DE3230889A1

DE3230889A1 - Verbesserungen an oder bei geraeten zum messen der richtung eines bohrloches

Info

Publication number: DE3230889A1
Application number: DE3230889A
Authority: DE
Inventors: Anthony William Cheltenham Russel; Michael King Russell
Original assignee: Nl Sperry Sun Inc Stafford Tex; Sperry Sun Inc
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1983-03-03
Also published as: NL8203007A; NO164193C; JPS5873807A; MX152695A; CA1189317A; CH651890A5; BR8204849A; NO822825L; FR2511727A1; IT1153556B; NO164193B; IT8222898A0; FR2511727B1

Description

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum überwachen oder Vermessen der Richtung eines Bohrloches, wobei die Messung entweder ununterbrochen oder an einer Reihe von Meßpunkten erfolgt, die in Abständen über die Länge des Bohrloches verteilt sind; die Erfindung betrifft auch Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches.

Ein räumliche Vermessung des Verlaufes eines Bohrloches wird meist aus einer Reihe von Werten für den Horizontal- oder Azimutwinkel und den Neigungswinkel gewonnen, die über die Länge des Bohrloches gemessen werden. Messungen, von denen die Werte für diene beiden Winkel abgeleitet werden können, werden an aufeinanderfolgenden Meßstellen Über den Verlauf des Bohrloches vorgenommen, wobei die Abstände zwischen zwei benachbarten Meßstellen genau bekannt sind.

Bei einem Bohrloch, bei welchem das magnetische Erdfeld durch das Vorhandensein des Bohrloches selbst nicht verändert wird, können Messungen der Komponenten der Schwere- und Magnetfelder der Erde in der Richtung der rohrfesten Achsen verwendet werden, um Werte für den Azimut- und den Neigungswinkel zu gewinnen, wobei der Azimutwinkel gegenüber einem rrdfesten magnetischen Bezugspunkt, z.B. dem magnetischen Nordpol gemessen wird. In Fällen, in denen jedoch das erdmagnetische Feld durch örtliche Bedingungen in einem Bohrloch verändert wird, beispielsweise wenn das Bohrloch mit einem Stahlrohr ausgekleidet wird, können magnetische Messungen nicht mehr zum Bestimmen des Azimutwinkels gegenüber einem erdfesten Bezugspunkt eingesetzt werden. Unter diesen Umständen muß ein Kreisel verwendet werden.

32308Ö9

Die Patentschrift Nr. 1 509 293 beschreibt ein solches Gerät mit einem Gehäuse, dessen Längsachse im Einsatz mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, wobei ein Kreisel mit einem Freiheitsgrad einen äußeren Rahmen aufweist, der im Rohr so montiert ist, daß seine Achse mit der Längsachse des Rohres zusammenfällt; außerdem weist die Einrichtung einen ersten oder Innenrahmen auf, der im Außenrahmen so aufgehängt ist, daß seine Achse senkrecht zur Achse des Außenrahmens liegt} sodann einen im Innenrahmen gelagerten Kreiselläufer, eine Vorrichtung zum Messen der Winkelbewegung des Innenrahmens gegenüber dem Außenrahmen und eine Vorrichtung, welche ein Drehmoment am Außenrahmen aufbringt, um diesen um seine Achse zu drehen, damit der Innenrahmen in seine Ausgangsstellung zurückpräzediere , weiter Einrich tungen zum Messen des Drehwinkels des Rohres um seine Längsachse gegenüber dem Außenrahmen und ein Schwerkraft meßgerät zum Messen von drei Komponenten der Schwerkraft in drei nicht in einer Ebene liegenden Richtungen.

Dieses Gerät hat sich als äußerst betriebssicher in der Praxis erwiesen und weist eine Genauigkeit bis zu ca. +0,1° Neigungswinkel und +1,0" Azimutwinkel auf. Die festgelegte Maximalnexgung für diese Art von Gerät wird meist mit ca. 70° zur Senkrechten angegeben, da Vermessungen in Winkeln größer als 60° mit ansteigender Neigung zu inuner wenigen genauen Vermessungen führen. Jedoch bei der Tendenz zum Bohren unter hohen Neigungswinkeln gibt es einen wachsenden Bedarf für ein Gerät, dessen Azimutgenauigkeit in der gleichen Größenordnung wie der liegt, die sich bei Neigungswinkeln erreichen läßt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Einrichtung zu schaffen.
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F.rfindungsgemäß ist eine Einrichtung oder ein Gerät zum Vermessen der Richtung eines Bohrloches vorgesehen, gekennzeichnet durch ein Langrohr, dessen Längsachse

im Betrieb mit der Achse des Bohrloches zusammenfallt, durch einen drehbar in der Verrohrung gelagerten Außenrahmen, dessen Drehachse mit der Längsachse der Verrohrung zusammenfällt, durch einen im Außenrahmen gelagerten Kreisel, der Ausgangssignale für die Drehgeschwindigkeiten um die Achse des Außenrahmens und einer zu dieser querliegenden Achse erzeugt, sodann durch einen Drehmomentgeber, der ein Drehmoment am Außenrahmen aufbringt, ein erstes Stellglied zur Betätigung des Drehmomentgebers, wenn die Einrichtung am Mund des Bohrloches angeordnet ist, um die Querachse auf eine Ost-Westrichtung in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit um die Querachse einzufluchten, die durch den Kreisel gemessen wird, sodann durch ein zweites Stellglied, welches den Drehmomentgeber in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit um die Achse des Außenrahmens betätigt, wobei die Drehgeschwindigkeit durch den Kreisel abgegriffen wird, wenn das Gerät dem Bohrloch entlang bewegt wird, damit der Außenrahmen in seiner Achse stabilisiert wird, und schließlich durch einen Schwerkraftmesser, der die beiden Komponenten der Schwerkraft in den beiden Querrichtungen abtastet oder mißt.

Der Einsatz eines Zweiachsenwendekreisel ermöglich eine Genauigkeit von größer als +0,1* Neigungswinkel und +0,2° Azimutwinkel. Ein Kreiselkompaßverfahren kann verwendet werden, um den Außenrahmen auf geographisch Mord auszurichten, wobei nun keine Notwendigkeit mehr dafür besteht, daß gegenwärtig bei herkömmlichen Kreiseln angewandte Verfahren der Bezugsausrichtung des Gehäuses durchzuführen, das eine Hauptquelle für den Azimutfehler sein kann. Für Neigungswinkel über 45° kann der Außenwinkel drehmomentbeaufschlagt werden, um den Winkel der oberen Seite auf Null zu halten? wobei die Geschwindigkeitsmessung des Kreisels um die Querachse zur Berechnung des Azimuts verwendet werden kann, wenn das Gerät auf

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der Bahn des Bohrloches verfahren wird. „v

Erfindungsgomäß ist auch ein Verfahren zum Vermessen |

eines Bohrloches vorgesehen, gekennzeichnet durch An- | bringen einer Vermessungseinrichtung am Grund des Bohr- a loches, die ein Langrohr aufweist, dessen Längsachse <\

mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, durch einen im Rohr drehbar gelagerten Außenrahmen, dessen Drehachse mit der Längsachse des Rohres zusammenfällt sowie durch einen im Außenrahmen gelagerten Kreisel, dessen Ausgangssignale die Drehgeschwindigkeiten um die Achse des Außenrahmens und eine zu dieser querliegenden Achse anzeigen, wobei die Drehgeschwindigkeit um die Querachse durch den Kreisel gemessen und ein Drehmoment am Außenrahmen in Abhängigkeit von der gemessenen Geschwindigkeit aufgebracht wird, um die Querachse auf eine Ost-Westrichtung auszurichten, bewegen der Vermessungseinrichtung längs des Bohrloches, laufende Messung der Drehgeschwindigkeit um die äußere Rahmenachse mit einem Kreisel, wenn die Einrichtung dem Bohrloch entlang bewegt wird und Aufbringen eines Drehmoments am Außenrahmen in Abhängigkeit von der gemessenen Geschwindigkeit, um den Außenrahmen in seiner Achse zu stabilisieren, durch laufendes Messen zweier Schwerekomponenten in zwei Querrichtungen gegenüber dem Außenrahmen oder dem Rohr und Bestimmen von mindestens dem Neigungs- und dem Azimutwinkel des Bohrloches an mehreren Meßpunkten auf seiner Länge von den abgetasteten Schwerekomponenten ausgerechnet.

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Die Erfindung ist nachstehend näher anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Einrichtung, dessen Rohr oder Gehäuse im Schnitt gezeigt ist, Figur 2 einen teilweisen Ausschnitt eines dynamisch ausgewuchteten Kreisels, der ein Teil der

ersten Einrichtung ist,

Figur 3 eine Darstellung der Umsetzung oder des Übergangs zwischen zwei Scharen von Bezugsachsen,

Figuren Diagramme mit Darstellung der verschiede-4 bis 6 nen Übergangsstufen der Figur 3, Figur 7 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen den beiden Scharen von Bezugsachsen .

Nach Figur 1 weist die Einrichtung innerhalb eines Rohrgehäuses 10, dessen Längsachse mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, einen dynamisch ausgewuchteten Kreisel 12 mit zwei Freiheitsgraden auf, der im Außenrahmen 13 an einer Außenrahmenwelle 14 drehbar gelagert ist, wobei diese mit oberen und unteren Außenrahmenlagern 16 und 18 versehen ist, die durch obere und untere Außenlagereinbauten oder Außenlagerschalen 17 und 19 gehalten werden. Der ausgewuchtete Kreisel 12 weist ein Kreiselrad 46 auf, dessen Figurenachse senkrecht zur Außenrahmenachse liegt, eine erste zur Figurenachse senkrechte Drehachse und eine zweite senkrecht zur ersten Drehachse angeordnete Drehachse, die auch quer zur Figurenachse liegt. Die Außenrahmenwelle 14 ist auch mit einem Drehmomentmotor 22 und einem in einem Resolverlager 28 angebrachten Resolver (Koordinatenwandler) versehen. Der Resolver 26 weist einen Ständer mit zwei Spulen auf, deren Achsen rechtwinkelig zueinander angeordnet ist sowie einen Läufer mit einem entsprechenden Paar von zueinander rechtwinkelig angeordneten Spulen. Liegt ein Bezugssignal an einer der Läuferspulen an und ist die andere Rotorspule an

Masse gelegt, wobei die Ausgangssignale der beiden Spulen am Stator a und b seien, dann ist a/b gleich der Tangente des Winkels {L zwischen einer Bezugs richtung gegenüber dem Rohr 10 und einer Bezugsrichtung gegenüber der Außenrahmenwelle 14. Die Einrichtung weist auch einen Schwerkraftmesser 30 auf, der aus drei an der Außenrahmenwelle 14 montierten Beschleunigungsmessern besteht.

Nach Figur 2 weist der dynamisch ausgewuchtete Kreisel

12 ein Gehäuse 32 auf, das am Außenrahmen 13 befestigt ist, eine gegenüber dem Gehäuse 32 und dem Außenrahmen

13 um die Figurenachse 35 drehbare Welle 34, die mit Figurenachslagern 36 versehen ist, sowie einen Antriebemotor 40 mit einem an der Welle 34 angebrachten Läufer 42 und einen am Gehäuse 32 befestigten Ständer 44. Das Kreiselrad 4 6 ist mit einer Kreuzgelenkkupplung mit der Welle 34 verbunden, wobei die Kreuzgelenkkupplung einen Innenrahmen 48 aufweist, der um die erste Drehachse durch Torsionsfedern 50 drehbar gelagert ist, die sich zwischen der Welle 36 und dem Innenrahmen erstrecken, wobei das Kreiselrad 46 auch drehbar um die zweite, senkrecht zur ersten Drehachse verlaufenden Drehachse durch Torsionsfedern 52 drehbar gelagert ist, die sich zwischen dem Innenrahmen 48 und dem Kreiselrahmen 46 erstrecken.

Das Kreiselrad 46 weist einen Permanentringmagneten und eine kreisförmige Ausnehmung 56 auf, die unmittel-

°O b_ar neben dem Permanentringmagneten 54 angeordnet ist und in der sich vier Drehmomentgeberspulen 57 bis 60 erstrecken, die am Gehäuse 32 befestigt sind, wobei die Spule 57 der Spule 59 und die Spule 58 der Spule 60 jeweils diametral gegenüberliegt. Mehrere am Gehäuse 32 befestigte Abgriffe 62 messen die Winkelversetzung

des Kreiselrades 46 um zwei zueinander senkrechte Achsen. Im Betrieb wird das am Kreiselrad 46 durch die Torsionsfedern 50 und 52 aufgebrachte Drehmoment durch das negative Drehmoment aufgehoben, das sich infolge der dynamisehen Wirkung des Innenrahmen3 48 ergibt, das sich wie die Quadratwurzel der Drehzahl des Kreiselrades 46 verändert. Daher gibt es nur eine Drehzahl, d.h. die Auswuchtdrehzahl, bei welcher die positiven Federdrehmomente durch die dynamische Wirkung aufgehoben werden. Bei der Auswuchtdrehzahl wird das Kreiselrad 46 von der Welle 34 ausgekuppelt und wirkt so als freier Kreisel.

Figur 3 ist die schematische Darstellung eines Bohrlochs 80 mit mehreren Bezugsachsen gegenüber denen die Ausrich tung des Bohrloches 80 festgelegt werden kann» und die eine Schar von erdfesten Achsen ON, OE und OV enthalten, wobei OV senkrecht nach unten, ON genau nach Norden und OE genau nach Osten ausgerichtet ist sowie eine Schar von rohrfesten Achsen OX, OY und OZ, wobei OZ der ört liehen Richtung des Bohrloches an der Meßstation ent langverlauft und OX und OY j-swells in senkrechten Ebenen zu dieser Richtung liegen. Die Schar der erdfesten Achsen kann in die Schar der rohrfesten Achsen durch die folgenden drei Rechtsdrehungen oder Drehungen in Uhrzei gersinn gedreht werden:

1) Drehung um die Achse OV durch den Azimutwinkel ¹U/* (Figur 4),

2) Drehung um die Achse OE₁ durch den Neigungswinkel θ (Figur 5),

3) Drehung um die Achse OZ durch den Winkel am oberen Rohrmund 0 (Figur 6).

Figur 7 zeigt schematisch das Verhältnis zwischen den rohrfesten Achsen OX,OY und OZ sowie einer Schar von außenrahmenfesten Achsen 0X',0Y'und OZ¹, wobei die Achsen OZ und OZ* zusammenfallen und in der Figur mit

OZZ¹ bezeichnet sind. Diese Figur zeigt auch die Beziehung zwischen dem oberen Mundseitenwinkel 0 und dem Winkel 0.., der vom Resolver 26 gemessen wird, wobei 0, der Mundseitenwinkel ist, der sich ergeben würden,wenn das Gerät an eine Meßstelle ohne Drehung um die rohrfeste Achse OZ verfahren werden würde. 0₂ hängt offensichtlich von der Form der vom Gerät zu verfolgenden Bahn ab. Somit ist 0=0- + 0₂, wenn die rohrfesten, erdfesten und außenrahmenfesten Achsen am Mund des Bohrloches zusammenfallen.

Die drei Beschleunigungsmesser der Meßeinrichtung sind so angeordnet, daß sie die drei Schwerkraftkomponenten g_VI, g_vl und g„, auf den drei zueinander rechtwinkeligen

Λ X u

außenrahmenfesten Achsen OX¹,OY¹ und OZ¹ messen, wobei die Achse OZ¹ mit der Bohrlochachse zusammenfällt. Die drei Beschleunigungsmesser können auch auf dem Rohr 10 montiert sein und so angeordnet sein, daß sie die Schwerkraftkomponenten g_x, g„ und g_ auf den drei zueinander rechtwinkeligen rohrfesten Achsen OX, OY und OZ messen.

Wenn die Beschleunigungsmesser auf dem Rohr montiert sind, dann ist der Schwerkraftvektor gleich ^g ~ ⁹X*V^gy'"y^+gZ*"z,^{f worin} S_x# Ü_y und Ü_z die Einheitsvektoren in den rohrfesten Achsrichtungen OX,OX und OZ sind. Sind die Beschleunigungsmesser am Außenrahmen befestigt, dann ist der Schwerkraftvektor gleich g = g_x,.Ü_x,+g_Y,.Ü_y,+g_z,.ü_z,, worin ϋ_χ,, U und Ü_z, die Einheitsvektoren in den Richtungen der außenrahmenfesten Achsen OX¹,OY' und OZ¹ sind.

Damit,

g_xi = g_xcos 0₁ - g sin 0₁ (A)

i ■ g_xsin 0₁ + g_ycos 0₁ (B)

« ^{s g}Z

Wenn U„, ü_ und U„ und U,.. Einheitsvektoren in den Rich-

N Ci Ci V

tungen der erdfesten Achsen ON, OE und OV sind, dann stellt nach der Definition der Winkel 0, θ und der Vektorgleichung ^roy = \_ ψ" }£ θ$£0] Ü_YV7 das Transformationsverhältnis zwischen den Scharen der Einheitvektoren der beiden Rahmen dar, worin

cos

sin τ|γ 0

cos θ 0

-sin θ

-sin-v|r 0 cos \lr ■ 0 0 1 .

0 sin θ

1 0

0 cos 6

te}

und

cos 0 -sin 0 0 sin0 cos 0 0 0 0 1

Die Vektorenoperation

stellt das Transformationsverhältnis in der Gegenrichtung dar.

Die Einrichtung kann in drei verschiedenen Meßphasen betrieben werden, um drei eigene Meßwerte zu erhalten. Zunächst kann die Einrichtung im Kreiselmeßverfahren betrieben werden, um eine Winkelbezugsst«llung des Außenrahmens 13 einzunorden, wobei das Gerät senkrecht am Mund des Bohrloches angeordnet ist, wobei die Achse OZ¹ mit der Achse OV fluchtet. Die von den Abgriffen 62 des ausgewuchteten Kreisels 12 gemessene Drehge-

schwindigkeit des Kreiselrades 46 um die Achse OX¹ infolge der Erddrehung wird an den Drehmomentgeber 22 über eine entsprechende Regelschaltung zurückgeführt und dient dazu, den Außenrahmen 13 solange nachzuführen, bis die vom ausgewuchteten oder abgestimmten Kreisel 12 gemessene Geschwindigkeit der Erddrehung um die Achse OX¹ Null ist, wenn die Figurenachse 35 (Achse OY') Nord-Süd und die Achse OX Ost-West liegen muß. Diese meridianweisende Kreiselkompaßphase ermöglicht es, !Ο ein Verfahren für eine Bezugsausrichtung des Rohres auszuschalten, da das gegenwärtig bei herkömmlichen Kreiseln verwendet wird und daß eine Hauptquelle für den Azimutfehler darstellen kann.

Bei einem zweiten Meßverfahren, das für Bohrlochneigungen zwischen Null und 45° zur Senkrechten gilt, wird die Neigung des Bohrloches entweder laufend oder an einer Reihe von Meßpunkten über seine Länge nach dem Vermessungsverfahren gemessen, das in der Patentschrift Nr. 1 509 293 beschrieben wird, ausgenommen, daB der Bezugspunkt für die Anfangsausrichtung nach der vorstehenden Beschreibung der ersten Meßphase oder des ersten Meßverfahrens gewonnen wird. Die von den Abgriffen 62 des ausgewuchteten oder abgestimmten Kreisels 12 gemessene Drehgeschwindigkeit des Kreiselrades 46 um die Achse OZ¹ wird über entsprechende Regelschaltungen an den Drehmomentgeber 22 zurückgeführt und dient zur Stabilisierung des Außenrahmens 13 um die Achse OZ¹, um die Ausrichtung der Achse OY¹ in der senkrechten Meridianebene aufrecht zu erhalten. Damit verhält sich der Außenrahmen 13 wie eine einachsige, um die Achse OZ¹ stabilisierte Plattform, die mit der Rohrachse OZ zusammenfällt. Damit ergibt sich, daß die gegenüber dem Bezugspunkt des Außenrahmens gemessene Gesamtdrehung des Rohres 10 um die Achse OZ gleich ist der Summe aller Drehungen des Rohres 10 um die Momentanrichtungen von OZ, wenn das Gerät längs der Bahn des Bohrlochs gelegt wird und, daß sie eindeu-

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tig von der verfolgten Bahn unabhängig ist.

Bei der in der Patentschrift Nr. 1 509 293 beschriebenen Einrichtung lieaen die Auswanderungsgeschwindigkeiten um die Achse OZ in der Größenordnung von 1-10° je Stunde, wobei die Auswanderungsgeschwindigkeit während der Vermessung geprüft wird. Auf diese Weise läßt sich eine Genauigkeit der Auswanderungsgeschwindigkeitsmessung in der Größenordnung von 0,5°/h erreichen.Setzt man dagegen das Gerät in der vorbezeichneten Weise ein, so läßt sich eine Genauigkeit der Auswanderungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,1°/h erreichen und die Einrichtung braucht nicht angehalten zu werden, um Auswanderungsgeschwindigkeitsprüfungen während der Vermessung durchzuführen. Wird die Anlage entsprechend programmiert, um die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser zu korrigieren, wenn das Gerät eine nicht geradlinige Bahn während der Vermessung durchläuft, so kann diese Meßphase mit einem durchlaufenden Arbeitsgang durchgeführt werden. In einer dritten Meßphase oder einem dritten Verfahren, das für Bohrlochneigungen von größer als 45° zur Senkrechten gilt, wird der Außenrahmen 13 durch den Drehmomentgeber 22 beaufschlag;, um den vom Schwerkraftmesser 30 gemessenen oberen Mündungswinkel φ auf Null zu halten. Wenn die drei Beschleunigungsmesser die Schwerkraftkomponenten g_x, g_y und g_z längs den rohrfesten Achsen OX,OY und OZ messen, so wird der Neigungswinkel θ wie folgt dargestellt:

θ « atan (g_x, + g_y2) / (σ_χ1 + g_yJ + g_z,) 1/2

und der obere Mündungswinkel θ wird dargestellt durch:

θ = atan (g_v / -g ), YX

wobei g_x, g_y und g_z auf die Auswirkungen hin korrigiert

werden müssen, daß das Gerät eine nicht-geradlinige Bahn durchläuft.

Dann kann die von den Abgriffen 62 des abgestimmten e Kreisels 12 um die Achse OX' gemessene Drehgeschwind igkeit des Kreiselrades 46 zur Berechnung des Azimutwinkels "XjT verwendet werden, wenn das Gerät auf der Bahn des Bohrloches fährt. Die um die Achse OX' gemessene Drehgeschwindigkeit ist gleich Γ_χ=*ο_χ +Jl„, worin ^ X ^{die Drell}9^esc^^windi9^keit <*es Gerätes und die Achse OX¹ und»O^_v die Drehgeschwindigkeitswerte um die Achse OX¹ ist. Da ψ - Null, kann der Azimutwinkel "ViT aus dem Zeitintegral "ij/* berechnet werden, wobei "IjLT - -CO_x / sin θ = -(Γ_χ-*Λ-£) si" θ» wobei -Λ-'χ ~ ^R _T 'COS"^* cos θ + R^· sin Q, R,p » R_E

R_R = R_E»sln JX. , worin Rg die Geschwindigkeit der Erddrehung um ihre Achse und A> die geographische Breite ist.

__Λ DLe zweite und dritte Meßphase ergänzen sich gegenseitig für Neigungen von größer als 45 zur Senkrechten, wobei die zweite Meßphase bestrebt wäre, zunehmend ungenaue Ergebnisse mit zunehmender Neigung zu erzielen, während für Neigungen von Null bis 45° zur Senkrechten die

_. dritte Meßphase zunehmend ungenaue Resultate bei abnehmender Neigung ergeben würde.

Wird das Gerät so bewegt, daß seine Längsachse OZ¹ während des Verfahrens parallel zur Bohrlochachse bleibt, ₃Q dann werden keine Drehgeschwindigkeiten um die rohrfesten Achse mit co _v, co ν undcO„angegeben. Wenn die momentane

Λ X ti , ♦

Drehgeschwindigkeit als Geschwindigkeiten θ und "ψ" angegeben werden, die sich durch Änderungen der Bohrlochparameter © und "ψΓ ergeben, wenn das Gerät der gr Bohrlochbahn entlang bewegt wird, dann kann die Drehgeschwindigkeit des Gerätes im erdfesten Pahmen wie folgt dargestellt werden:

ft* 1»

Rp = - θ· sin γ* «u_N

Ein Operieren des Vektors R , um diesen in rohrfeste Komponenten zu transformieren, ergibt:

."^P +4.sin0 ) · ϋ_χ + (sind

sin0. ^ir +4.COS0 ) .ü_y

Daher

_χ ■ -sine-cos0 «liP+ 6sin0 (1)

_y» sine»sin0 ."Uf+ e.cos0* i2)

k *

Die Auflösung der Gleichungen 1 und 2 für "\lT und θ ergibt:

γ » -il*_x«cos0 - _Y.sin0J / sine (4)

Q ■ⁱ^_x«sin0 + _y.cos6 (5)

Wenn die Größe der Drehgeschwindigkeit der Erde um ihre Achse gleich K^ ist, dann kann die Drehgeschwindigkeit der Erde im erdfesten Rahmen wie folot angeschrieben wer

,

den:

. cosA, ·ΰ_Ν - Rg-sin^Üy oder

Operiert man den Vektor R_E, um ihn in rohrfeste Komponenten zu transformieren, so ergibt sich:

	(	10	j	15	*. «t>· «φ t ·· ··**	•	3230889	•
	20	14		T/T.sin0.. (6)
1 wr	1 Ii ι ²⁵	ÜL/_X=R_.cos"yCcos©.cos0 + R_.sin9.cos0 - R₁J,·sin		Y*.COS0.. (7)
	Γ f* ΐ	J-'v=-R^.cos\T.cos9.sin0 - R_D[email protected] - R-,.sin		...(8),
έ	I 30	*"^=R-,cosΤ/Γ.sin© - R_n.cos©*		der Erde um
f ί 4 35	worin _χ, γ und ₂ die Drehgeschwindigkeiten die rohrfesten Achsen darstellen.
.. t ί 4
I	I

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Gerät zum Messen der Richtung eines Bohrloches mit einem Langrohr, dessen Längsachse im Einsatz mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, einem im Rohr drehbar gelagerten Außenrahmen, dessen Achse mit der Längsachse des Rohres zusammenfällt» mit einem im Außenrahmen gelagerten Kreisel, einem Drehmomentgeber, der am Außenrahmen ein Drehmoment aufbringt sowie mit einem Schwerkraftmesser zum Messen zweier Schwerkraftkomponenten in zwei Querrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel Ausgangssignale für die Drehgeschwindigkeiten um die Außenrahmenachse (OZ¹) und einer zu dieser querliegenden Achse (OX') erzeugt und das Gerät ein erstes Stellglied zur Betätigung des Drehmomentgebers (22) aufweist, wenn es am Mund des Bohrloches (80) angeordnet ist, um die Querachse (OX¹) in Abhängigkeit von der vom Kreisel (12) gemessenen Drehgeschwindigkeit um die Querachse (OX¹) nach Ost-West zu richten und, daß ein zweites Stellglied den Drehmomentgeber (22) in Abhängigkeit von der vom Kreisel (12) gemessenen Drehgeschwindigkeit um die Außenrahmenachse (OZ¹) beaufschlagt, wenn das Gerät am Bohrloch (80) entlangbewegt wird, um den Außenrahmen (13) um seine Achse (OZ') zu stabilisieren.

2. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resolver (26) zum Messen des Drehwinkels des Außenrahmens (13) um seine Achse gegenüber dem Rohr (10) vorgesehen ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (22) zum Bestimmen des Geräts im oberen Mündungswinkel vorgesehen ist, wenn es von den gemessenen Schwerkraftkomponenten aus am Bohrloch (80) entlangbewegt wird und, daß ein drittes Stell-

glied den Drehmomentgeber (22) in Abhängigkeit von der vom Kreisel (12) gemessenen Drehgeschwindigkeit um die Querachse (OX¹) beaufschlagt, wenn das Gerät längs dos Bohrloches (80) mit hohen Neigungswinkeln bewegt wird, um den oberen Mündungswinkel (Ji) auf Null zu halten.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerkraf^messer (30) am Außenrahmen (13) angebracht ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerkraftmesser (30) ara Rohr (10) montiert ist.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerkraftmesser (30) drei Schwerkraftkomponenten in drei nicht in gleicher Ebene liegenden Richtungen mißt.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel (12) ein dynamisch ausgewuchteter Zweiachsenkreisel ist.

8. Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches mit einem Vermessungsgerät, das ein Langrohr umfaßt, dessen Längsachse mit der Achse des Bohrloches zusammenfällt, das einen im Rohr drehbar gelagerten Außenrahmen aufweist, dessen Drehachse mit der Längsachse des Rohres zusammenfällt und auch einen im Außenrahmen gelagerten Kreisel besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel Ausgangssigriale für die Drehgeschwindigkeiten um die Außenrahmenachse und einer zu dieser querliegenden Achse erzeugt, wobei das Vermessungsgerät am Mund des Bohrloches angeordnet wird, die Drehgeschwindigkeit um die Querachse mit dem Kreisel gemessen wird und ein

• * ···· tv·

Drehmoment in Abhängigkeit von der gemessenen Drehgeschwindigkeit am Außenrahmen aufgebracht wird, um die Querachse nach Ost-West auszurichten, daß das Vermessungsgerät am Bohrloch entlang bewegt wird, wo- \ bei die Drehgeschwindigkeit um die Außenrahmenachse vom Kreisel laufend gemessen wird und ein Drehmoment am Außenrahmen in Abhängigkeit von der gemessenen Drehgeschwindigkeit aufgebracht wird, um den Außenrahmen um seine Achse zu stabilisieren, daß laufend zwei Schwerkraftkomponenten in zwei Querrichtungen gegenüber dem Außenrahmen oder dem Gehäuse gemessen werden und schließlich der Neigungswinkel und der Azimut des Bohrloches an mehreren Punkten Ober seine Länge hinweg aus den gemessenen Schwerkraftkomponenten ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit um die Querachse laufend vom Kreisel gemessen wird, wenn das Gerät längs des Bohrloches verfahren wird und, daß ein Drehmoment am Außenrahmen in Abhängigkeit vo« der gemessenen Drehgeschwindigkeit aufgebracht wird, um den aus den gemessenen Schwerkraftkomponenten ermittelten Winkel in der oberen Mündung auf Null zu halten.