bei dem Geräteabschnitt, der in Figur 7 gezeigt ist.The gravity sensor assembly carried by the outer bearing bracket 16 (see Figure 1) can be replaced by three gravity sensors on the Housing 10 of the device are arranged so that their measuring axes are along the OX, Extend OY and OZ directions. The output signals of the gravity sensors are thus proportional to gx, 9y and gz. Figure 9 shows a device section that can be lowered into the borehole, which can be used under these circumstances. The output signal of the angle encoder 26 and the clock 34 are applied to the recorder 32 as before. That gz output signal of a on the housing 10 arranged gravity sensor unit 50 is also placed directly on the recorder 32; the gx and gy output signals of the gravity sensor assembly 50, however, are assigned to one of the stator windings given a second resolver 52, which is also between the outer. Bearing bracket 16 and the housing 10 is arranged. The starting. le from the resolver rotor coils 52 set the signals gy, and gx ,, and these signals are sent to the recorder 32 given. The recorded signals are therefore the same as for the device section, which is shown in FIG.

In weiterer Abwandlung der in Figur 9 gezeigten Anordnung können auch die drei Ausgangssignale gx, gy und g z der Schwerkraftfühleranordnung 50 auf das Auf zeichnungsgerät 32 gegeben werden.In a further modification of the arrangement shown in FIG. 9, the three output signals gx, gy and g z of the gravity sensor arrangement 50 to the On recording device 32 are given.

In diesem Falle werden die von dem Winkelgeber 26 bereitgestellten Signale dazu verwendet, den Winkel zwischen dem äußeren Lagerbügel und dem Gehäuse für die gesamte Dauer des Durchfahrens des Bohrloches zu Meßzwecken anzugeben und nicht nur den Anfangswinkel anzugeben. Berechnungen unter Verwendung der Gleichungen (A), (B) und (C) werden an der Oberfläche durchgeführt.In this case, those provided by the angle encoder 26 are Signals used to set the angle between the outer bearing bracket and the housing for the entire duration of the passage through the borehole for measuring purposes and do not just specify the starting angle. Calculations using the equations (A), (B) and (C) are carried out on the surface.

Steht in dem Kabel, an dem das abgesenkte Gerät aufgehängt ist, ein geeigneter Signalübertragungskanal zur Verfügung, so kann das Ausgangs signal von dem abgesenkten Gerät direkt an die Oberfläche übermittelt werden, man braucht dann kein abgesenktes Zeitnormal im Bohrloch. Die Einrichtungen an der Erdoberfläche, wie sie in Figur 8 gezeigt sind, werden dann so abgewandelt, daß der oberflächenseitige Taktgeber 36, das oberflächenseitige Aufzeichnungsgerät 40 und der Zeitvergleicher 44 entfallen und daß das Ausgangssignal des Kabellängenmessers 38 direkt auf den Drucker 46 gegeben wird. Auch die Signalverarbeitungseinheit 42 ist so abgewandelt, daß sie direkt die vom abgesenkten Gerät übermittelten Signale erhält anstatt von einem Aufzeichnungsgerät abgespielter Signale.Is in the cable on which the lowered device is suspended suitable signal transmission channel is available, so the output signal from be transmitted directly to the surface of the lowered device, you then need no lowered time standard in the borehole. The facilities on the earth's surface, how they are shown in Figure 8, are then modified so that the surface-side The clock 36, the surface side recorder 40 and the time comparator 44 are omitted and that the output signal of the cable length meter 38 directly to the Printer 46 is given. The signal processing unit 42 is also modified in such a way that that it receives the signals transmitted by the lowered device directly instead of from signals played back by a recorder.

Wird das Gerät in der Form verwendet, daß die Information während eines Durchfahrens des Bohrloches aufgezeichnet wird, bevor sie dann beim Ende eines vollständigen Befahrens des Bohrloches ausgewertet wird, so können Speicher für die Meßwerte vorzugsweise die Form von integrierten Speicherkreisanordnungen haben.If the device is used in the form that the information during a drive through the borehole is recorded before then at the end of a complete driving of the borehole is evaluated, so memory for the measured values are preferably in the form of integrated memory circuit arrangements.

Das abgesenkte Gerät läßt sich bei dieser Ausführungsform dann aus einer Batterie betreiben, die innerhalb des Gehäuses eingebaut ist.The lowered device can then be omitted in this embodiment operate a battery that is built into the housing.

Die Erfindung läßt sich auch beim Richtungsbohren verwenden, bei dem unter bekanntem Azimuthwinkel ausgehend von einem zuvor gebohrten, wenig tiefen, fast vertikalen und mit einer Auskleidung versehenen Bohrloch mit zunehmendem Elevationswinkel gebohrt werden soll. Unter derartigen Umständen ist die Verwendung eines herkömmlichen hochseitigen Steuerwerkzeuges wegen des nahezu vertikalen Verlaufes des Bohrlochendes nicht möglich, die Auskleidung erlaubt auch nicht die Verwendung eines herkömmlichen, magnetischen Steuerwerkzeuges. Wird ein erfindungsgemäßes Gerät mit einer einachsigen stabilisierten Plattform ver wendet, um die Richtung der Drehachse des Kreisel bezüglich einer horizontalen Bezugslinie ON beim Mund des Bohrloches festzulegen, so bleibt die Kreiseldrehachse im wesentlichen bezüglich der Bezugsrichtung ON ausgerichtet, wenn das Instrument durch den fast vertikalen Bohrlochabschnitt abgesenkt wird. Wird das Instrument abgesenkt, um eine Schrägbohr-Abteuf /Schlammotor-Einheit (bent-sub/mud-motor arrangement) zu lokalisieren, wie dies mit einem herkömmlichen Steuerwerkzeug der Fall ist, so kann die Drehung des Gerätegehäuses um die Kreiseldrehachse dazu verwendet werden, die Richtung der Schrägbohr-Abteuf/ Schlammotoranordnung bezüglich der erdfesten Bezugsrichtung ON ob festzustellen.The invention can also be used in directional drilling, in which at a known azimuth angle starting from a previously drilled, shallow, almost vertical and lined borehole with increasing elevation angle should be drilled. In such circumstances, the use of a conventional high-sided control tool because of the almost vertical course of the borehole end not possible, the lining does not allow the use of a conventional, magnetic control tool. If a device according to the invention with a uniaxial stabilized platform ver applies to the direction of the axis of rotation of the top with respect to a horizontal reference line ON at the mouth of the borehole set, the gyro axis of rotation remains essentially with respect to the reference direction ON when the instrument is through the nearly vertical borehole section is lowered. The instrument is lowered to an inclined drilling sink / mud motor unit (bent-sub / mud-motor arrangement), like this with a conventional one Control tool is the case, the rotation of the device housing around the rotary axis of the gyro used to indicate the direction of the inclined drilling sink / mud motor assembly with regard to the earth-fixed reference direction ON whether to be determined.

Claims

Michael King Russell Lynworth House, Prestbury, Cheltenham, England und Anthony William Russell The Bittams, Crippetts Rd.Michael King Russell Lynworth House, Prestbury, Cheltenham, England and Anthony William Russell The Bittams, Crippetts Rd.

Leckhampton, Cheltenham, England Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Richtung eines Bohrloches PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Messen der Richtung eines Bohrloches mit einem Gehäuse, dessen Längsachse im Einsatz mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, gekennzeichnet durch einen einen Freiheitsgrad aufweisenden Kreisel mit einem äußeren Lagerkugel (16), der im Gehäuse (10) so angeordnet ist, daß seine Achse mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt, mit einem inneren Lagerbiigel (14), der in dem äußeren Lagerbügel (16) so angeordnet ist, daß seine Achse senkrecht auf der Achse des äußeren Lagerbügels steht, und mit einem in dem inneren Lagerbügel (16) angeordneten Rotor (12); durch einen Fühler (20) zum Bestimmen der Winkelbewegung des inneren Lagerbügels (14) bezüglich des äußeren Lagerbügeis (16); durch einen Antrieb (22) zum Ausüben eines Drehmomentes auf den äußeren Lagerbügel (16) und zum Drehen desselben um seine Achse, derart , daß der innere Lagerbügel durch Präzession in seine Ausgangslage zurückkehrt; durch eine Einrichtung (26) zum Messen des Drehwinkels des Gehäuses um seine Längsachse bezüglich des äußeren Lagerbügels (16); und durch eine Schwerkraftfühleranordnung (28), welche die drei Komponenten der Schwerkraft in drei nichtkoplanaren Richtungen mißt.Leckhampton, Cheltenham, England Method and apparatus for measuring the direction of a borehole. PATENT CLAIMS 1. Device for measuring the direction a borehole with a housing whose longitudinal axis in use with the axis of the Borehole coincides, characterized by one having a degree of freedom Gyro with an outer bearing ball (16) which is arranged in the housing (10) so that its axis coincides with the longitudinal axis of the housing, with an inner one Bearing bracket (14) which is arranged in the outer bearing bracket (16) so that its Axis is perpendicular to the axis of the outer bearing bracket, and with one in the inner bearing bracket (16) arranged rotor (12); by a probe (20) for determining the angular movement of the inner bearing bracket (14) with respect to the outer bearing bracket (16); through a Drive (22) for exerting a torque the outer bearing bracket (16) and for rotating the same about its axis, such that the inner bearing bracket returns to its original position by precession; by a device (26) for measuring the angle of rotation of the housing about its longitudinal axis with respect to the outer bearing bracket (16); and by a gravity sensor assembly (28) showing the three components of gravity in three non-coplanar directions measures.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerkraftfühler (20) auf dem äußeren Lagerbügel (16) angeordnet sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the gravity sensor (20) are arranged on the outer bearing bracket (16).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerkraftfühler von dem Gehäuse getragen sind.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the gravity sensor are carried by the housing.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gehäuse ein Drehmelder angeordnet ist, dessen Rotor mit dem äußeren Lagerbügel verbunden ist, und daß zwei Schwerkraft fühler so angeordnet sind, daß sie Komponenten der Schwerkraft in solchen Richtungen messen, die senkrecht auf der Längsachse der Vorrichtung stehen, wobei die Ausgänge dieser Schwerkraftfühler mit den Eingängen des Drehmelders verbunden sind.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that on the Housing a resolver is arranged, the rotor of which is connected to the outer bearing bracket is, and that two gravity sensors are arranged so that they are components of the Measure gravity in directions perpendicular to the longitudinal axis of the device stand, the outputs of these gravity sensors with the inputs of the resolver are connected.

5. Verfahren zum Überwachen eines Bohrloches, bei dem ein Überwachungsgerät längs des Bohrloches bewegt wird, das ein Gehäu se aufweist, dessen Längsachse mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß das Uberwachungsgerät einen einen Freiheitsgrad aufweisenden Kreisel hat, der seinerseits aufweist: Einen äußeren Lagerbügel, der so im Gehäuse des Überwachungsgerätes angeordnet ist, daß seine Achse mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt, einen inneren Lagerbügel, der im äußeren Lagerbügel so angeordnet ist, daß seine Achse senkrecht auf der Achse des äußeren Lagerbügels steht, und einen Kreiselrotor, der im inneren Lagerbügel angeordnet ist; daß die Winkelbewegung des inneren Lagerbügels bezüglich des äußeren Lagerbügels ständig gemessen wird, während aas Überwachungsgerät längs des Bohrloches bewegt wird und auf den äußeren Lagerbügel ein Drehmoment ausgeübt wird, so daß dieser um seine Achse gedreht wird, derart, daß der innere Lagerbügel durch Präzession wieder.in seine Ausgangslage zurückkehrt; Ermitteln eines Satzes von drei Schwerkraftkomponenten in drei nichtkoplanaren Richtungen bezüglich des äußeren Lagerbügels bei einer jeden einer Reihe von Beobachtungsstationen, die längs des Bohrloches in Abstand angeordnet sind; Berechnen des Elevationswinkels des Bohrloches und des nicht umlaufenden hochseitigen Winkels des Oberwachungsgerätes bezüglich einer Referenzrichtung, die nicht um die Längsachse des Gerätes umläuft, wenn dieses längs des Bohrloches zu einer jeden der Beobachtungsstationen bewegt wird aus den gemessenen Schwerkraftkomponenten bei einer jeden der Uberwachungsstationen; und Berechnen des Azimuthwinkeisdes des Bohrloches bei einer jeden der Überwachungs stationen aus dem Elevationswinkel und dem nicht umlauf enden hochseitigen Winkel.5. A method of monitoring a borehole using a monitoring device is moved along the borehole, which has a hous se whose longitudinal axis with the axis of the borehole coincides, characterized that the monitoring device has a gyro having a degree of freedom which in turn has: An outer bearing bracket, which is so in the housing of the monitoring device is arranged that its axis coincides with the longitudinal axis of the housing, a inner bearing bracket, which is arranged in the outer bearing bracket so that its axis is perpendicular to the axis of the outer bearing bracket, and a gyro rotor, the is arranged in the inner bearing bracket; that the angular movement of the inner bearing bracket with respect to the outer bearing bracket is constantly measured, while aas monitoring device is moved along the borehole and exerted a torque on the outer bearing bracket is so that it is rotated about its axis, such that the inner bearing bracket returns to its original position by precession; Find a sentence of three components of gravity in three non-coplanar directions with respect to the outer bearing bracket at each of a number of observation stations running lengthways of the borehole are spaced apart; Calculate the elevation angle of the borehole and the non-circumferential high-sided angle of the monitoring device with respect to a reference direction that does not revolve around the longitudinal axis of the device when this is moved along the borehole to each of the observation stations from the measured gravity components at each of the monitoring stations; and Computing the azimuth of the borehole for each of the monitors stations from the elevation angle and the non-revolving high-sided angle.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Satz von drei Schwerkraftkomponenten bei einer jeden der Überwachungsstationen durch drei Fühler gemessen wird, die auf dem äußeren Lagerbügel angeordnet sind.6. The method according to claim 5, characterized in that the set of three components of gravity at each of the monitoring stations three sensors are measured, which are arranged on the outer bearing bracket.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Satz von drei Schwerkraftkomponenten bei jeder der Überwachungsstationen durch drei Fühler gemessen wird, die auf dem Gehäuse des Überwachungsgerätes angeordnet sind, und daß der Drehwinkel des Gehäuses des Überwachungsgerätes bezüglich des äußeren Lagerbügels gemessen wird und der erstgenannte Satz von Schwerkraftkomponenten aus dem zweiten Satz von Schwerkraftkomponenten sowie dem Drehwinkel berechnet wird.7. The method according to claim 5, characterized in that a second Set of three components of gravity at each of the monitoring stations by three Sensors are measured, which are arranged on the housing of the monitoring device, and that the angle of rotation of the housing of the monitoring device with respect to the outer Bearing bracket is measured and the former set of gravity components the second set of gravity components and the angle of rotation.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente eines jeden der Schwerkraftkomponentensätze parallel zu der Achse des äußeren Lagerbügels verläuft und die beiden anderen Komponenten des erstgenannten Satzes von Schwerkraftkomponenten dadurch berechnet werden, daß man den Stator und den Rotor eines Drehmelders um einen Winkel gegeneinander verdreht, der gleich dem Drehwinkel ist, und daß die anderen beiden Komponenten des zweiten Satzes von Schwerkraftkomponenten auf den Eingang des Drehmelders gegeben werden.8. The method according to claim 7, characterized in that one component of each of the sets of gravity components parallel to the axis of the outer bearing bracket runs and the other two components of the former set of gravity components can be calculated by turning the stator and rotor of a resolver rotated an angle against each other, which is equal to the angle of rotation, and that the other two components of the second set of gravity components on the Input of the resolver.