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CN102686830A - 借助于外部导航系统的井孔勘测陀螺仪器和惯性仪器的方位初始化和校准 - Google Patents

借助于外部导航系统的井孔勘测陀螺仪器和惯性仪器的方位初始化和校准 Download PDF

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CN102686830A
CN102686830A CN2010800595731A CN201080059573A CN102686830A CN 102686830 A CN102686830 A CN 102686830A CN 2010800595731 A CN2010800595731 A CN 2010800595731A CN 201080059573 A CN201080059573 A CN 201080059573A CN 102686830 A CN102686830 A CN 102686830A
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CN
China
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gyro
orientation
instrument
navigation system
inertia
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CN2010800595731A
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乔恩·邦
托格尔·托基尔德森
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Sinvent AS
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Sinvent AS
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Abstract

本发明描述了用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化的系统和方法，所述系统包括：刚性参考结构，陀螺和/或惯性仪器刚性地可连接到刚性参考结构；外部导航系统，其用于提供随时间而变的方位测量结果，并且其中刚性参考结构提供外部导航系统与陀螺和/或惯性仪器之间的刚性定向；处理器，其可操作成使随时间而变的方位测量结果与陀螺和/或惯性仪器的随时间而变的定向同步。

Description

借助于外部导航系统的井孔勘测陀螺仪器和惯性仪器的方位初始化和校准
介绍
本发明涉及用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化和校准的系统和方法。
背景
井孔勘测因为很多原因而进行。最佳的井布置包括撞击地质目标、避免断层或危险区的能力以及像目标进入角、转弯限制(dogleg restriction)等其他方向性的考虑。安全性方面包括避免与其他井的碰撞以及减压井的正确布置。另外，通过油藏模型(reservoir model)和油藏工程(reservoirengineering)的改进，勘测有助于油藏的开发。
图1显示用于井孔勘测的原理。勘测的目的是得到沿着井孔w的位置坐标NEV，其中N是北、E是东且V是竖直坐标。NEV坐标系是正交的。在地面下的情形下，没有能够直接测量NEV坐标的方法。相反，常规的步骤是从以下三个参数的测量结果中推导出这些坐标：沿着钻孔的深度(D)，其从钻探设备上的参考点起测量；倾角(I)，其偏离竖直方向；方位角(A)，其为与水平(N-E)面上的井孔投影的北方向所成的角。特定井孔位置处的NEV坐标被计算为井孔起始位置加上源自测量的D、I、A的坐标增量。测量可以在钻探期间(MWD)进行，或者作为钻探后的绳索操作(wireline operation)来进行。D被测量为插入钻孔中的钻柱或绳索的长度。I通过一组加速计测量，其记录仪器主体相对于地球重力方向的定向。相同的原理用于钻探期间和绳索操作期间。方位角A能够通过两种不同的传感器原理测量：通过磁力计，利用地球的磁场和磁北方向作为参照物；或者通过陀螺传感器(gyroscopic sensor)，其记录仪器主体的旋转，包括地球自身的旋转。陀螺仪的参考方向因此是地理北极。磁性仪器由于坚固性而对于MWD目的来说通常是优选的，而陀螺仪器对于绳索勘测来说是优选的。对于两种仪器类型来说，倾斜度和深度通常用相同的原理测量。
GB2445201涉及一种使用全球定位系统(GPS)的井孔勘测系统。GPS系统在获得初始表面位置和定向数据时是受质疑的。US20040148093A1、US20070136019A1和US007219013B1涉及GPS和惯性/陀螺系统的整合。GPS是单个天线系统，其提供离散的位置和惯性系统测量移动。所有的测量结果送到导航过滤器中，其处理关注目标的位置和动态。惯性平台不使自身与北方向相对地对准，并且该对准被引入作为过滤器中的参数，其间接地由GPS和惯性数据确定。然而，对准角的精确估计依赖于目标的实质移动。这与本发明的实施方式相反，在本发明的实施方式中，惯性平台的对准仅由多天线的GPS系统确定。在下面的文献中探讨了GPS在方位对准方面的现有技术使用的原理：A.O.Salycheva，M.E.Cannon，2004：“Kinematic Azimuth Alignment of INS using GPS Velocity Information(使用GPS速度信息的INS的运动学方位对准)”.NTM 2004Conference(NTM2004会议)，San Diego(圣地哥)，CA(加利福尼亚)，January 2004(2004年1月)。
井孔勘测在对井进行钻探时进行(MWD；随钻测量)或者在钻探完成后进行。MWD勘测传统地使用磁性仪器；然而，MWD陀螺勘测(gyroscopic surveying)是即将到来的技术。MWD测量是静止的。钻探后勘测主要以静止或连续的模式使用陀螺仪器。根据精度和可靠性的需求以及操作和环境的限制，典型的勘测程序将包括各种磁性和陀螺的勘测。陀螺方位测量能够以静止或连续的模式完成。
静止模式
静止模式中，方位由陀螺平台指北(gyrocompassing)确定，即方位角根据沿着陀螺仪的量测轴线的地球旋转投影来计算。为了减小陀螺仪不规则噪音的影响，传感器读数通过在典型地1-20分钟的一段时间期间进行平均来获得。在用于井孔勘测的很多工具中，陀螺仪偏移(系统噪音)通过使传感器在陀螺仪工具壳体内部旋转而在两个相反方向上进行测量来抵消。平均和偏移抵消过程两者都需要工具在这些类型的测量期间保持稳定。因此，该操作被称为静止模式。方位角在沿着井孔的离散位置处被直接测量，并且非常耗时。
图3显示静止陀螺勘测的流程图。术语静止意指仪器沿着井孔在有规律的间隔处暂停，并且在这些勘测站处进行方位测量，称为陀螺平台指北。在这些测量期间，仪器必须完全地稳定。
勘测步骤包括：
勘测前在平台甲板上的现场校准101。内斜(inrun)102，其为井孔的勘测。外斜(outrun)103，在此期间，能够进行任选的冗余勘测(redundantsurvey)，同时仪器被拉出钻孔。校准104是用于确保仪器完整性的任选的重新校准，其在勘测后于平台甲板上进行。
标准的校准步骤需要仪器是完全稳定的，并且因而其不能够在浮动钻塔上进行。与在固定钻塔上的情况相比，这导致方位精度降低。
连续模式
连续模式中，方位通过在待被勘测的井孔段的开始处的一次静止测量来初始化。初始化以后，陀螺仪被切换到连续模式；即，通过连续地结合陀螺仪的移动来测量方位变化。从而，当工具移动时，方位能够被确定，并且与离散的且耗时的静止勘测相比，沿着井孔的勘测能够非常迅速地进行；然而，进行零速度的更新以消除传感器的漂移是优选的。
图4显示连续陀螺勘测的流程图。勘测步骤如下。勘测前，在平台甲板上进行现场校准111。初始化112是一次陀螺平台指北测量。初始化给内斜113提供了方位基准。内斜113是井孔的连续勘测。外斜114、初始化115和校准116是任选的并且类似于倒序的111、112和113。该冗余勘测提高了最终勘测结果的精度和可靠性。
限制陀螺勘测的方位精度的一些因素
初始化
连续勘测的精度随着纬度(南和北两者)的增加而降低。这是由于方位通过陀螺平台指北被初始化；即，方位角根据沿着陀螺仪的量测轴线的地球旋转投影来计算。地球旋转速度的水平分量在极点处降为零，并且方位确定因此降低。根据图2，标准的初始化步骤产生相对于地理纬度的方位不确定性。图2显示了当仪器通过标准步骤被初始化时，陀螺勘测的方位不确定性随着纬度是如何变化的。对于位于赤道上的井孔来说，方位不确定性被标准化为1。数学上，不确定性dAz遵循关系
Figure BDA00001814831500041
其中
Figure BDA00001814831500042
是地理纬度。对于南纬，不确定性以相同的方式朝着南极增加。朝着极点的精度降低被描述在下面的文献中：J.Bang，T.Torkildsen，B.T.Bruun，S.T.Havardstein，2009：“Targeting Challenges in Northern Areas due toDegradation of Wellbore Positioning Accuracy(由于井孔定位精度降低而在北部区域中的确定目标的挑战)”.SPE 119661，SPE/IADC DrillingConference and Exhibition(SPE/IADC钻探会议和展览会)，Amsterdam(阿姆斯特丹)，The Netherlands(荷兰)，March 2009(2009年3月)。
用于井孔勘测的陀螺工具的基本原理和错误源及其在方位确定上的影响被提供在下面的文献中：Torgeir Torkildsen，Stein T.Havardstein，John L.Weston，Roger Ekseth，2008：“Prediction of Wellbore Position Accuracy WhenSurveyed With Gyroscopic Tools(当使用陀螺工具勘测时井孔位置精度的预测)”.SPE Journal of Drilling and Completion 1/2008。
另外，当今的初始化步骤需要陀螺仪器在初始化期间是稳定的，这在从浮动装置进行勘测时是难于实现的。这可以通过将仪器夹持到井孔来实现，使得其不受钻塔活动的影响。标准的初始化步骤典型地持续30分钟。
现场校准
很多陀螺传感器的稳定性需要在勘测之前立即核实校准。陀螺仪偏移、比例因子误差、质量不平衡、正交误差等是在现场校准期间被核实的特征参数的示例。根据当今实践，校准不能在浮动装置/钻塔上进行，因为在一系列的多次测量期间工具必须被保持稳定。现场校准的缺失对于静止勘测和连续勘测两者来说意味着降低精度和可靠性。
应注意，磁性方位测量结果的精度还显示出与图2中的趋势非常类似地随着纬度而降低，虽然是由不同的物理作用引起的。
发明概述
在第一方面，本发明提供一种用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化的系统，所述系统包括：刚性参考结构，陀螺和/或惯性仪器刚性地可连接到刚性参考结构；外部导航系统，其用于提供随时间而变的方位测量结果，并且其中刚性参考结构提供外部导航系统和陀螺和/或惯性仪器之间的刚性定向；以及处理器，其可操作成使随时间而变的方位测量结果和陀螺和/或惯性仪器的随时间而变的定向同步。
外部导航系统可以是独立的惯性导航系统。外部导航系统可以是无线电导航系统。外部导航系统可以是卫星导航系统，例如GPS、GLONASS或Galileo。
在实施方式中，可提供用于接收来自无线电导航系统的信号的至少两根天线，其中天线附接到刚性参考结构。接收器可被布置为可操作成执行由所述至少两根天线接收的至少一个信号的载波相位的同步测量，提供所述至少两根天线的随时间而变的方位。该系统还可包括另一惯性系统，其用于提供磁倾角(dip angle)，实现为所述至少两根天线及时固定3D坐标系的定向。
在另一实施方式中，可提供至少三根天线，能够为所述至少三根天线及时固定3D坐标系的定向。
该系统可包括仪器平台，仪器平台连接到所述陀螺或惯性仪器可被刚性地安装到其上的所述刚性参考结构。仪器平台可被布置用于提供水平面。仪器平台可被布置用于提供竖直面。
陀螺和/或惯性仪器可包括陀螺传感器和/或惯性传感器，该陀螺传感器和/或惯性传感器选自包括以下的组：旋转质量陀螺仪、光纤陀螺仪、环状激光陀螺仪、振动结构陀螺仪/科里奥利振动陀螺仪；捷联式(strap-down)和带有万向接头的构型(gimballed configuration)。
井孔勘测可以是静止或连续的陀螺仪勘测。陀螺和/或惯性仪器可以应用于MWD勘测和钻探后勘测两者。陀螺和/或惯性仪器可使用于包括固定振荡、平移振荡、旋转振荡、振动振荡和共振振荡的任何运动模式中。该系统可应用于岸上和/或离岸使用的陀螺和/或惯性仪器。该系统可应用于浮动装置和固定装置两者上。
在第二方面，本发明提供一种用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器，其包括根据以上用于方位初始化的系统。
在第三方面，本发明提供一种用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化的方法，其包括：
通过能够提供随时间而变的方位测量结果的外部导航系统，在所述陀螺和/或惯性仪器的方位初始化期间记录随时间而变的定向和定向变化；
通过所述陀螺和/或惯性仪器的惯性记录系统，在方位初始化期间，记录所述陀螺和/或惯性仪器的随时间而变的定向和移动；以及
使由外部导航系统提供的随时间而变的方位测量结果与由陀螺和/或惯性仪器的惯性记录系统提供的定向和移动同步。
该方法还包括接收来自无线电导航系统的至少两根天线的信号，并执行由所述至少两个天线接收的至少一个信号的载波相位的同步测量，提供所述至少两根天线的随时间而变的方位。另外，可提供另一惯性系统，其用于提供磁倾角，实现为所述至少两根天线及时固定3D坐标系的定向。陀螺和/或惯性仪器可使用任何类型的陀螺仪传感器和/或惯性传感器，陀螺传感器和/或惯性传感器包括：旋转质量陀螺仪、光纤陀螺仪、环状激光陀螺仪、振动结构陀螺仪/科里奥利振动陀螺仪；捷联式或带有万向接头的构型。外部导航系统是空间卫星系统，包括但不限于：GPS、GLONASS和Galileo。该方法可应用于静止勘测和连续勘测两者。该方法可应用于用于MWD勘测和钻探后勘测两者的任何陀螺和/或惯性仪器，并且具有任何的遥测或记忆选项。该方法可应用于任何地理位置，包括远北和远南纬度。该方法可应用于处于以下任何运动模式中的陀螺和/或惯性仪器：固定振荡、平移振荡、旋转振荡、振动振荡和共振振荡。该方法还可应用于岸上和/或离岸使用的陀螺和/或惯性仪器。该方法还可应用于浮动装置和固定装置两者上。
在第四方面，本发明提供根据以上用于方位初始化的系统的使用，以用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的校准。
本发明包括外部导航系统的使用，该外部导航系统用于陀螺勘测仪器和惯性勘测仪器的校准和方位初始化。
本发明可应用于固定装置和浮动装置两者上的静止和连续陀螺勘测两者，并且将包含对两者的改进。
本发明提供一种对连续陀螺设备进行初始化的新方式，其将克服标准步骤的缺点。该初始化借助于外部导航系统完成，例如像GPS、GLONASS或Galileo的卫星定位系统。外部导航系统的使用意味着方位精度将独立于地理纬度。
附加特征将可以甚至是在浮动平台上进行现场校准。该问题与连续和静止的陀螺设备两者相关。本发明所提供的新校准步骤能够在浮动钻塔上进行，从而获得与在固定钻塔上实现的方位精度相同的方位精度。本发明所提供的新初始化步骤产生独立于地理纬度并等于赤道上不确定性的方位不确定性。新步骤能够在仪器移动时进行，因此不需要夹持到不移动的钻塔部分。从而，初始化可通过平台甲板上的仪器进行。新初始化步骤的持续时间估计为5分钟。
该现场校准步骤与用于静止勘测的现场校准步骤相同。因此，对于连续勘测来说，本发明将意味着具有与静止勘测一样的对校准步骤的相同改进，即校准能够在浮动钻塔上进行，并且具有与固定钻塔上实现的最终精度相同的最终精度。
本发明通过传送来自外部导航系统的方位角来提供陀螺工具的方位对准。这还应用于运动情形：移动式平台等。
通过现有技术实现的连续陀螺勘测的方位初始化：陀螺平台指北提出：在整个陀螺平台指北步骤中，工具必须是稳定的。该步骤是耗时的，20-30分钟。朝着极点，精度降低。
根据按照本发明的新技术实现的连续陀螺勘测的方位初始化提出：借助于外部导航系统的陀螺仪对准。初始化和校准还可以在运动情形下进行。该步骤是迅速的，5分钟。精度独立于地理纬度。
陀螺传感器的校准包括：偏移、比例因子、质量不平衡、正交误差等。
在现有技术中，对于所有的测量来说，工具必须是稳定的，包括稳定的支架布置。本发明提供一种还能够在运动情形下进行的方法。
附图简述
现将参照附图来描述本发明的示例性实施方式，附图中：
图1图示了用于井孔勘测的原理，显示方位A(偏离北方位于水平面中的角)、倾斜I(偏离竖直方向的角)和深度D(沿着井孔的距离)的测量，所述测量用于推导沿着用于井孔勘测的井眼轨迹(wellpath)的点的位置坐标N(北)、E(东)和V(竖直)；
图2显示根据现有技术，随地理纬度而变的陀螺勘测的方位不确定性，在赤道上被标准化为1；
图3是阐示静止井孔勘测步骤的流程图；
图4是阐示连续井孔勘测步骤的流程图；
图5图示了根据本发明实施方式的安装在仪器平台122上的陀螺/惯性仪器123、外部导航系统120和连接外部导航系统与仪器平台的刚性参考结构124；
图6显示了根据本发明实施方式的安装在仪器平台122上的陀螺/惯性仪器123和安装在天线平台121上的三根卫星天线C1、C2和C3，其中天线平台121刚性地附接到参考结构124；
图7显示根据本发明实施方式用于确定卫星天线基线的方位角的原理；并且
图8显示根据本发明实施方式从上方观察(投影到水平面上)时，图5中的外部导航系统201的方位定向，以及陀螺/惯性仪器202的方位定向；
图9显示根据本发明实施方式从上方观察(投影到水平面上)时，卫星天线和陀螺/惯性仪器123的方位定向；
图10显示根据本发明实施方式用于处理来自外部导航系统和来自陀螺仪仪器的读数的流程图；以及
图11显示根据本发明随地理纬度而变的连续勘测的方位精度上可获得的改进。详述
本发明将参考附图进行描述。在所有附图和全部的描述中，相同的参考数字用于相同或类似的特征。
技术解决方案包括：
●一种陀螺/惯性仪器，其刚性地连接到外部导航系统，在陀螺仪器的校准和初始化期间，陀螺/惯性仪器的随时间而变的定向和定向上的变化被卫星接收器记录。
●在校准和初始化期间，陀螺仪仪器的定向和移动被陀螺仪仪器的正常记录系统记录。
●以上的两个记录是同步的，以提高陀螺仪/惯性仪器的校准和初始化的精度。
图5和图6中显示了本发明的实施方式。图5显示根据本发明实施方式的被包括在用于方位初始化和校准的系统中的物理部件。陀螺/惯性仪器123安装在仪器平台122上。图5中，仪器平台123布置在水平位置中。然而，在可选择的实施方式中，仪器平台122和仪器123可以布置在竖直位置中。外部导航系统120连接到刚性参考结构124。仪器平台也刚性地连接到刚性结构124。刚性结构124因而将外部导航系统和仪器平台相互连接，在平台上的陀螺仪或惯性仪器123和外部导航系统之间提供机械的刚性连接。外部导航系统和陀螺仪/惯性仪器两者因此将一起移动。结构120-124-122具有足够的刚度使得外部导航系统的可能性移动等于仪器123的移动，在规定的误差内。外部导航系统可以是具有高精度的惯性导航系统，例如像航天工业中使用的惯性导航系统。
外部导航系统的接收器125在所述陀螺仪器和/或惯性仪器的方位初始化期间记录随时间而变的定向的变化，并提供随时间而变的方位测量结果。此方位测量结果被提供给处理器/计算机127。用于陀螺仪/惯性仪器123的控制和测井单元(logging unit)126通过所述陀螺和/或惯性仪器的惯性记录系统在所述陀螺和/或惯性仪器的随时间而变的定向和移动的方位初始化期间接收来自陀螺仪/惯性仪器的信号。处理器/计算机127使由外部导航系统提供的随时间而变的方位测量结果与由陀螺和/或惯性仪器的惯性记录系统提供的定向和移动同步。
在石油钻塔上，陀螺仪或惯性仪器可布置在平台甲板上并且外部导航系统可布置在例如直升机甲板上，并且石油钻塔自身将因此形成使待被初始化的陀螺仪/惯性仪器和外部导航系统互相连接的刚性结构。刚性结构还可以更小，并且实施方式可包括被置于平台甲板上的刚性结构，其中外部导航系统固定地附接到该刚性结构上。
在可选择的实施方式中，外部导航系统可以是包括天线的无线电/卫星导航系统。至少两根天线可被布置用于接收来自无线电导航系统的信号，其中天线刚性地连接到固定参考结构。接收器执行由所述至少两根天线接收的至少一个信号的载波相位的同步测量，提供至少两根天线的随时间而变的方位。在使用两根天线时，可提供另一惯性系统，其用于提供磁倾角、实现为至少两根天线及时固定3D坐标系。
图6中示出了另一种实施方式。三根卫星天线C1、C2和C3安装在天线平台121上。天线平台刚性地连接到刚性结构124。在实施方式中，刚性结构可以是固体支架。至少三根天线的使用实现为至少三根天线及时固定3D坐标系的定向。多通道接收器125对所有天线处的多个卫星信号的载波相位进行同时测量。此构型允许天线系统的3-D定向的连续记录。陀螺/惯性仪器123安装在仪器平台122上。刚性结构124机械地连接121和122。包括121、122和124的结构的实际设计将取决于钻塔底板的条件，像与井口的接近程度和能够实现自由观察到卫星的位置。对于每个钻探现场来说，结构121-122-124因而可以被单独成形。然而，因为一些实践原因，在某些情形下，标准化的形状可能是优选的。结构121-122-124具有足够的刚度，使得天线C的可能性移动等于仪器123的移动，在规定的误差内。如以上所解释的，例如，石油钻塔可形成实际的刚性结构自身。126是用于陀螺仪仪器的控制和测井单元。该单元和卫星接收器125两者都连接到专用计算机127，专用计算机127处理天线系统和陀螺仪仪器两者的被记录的运动并且使两者的被记录的运动同步。这意味着在方位初始化和校准期间，卫星天线的被记录的定向被送到陀螺仪系统。
对于以上实施方式，在方位初始化和校准期间提供仪器平台122和陀螺仪123的不同安装(例如，竖直的)也是可能的。
陀螺和/或惯性仪器可以进一步包括陀螺传感器和/或惯性传感器。陀螺传感器和/或惯性传感器可以是旋转质量陀螺仪、光纤陀螺仪、环状激光陀螺仪、振动结构陀螺仪/科里奥利振动陀螺仪；捷联式或带有万向接头的构型。
在框架设计中应该考虑以下因素：
●对应于陀螺仪工具共振的机械振动应该避免。
●整体稳定性。
●对陀螺仪工具和天线的相对定向(方位)的要求
●初始化以后，陀螺仪工具的机械冲击和粗处理应该避免。
外部导航系统可以是独立的惯性导航系统。然而，外部导航系统还可以是无线电导航系统或卫星导航系统。可用于初始化和校准的卫星定位系统的示例是GPS、GLONASS或Galileo。
当使用卫星系统作为外部导航系统时，在框架设计中的因素可能是从天线获得的足够数量卫星的能见度。
外部导航系统应该典型地能够提供：用于陀螺/惯性系统对准的方位角的确定；测量结果，更新频率≈10Hz；精度≈0.1°；时间标记≈0.05s和数据的“实时”传送。
如果使用具有很多通道的GPS接收器，则从众多卫星信号接收到多根天线(典型地，三根)的卫星信号的载波相位被同时地测量。这能够实现陀螺仪/惯性仪器的方位角(定向)的初始化。
典型的陀螺仪读取速度是100Hz。根据接收器的复杂性，典型的卫星读取速度是1-100Hz。这些数据速度的上限被认为足以跟踪需要的钻塔移动。
卫星天线的定向的精度并且因而陀螺仪仪器的定向的精度依赖于由天线的基线呈现的天线的物理尺寸。
方位精度是天线基线长度的反函数，L.ΔAz≈k/L，其中k是常数。
对于现今最精确的连续陀螺仪设备来说，在赤道处对于方位角的初始化精度为大约0.15-0.2°。对于卫星接收器精度的合理的要求因而是0.1°。这对应于大约2.5m的天线基线。
图7显示了用于确定卫星天线基线的方位角Azbl的原理。通过定义，方位角Azbl位于水平面内，并且该图显示该布置的水平投影。卫星射束S被两根天线C1和C2接收，其中在卫星射束S处标示出一个波阵面wavefront)wf。这些天线被长度Lbl的基线分隔开，长度Lbl的基线具有相对于参考方向N(北)的任意定向Azbl。dL是卫星分别与C1和C2之间距离差的水平分量。此距离源自在C1和C2处卫星信号的相位差。卫星射束和天线基线的水平投影之间的角α因而由cos(α)＝dL/Lbl或α＝arccos(dL/Lbl)给出。因此，基线的未知方位角变为Azbl＝Azsat+α＝Azsat+arcos(dL/Lbl)。
对于具有仅一个卫星和仅两根天线的图7中所示的布置来说，C1和C2之间相位差的测量结果只能确定作为波长一小部分的dL，而未知量的整个波长仍然未知。这导致在dL并因而导致在α上的不定性。另外，α的正负号不能唯一地确定。所有的这些不定性通过同时利用来自多个卫星的信号并通过使用更多的天线来解决。更多卫星和更多天线的使用也将提高系统的精度和可靠性。通过使用一个额外的接收器C3，该不定性被消除，其中接收器C3被定位成使得在任何成对的接收器之间没有基线是平行的。此额外接收器的使用还意味着对于方位Azbl的额外估算，并且这可以用于提高该参数的整体精度。
图8显示了从上方所看到的(投影到水平面上的)外部导航系统的卫星天线的方位定向和陀螺/惯性仪器123的方位定向。201是外部导航系统的方位基准轴线，并且202是惯性导航系统的方位基准轴线。图5中显示为120-124-122的刚性结构在此由单个结构J表示。方位差角(azimuthdifference angle)Ψ仅与刚性结构J相关，并且该结构的刚度确定校准和初始化过程期间Ψ的精度。
图9显示如从上方所看到的(投影到水平面上的)卫星导航系统的卫星天线的方位定向和陀螺/惯性仪器123的方位定向。图6中显示为121-124-122的刚性结构在此由单个结构J表示。方位差角Ψ仅与刚性结构J相关，并且该结构的刚度确定校准和初始化过程期间Ψ的精度。
图10显示用于处理卫星接收器和陀螺仪仪器读数的流程图。在时间同步以后，源自卫星信号的方位取代陀螺仪方位。此步骤用于连续陀螺仪勘测的方位初始化和用于任何陀螺仪设备的现场校准两方面。
该系统可应用在任何的地理位置处，包括远北和远南纬度。图11显示连续勘测的随地理纬度而变的方位精度上可获取的改进。标记为陀螺平台指北的点与图2中所示的点相同。通过使用由本发明提供的新的初始化方法，方位的不确定性将独立于纬度，并且等于赤道处的值。
在以上描述中，在一些实施方式中，本发明以卫星系统来举例说明外部导航系统，但是其他的外部导航系统也能够应用。
用于方位初始化的本发明还可以用于陀螺或惯性仪器的校准。
应用和益处
连续陀螺勘测
图4显示连续陀螺勘测的标准步骤。外部导航解决方案的主要可能益处在于：
●校准和初始化能够在单个操作中完成；这将有助于校准/初始化的步骤。
●方位初始化的精度将独立于纬度(等于赤道处的精度)；这将提高总的勘测精度。其适用于任何类型的陀螺和惯性的传感器和仪器。
●该仪器不需要为初始化而被夹持到井孔壁或套管；这将有助于初始化步骤。
●现场校准还能够在浮动装置上进行；这将提高总的勘测精度。
●总勘测时间的减少；这将减小操作员的成本。
注意到，对于外部导航解决方案，初始化将不再于钻孔中进行，而是在平台甲板上进行。
静止陀螺勘测
图3显示静止陀螺仪勘测的标准步骤。外部导航解决方案的主要可能益处在于：
●现场校准还可以在浮动装置上进行；这将提高总的勘测精度。
已经描述了本发明的优选实施方式，对于本领域技术人员来说将清楚的是，涉及这些概念的其他实施方式也可以使用。以上所述的本发明的这些和其他的示例仅意在通过示例的方式，并且本发明的实际范围将根据所附权利要求来确定。

Claims (29)

1.一种用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化的系统，所述系统包括：
刚性参考结构，所述陀螺和/或惯性仪器刚性地可连接到所述刚性参考结构；
外部导航系统，其用于提供随时间而变的方位测量结果，并且其中所述刚性参考结构提供所述外部导航系统与所述陀螺和/或惯性仪器之间的刚性定向；
处理器，其可操作成使随时间而变的所述方位测量结果和所述陀螺和/或惯性仪器的随时间而变的定向同步。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述外部导航系统是独立的惯性导航系统。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述外部导航系统是无线电导航系统。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中所述外部导航系统是卫星导航系统，例如GPS、GLONASS或Galileo。
5.根据权利要求3或4所述的系统，还包括：
至少两根天线，其用于接收来自所述无线电导航系统的信号，其中所述天线附接到所述刚性参考结构；
接收器，其可操作成执行由所述至少两根天线接收的至少一个信号的载波相位的同步测量，提供所述至少两根天线的随时间而变的方位。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括另一惯性系统，其用于提供磁倾角，实现为所述至少两根天线及时固定3D坐标系的定向。
7.根据权利要求5所述的系统，还包括：
至少三根天线，其能够为所述至少三根天线及时固定3D坐标系的定向。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括仪器平台，所述仪器平台连接到所述陀螺或惯性仪器能够被刚性地安装到其上的所述刚性参考结构。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述仪器平台被布置用于提供水平面。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述仪器平台被布置用于提供竖直面。
11.根据权利要求1-10中的一项所述的系统，其中所述陀螺和/或惯性仪器包括陀螺传感器和/或惯性传感器，所述陀螺传感器和/或惯性传感器选自包括以下的组：旋转质量陀螺仪、光纤陀螺仪、环状激光陀螺仪、振动结构陀螺仪/科里奥利振动陀螺仪；捷联式和带有万向接头的构型。
12.根据权利要求1-11中的一项所述的系统，其中所述井孔勘测是静止或连续的陀螺仪勘测。
13.根据权利要求1-12中的一项所述的系统，其中所述陀螺和/或惯性仪器可应用于MWD勘测和钻探后勘测两者。
14.根据权利要求1-13中的一项所述的系统，其中所述陀螺和/或惯性仪器使用于包括固定振荡、平移振荡、旋转振荡、振动振荡和共振振荡的任何运动模式中。
15.根据权利要求1-14中的一项所述的系统，其中所述系统可应用于岸上和/或离岸使用的陀螺和/或惯性仪器。
16.根据权利要求1-14中的一项所述的系统，其中所述系统可应用于浮动装置和固定装置两者上。
17.用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器，包括根据权利要求1-16中的一项所述的用于方位初始化的系统。
18.用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化的方法，包括：
通过提供随时间而变的方位测量结果的外部导航系统，在所述陀螺和/或惯性仪器的方位初始化期间记录随时间而变的定向和定向变化；
通过所述陀螺和/或惯性仪器的惯性记录系统，在方位初始化期间，记录所述陀螺和/或惯性仪器的随时间而变的定向和移动；以及
使由所述外部导航系统提供的随时间而变的所述方位测量结果与由所述陀螺和/或惯性仪器的所述惯性记录系统提供的所述定向和移动同步。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
接收来自所述无线电导航系统的至少两根天线的信号，并且
执行由所述至少两根天线接收的至少一个信号的载波相位的同步测量，提供所述至少两根天线的随时间而变的方位。
20.根据权利要求19所述的方法，包括另一惯性系统，其用于提供磁倾角，实现为所述至少两根天线及时固定3D坐标系的定向。
21.根据权利要求18-20中的一项所述的方法，其中所述陀螺和/或惯性仪器使用任何类型的陀螺传感器和/或惯性传感器，所述陀螺传感器和/或惯性传感器包括：旋转质量陀螺仪、光纤陀螺仪、环状激光陀螺仪、振动结构陀螺仪/科里奥利振动陀螺仪；捷联式或带有万向接头的构型。
22.根据权利要求18-21中的一项所述的方法，其中所述外部导航系统是空间卫星系统，包括但不限于：GPS、GLONASS和Galileo。
23.根据权利要求18-22中的一项所述的方法，其中所述方法可应用于静止勘测和连续勘测两者。
24.根据权利要求18-23中的一项所述的方法，其中所述方法可应用于用于MWD勘测和钻探后勘测两者的任何陀螺和/或惯性仪器。
25.根据权利要求18-24中的一项所述的方法，其中所述方法可应用于任何地理位置，包括远北和远南纬度。
26.根据权利要求18-25中的一项所述的方法，其中所述方法可应用于处于以下任何运动模式中的陀螺和/或惯性仪器：固定振荡、平移振荡、旋转振荡、振动振荡和共振振荡。
27.根据权利要求18-26中的一项所述的方法，其中所述方法可应用于岸上和/或离岸使用的陀螺和/或惯性仪器。
28.根据权利要求18-26中的一项所述的方法，其中所述方法可应用于浮动装置和固定装置两者上。
29.根据权利要求1-16中的一项所述的用于方位初始化的系统的用途，用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的校准。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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