NL8801345A

NL8801345A - Boorgatmetingen.

Info

Publication number: NL8801345A
Application number: NL8801345A
Authority: NL
Original assignee: Teleco Oilfield Services Inc
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1988-05-26
Publication date: 1988-12-16
Also published as: NO882361D0; NO882361L; GB2205166A; US4813274A; CA1332471C; GB8812468D0; GB2205166B; FR2615899A1

Description

->

V

φ 60.77.1087 TELECO OILFIELD SERVICES INC.. CONNECTICUT 06450. USA Booraatmetincren

De uitvinding heeft betrekking op metingen in een boorgat.

De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op metingen tijdens het boren (MWD) en op een werkwijze voor het meten van de azimut-parameter terwijl de boorketen draait.

5 Een andere octrooiaanvrage voor een uitvinding van Martin E.

Cobern en Richard D. DiPersio van een ander systeem voor het meten van de azimut tijdens het draaien is gelijktijdig hiermee ingediend. Beide aanvragen zijn overgedragen aan de rechtverkrijgende hiervan.

10 De gebruikelijke methode in MWD-systemen is om alleen bepaalde boorgatparameters af te lezen of op te nemen wanneer de boorketen niet draait. Het Amerikaanse octrooi No. 4.013.945, eigendom van de rechtverkrijgende van deze aanvrage, beschrijft een inrichting voor het detecteren van 15 een draaiingsafwezigheid en het in werking stellen van parameters sensoren om de azimut en de helling vast te stellen, wanneer de draaiingsafwezigheid waargenomen is. Er zijn een aantal redenen geweest om verschillende MWD metingen alleen te verrichten bij het niet draaien van de 20 boorketen maar de belangrijkste reden om dat op die manier te doen voor de boorhoeken azimut en helling is dat eerdere methoden voor de meting of bepaling van deze hoeken vereisten dat het gereedschap stilstond teneinde de nulpunten van de éénassige apparaten in te stellen of om de 25 middeling te verkrijgen, nodig bij het gebruik van drieassige magnetometers en drieassige versnellingsmeters bij de bepaling van azimut en helling. Dat wil zeggen: bij het gebruik van drieassige magnetometers en versnellingsmeters zijn de afzonderlijke veldmetingen, 30 nodig voor de bepaling van azimut en helling, afhankelijk van de momentele hoek van het gereedschapvlak bij het doen t8801345 r' α 2 van de metingen. Dat is zo omdat tijdens het draaien de x-en y-as uitlezingen van de magnetometer en versnellingsmeter continu variëren, en alleen de z-as uitlezing constant is. Met betrekking tot de x-, y- en z-as 5 is het boorgat en het meetinstrument het referentiestelsel, met de z-as langs de as van het boorgat, en met de x- en y-assen loodrecht op de z-as en loodrecht op elkaar. Dat referentiestelsel moet onderscheiden worden van het aardse referentiestelsel van oost (E), noord (N), of horizontaal 10 en vertikaal (D) (of neerwaarts).

Er zijn echter omstandigheden waarin het bijzonder wenselijk is om azimut en helling te kunnen meten terwijl de boorketen draait. Deze behoefte heeft geleid tot de onderhavige uitvinding van een methode voor het meten van azimut en 15 helling tijdens het boren. Tot de voorbeelden van dergelijke omstandigheden behoren (a) putten waarin het boren bijzonder moeilijk is en elke onderbreking in de rotatie de problemen aangaande het vastlopen van de boorketen doen toenemen, en (b) situaties waarin kennis van de momentele informatie 20 betreffende de gang van de boorkop gewenst is om de weg van het boorgat in de werkelijke tijd te weten en te kunnen voorspellen. Eerder al is een systeem voorgesteld en gebruikt voor het verkrijgen van de inclinatie terwijl de boorketen draait. De onderhavige uitvinding maakt het ook 25 mogelijk om de azimut te verkrijgen tijdens het draaien.

8801345 * 3

Beschrijving van een voorkeursuitvoerinqsvorm;

De werkwijze volgens deze uitvinding is bedoeld om in samenwerking gebracht te worden met de normale werking van een bekend MWD-systeem en apparaat van Teleco Oilfield 5 Service Ine. (de eigenaar van deze aanvrage), dat sinds een aantal jaar in commercieel gebruik is. Het bekende systeem wordt door Teleco aangeboden als haar CDS (Gecomputeriseerd Richtingssysteem) voor MWD-metingen; en het systeem omvat onder andere een drieassige magnetometer, een drieassige 10 versnellingsmeter, besturings-, waarnemings- en verwerkingselektronika en een modderpulsafstandsmeetapparaat, die zich alle beneden in het boorgat bevinden in een draaibaar boorkraagdeel van de boorketen. Het bekende apparaat is in staat de componenten 15 Gx, Gy en Gz van het totale zwaartekrachtveld Go waar te nemen; de componenten Hx, Hy en Hz van het totale magnetische veld Ho; en om de hoek waaronder het gereedschapsvlak staat en de hoekstand (diphoek) (de hoek tussen de horizontaal en de richting van het magnetisch 20 veld) te bepalen. Het zich beneden in het boorgat bevindende verwerkingsapparaat van het bekende systeem bepaalt de azimut (A) en de helling (I) op een bekende wijze uit de diverse parameters. Zie hiervoor bijvoorbeeld het artikel "Hand-Held Calculator Assists in Directional Drilling 25 Control" van J.L. Marsh, Petroleum Engineer International, juli/september 1982.

Figuur 1 toont a blokdiagram voor het bekende CDS-systeem van Teleco. Dit CDS-systeem bevindt zich beneden in het boorgat in de boorketen in een boorkraag nabij de boorkop.

30 Dit CDS-systeem omvat een drieassige versnellingsmeter 10 en een drieassige magnetometer 12. De z-as van de versnellingsmeter en de magnetometer valt samen met de as van de boorketen. Om kort en in het algemeen de werking van het systeem te beschrijven: de versnellingsmeter 10 neemt de 35 componenten Gx, Gy en Gz van het zwaartekrachtveld Go beneden in het boorgat waar en levert daarop betrekking .8801345 * » 4 hebbende analoge signalen aan een muliplexer 14. Op een dergelijke manier neemt de magnetometer 12 de componenten Hx, Hy en Hz van het magnetisch veld beneden in het boorgat waar. Een tempèratuursensor 16 neemt de temperatuur van de 5 versnellingsmeter en de magnetometer beneden in het boorgat waar en geeft een temperatuurcompensatiesignaal af aan multiplexer 14. Het systeem heeft verder een geprogrammeerde microprocessor eenheid 18, systeem klokken 20 en een "peripheral interface adapter" 22. Alle besturings-, 10 berekeningsprogramma's en gegevens voor het kalibreren van de sensoren zijn in EPROM-geheugen 23 opgeslagen.

Onder besturing van de microprocessor 18 worden de analoge signalen naaf multiplexer 14 naar de analoog-naar-digitaal omzetter 24 gemultiplext. De digitale gegevenswoorden van 15 de uitvoer van de A/D-omzetter 24 worden vervolgens via "peripheral interface adapter" 22 naar de microprocessor 18 gestuurd waar ze opgeslagen worden in een willekeurig toegankelijk geheugen (RAM) 26 voor de berekeningshandelingen. Een rekenkundige verwerkingseenheid 20 (APü) 28 voorziet in grote rekenkundige prestaties en een verscheidenheid aan trigonometrische functies buiten het systeem om om zodoende te trachten de snelheid van de gegevensverwerking te vergroten. De digitale gegevens van ieder van de componenten Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz worden in de 25 rekenkundige verwerkingseenheid 24 gemiddeld en de gegevens worden gebruikt om azimut en hellingshoeken in de microprocessor 18 te berekenen. Deze hoekgegevens worden vervolgens via een vertragingsschakeling 30 aan een stroombesturingsorgaan 32 toegevoerd om deze te bedienen, 30 die op zijn beurt een modderpulszender 34 bedient, zoals bijvoorbeeld beschreven is in het Amerikaanse octrooi No. 4.013.945.

Bij de normale werking van het CDS-systeem volgens de techniek tot nu toe worden de aflezingen van de 35 versnellingsmeter en de magnetometer gedaan tijdens periodes waarin de boorketen niet draait. Voor een enkele aflezing ,8801345 5 worden wel 2.000 waarden van elk van de componenten Gx, Gy, Gz, Hx, Hy en Hz genomen, en deze waarden worden gemiddeld in APU 26 om in gemiddelde aflezingen voor elke component te voorzien. Ook is eerder al een methode toegepast om de 5 helling (I) te bepalen tijdens het draaien van de boorketen. In die methode wordt de Gz-component van het zwaartekrachtveld bepaald van een gemiddelde van waarden die tijdens het draaien zijn verkregen, en wordt de hellingshoek (I) bepaald uit de eenvoudige vergelijking: 10 \/go2 - Gz2 tan (I) = V__ (1)

GZ

15 waarin voor Go de waarde 1G wordt genomen (de nominale waarde van de zwaartekracht). Dit systeem is aanvaardbaar voor het meten van de helling tijdens het draaien, omdat de z-as component Gz niet door draaien veranderd wordt.

In overeenstemming met de onderhavige uitvinding wordt de 20 azimut-parameter (A) ook verkregen tijdens het draaien.

Alvorens op de bijzonderheden van de azimut-meettechniek in te gaan, wordt eerst verwezen naar figuren 2A en 2B voor een uiteenzetting van de werkwijze en een aantal van de daarbij betrokken hoeken volgens deze uitvinding. Ten eerste zijn in 25 figuur 2A de orthogonale richtingen oost (E), noord (N) en neerwaarts (D) (of vertikaal) aangegeven. De as van het boorgat en van het gereedschap in het boorgas is aangegeven met Z. De hellingshoek I is de ingesloten hoek tussen de Z-as en de D-as. Echter zonder de azimut te kennen, is de 30 richting van I onbepaald; het enige dat men van de gemeten hellingshoek weet is dat het een hoek van een bepaalde waarde is, en dat de richting daarvan ergens ligt op het oppervlak van een denkbeeldige kegel met een halve tophoek (I) rond de D-richting. Die denkbeeldige kegel is 35 aangegeven met C^. De hoekstand (dit is de hoek die de richting van het magnetische veld Ho met het horizontaal maakt) (diphoek) kan bepaald worden met de gemeten _8801345 6 parameters (zie vergelijking 6 beneden). Een hoek 0 , dit is de hoek tussen de richting van Ho en de z-as, wordt door de uitvinding bepaald. Tot nu toe is de hoek 0 niet gebruikt bij de bepaling van azimut. Een tweede denkbeeldige 5 kegel C2 is bepaald hetgeen een kegel is met halve tophoek 0 rond de richting van Ho. Kegel C2 snijdt kegel volgens twee lijnen en S2, die twee oplossingen voorstellen van de uiteindelijke vergelijking (vergelijking 7 of 8) die in de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt 10 gebruikt. Figuur 2B toont de kegels en C2 van figuur 1 geprojecteerd op een horizontaal vlak. Zoals figuur 2B toont wordt kegel geprojecteerd als een cirkel rond de D-as (in het vlak van de bladzijde in het midden van C^) , en wordt kegel C2 geprojecteerd als een elips rond de noord (N) as 15 die op de twee plaatsen S-]_ en S2 de kegel snijdt. Uit figuur 2A kan afgeleid worden dat de volgende verhoudingen bestaan:

Gz = Go cos (I) ; or cos (I) = Gz (2)

Go 20 Hz = Ho cos (0) ; or cos (0) = m o»

Ho

Volgens de werkwijze van de onderhavige uitvindingen worden de metingen van Gx, Gy en Gz en Hx, Hy en Hz uitgevoerd tijdens elke periode dat geen draaiing plaatsvindt, en het 25 meest recente stel van die metingen wordt opgeslagen in RAM

26. Indien het gewenst is om een azimut-aflezing te verkrijgen tijdens het draaien, dan wordt door de microprocessor 18 Go en Ho bepaald uit de verhoudingen

Go = \Jgx2 + Gy2 + Gz2 (4) 3 0 and

Ho = \J Hx2 + Hy2 + Hz2 (5) waarin Gx, Gy, Gz, Hx, Hy en Hz de meest recente waarden, genomen tijdens het niet draaien, zijn in RAM 26. Vervolgens 35 worden tijdens het draaien aflezingen in de werkelijke tijd genomen van Gz en Hz. Evenals tijdens het niet draaien wordt „8801345 0 £ 7 een groot aantal (2.000-4.000) momentele aflezingen genomen over een periode van ongeveer 10 seconden, waarna deze gemiddeld worden om waarden van Gz en Hz in de werkelijke tijd te verkrijgen. Het middelen vermindert of verwijdert 5 voor Gz de effecten tegen gevolge van axiale trilling op elke momentele meting van Gz. Deze waarden in de werkelijke tijd worden vervolgens naar microprocessor 18 gevoerd, waar de helling (I) bepaald wordt uit vergelijking (2)

Cos (I) = Gzr 10 Go waarin Gzr de waarde van Gz is gemeten tijdens het draaien en Go is bepaald met vergelijking (4) uit de meest recent opgeslagen waarden van Gx, Gy en Gz, genomen tijdens een periode van niet draaien. De helling (I) kan ook bepaald 15 worden uit vergelijking (1) \ Igo2 - Gzr2 tan (I) = V_

Gzr

Eveneens wordt in de microprocessor 18 de hoek 0 bepaald 20 uit vergelijking (3) cos (0) = Hzr

Ho waarin Hzr de waarde van Hz is, gemeten tijdens het draaien, en Ho bepaald is met vergelijking (5) uit de meest recent 25 opgeslagen waarden van Hx, Hy en Hz, genomen tijdens een periode van niet draaien.

De hoek Φ kan ook worden bepaald door: \Jho2 - Hzr2 tan ( 0 ) = _ 3 (A) 30 Hzr .8801345 8 .

♦

De hoekstand (diphoek) ) wordt ook door de microprocessor 18 berekend uit de betrekking: X = are sin Gx Hx + Gv Hv + Gz Hz (6)

Go Ho 5 waarin Gx, Gy, Gz, Hx, Hy en Hz de meest recent opgeslagen waardes, genomen tijdens het niet draaien, zijn en waarin Go en Ho bepaald zijn door respectievelijk de vergelijkingen (4) en (5) .

Volgens de werkwijze wordt dan door de microprocessor 18 de 10 azimut (A) berekend uit de betrekking: (A) = are cos = cos jA ) — cosfl) sinfA ) (7) sin(I) cos(^)

De waardes in de werkelijke tijd van zowel hellingshoek (I) en azimut (A) worden door zender 30 naar het oppervlak 15 gezonden voor verder verbruik en verwerking door de boormeester en anderen.

Omdat cos (0 ) = Bz and cos(I) = Gz., kan vergelijking (7) ook Bo Go geschreven worden als: 20 A = arc cos GoBz - BoGz sinX (7A)

Bo cos (Go^ - Gz2)1/2

Beter nog dan de hoekstand te berekenen met vergelijking (6) kan de waarde van X bepaald worden van daarop betrekking hebbende kaarten en worden opgeslagen in het geheugen.

25 Hoewel van de werkwijze volgens de uitvinding een beschrijving gegeven is waarbij beneden in het boorgat de berekeningen met de meetgegevens plaatsvinden, kunnen natuurlijk ook de meetgegevens naar de oppervlakte gezonden· worden en de berekeningen daar plaatsvinden. Ook zal het 30 duidelijk zijn dat alle stappen en berekeningen uitgevoerd kunnen worden onder de geprogrammeerde besturing door .8801345 9 microprocessor 18 door middel van elk daartoe geschikt en binnen de normale vakkennis vallend programma of door aanpassingen van het al reeds bestaande programma voor de besturing van het CDS-systeem, waarbij die aanpassingen 5 binnen het gebied van de normale vakkennis vallen.

Als alternatief voor het bepalen van azimut (A) uit vergelijking (7) kan deze bepaald worden uit de betrekking: tan2(A) = cos2(Λ)sin2(0) - [cos(0 )sin(A )-cos(I)]2 10 _ (8) cos2()\)[sin2(I)-sin2 10) ] + [cos(^)sin(J\ )cos-(I) ]2

In beide vergelijkingen (7) en (8) kan de waarde voor (I) zowel de waarde bepaald uit de meest recente meting, gedaan 15 tijdens het niet draaien, of de waarde in de werkelijke tijd, gemeten tijdens het draaien, zijn. Bij moeilijke booromstandigheden (bijvoorbeeld grote axiale trillingen), waarbij de z-as versnellingsmeter overstuurd kan raken, zal bij voorkeur de waarde van (I) gebruikt worden, die bepaald 20 is uit de meest recente meting gedaan tijdens het niet draaien; in andere gevallen is het wenselijk de waarde in de werkelijke tijd te gebruiken, die bepaald is tijdens het draaien.

Het zal duidelijk zijn dat er twee oplossingen voor elke van 25 de vergelijkingen (7) en (8) zijn. Er is genoeg informatie om de grootte van de azimut te bepalen, maar niet het teken ervan. In de meeste gevallen zal dit geen probleem zijn, omdat de hoek slechts weinig zal veranderen ten opzichte van de meest recente waarde, die bepaald is tijdens het niet 30 draaien. Het teken zal alleen aan twijfel onderhevig zijn wanneer het boren nabij het noorden of zuiden plaatsvindt.

.8801345 f 10

Hier zijn voorkeursuitvoeringsvormen beschreven, waarbij verschillende wijzigingen en vervangingen mogelijk zijn, zonder buiten de gedachte en de omvang van de uitvinding te geraken. Dienovereenkomstig zal duidelijk zijn, dat de 5 onderhavige uitvinding beschreven is aan de hand van voorbeelden en niet daartoe beperkt is.

.8801345

Claims

1. Werkwijze voor het bepalen van de azimuthoek van een boorgat met instrumenten die beneden in het boorgat in de boorketen opgenomen zijn, die de volgende 5 stappen omvatten: het met een versnellingsmeter waarnemen, gedurende een periode, waarin de boorketen niet draait, van de componenten Gx, Gy en Gz van het totale zwaartekrachtveld Go op de plaats van het 10 instrument; het waarnemen met een magnetometer, gedurende een periode, waarin de boorketen niet draait, van de componenten Hx, Hy en Hz van het totale magnetische veld Ho op de plaats van het 15 instrument? waarbij de componenten Gz en Hz langs de as van de boorketen liggen, de componenten Gx en Gy orthogonaal ten opzichte van Gz zijn en de componenten Hx en Hy orthogonaal ten opzichte 20 van Hz liggen? het draaien van de genoemde magnetometer met de genoemde boorketen en met het verkrijgen van de parameter Hzr, dat de Hz component van het magnetische veld is op de plaats van het 25 instrument tijdens het draaien van de boorketen? het bepalen van Ho uit de waarden Hx, Hy en Hz, waargenomen tijdens het niet draaien van de boorketen? het bepalen van de hellingshoek van de 30 boorketen? , het bepalen van de hoekstand J\ (diphoek) van het magnetisch veld; het bepalen van de hoek 0 tussen de richting van het magnetische veld en de as van de 35 boorketen op de plaats van het instrument uit Ho en Hzr? en .8801345 het bepalen van de azimut (A) of uit de vergelijking: (A) = are cos = cos I* ) - cosf.I) sinfA ) sin(I) cos) 5 of uit de vergelijking: cos2 (j\ )sin2 {0 ) - [cos(^)sin(A )-cos(I) ]2 tan2 (A) = __ cos2(A)[sin2(I)-sin2 (0) ] + [cos(^)sin(A )-cos(I)]2

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de hoek 0 bepaald wordt uit de vergelijking: cos(0 ) — Hzr Ho of uit de vergelijking: 15 \/-- tan(^) = yHo2 - Hzr2 Hzr

3. Werkwijze volgens conclusie 2 met het kenmerk dat Ho 20 bepaald wordt uit de waarden van Hx, Hy en Hz, die waargenomen zijn tijdens het niet draaien.

4. Werkwijze volgens conclusie 3 met het kenmerk dat deze omvat het bepalen van Go uit de waarden van Gx, Gy en Gz, die waargenomen zijn gedurende het niet 25 draaien, en het bepalen van de hellingshoek uit de vergelijking: I = are cos Gzr Go waarin Gzr de Gz-component van het zwaartekrachtveld .8801345 is op de plaats van het instrument gedurende de draaiing van de boorketen.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat, deze omvat het bepalen van Go uit de waarden van Gx,

5 Gy en Gz, die waargenomen zijn tijdens het niet draaien, en het bepalen van de hellingshoek uit de vergelijking: I = are cos Gzr Go 10 waarin Gzr de Gz-component van het zwaartekrachtveld is op de plaats van het instrument tijdens het draaien van de boorketen.

6. Werkwijze voor de bepaling van de azimut van een boorgat met instrumenten die beneden in het boorgat 15 in de boorketen opgenomen zijn, met het kenmerk dat deze de volgende stappen omvat: - het bepalen met een versnellingsmeter, gedurende een periode van het niet draaien van de boorketen, van het totale zwaartekrachtveld 20 op de plaats van het instrument; het bepalen met een magnetometer, gedurende een periode waarin de boorketen niet draait, van het totale magnetische veld Ho op de plaats van het instrument; 25. het draaien van de genoemde magnetometer met de genoemde boorketen en het verkrijgen van de parameter Hzr, hetgeen de component van het magnetische veld langs de as van de boorketen op de plaats van het instrument is gedurende het 30 draaien van de boorketen; - het bepalen van de hellingshoek van de boorketen; , - het bepalen van de hoekstand J\ van het magnetische veld; . 8801745 V , 4 het bepalen van de hoek 0 tussen de richting van het magnetische veld en de as van de boorketen op de plaats van het instrument; en het bepalen van de azimut (A) of uit de 5 vergelijking: (a) = are cos = cosf^l - cosfllsinfAl sin(I) cos(^) of uit de vergelijking: cos2(.\ )sin2($ ) - [ cos (0 ) sin (^\ ) -cos (I) ]2 10 tan2 (A) = __ cos2 (/^) [sin2 (I) -sin2 {Q ) ] + [cos ( Q) sin(X )-cos(I) ]2

7. Werkwijze volgens conclusie 6 met het kenmerk dat de hoek 0 bepaald wordt uit of de vergelijking: cos(0) - Hzr 15 Ho of uit de vergelijking: \ /ho2 - Hzr2 tan ( (j ) = _____ Hzr

8. Werkwijze volgens conclusie 7 met het kenmerk dat Ho bepaald wordt uit de waarden van Hx, Hy en Hz, die waargenomen zijn tijdens het niet draaien.

9. Werkwijze volgens conclusie 8 met het kenmerk dat deze omvat: 25. het bepalen van Go uit de waarden van Gx, Gy en Gz, die waargenomen zijn tijdens het niet draaien; en het bepalen van de hellingshoek uit de vergelijking .8801345 I = arc cos Gzr Go waarin Gzr de Gz-component is van het zwaartekrachtveld op de plaats van het 5 instrument gedurende het draaien van de boorketen.

10. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat deze omvat: - het bepalen van Go uit de waarden van Gx, Gy en 10 Gz, die waargenomen zijn gedurende het niet draaien; en het bepalen van de hellingshoek uit de vergelij king: I = arc cos Gzr

15 Go waarin Gzr de Gz-component is van het zwaartekrachtveld op de plaats van het instrument gedurende het draaien van de boorketen. 20 - 880 1345