專(zhuān)利名稱(chēng)：地層勘探期間的井下儀器校準(zhǔn)的制作方法
地層勘探期間的井下儀器校準(zhǔn)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008 年 11 月 13 日提交的題為 “Downhole Instrument Calibration During Formation Survey"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)第61/114，457號(hào)，以及2008年11月 14 日提交的題為"Downhole Instrument Calibration With Angled Sensors During Formation Survey"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)第61/114，466號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該兩臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)以參見(jiàn)的方式納入本文。
背景技術(shù)：
在油井和氣井的鉆探和完井期間，可能必需進(jìn)行輔助操作，諸如評(píng)估井眼所分割的地層的生產(chǎn)能力。例如，在鉆好井或井段之后，通常對(duì)所關(guān)注區(qū)域進(jìn)行測(cè)試以確定諸如可滲透性、流體類(lèi)型、流體質(zhì)量、流體密度、地層溫度、地層壓力、氣泡點(diǎn)、地層壓力梯度、流度、 濾液粘度、球面流度、相關(guān)的可壓縮性孔隙率、表皮損壞(是泥漿濾液已如何改變井眼附近可滲透性的指示)以及各向異性(水平和垂直可滲透性的比值)。進(jìn)行這些測(cè)試是為了確定所分割地層的商業(yè)開(kāi)采是否可行以及怎樣優(yōu)化生產(chǎn)。用于評(píng)估和勘探井眼內(nèi)地層和流體的工具可呈多種形式，且工具可以各種方式在井下展開(kāi)。例如，評(píng)估工具可包括地層測(cè)試器，該地層測(cè)試器具有可伸展采樣裝置或探針以及壓力傳感器。評(píng)估工具可包括具有采樣腔室或采樣瓶的流體識(shí)別(ID)系統(tǒng)。包括諸如磁力計(jì)或加速計(jì)之類(lèi)的定向響應(yīng)傳感器在內(nèi)的傳感器儀表設(shè)備可用于勘探地層并形成其輪廓、模型或圖像。工具可在纜線上進(jìn)行井下勘探。通常，評(píng)估工具聯(lián)接到諸如鉆鋌的管狀件，并連接到用于鉆探孔眼的鉆桿柱。因此，鉆探操作期間可用鉆探同時(shí)測(cè)量(MWD)或鉆探同時(shí)測(cè)井(LWD)工具實(shí)現(xiàn)地層和流體的評(píng)估和識(shí)別。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的那樣，剛才所描述的幾個(gè)部件和系統(tǒng)適于進(jìn)行各種組合。井下環(huán)境是不穩(wěn)定且動(dòng)態(tài)的，有時(shí)包括高溫(例如175°C以上)，尤其在鉆探期間。 諸如磁力計(jì)和加速計(jì)的勘探儀表設(shè)備和傳感器會(huì)對(duì)高溫敏感。高溫產(chǎn)生傳感器中的誤差， 有時(shí)稱(chēng)為溫度漂移。因此，必需持續(xù)校準(zhǔn)井下勘探儀器組中的磁力計(jì)和加速計(jì)以解決持續(xù)的溫度漂移。本文所揭示的原理針對(duì)對(duì)現(xiàn)有勘探儀器組中溫度漂移和其它傳感器誤差的校準(zhǔn)的限制。詳細(xì)說(shuō)明在以下附圖和說(shuō)明書(shū)中，通常用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示整個(gè)說(shuō)明書(shū)和附圖中相同的部件。附圖不一定按比例繪制。本發(fā)明的某些特征可能以放大比例示出或?yàn)槟撤N示意的形式，且為了清楚和簡(jiǎn)明，常規(guī)部件的某些細(xì)節(jié)可能未示出。本發(fā)明可有不同形式的實(shí)施例。 詳細(xì)描述并在附圖中示出各具體實(shí)施例，應(yīng)理解本內(nèi)容應(yīng)認(rèn)為是對(duì)所揭示原理的示例，并不意在限制本文所說(shuō)明和描述的本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)完全認(rèn)識(shí)到，可分別或以任何適當(dāng)組合方式采用以下討論的各實(shí)施例的不同教示來(lái)產(chǎn)生所要求的效果。在以下討論和權(quán)利要求書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“包括”和“包含”以開(kāi)放方式使用，且因此應(yīng)詮釋為意味著“包括但不限于……”。除非另外指出，術(shù)語(yǔ)“連接”、“配合”、“聯(lián)接”、“附連”的任何形式的任何使用或描述構(gòu)件之間相互作用的任何其它術(shù)語(yǔ)并不意味著將相互作用限制于構(gòu)件間的直接相互作用，并還可包括所描述構(gòu)件之間的間接相互作用。為了說(shuō)明目的， 用意思是朝向井的表面的“上”、“上部”、“向上”或“上游”和意思是朝向井的終端的“下”、 “下部”、“向下”或“下游”指示上或下，而與井孔定向無(wú)關(guān)。此外，有時(shí)可能陳述某些部件或構(gòu)件流體連通。這意味著部件構(gòu)造并相互關(guān)聯(lián)成流體可通過(guò)通道、管子或管道在其間相通。此外，名稱(chēng)“MWD”或“LWD”用于指所有一般的鉆探同時(shí)測(cè)量或鉆探同時(shí)測(cè)井的裝置和系統(tǒng)。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)在參照附圖閱讀以下各實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明時(shí)上述各種特性以及下文更詳細(xì)描述的其它特征和特性將會(huì)顯而易見(jiàn)。首先參照

圖1，示出包括地層測(cè)試和勘探儀器的鉆探裝置。放大并示意性地示出諸如具有磁力計(jì)和/或加速計(jì)、地層測(cè)試器、地層流體識(shí)別工具、MWD工具、LffD工具、測(cè)井工具、鉆探探測(cè)器、管子輸送工具、鋼纜工具、光滑線工具、完井工具和其它電子工具的地層勘探儀器組的井下電子工具10，作為井底組件6的一部分，該井底組件6包括在其最遠(yuǎn)端處的分段13和鉆頭7。井底組件6通過(guò)鉆桿柱5從諸如船或其它常規(guī)陸地平臺(tái)之類(lèi)的鉆探平臺(tái) 2下降。鉆桿柱5穿過(guò)立管3和井口 4設(shè)置。常規(guī)鉆探設(shè)備(未示出)支承在井架1內(nèi)并使鉆桿柱5和鉆頭7旋轉(zhuǎn)，使鉆頭7形成穿過(guò)地層材料9的鉆孔8。鉆頭7也可使用諸如井下電動(dòng)機(jī)的其它裝置來(lái)旋轉(zhuǎn)。鉆孔8穿透諸如儲(chǔ)藏區(qū)11之類(lèi)的地下區(qū)域或儲(chǔ)藏區(qū)，認(rèn)為這些儲(chǔ)藏區(qū)容納有商業(yè)可行量的碳?xì)浠衔?，且這些儲(chǔ)藏區(qū)還包括地球磁場(chǎng)。由此形成環(huán)面 15。這都與本文的教示相一致電子工具10用在其它井底組件中，并具有在使用基于陸地的平臺(tái)的陸基鉆探以及如圖1所示的近海鉆探中的其它鉆探裝置。在所有情況下，除了電子工具10之外，井底組件6還包含各種常規(guī)設(shè)備和系統(tǒng)，諸如井下鉆探電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)向工具、泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)、MWD或LWD傳感器和系統(tǒng)以及本領(lǐng)域已知的其它裝置。在某些實(shí)施例中，工具和井底組件可能是具有電線導(dǎo)管的遙測(cè)和/或電磁網(wǎng)絡(luò)50 的一部分，如圖IB所示。地層測(cè)試或勘探設(shè)備60聯(lián)接到由一系列帶有電線的鉆桿M形成的鉆桿柱52，一系列帶有電線的鉆桿M使用下述連通構(gòu)件連接以跨越接頭連通。應(yīng)當(dāng)理解，鉆桿柱52也可以是其它傳送形式，諸如盤(pán)管或帶有電線的盤(pán)管。網(wǎng)絡(luò)50的其它部件可包括方鉆桿56 ；井頂轉(zhuǎn)發(fā)器單元58，其將網(wǎng)絡(luò)100與鉆探控制操作和世界其余地方接口 ； 計(jì)算機(jī)64，其在鉆塔控制中心用作服務(wù)器；以及上行鏈路108。具有傳感器62的測(cè)試工具 60示出就在鉆頭51上方鏈接到網(wǎng)絡(luò)100中，以沿其導(dǎo)體路徑并沿帶有電線的鉆桿柱52進(jìn)行通信。如圖IC所示，帶有電線的鉆桿柱52的管段M包括經(jīng)過(guò)該管段整個(gè)長(zhǎng)度的各導(dǎo)體 70。通信元件72允許在管段M與諸如分段、聯(lián)接器以及其它管之類(lèi)的其它管部件74之間傳遞電力和/或數(shù)據(jù)?？裳毓艿缽墓ぞ咭欢送ㄟ^(guò)導(dǎo)體150跨越通信元件155向另一端傳輸數(shù)據(jù)/電力信號(hào)?，F(xiàn)參照?qǐng)D2-4，圖形表示以不同方式示出升高溫度下井下傳感器的不穩(wěn)定性。例如，在約150-175 下，表示各傳感器的曲線的斜率隨著溫度顯著變化。如圖所示，總體傳感器增益和偏差在較高溫度下變化非常快。因此，使用常規(guī)查尋表或基于溫度補(bǔ)償?shù)亩囗?xiàng)式， 測(cè)得溫度的較小誤差可致使從傳感器得到的溫度補(bǔ)償讀數(shù)的較大誤差。此外，傳感器在較高溫度下的校準(zhǔn)具有很大的不可預(yù)測(cè)性，通常的情況是，校準(zhǔn)曲線不是溫度的可重復(fù)函數(shù)。 因此，在某些實(shí)施例中，必須現(xiàn)場(chǎng)或“匆忙地”或“實(shí)時(shí)”且在非常接近每次測(cè)量時(shí)間的時(shí)間校準(zhǔn)傳感器。
在某些實(shí)施例中，定向響應(yīng)傳感器可圍繞工具或鉆桿柱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而同時(shí)也可繞垂直于工具或鉆桿柱軸線的一個(gè)或多個(gè)其它軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。參照?qǐng)D5-7，示出傳感器儀器組 100。在圖5中，傳感器儀器組100的局部剖視圖示出外部殼體或本體102、聯(lián)接到運(yùn)動(dòng)傳遞構(gòu)件106的軸104、以及與第一運(yùn)動(dòng)傳遞構(gòu)件106配合的第二運(yùn)動(dòng)傳遞構(gòu)件116。在某些實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)傳遞構(gòu)件是嚙合或互鎖的齒輪或錐齒輪。齒輪116是傳感器底盤(pán)110的一部分，傳感器底盤(pán)110包括聯(lián)接到支承件112的傳感器114以及允許齒輪116使傳感器底盤(pán) 110轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形轉(zhuǎn)動(dòng)支承件118。傳感器114包括感測(cè)或傳感軸線115。在某些實(shí)施例中，傳感軸線115是傳感器114的最大靈敏度的軸線。傳感器底盤(pán)110轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在外罩 108內(nèi)，外罩108由殼體102轉(zhuǎn)動(dòng)地支承。外罩可相對(duì)于殼體102轉(zhuǎn)動(dòng)，且傳感器底盤(pán)110 可相對(duì)于外罩和殼體102轉(zhuǎn)動(dòng)。參照?qǐng)D6，以虛線立體圖示出傳感器儀器組100。軸104可如箭頭122所示繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。軸104也可沿與箭頭122相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。外罩108也可沿兩方向且獨(dú)立于軸104 的轉(zhuǎn)動(dòng)而繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器底盤(pán)110可如箭頭IM所示繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器底盤(pán)110也可沿與箭頭1 相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器底盤(pán)110和軸104通過(guò)齒輪組件106、116可操作地聯(lián)接。外罩108的轉(zhuǎn)動(dòng)使傳感器底盤(pán)110在XY平面內(nèi)移動(dòng)，且由此使傳感器114在XY 平面內(nèi)移動(dòng)，從而影響X和Y方向。如果軸104保持不動(dòng)，而外罩108轉(zhuǎn)動(dòng)，則使傳感器底盤(pán)110轉(zhuǎn)動(dòng)并翻轉(zhuǎn)，如下文將進(jìn)一步描述那樣。在某些實(shí)施例中，軸104可包括安裝在其上的第二傳感器120。在一方面，由外罩108和傳感器底盤(pán)110形成的組件是用于傳感器114的多軸線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。外罩108能夠繞工具或鉆桿柱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或“旋轉(zhuǎn)”，而傳感器底盤(pán)110可轉(zhuǎn)動(dòng)地固定在外罩108內(nèi)，從而繞與外罩108軸線和工具軸線不同的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或“萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)”。在某些實(shí)施例中，萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)軸線正交于工具軸線。傳感器底盤(pán)也可稱(chēng)為傳感器籃架。另一方面，該組件是萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或裝置，其中外罩108是外部萬(wàn)向節(jié)，而傳感器底盤(pán)110是內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)。嚙合的齒輪組件106、116是用于使兩可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的萬(wàn)向節(jié)部件運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分。現(xiàn)參照?qǐng)D7，傳感器儀器組100的端視圖示出傳感器底盤(pán)110圍繞X軸稍微轉(zhuǎn)動(dòng)以使支承件112、傳感器114和傳感軸線115傾斜。在某些實(shí)施例中，齒輪106可轉(zhuǎn)動(dòng)，以又使齒輪116轉(zhuǎn)動(dòng)并使傳感器底盤(pán)110繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在其它實(shí)施例中，齒輪106通過(guò)軸104保持不動(dòng)或固定，而外罩或外部萬(wàn)向節(jié)108繞工具軸線或Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并然后使互鎖的齒輪116 沿固定齒輪106移動(dòng)，并使傳感器底盤(pán)110繞內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在各實(shí)施例中，用于本文所述各運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器包括低功率、低發(fā)熱且低磁場(chǎng)特性的致動(dòng)器。例如，致動(dòng)器可包括傳動(dòng)螺桿、線性電動(dòng)機(jī)、齒輪、小齒輪和具有毫微定位的壓電電動(dòng)機(jī)。在某些實(shí)施例中，萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括聯(lián)接到諸如傳感器底盤(pán)Iio和外罩108之類(lèi)的一個(gè)或多個(gè)萬(wàn)向節(jié)的一個(gè)或多個(gè)壓電電動(dòng)機(jī)，且萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)接到用于觸發(fā)壓電電動(dòng)機(jī)的電路。還設(shè)置控制電路來(lái)控制萬(wàn)向節(jié)觸發(fā)電路。在另一實(shí)施例中，萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括單個(gè)壓電電動(dòng)機(jī)與多個(gè)萬(wàn)向節(jié)之間的齒輪組件。在另一些實(shí)施例中，萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu)包括形狀記憶裝置，該形狀記憶裝置能夠具有聯(lián)接到諸如傳感器底盤(pán)110之類(lèi)的一個(gè)或多個(gè)萬(wàn)向節(jié)的至少兩種形狀，從而驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向節(jié)至至少兩種定向。在另一實(shí)施例中，設(shè)有用于使形狀記憶裝置改變形狀的裝置。在其它實(shí)施例中，用于各萬(wàn)向節(jié)的驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
在某些實(shí)施例中，傳感器114、120是具有最大靈敏度軸線的定向響應(yīng)傳感器。在某些實(shí)施例中，各傳感器包括加速計(jì)、斜度計(jì)、磁力計(jì)或陀螺儀。為了說(shuō)明傳感器114怎樣繞三個(gè)正交軸線或在三個(gè)正交平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)參見(jiàn)圖 8-13。在圖8中，示出儀器探測(cè)組200的立體圖，為了清楚起見(jiàn)局部切去并以虛線示出某些部件。殼體202支承儀器探測(cè)組200的各部件，包括可轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部軸204，該可轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部軸 204具有與傳感器底盤(pán)、籃架或內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)210中的齒輪216嚙合的齒輪206。傳感器底盤(pán) 210包括聯(lián)接到支承件212的傳感器214以及允許齒輪216使支承件212和傳感器214繞 X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)支承件218。外罩或萬(wàn)向節(jié)208可獨(dú)立于可轉(zhuǎn)動(dòng)軸204繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器214沿Y+方向定位，其中傳感器214的傳感軸線與Y+方向?qū)R?，F(xiàn)參照?qǐng)D9，在內(nèi)部軸204保持不動(dòng)時(shí)，向致動(dòng)器供給動(dòng)力以使外罩208繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。當(dāng)外罩208轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪216沿固定齒輪206移動(dòng)以同時(shí)使傳感器底盤(pán)210 轉(zhuǎn)動(dòng)。該雙重轉(zhuǎn)動(dòng)將傳感器214定位在沿Z-方向的新位置，其中傳感器214的傳感軸線與 Z-軸對(duì)齊。接著參照?qǐng)D10，在軸204和齒輪206固定的同時(shí)，外罩208繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪216繼續(xù)沿固定齒輪206移動(dòng)，現(xiàn)將傳感器214放置在沿X+方向的新位置，如圖所示。傳感器214 的傳感軸線與X+軸對(duì)齊。接著參照?qǐng)D11，在軸204和齒輪206固定的同時(shí)，外罩208繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪216繼續(xù)沿固定齒輪206移動(dòng)，以將傳感器214放置在沿Z+方向的新位置，如圖所示。傳感器214 的傳感軸線與Z+軸對(duì)齊?，F(xiàn)參照?qǐng)D12，在軸204和齒輪206固定的同時(shí)，外罩208繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪216繼續(xù)沿固定齒輪206移動(dòng)，以將傳感器214放置在沿Y-方向的新位置，如圖所示。傳感器214 的傳感軸線與Y-軸對(duì)齊。最后，參照?qǐng)D13，在軸204和齒輪206固定的同時(shí)，外罩208繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪216 繼續(xù)沿固定齒輪206移動(dòng)，以將傳感器214放置在沿X-方向的位置，如圖所示。傳感器214 的傳感軸線與X-軸對(duì)齊。在某些實(shí)施例中，齒輪106、116之間1 1的比值將使傳感器底盤(pán)110在與Y軸對(duì)齊和與Z軸對(duì)齊之間翻轉(zhuǎn)。如果外罩108在保持內(nèi)部軸不動(dòng)的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，如本文詳述的， 則較大的齒輪比會(huì)使允許感器底盤(pán)沿多個(gè)方向定向。在某些實(shí)施例中，使外罩108和軸104 一起轉(zhuǎn)動(dòng)將使傳感器114與X軸或Y軸對(duì)齊，或使傳感器114在XY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。在其它實(shí)施例中，外罩108或軸104中的僅一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)將使傳感器底盤(pán)翻轉(zhuǎn)成與Z軸對(duì)齊且在TL或TL 平面(或簡(jiǎn)稱(chēng)為Z平面)內(nèi)翻轉(zhuǎn)。在某些實(shí)施例中，改變齒輪206、216的齒輪比以產(chǎn)生所要求的結(jié)果。在某些實(shí)施例中，齒輪比是2 1，以沿著沿所述三個(gè)正交軸X、Y和Z的所有正向和負(fù)向定向引導(dǎo)傳感器214和其傳感軸線。參照?qǐng)D13Β，2 1的齒輪比將引導(dǎo)傳感器214的傳感軸線通過(guò)三維球面230上的三維軌跡232、234。在其它實(shí)施例中，且參照?qǐng)D13C，將齒輪比調(diào)整到6 5， 以使萬(wàn)向節(jié)傳感器214沿諸如三維球面242上一系列三維軌跡242的更多三維軌跡引導(dǎo)其傳感軸線。在其它實(shí)施例中，還可調(diào)整齒輪比以調(diào)整傳感軸線在假想三維球面上移動(dòng)經(jīng)過(guò)的三維軌跡的數(shù)量和類(lèi)型。上述定向響應(yīng)傳感器的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)形成可用于校準(zhǔn)傳感器并進(jìn)一步收集勘探信息的某些幾何形狀、定義、信息和響應(yīng)。參照?qǐng)D13D和13E，傳感器組200包括外部萬(wàn)向節(jié)208 和具有傳感器214的內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)210。傳感器組200的位置對(duì)應(yīng)于特定勘探位置處的工具定向i。此外，θ =定向i處的傾角，ζ =定向i處加速計(jì)靈敏度軸線215與工具軸線Z 之間的角度，ζ。= ζ的偏移量，Γ =外部殼體202的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并相對(duì)于X軸測(cè)得，且Γ^ =工具面，為傳感軸線215位于包含Z軸和g矢量的平面內(nèi)角度。對(duì)于所示特定萬(wàn)向節(jié)和傳感器定向，當(dāng)沒(méi)有任何偏移Γ = Γ^時(shí)，ζ = π/2。因此，示例性響應(yīng)模式可以是如下傾斜響應(yīng)模式ζ=\θ,Γ + ^] + ζ0
VC = b+SF (-sin ( θ ) sin ( ζ ) cos ( Γ + Γ 0) +cos ( θ ) cos ( ζ ))如圖13Ε所示，可用Ν、Β、Ε和V軸以及傳感軸線在NE平面內(nèi)的投影215’來(lái)定義其它幾何形狀。在替代實(shí)施例中，正在校準(zhǔn)的傳感器的靈敏度軸線或傳感器的Z軸可使用其它機(jī)構(gòu)根據(jù)本文所述的原理定向。例如，參照?qǐng)D14-24，傳感器勘探組300包括用于繞三個(gè)正交軸線引導(dǎo)定向響應(yīng)傳感器的三軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳感器組300包括用于通過(guò)各種Z傳感軸線定向引導(dǎo)傳感器的內(nèi)部螺旋軌道302。參照?qǐng)D20，傳感器組300的本體301包括內(nèi)部螺旋軌道302。開(kāi)口端306接納傳感器304，該傳感器304具有與溝槽310匹配的導(dǎo)軌308。傳感器包括所示Z軸定向?，F(xiàn)參照?qǐng)D21，促使或強(qiáng)制傳感器304沿著軌道302。通過(guò)本文所述的驅(qū)動(dòng)裝置或通過(guò)支承鉆桿柱的運(yùn)動(dòng)來(lái)施力。在傳感器304的新位置，Z軸定向已如圖所示變化。在圖 22中，傳感器304已經(jīng)移動(dòng)到軌道302內(nèi)的新位置，具有如圖所示的新Z軸定向。在圖23 中，傳感器已進(jìn)一步移動(dòng)到另一 Z軸定向。最后，在圖M中，傳感器304停在狹槽312內(nèi)， 具有所示Z軸定向。在某些實(shí)施例中，傳感器304通過(guò)螺旋軌道302行進(jìn)返回。在這些實(shí)施例中，傳感器304通過(guò)軌道302的螺旋運(yùn)動(dòng)模擬本文所述在三個(gè)正交平面內(nèi)相對(duì)于萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各種定向?？稍诟鞣N定向處取得測(cè)量值并也如本文所述進(jìn)行校準(zhǔn)。在以下討論中，為了清楚起見(jiàn)，參照傳感器組200，但應(yīng)理解這些原理同樣適用于傳感器組100(或傳感器組300)。在各示例性實(shí)施例中，確定傳感器214的傳感軸線215的轉(zhuǎn)動(dòng)或萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)使得傳感軸線的三維軌跡橫跨三個(gè)相互正交的方向。在又一些實(shí)施例中， 三維軌跡選擇成在間隔開(kāi)180度的定向橫跨三個(gè)相互正交的方向。在一實(shí)施例中，這三個(gè)方向?qū)?yīng)于沿鉆桿柱和工具軸線的方向，以及正交于鉆桿柱和工具軸線的兩個(gè)方向。在一示例性實(shí)施例中，本文所揭示的用于齒輪組件的齒輪比為2ΝΛ2Ν-1)，其中N大于或等于1， 形成包含限定這三個(gè)正交軸線且與這些軸線接觸至少兩次的點(diǎn)的至少一個(gè)子集的軌跡，成對(duì)的接觸點(diǎn)彼此相對(duì)(即間隔開(kāi)180度)。在一示例性實(shí)施例中，傳感器214 (例如可以是磁力計(jì)或加速計(jì)或兩者的組合)轉(zhuǎn)動(dòng)或萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)，使得其靈敏度軸線215正交于鉆桿柱和傳感器組200的Z軸(諸如圖8、10、 12、13中所示的位置)。然后，外罩208轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)以使正交定向的傳感軸線215繞鉆桿柱和工具Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。用傳感器214取得測(cè)量值。此外，如前所述，外罩208可在內(nèi)部萬(wàn)向節(jié) 210通過(guò)齒輪組件轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)旋轉(zhuǎn)，從而引導(dǎo)傳感軸線215通過(guò)參照?qǐng)D1 和13C所示和所述且橫跨三個(gè)相互正交方向的多個(gè)三維軌跡。再次用傳感器214取得測(cè)量值。
在某些實(shí)施例中，使用轉(zhuǎn)動(dòng)檢查拍攝方法(rotational check shot method)取得測(cè)量值，其中在鉆桿柱固定在每個(gè)角度和恒定深度時(shí)，在各離散的轉(zhuǎn)動(dòng)角度處進(jìn)行測(cè)量。 美國(guó)專(zhuān)利4，682，412中可以發(fā)現(xiàn)該方法的其它細(xì)節(jié)。在其它實(shí)施例中，在鉆桿柱固定在每個(gè)角度但不同深度時(shí)，在各離散轉(zhuǎn)動(dòng)角度處進(jìn)行測(cè)量。美國(guó)專(zhuān)利5，806，194中可以發(fā)現(xiàn)該方法的其它細(xì)節(jié)。在某些實(shí)施例中，當(dāng)鉆桿柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連續(xù)進(jìn)行測(cè)量，如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi) 2006/0106587中所揭示那樣。如剛才所述進(jìn)行的測(cè)量可用于確定比例因子和偏置?？捎?jì)算比例因子和偏置(以及未對(duì)準(zhǔn)項(xiàng))。在某些實(shí)施例中，將通過(guò)傳感器214取得的測(cè)量值擬合成具有一定偏移的正弦波。該偏移提供偏置，且幅值提供比例因子。此外，用系統(tǒng)200取得的軌跡和橫跨正交測(cè)量允許用一矢量的補(bǔ)償測(cè)量確定偏置和比例因子。在某些實(shí)施例中，傳感器214的傳感軸線215翻轉(zhuǎn)180°以允許對(duì)偏置進(jìn)行測(cè)量。 例如，與圖12的位置相比，圖8中傳感器214的位置表示傳感器214的180°翻轉(zhuǎn)。同樣， 圖9對(duì)應(yīng)于圖11，且圖10對(duì)應(yīng)于圖13。在某些實(shí)施例中，使用數(shù)字處理來(lái)計(jì)算該偏置。該偏置計(jì)算用于校準(zhǔn)傳感器214。在某些實(shí)施例中，通過(guò)沿不同的軌跡路徑或橫跨正交方向標(biāo)準(zhǔn)化由傳感器214取得的三個(gè)測(cè)量值的和來(lái)確定比例因子。三個(gè)測(cè)量值的平方和等于被校準(zhǔn)的特定場(chǎng)值的平方(例如當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊钠椒交虍?dāng)?shù)卮艌?chǎng)值的大小的平方)。在又一些實(shí)施例中，在圍繞軌跡連續(xù)操縱傳感軸線的同時(shí)取得這些測(cè)量值。在某些實(shí)施例中，傳感器214是加速計(jì)，且沿軌跡校準(zhǔn)加速計(jì)允許用傳感器校準(zhǔn)參數(shù)(例如比例因子、偏置和未對(duì)準(zhǔn)度)同時(shí)確定工具傾角和工具面值。在某些實(shí)施例中，傳感器214包括加速計(jì)和磁力計(jì)，且沿軌跡校準(zhǔn)傳感器允許與傾度、工具面和磁力計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)(例如磁力計(jì)的比例因子、偏置和未對(duì)準(zhǔn)度)同時(shí)確定工具方位角。因此，在又一些實(shí)施例中，各校準(zhǔn)參數(shù)可用作質(zhì)量控制參數(shù)。任何校準(zhǔn)參數(shù)從所觀察的趨勢(shì)的突然中斷可提供傳感器即將失效或測(cè)量值可能包括誤差的警告。在各示例性實(shí)施例中，各校準(zhǔn)參數(shù)作為時(shí)間函數(shù)的線性趨勢(shì)用于指出落到該趨勢(shì)以外大于特定量(例如3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差)的點(diǎn)。使用最小二乘法擬合或Kalman濾波來(lái)得到線性趨勢(shì)，或?qū)τ谄渌鼘?shí)施例用其它方式得到。在各示例性實(shí)施例中，校準(zhǔn)定向響應(yīng)傳感器的方法包括將傳感器定向成最大靈敏度的軸線正交于工具軸線，此后在正交于工具軸線的定向取得至少兩個(gè)測(cè)量值，兩個(gè)測(cè)量值間隔開(kāi)180度。接著，將傳感器定向成最大靈敏度軸線平行于工具軸線或反向平行于工具軸線。在該定向進(jìn)行至少一次測(cè)量。在第一正交位置的兩個(gè)測(cè)量值是橫跨軸向測(cè)量值并可用于確定傳感器的偏置。可使用該偏置校正該軸向測(cè)量值。然后，如果傳感器正在測(cè)量的總場(chǎng)的值是已知的，則可確定比例因子，通常情況是用地球的重力場(chǎng)、磁場(chǎng)或地球的自旋向量。然后可在勘探時(shí)使用這三個(gè)測(cè)量值(或可取得其它測(cè)量值)。在包括在萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)裝置的籃架中具有加速計(jì)和磁力計(jì)兩者的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例中，使用傳感器測(cè)量值和軌跡校準(zhǔn)值來(lái)同時(shí)確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)。另一方法包括同時(shí)確定傾度、工具面和校準(zhǔn)參數(shù)。另一方法包括同時(shí)確定傾度、工具面、方位角和校準(zhǔn)參數(shù)。在包括在萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)裝置的籃架中僅具有加速計(jì)的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例中，使用傳感器測(cè)量值和軌跡校準(zhǔn)值來(lái)同時(shí)確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)。另一方法包括同時(shí)確定傾度、工具面和校準(zhǔn)參數(shù)。CN 102245856 A
說(shuō)明書(shū)
7/9在各示例性實(shí)施例中，傳感器組系統(tǒng)僅包括萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)裝置的籃架內(nèi)的加速計(jì)和條帶下降(常規(guī)MWD勘探)構(gòu)造中的三軸磁力計(jì)。一種方法包括同時(shí)確定傾度、工具面和加速計(jì)的校準(zhǔn)參數(shù)并使用磁力計(jì)讀數(shù)、傾度和方位角確定方位角，如常規(guī)MWD勘探中那樣。在各示例性實(shí)施例中，系統(tǒng)僅包括萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)裝置的籃架內(nèi)的加速計(jì)和與內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)分開(kāi)的可轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的磁力計(jì)120。在又一實(shí)施例中，該裝置包括安裝在可繞本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的外罩108(圖6)上的至少一個(gè)定向靈敏傳感器125。在又一實(shí)施例中，該裝置包括安裝在外罩108上并具有彼此正交的傳感軸線的至少兩個(gè)定向靈敏傳感器125。在某些實(shí)施例中，安裝在外罩108上的定向靈敏傳感器125是磁力計(jì)。在某些實(shí)施例中，安裝在外罩108 上的定向靈敏傳感器125是陀螺儀。一種方法包括通過(guò)在外罩108的不同定向處進(jìn)行至少兩次測(cè)量來(lái)同時(shí)測(cè)量?jī)A度、工具面和加速計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)，并校準(zhǔn)磁力計(jì)的偏置。在某些實(shí)施例中，兩個(gè)測(cè)量值間隔開(kāi)180度。在某些實(shí)施例中，在間隔開(kāi)90度的兩個(gè)定向用磁力計(jì)取得各測(cè)量值。這些測(cè)量值與傾度和工具面一起用于如美國(guó)專(zhuān)利4，510，696中所述那樣推導(dǎo)方位角。在各示例性實(shí)施例中，系統(tǒng)包括與內(nèi)部萬(wàn)向架內(nèi)的加速計(jì)分開(kāi)并在傳感器組件內(nèi)任何位置(除了內(nèi)部萬(wàn)向節(jié))定向的磁力計(jì)。磁力計(jì)設(shè)置在萬(wàn)向節(jié)內(nèi)，該萬(wàn)向節(jié)設(shè)置成磁力計(jì)傳感軸線或者沿著鉆桿柱軸線或者反向平行于鉆桿柱軸線。偏置用平行或反向平行測(cè)量值得到，并與傾度、工具面和其它磁力計(jì)測(cè)量值一起用于推導(dǎo)方位角。在例如確定傾度的同時(shí)確定校準(zhǔn)參數(shù)的其它實(shí)施例中，對(duì)系統(tǒng)定義響應(yīng)模式，沿軌跡進(jìn)行一組測(cè)量，并對(duì)在預(yù)定精度內(nèi)與所觀測(cè)數(shù)據(jù)最一致的偏置、比例因子未對(duì)準(zhǔn)和傾度進(jìn)行迭代折半查找。其它實(shí)施例包括用磁力計(jì)參數(shù)計(jì)算和方位角計(jì)算進(jìn)行工具面計(jì)算。本文所揭示的是通過(guò)所述轉(zhuǎn)動(dòng)和萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)橫跨軸向傳感器(傾度計(jì)或磁力計(jì)或陀螺儀)的實(shí)施例。這些技術(shù)可應(yīng)用于用于井下振動(dòng)和震動(dòng)測(cè)量的傾度計(jì)、 磁力計(jì)、陀螺儀和加速計(jì)。本文的各實(shí)施例使得能夠在井下環(huán)境中使這種定向響應(yīng)傳感器在寬范圍角度上轉(zhuǎn)動(dòng)或萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)，由此使得即使由于存在磁材料而存在勘探傳感器的有時(shí)會(huì)發(fā)生的磁干擾或磁屏蔽，也能夠提供傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，磁材料諸如鉆探泥漿中的鐵屑、磁鐵礦、鈦鐵礦或赤鐵礦。在傳感器校準(zhǔn)期間，精確地得知環(huán)境場(chǎng)的大小和方向，并注意確保在校準(zhǔn)期間沒(méi)有磁干擾或振動(dòng)。當(dāng)預(yù)期校準(zhǔn)即使在固定溫度下也隨時(shí)間顯著漂移時(shí)，如高溫操作(例如大于約190°C )時(shí)可能發(fā)生的那樣，只有現(xiàn)場(chǎng)且在接近進(jìn)行勘探時(shí)的時(shí)間可校準(zhǔn)傳感器才能進(jìn)行精確的勘探。本文所揭示的各實(shí)施例使得能夠在寬范圍角度上對(duì)特定傳感器進(jìn)行定向，以在井下校準(zhǔn)單軸線(或多軸線)加速計(jì)。在某些實(shí)施例中，單軸線加速計(jì)與本文所述的傳感器組和萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一起使用有效地構(gòu)成3軸線加速計(jì)。在該情況下，僅需要確定一個(gè)增益和一個(gè)偏置，并確定兩個(gè)未對(duì)準(zhǔn)角度。在其兩個(gè)橫跨軸向定向處有單軸線加速計(jì)的未對(duì)準(zhǔn)。 在某些實(shí)施例中，當(dāng)傳感器底盤(pán)將傳感器定向在其指定為鉆桿柱軸線(實(shí)際上可能稍微偏離鉆桿柱軸線)的位置時(shí)確定第三未對(duì)準(zhǔn)角度，即單軸線加速計(jì)的感測(cè)軸線和鉆桿柱軸線之間的未對(duì)準(zhǔn)。由于已知地球重力場(chǎng)的大小，需要在不同定向的兩個(gè)測(cè)量值中的最小值來(lái)確定傳感器的增益和偏置，且需要在又不同定向的兩個(gè)另外測(cè)量值中的最小值來(lái)確定未對(duì)準(zhǔn)角度。在示例性實(shí)施例中，井下傳感器校準(zhǔn)裝置包括具有軸線的本體以及由本體支承的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)傳感器，其中轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可操作以使傳感器相對(duì)于三個(gè)正交軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可操作以使傳感器在三個(gè)正交平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可包括可繞本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的外罩以及支承在外罩內(nèi)并可繞正交于本體軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器底盤(pán)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可包括萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在外部萬(wàn)向節(jié)內(nèi)并相對(duì)于外部萬(wàn)向節(jié)可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承的內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)。外部萬(wàn)向節(jié)可由本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承并相對(duì)于本體可轉(zhuǎn)動(dòng)支承。內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)可包括包含至少一個(gè)傳感器的籃架。該傳感器可包括定向響應(yīng)傳感器。該傳感器可包括加速計(jì)、磁力計(jì)、傾度計(jì)、陀螺儀或其組合。該轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可包含第二傳感器。第一傳感器可包括加速計(jì)，且第二傳感器可包括磁力計(jì)。第二傳感器可安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)外部。第二傳感器可安裝在外罩上并可繞本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。第三傳感器可安裝在外罩上并可繞本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其中第二和第三傳感器包括各具有相互正交的傳感軸線的定向靈敏傳感器。第二和第三傳感器可包括磁力計(jì)、陀螺儀或其組合。第二傳感器可安裝在外部萬(wàn)向節(jié)上并可繞本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。第三傳感器可安裝在外部萬(wàn)向節(jié)上并可繞本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其中第二和第三傳感器包括各具有相互正交的傳感軸線的定向靈敏傳感器。第二和第三傳感器可包括磁力計(jì)、陀螺儀或其組合。傳感器底盤(pán)可包括轉(zhuǎn)動(dòng)支承件以使傳感器的傳感軸線繞正交軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器底盤(pán)可包括齒輪，其中該齒輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接到第二齒輪，其中各齒輪包括互鎖的錐齒輪，其中第二齒輪聯(lián)接到軸，且其中軸包括安裝在其上的第二傳感器，其中軸由本體沿本體軸線可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承并相對(duì)于本體可轉(zhuǎn)動(dòng)支承。各齒輪可包括21的齒輪比，以提供傳感器的傳感軸線的相應(yīng)三維軌跡?？赡苡卸鄠€(gè)不同的三維軌跡。各齒輪可包括6 5的齒輪比，以提供傳感器的傳感軸線的相應(yīng)三維軌跡。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可包括內(nèi)部螺旋軌道以接納傳感器。該傳感器可包括導(dǎo)軌以與螺旋軌道的溝槽匹配。該傳感器可沿螺旋軌道移動(dòng)。螺旋軌道可繞三個(gè)正交軸線、在三個(gè)正交平面內(nèi)、沿三維軌跡或其組合弓I導(dǎo)傳感器的傳感軸線。該轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可操作以沿三維軌跡移動(dòng)傳感器的傳感軸線。三維軌跡可以是響應(yīng)于齒輪比可調(diào)節(jié)的。在各示例性實(shí)施例中，井下傳感器校準(zhǔn)裝置包括工具本體，該工具本體具有軸線；以及萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將第一傳感器可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接到工具本體內(nèi)并相對(duì)于工具本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接，萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括外部萬(wàn)向節(jié)和內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)，外部萬(wàn)向節(jié)聯(lián)接到工具本體并可相對(duì)于工具本體繞工具本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)保持第一傳感器并可相對(duì)于工具本體和外部萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，以使第一傳感器的傳感軸線繞正交于本體軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)部和外部萬(wàn)向節(jié)可同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。第一傳感器的傳感軸線可響應(yīng)于內(nèi)部和外部萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿三維軌跡移動(dòng)?；ユi齒輪可聯(lián)接在內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)與外部萬(wàn)向節(jié)之間。三維軌跡可以是響應(yīng)于互鎖齒輪的齒輪比而可調(diào)節(jié)的。第二傳感器可安裝在外部萬(wàn)向節(jié)上。第二傳感器可安裝成與萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離開(kāi)。第二傳感器安裝在聯(lián)接到萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸上。在各示例性實(shí)施例中，校準(zhǔn)定向響應(yīng)傳感器的方法包括使包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承定向響應(yīng)傳感器的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工具本體下降到地下儲(chǔ)藏區(qū)內(nèi)；并使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使傳感器相對(duì)于三個(gè)正交軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。該方法還包括使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)使傳感器在三個(gè)正交平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。該方法還包括使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)沿三維軌跡移動(dòng)傳感器的傳感軸線。三維軌跡可橫跨三個(gè)相互正交的方向。多個(gè)三維軌跡可沿間隔開(kāi)180度的定向橫跨三個(gè)相互正交方向。三個(gè)相互正交方向可包括工具本體軸線和正交于工具本體軸線的兩個(gè)方向。該方法還包括使用齒輪比來(lái)調(diào)節(jié)三維軌跡。該方法還包括使外部萬(wàn)向節(jié)相對(duì)于工具本體轉(zhuǎn)動(dòng)，并使內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)相對(duì)于外部萬(wàn)向節(jié)和工具本體轉(zhuǎn)動(dòng)以使傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)。使內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)可包括沿固定齒輪移動(dòng)內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)齒輪。該方法還包括沿螺旋軌道移動(dòng)傳感器。該方法還包括將傳感器的傳感軸線定向成正交于工具本體軸線，在第一定向用傳感器進(jìn)行第一測(cè)量，通過(guò)使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器而將傳感軸線再定向成正交于工具本體軸線的第二定向，在第二定向用傳感器進(jìn)行第二測(cè)量。該方法還包括使用第一和第二橫跨軸向測(cè)量確定傳感器的偏置。第一和第二橫跨軸向測(cè)量可以間隔開(kāi)180度。該方法還包括通過(guò)使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器而將傳感器軸線再定向到平行于工具本體軸線的第三定向，在該第三定向用傳感器進(jìn)行第三測(cè)量，并使用偏置修正該第三測(cè)量。該方法還包括使用由傳感器測(cè)得的總場(chǎng)的已知大小確定比例因子。該場(chǎng)可包括地球重力場(chǎng)、地球磁場(chǎng)和地球自旋向量中的至少一個(gè)。該方法還包括在使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的同時(shí)用傳感器進(jìn)行測(cè)量。該方法還包括在沿三維軌跡移動(dòng)傳感軸線的同時(shí)用傳感器進(jìn)行測(cè)量。該方法還包括在沿三維軌跡移動(dòng)傳感軸線的同時(shí)用傳感器連續(xù)進(jìn)行測(cè)量。該方法還包括在沿三維軌跡將傳感軸線逐步移動(dòng)到離散位置的同時(shí)用傳感器進(jìn)行測(cè)量。該方法還包括其中使傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)包括使用萬(wàn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)和磁力計(jì)，用加速計(jì)和磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)使用測(cè)量值確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)。該方法還包括在確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)的同時(shí)確定工具面。該方法還包括在確定傾度、校準(zhǔn)參數(shù)和工具面的同時(shí)確定方位角。該方法還包括其中使傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)包括使用萬(wàn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)，用加速計(jì)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)使用測(cè)量值確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)。該方法還包括在確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)的同時(shí)確定工具面。該方法還包括其中使傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)包括使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)，用加速計(jì)進(jìn)行測(cè)量，用與萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離安裝的三軸線磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量， 并使用測(cè)量值同時(shí)確定傾度、工具面和加速計(jì)的校準(zhǔn)參數(shù)。該方法還包括在確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)的同時(shí)使用測(cè)量值確定方位角。該方法還包括其中使傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)包括使用萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)，并用加速計(jì)進(jìn)行測(cè)量。該方法還包括用安裝在聯(lián)接到萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸上的磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。該萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可包括內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)和外部萬(wàn)向節(jié)，內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)保持加速計(jì)，且外部萬(wàn)向節(jié)包括定向靈敏傳感器。定向靈敏傳感器可包括磁力計(jì)和陀螺儀中的一個(gè)。外部萬(wàn)向節(jié)可包括具有彼此正交的傳感軸線的至少兩個(gè)定向靈敏傳感器。該方法還包括使外部萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)并在定向靈敏傳感器的不同定向處進(jìn)行至少兩次測(cè)量。不同定向可間隔開(kāi)180度。該方法還包括在用測(cè)量值同時(shí)確定傾度、工具面和加速計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)。該方法還包括使用測(cè)量值校準(zhǔn)定向靈敏傳感器的偏置。該方法還包括使用定向靈敏傳感器測(cè)量值、傾度和工具面推導(dǎo)方位角。 盡管已示出和描述了各具體實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行更改而不背離本發(fā)明的精神和內(nèi)容。這些所述實(shí)施例僅是示例性的而非限制。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可能有很多更改和改變。因而，本發(fā)明的范圍不限于所述各實(shí)施例，而是僅受以下權(quán)利要求書(shū)的限制，其范圍應(yīng)當(dāng)包括權(quán)利要求書(shū)主題的所有同等物。
權(quán)利要求
1.一種井下傳感器校準(zhǔn)裝置，包括本體，所述本體具有軸線；以及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由所述本體支承，所述機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)傳感器；其中所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可操作以使所述傳感器相對(duì)于三個(gè)正交軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可操作以使所述傳感器在三個(gè)正交平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括外罩和傳感器底盤(pán)，所述外罩可繞所述本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述傳感器底盤(pán)支承在所述外罩內(nèi)并可繞正交于所述本體軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在外部萬(wàn)向節(jié)內(nèi)并相對(duì)于所述外部萬(wàn)向節(jié)可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承的內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述外部萬(wàn)向節(jié)可由所述本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承并相對(duì)于所述本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)包括包含所述至少一個(gè)傳感器的籃架。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器包括定向響應(yīng)傳感器。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器包括加速計(jì)、磁力計(jì)、 傾度計(jì)、陀螺儀或其組合。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含第二傳感器。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述第一傳感器包括加速計(jì)，而所述第二傳感器包括磁力計(jì)。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第二傳感器安裝在所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)外部。
13.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，第二傳感器安裝在所述外罩上并可繞所述本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，第三傳感器安裝在所述外罩上并可繞所述本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其中所述第二和第三傳感器包括各具有相互正交的傳感軸線的定向靈敏傳感器。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第二和第三傳感器包括磁力計(jì)、陀螺儀或其組合。
16.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，第二傳感器安裝在所述外部萬(wàn)向節(jié)上并可繞所述本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，第三傳感器安裝在所述外部萬(wàn)向節(jié)上并可繞所述本體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其中所述第二和第三傳感器包括各具有相互正交的傳感軸線的定向靈敏傳感器。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述第二和第三傳感器包括磁力計(jì)、陀螺儀或其組合。
19.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述傳感器底盤(pán)包括轉(zhuǎn)動(dòng)支承件以使所述傳感器的傳感軸線繞所述正交軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
20.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述傳感器底盤(pán)包括齒輪。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述齒輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接到第二齒輪。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述齒輪包括互鎖的錐齒輪。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述第二齒輪聯(lián)接到軸。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述軸包括安裝在所述軸上的第二傳感ο
25.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述軸沿所述本體軸線由所述本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承并相對(duì)于所述本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承。
26.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述各齒輪可包括2 1的齒輪比，以提供所述傳感器的傳感軸線的相應(yīng)三維軌跡。
27.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述各齒輪可包括6 5的齒輪比，以提供所述傳感器的傳感軸線的相應(yīng)三維軌跡。
28.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)部螺旋軌道以接納所述傳感器。
29.如權(quán)利要求觀所述的裝置，其特征在于，所述傳感器包括導(dǎo)軌以與所述螺旋軌道的溝槽匹配。
30.如權(quán)利要求觀所述的裝置，其特征在于，所述傳感器可沿所述螺旋軌道移動(dòng)。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述螺旋軌道繞三個(gè)正交軸線、在三個(gè)正交平面內(nèi)、沿三維軌跡或其組合弓I導(dǎo)所述傳感器的傳感軸線。
32.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可操作以沿三維軌跡移動(dòng)所述傳感器的傳感軸線。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述三維軌跡是響應(yīng)于齒輪比可調(diào)節(jié)的。
34.一種井下傳感器校準(zhǔn)裝置，包括工具本體，所述工具本體具有軸線；以及萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將第一傳感器可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接到所述工具本體并相對(duì)于所述工具本體可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接，所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括外部萬(wàn)向節(jié)，所述外部萬(wàn)向節(jié)聯(lián)接到所述工具本體并可繞所述工具本體軸線相對(duì)于所述工具本體轉(zhuǎn)動(dòng)；以及內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)，所述內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)保持所述第一傳感器并可相對(duì)于所述工具本體和所述外部萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，以使所述第一傳感器的傳感軸線繞正交于所述工具本體軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
35.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)部和外部萬(wàn)向節(jié)同時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)。
36.如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，所述第一傳感器的所述傳感軸線響應(yīng)于所述內(nèi)部和外部萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿三維軌跡移動(dòng)。
37.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，互鎖齒輪聯(lián)接在所述內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)與外部萬(wàn)向節(jié)之間。
38.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述三維軌跡是響應(yīng)于所述互鎖齒輪的齒輪比而可調(diào)節(jié)的。
39.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，所述齒輪比是2 1和6 5中的一個(gè)。
40.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，還包括安裝在所述外部萬(wàn)向節(jié)上的第二傳感器。
41.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，還包括安裝成與所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離開(kāi)的第二傳感器。
42.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述第二傳感器安裝在聯(lián)接到所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸上。
43.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述傳感器包括加速計(jì)、磁力計(jì)、傾度計(jì)、 陀螺儀或其組合。
44.一種校準(zhǔn)定向響應(yīng)傳感器的方法，所述方法包括將包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承所述定向響應(yīng)傳感器的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工具本體下降到地下儲(chǔ)藏區(qū)內(nèi)；以及使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使所述傳感器相對(duì)于三個(gè)正交軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
45.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使所述傳感器在三個(gè)正交平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
46.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿三維軌跡移動(dòng)所述傳感器的傳感軸線。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述三維軌跡橫跨三個(gè)相互正交的方向。
48.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，多個(gè)三維軌跡沿間隔開(kāi)180度的定向橫跨三個(gè)相互正交的方向。
49.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，所述三個(gè)相互正交的方向包括工具本體軸線和正交于所述工具本體軸線的兩個(gè)方向。
50.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，還包括使用齒輪比調(diào)節(jié)所述三維軌跡。
51.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括使外部萬(wàn)向節(jié)相對(duì)于所述工具本體轉(zhuǎn)動(dòng)；以及使內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)相對(duì)于所述外部萬(wàn)向節(jié)和所述工具本體轉(zhuǎn)動(dòng)以使所述傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)。
52.如權(quán)利要求49所述的方法，其特征在于，使所述內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)包括沿固定齒輪移動(dòng)內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)齒輪。
53.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括沿螺旋軌道移動(dòng)所述傳感器。
54.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括將所述傳感器的傳感軸線定向成正交于工具本體軸線；在第一定向用所述傳感器進(jìn)行第一測(cè)量；通過(guò)使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器而將所述傳感軸線再定向成正交于所述工具本體軸線的第二定向；以及在第二定向用所述傳感器進(jìn)行第二測(cè)量。
55.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，還包括使用第一和第二橫跨軸向測(cè)量確定所述傳感器的偏置。
56.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，所述第一和第二橫跨軸向測(cè)量可以間隔開(kāi)180度。
57.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，還包括通過(guò)使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器而將所述傳感軸線再定向成平行于所述工具本體軸線的第三定向；在第三定向用所述傳感器進(jìn)行第三測(cè)量；以及使用所述偏置修正所述第三測(cè)量。
58.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，還包括使用由所述傳感器測(cè)得的總場(chǎng)的已知大小確定比例因子。
59.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，所述場(chǎng)包括地球重力場(chǎng)、地球磁場(chǎng)和地球自旋向量中的至少一個(gè)。
60.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括在使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器的同時(shí)用所述傳感器進(jìn)行測(cè)量。
61.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，還包括在沿所述三維軌跡移動(dòng)所述傳感軸線的同時(shí)用所述傳感器進(jìn)行測(cè)量。
62.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括在沿所述三維軌跡移動(dòng)所述傳感軸線的同時(shí)用所述傳感器連續(xù)進(jìn)行測(cè)量。
63.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括在沿所述三維軌跡將所述傳感軸線逐步移動(dòng)到離散位置的同時(shí)用所述傳感器進(jìn)行測(cè)量。
64.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括其中轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器包括使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)和磁力計(jì)； 用所述加速計(jì)和所述磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量；以及使用測(cè)量值同時(shí)確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)。
65.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于，還包括在確定所述傾度和所述校準(zhǔn)參數(shù)的同時(shí)確定工具面。
66.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，還包括在確定所述傾度、所述校準(zhǔn)參數(shù)和所述工具面的同時(shí)確定方位角。
67.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括其中轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器包括使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)； 用所述加速計(jì)進(jìn)行測(cè)量；以及使用測(cè)量值同時(shí)確定傾度和校準(zhǔn)參數(shù)。
68.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，還包括在確定所述傾度和所述校準(zhǔn)參數(shù)的同時(shí)確定工具面。
69.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括其中轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器包括使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)； 用所述加速計(jì)進(jìn)行測(cè)量；用與所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離安裝的三軸線磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量；以及使用測(cè)量值同時(shí)確定傾度、工具面和所述加速計(jì)的校準(zhǔn)參數(shù)。
70.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于，還包括在確定所述傾度和所述校準(zhǔn)參數(shù)的同時(shí)使用磁力計(jì)測(cè)量值確定方位角。
71.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括其中轉(zhuǎn)動(dòng)所述傳感器包括使用所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)加速計(jì)；以及用所述加速計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
72.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于，還包括用安裝在聯(lián)接到所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸上的磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
73.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于，所述萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)和外部萬(wàn)向節(jié)，所述內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)保持所述加速計(jì)，且所述外部萬(wàn)向節(jié)包括定向靈敏傳感器。
74.如權(quán)利要求71所述的方法，其特征在于，所述定向靈敏傳感器可包括磁力計(jì)和陀螺儀中的一個(gè)。
75.如權(quán)利要求71所述的方法，其特征在于，所述外部萬(wàn)向節(jié)包括具有彼此正交的傳感軸線的至少兩個(gè)定向靈敏傳感器。
76.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于，還包括使所述外部萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)并在所述定向靈敏傳感器的不同定向處進(jìn)行至少兩次測(cè)量。
77.如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于，所述不同定向間隔開(kāi)180度。
78.如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于，還包括使用測(cè)量值同時(shí)確定傾度、工具面和所述加速計(jì)的校準(zhǔn)參數(shù)。
79.如權(quán)利要求76所述的方法，其特征在于，還包括使用所述測(cè)量值校準(zhǔn)所述定向靈敏傳感器的偏置。
80.如權(quán)利要求77所述的方法，其特征在于，還包括使用所述定向靈敏傳感器測(cè)量值、 所述傾度和所述工具面推導(dǎo)方位角。
全文摘要
一種井下傳感器校準(zhǔn)裝置，包括轉(zhuǎn)動(dòng)或萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以繞三個(gè)正交軸線引導(dǎo)定向響應(yīng)傳感器的傳感軸線通過(guò)三維軌跡。一種方法包括使用在三維軌跡上取得的測(cè)量值來(lái)校準(zhǔn)傳感器并確定傳感器或工具的其它特性。
文檔編號(hào)G01V13/00GK102245856SQ200980151337
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者A·H·赫瑞拉, C·A·高拉, J·H·杜德利, J·瑪左克, P·F·羅得尼 申請(qǐng)人:哈里伯頓能源服務(wù)公司