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1、10申请公布号CN102245856A43申请公布日20111116CN102245856ACN102245856A21申请号200980151337X22申请日2009111361/114,45720081113US61/114,46620081114USE21B47/022200601G01V3/18200601G01V13/0020060171申请人哈里伯顿能源服务公司地址美国得克萨斯州72发明人PF罗得尼AH赫瑞拉CA高拉JH杜德利J玛左克74专利代理机构上海专利商标事务所有限公司31100代理人张兰英丁晓峰54发明名称地层勘探期间的井下仪器校准57摘要一种井下传感器校准装置，包括转动。
2、或万向运动机构以绕三个正交轴线引导定向响应传感器的传感轴线通过三维轨迹。一种方法包括使用在三维轨迹上取得的测量值来校准传感器并确定传感器或工具的其它特性。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2011061386PCT申请的申请数据PCT/US2009/0644792009111387PCT申请的公布数据WO2010/057055EN2010052051INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书5页说明书9页附图27页CN102245862A1/5页21一种井下传感器校准装置，包括本体，所述本体具有轴线；以及转动机构，所述转动机构由所述本体支承，所述机构包括至少一。
3、个传感器；其中所述转动机构可操作以使所述传感器相对于三个正交轴线转动。2如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构可操作以使所述传感器在三个正交平面内转动。3如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构包括外罩和传感器底盘，所述外罩可绕所述本体轴线转动，所述传感器底盘支承在所述外罩内并可绕正交于所述本体轴线的轴线转动。4如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构包括万向运动机构。5如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述万向运动机构包括可转动地支承在外部万向节内并相对于所述外部万向节可转动地支承的内部万向节。6如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述外部万向节可由所述本体可转动。
4、地支承并相对于所述本体可转动地支承。7如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述内部万向节包括包含所述至少一个传感器的篮架。8如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个传感器包括定向响应传感器。9如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述至少一个传感器包括加速计、磁力计、倾度计、陀螺仪或其组合。10如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构包含第二传感器。11如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一传感器包括加速计，而所述第二传感器包括磁力计。12如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二传感器安装在所述转动机构外部。13如权利要求3所述的装置，其特征在于，第二传感器安装在所述外罩。
5、上并可绕所述本体轴线转动。14如权利要求13所述的装置，其特征在于，第三传感器安装在所述外罩上并可绕所述本体轴线转动，其中所述第二和第三传感器包括各具有相互正交的传感轴线的定向灵敏传感器。15如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第二和第三传感器包括磁力计、陀螺仪或其组合。16如权利要求7所述的装置，其特征在于，第二传感器安装在所述外部万向节上并可绕所述本体轴线转动。17如权利要求16所述的装置，其特征在于，第三传感器安装在所述外部万向节上并可绕所述本体轴线转动，其中所述第二和第三传感器包括各具有相互正交的传感轴线的定向灵敏传感器。18如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第二和第三传。
6、感器包括磁力计、陀螺仪或其组合。19如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器底盘包括转动支承件以使所述传感器的传感轴线绕所述正交轴线转动。权利要求书CN102245856ACN102245862A2/5页320如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器底盘包括齿轮。21如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述齿轮可转动地联接到第二齿轮。22如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述齿轮包括互锁的锥齿轮。23如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述第二齿轮联接到轴。24如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述轴包括安装在所述轴上的第二传感器。25如权利要求23所述的装置，其特征在。
7、于，所述轴沿所述本体轴线由所述本体可转动地支承并相对于所述本体可转动地支承。26如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述各齿轮可包括21的齿轮比，以提供所述传感器的传感轴线的相应三维轨迹。27如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述各齿轮可包括65的齿轮比，以提供所述传感器的传感轴线的相应三维轨迹。28如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构包括内部螺旋轨道以接纳所述传感器。29如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述传感器包括导轨以与所述螺旋轨道的沟槽匹配。30如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述传感器可沿所述螺旋轨道移动。31如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述螺。
8、旋轨道绕三个正交轴线、在三个正交平面内、沿三维轨迹或其组合引导所述传感器的传感轴线。32如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构可操作以沿三维轨迹移动所述传感器的传感轴线。33如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述三维轨迹是响应于齿轮比可调节的。34一种井下传感器校准装置，包括工具本体，所述工具本体具有轴线；以及万向运动机构，所述万向运动机构将第一传感器可转动地联接到所述工具本体并相对于所述工具本体可转动地联接，所述万向运动机构还包括外部万向节，所述外部万向节联接到所述工具本体并可绕所述工具本体轴线相对于所述工具本体转动；以及内部万向节，所述内部万向节保持所述第一传感器并可相对于所。
9、述工具本体和所述外部万向节转动，以使所述第一传感器的传感轴线绕正交于所述工具本体轴线的轴线转动。35如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述内部和外部万向节同时可转动。36如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述第一传感器的所述传感轴线响应于所述内部和外部万向节的转动而沿三维轨迹移动。37如权利要求34所述的装置，其特征在于，互锁齿轮联接在所述内部万向节与外部万向节之间。38如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述三维轨迹是响应于所述互锁齿轮的齿轮比而可调节的。39如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述齿轮比是21和65中的一个。40如权利要求34所述的装置，其特征在于，还包括安装在。
10、所述外部万向节上的第二权利要求书CN102245856ACN102245862A3/5页4传感器。41如权利要求34所述的装置，其特征在于，还包括安装成与所述万向运动机构分离开的第二传感器。42如权利要求39所述的装置，其特征在于，所述第二传感器安装在联接到所述万向运动机构的轴上。43如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述传感器包括加速计、磁力计、倾度计、陀螺仪或其组合。44一种校准定向响应传感器的方法，所述方法包括将包括可转动地支承所述定向响应传感器的万向运动机构的工具本体下降到地下储藏区内；以及使用所述万向运动机构使所述传感器相对于三个正交轴线转动。45如权利要求42所述的方法，其特征。
11、在于，还包括使用所述万向运动机构使所述传感器在三个正交平面内转动。46如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括使用所述万向运动机构沿三维轨迹移动所述传感器的传感轴线。47如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述三维轨迹横跨三个相互正交的方向。48如权利要求45所述的方法，其特征在于，多个三维轨迹沿间隔开180度的定向横跨三个相互正交的方向。49如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述三个相互正交的方向包括工具本体轴线和正交于所述工具本体轴线的两个方向。50如权利要求44所述的方法，其特征在于，还包括使用齿轮比调节所述三维轨迹。51如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括使外部万向节。
12、相对于所述工具本体转动；以及使内部万向节相对于所述外部万向节和所述工具本体转动以使所述传感器转动。52如权利要求49所述的方法，其特征在于，使所述内部万向节转动包括沿固定齿轮移动内部万向节齿轮。53如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括沿螺旋轨道移动所述传感器。54如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括将所述传感器的传感轴线定向成正交于工具本体轴线；在第一定向用所述传感器进行第一测量；通过使用所述万向运动机构转动所述传感器而将所述传感轴线再定向成正交于所述工具本体轴线的第二定向；以及在第二定向用所述传感器进行第二测量。55如权利要求52所述的方法，其特征在于，还包括使用第一和第二横。
13、跨轴向测量确定所述传感器的偏置。56如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述第一和第二横跨轴向测量可以间隔开180度。57如权利要求53所述的方法，其特征在于，还包括通过使用所述万向运动机构转动所述传感器而将所述传感轴线再定向成平行于所述权利要求书CN102245856ACN102245862A4/5页5工具本体轴线的第三定向；在第三定向用所述传感器进行第三测量；以及使用所述偏置修正所述第三测量。58如权利要求55所述的方法，其特征在于，还包括使用由所述传感器测得的总场的已知大小确定比例因子。59如权利要求56所述的方法，其特征在于，所述场包括地球重力场、地球磁场和地球自旋向量中的至少一个。。
14、60如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括在使用所述万向运动机构转动所述传感器的同时用所述传感器进行测量。61如权利要求44所述的方法，其特征在于，还包括在沿所述三维轨迹移动所述传感轴线的同时用所述传感器进行测量。62如权利要求59所述的方法，其特征在于，还包括在沿所述三维轨迹移动所述传感轴线的同时用所述传感器连续进行测量。63如权利要求59所述的方法，其特征在于，还包括在沿所述三维轨迹将所述传感轴线逐步移动到离散位置的同时用所述传感器进行测量。64如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括其中转动所述传感器包括使用所述万向运动机构转动加速计和磁力计；用所述加速计和所述磁力计进行测量；。
15、以及使用测量值同时确定倾度和校准参数。65如权利要求62所述的方法，其特征在于，还包括在确定所述倾度和所述校准参数的同时确定工具面。66如权利要求63所述的方法，其特征在于，还包括在确定所述倾度、所述校准参数和所述工具面的同时确定方位角。67如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括其中转动所述传感器包括使用所述万向运动机构转动加速计；用所述加速计进行测量；以及使用测量值同时确定倾度和校准参数。68如权利要求65所述的方法，其特征在于，还包括在确定所述倾度和所述校准参数的同时确定工具面。69如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括其中转动所述传感器包括使用所述万向运动机构转动加速计；用所。
16、述加速计进行测量；用与所述万向运动机构分离安装的三轴线磁力计进行测量；以及使用测量值同时确定倾度、工具面和所述加速计的校准参数。70如权利要求67所述的方法，其特征在于，还包括在确定所述倾度和所述校准参数的同时使用磁力计测量值确定方位角。71如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括其中转动所述传感器包括使用所述万向运动机构转动加速计；以及用所述加速计进行测量。权利要求书CN102245856ACN102245862A5/5页672如权利要求69所述的方法，其特征在于，还包括用安装在联接到所述万向运动机构的轴上的磁力计进行测量。73如权利要求69所述的方法，其特征在于，所述万向运动机构包括内。
17、部万向节和外部万向节，所述内部万向节保持所述加速计，且所述外部万向节包括定向灵敏传感器。74如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述定向灵敏传感器可包括磁力计和陀螺仪中的一个。75如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述外部万向节包括具有彼此正交的传感轴线的至少两个定向灵敏传感器。76如权利要求73所述的方法，其特征在于，还包括使所述外部万向节转动并在所述定向灵敏传感器的不同定向处进行至少两次测量。77如权利要求74所述的方法，其特征在于，所述不同定向间隔开180度。78如权利要求74所述的方法，其特征在于，还包括使用测量值同时确定倾度、工具面和所述加速计的校准参数。79如权利要求76所述。
18、的方法，其特征在于，还包括使用所述测量值校准所述定向灵敏传感器的偏置。80如权利要求77所述的方法，其特征在于，还包括使用所述定向灵敏传感器测量值、所述倾度和所述工具面推导方位角。权利要求书CN102245856ACN102245862A1/9页7地层勘探期间的井下仪器校准0001相关申请的交叉引用0002本申请要求2008年11月13日提交的题为“DOWNHOLEINSTRUMENTCALIBRATIONDURINGFORMATIONSURVEY”的美国临时申请序列号第61/114,457号，以及2008年11月14日提交的题为“DOWNHOLEINSTRUMENTCALIBRATIONWI。
19、THANGLEDSENSORSDURINGFORMATIONSURVEY”的美国临时申请序列号第61/114,466号的优先权，该两临时专利申请以参见的方式纳入本文。背景技术0003在油井和气井的钻探和完井期间，可能必需进行辅助操作，诸如评估井眼所分割的地层的生产能力。例如，在钻好井或井段之后，通常对所关注区域进行测试以确定诸如可渗透性、流体类型、流体质量、流体密度、地层温度、地层压力、气泡点、地层压力梯度、流度、滤液粘度、球面流度、相关的可压缩性孔隙率、表皮损坏是泥浆滤液已如何改变井眼附近可渗透性的指示以及各向异性水平和垂直可渗透性的比值。进行这些测试是为了确定所分割地层的商业开采是否可行以。
20、及怎样优化生产。0004用于评估和勘探井眼内地层和流体的工具可呈多种形式，且工具可以各种方式在井下展开。例如，评估工具可包括地层测试器，该地层测试器具有可伸展采样装置或探针以及压力传感器。评估工具可包括具有采样腔室或采样瓶的流体识别ID系统。包括诸如磁力计或加速计之类的定向响应传感器在内的传感器仪表设备可用于勘探地层并形成其轮廓、模型或图像。工具可在缆线上进行井下勘探。通常，评估工具联接到诸如钻铤的管状件，并连接到用于钻探孔眼的钻杆柱。因此，钻探操作期间可用钻探同时测量MWD或钻探同时测井LWD工具实现地层和流体的评估和识别。如本领域的技术人员理解的那样，刚才所描述的几个部件和系统适于进行各种。
21、组合。0005井下环境是不稳定且动态的，有时包括高温例如175以上，尤其在钻探期间。诸如磁力计和加速计的勘探仪表设备和传感器会对高温敏感。高温产生传感器中的误差，有时称为温度漂移。因此，必需持续校准井下勘探仪器组中的磁力计和加速计以解决持续的温度漂移。本文所揭示的原理针对对现有勘探仪器组中温度漂移和其它传感器误差的校准的限制。0006详细说明0007在以下附图和说明书中，通常用相同的附图标记标示整个说明书和附图中相同的部件。附图不一定按比例绘制。本发明的某些特征可能以放大比例示出或为某种示意的形式，且为了清楚和简明，常规部件的某些细节可能未示出。本发明可有不同形式的实施例。详细描述并在附图中示。
22、出各具体实施例，应理解本内容应认为是对所揭示原理的示例，并不意在限制本文所说明和描述的本发明。应当完全认识到，可分别或以任何适当组合方式采用以下讨论的各实施例的不同教示来产生所要求的效果。0008在以下讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，且因此应诠释为意味着“包括但不限于”。除非另外指出，术语“连接”、“配合”、“联接”、“附连”的说明书CN102245856ACN102245862A2/9页8任何形式的任何使用或描述构件之间相互作用的任何其它术语并不意味着将相互作用限制于构件间的直接相互作用，并还可包括所描述构件之间的间接相互作用。为了说明目的，用意思是朝向井的表面的“。
23、上”、“上部”、“向上”或“上游”和意思是朝向井的终端的“下”、“下部”、“向下”或“下游”指示上或下，而与井孔定向无关。此外，有时可能陈述某些部件或构件流体连通。这意味着部件构造并相互关联成流体可通过通道、管子或管道在其间相通。此外，名称“MWD”或“LWD”用于指所有一般的钻探同时测量或钻探同时测井的装置和系统。对本领域的技术人员来说在参照附图阅读以下各实施例的详细说明时上述各种特性以及下文更详细描述的其它特征和特性将会显而易见。0009首先参照图1，示出包括地层测试和勘探仪器的钻探装置。放大并示意性地示出诸如具有磁力计和/或加速计、地层测试器、地层流体识别工具、MWD工具、LWD工具、测。
24、井工具、钻探探测器、管子输送工具、钢缆工具、光滑线工具、完井工具和其它电子工具的地层勘探仪器组的井下电子工具10，作为井底组件6的一部分，该井底组件6包括在其最远端处的分段13和钻头7。井底组件6通过钻杆柱5从诸如船或其它常规陆地平台之类的钻探平台2下降。钻杆柱5穿过立管3和井口4设置。常规钻探设备未示出支承在井架1内并使钻杆柱5和钻头7旋转，使钻头7形成穿过地层材料9的钻孔8。钻头7也可使用诸如井下电动机的其它装置来旋转。钻孔8穿透诸如储藏区11之类的地下区域或储藏区，认为这些储藏区容纳有商业可行量的碳氢化合物，且这些储藏区还包括地球磁场。由此形成环面15。这都与本文的教示相一致电子工具10。
25、用在其它井底组件中，并具有在使用基于陆地的平台的陆基钻探以及如图1所示的近海钻探中的其它钻探装置。在所有情况下，除了电子工具10之外，井底组件6还包含各种常规设备和系统，诸如井下钻探电动机、旋转可转向工具、泥浆脉冲遥测系统、MWD或LWD传感器和系统以及本领域已知的其它装置。0010在某些实施例中，工具和井底组件可能是具有电线导管的遥测和/或电磁网络50的一部分，如图1B所示。地层测试或勘探设备60联接到由一系列带有电线的钻杆54形成的钻杆柱52，一系列带有电线的钻杆54使用下述连通构件连接以跨越接头连通。应当理解，钻杆柱52也可以是其它传送形式，诸如盘管或带有电线的盘管。网络50的其它部件可。
26、包括方钻杆56；井顶转发器单元58，其将网络100与钻探控制操作和世界其余地方接口；计算机64，其在钻塔控制中心用作服务器；以及上行链路108。具有传感器62的测试工具60示出就在钻头51上方链接到网络100中，以沿其导体路径并沿带有电线的钻杆柱52进行通信。如图1C所示，带有电线的钻杆柱52的管段54包括经过该管段整个长度的各导体70。通信元件72允许在管段54与诸如分段、联接器以及其它管之类的其它管部件74之间传递电力和/或数据。可沿管道从工具一端通过导体150跨越通信元件155向另一端传输数据/电力信号。0011现参照图24，图形表示以不同方式示出升高温度下井下传感器的不稳定性。例如，在。
27、约150175下，表示各传感器的曲线的斜率随着温度显著变化。如图所示，总体传感器增益和偏差在较高温度下变化非常快。因此，使用常规查寻表或基于温度补偿的多项式，测得温度的较小误差可致使从传感器得到的温度补偿读数的较大误差。此外，传感器在较高温度下的校准具有很大的不可预测性，通常的情况是，校准曲线不是温度的可重复函数。因此，在某些实施例中，必须现场或“匆忙地”或“实时”且在非常接近每次测量时间的时间校准传感器。说明书CN102245856ACN102245862A3/9页90012在某些实施例中，定向响应传感器可围绕工具或钻杆柱轴线转动，而同时也可绕垂直于工具或钻杆柱轴线的一个或多个其它轴线转动。。
28、参照图57，示出传感器仪器组100。在图5中，传感器仪器组100的局部剖视图示出外部壳体或本体102、联接到运动传递构件106的轴104、以及与第一运动传递构件106配合的第二运动传递构件116。在某些实施例中，运动传递构件是啮合或互锁的齿轮或锥齿轮。齿轮116是传感器底盘110的一部分，传感器底盘110包括联接到支承件112的传感器114以及允许齿轮116使传感器底盘110转动的圆柱形转动支承件118。传感器114包括感测或传感轴线115。在某些实施例中，传感轴线115是传感器114的最大灵敏度的轴线。传感器底盘110转动地安装在外罩108内，外罩108由壳体102转动地支承。外罩可相对于壳。
29、体102转动，且传感器底盘110可相对于外罩和壳体102转动。0013参照图6，以虚线立体图示出传感器仪器组100。轴104可如箭头122所示绕Z轴转动。轴104也可沿与箭头122相反的方向转动。外罩108也可沿两方向且独立于轴104的转动而绕Z轴转动。传感器底盘110可如箭头124所示绕X轴转动。传感器底盘110也可沿与箭头124相反的方向转动。传感器底盘110和轴104通过齿轮组件106、116可操作地联接。外罩108的转动使传感器底盘110在XY平面内移动，且由此使传感器114在XY平面内移动，从而影响X和Y方向。如果轴104保持不动，而外罩108转动，则使传感器底盘110转动并翻转，如。
30、下文将进一步描述那样。在某些实施例中，轴104可包括安装在其上的第二传感器120。0014在一方面，由外罩108和传感器底盘110形成的组件是用于传感器114的多轴线转动机构。外罩108能够绕工具或钻杆柱轴线转动或“旋转”，而传感器底盘110可转动地固定在外罩108内，从而绕与外罩108轴线和工具轴线不同的轴线转动或“万向运动”。在某些实施例中，万向转动轴线正交于工具轴线。传感器底盘也可称为传感器篮架。另一方面，该组件是万向运动机构或装置，其中外罩108是外部万向节，而传感器底盘110是内部万向节。啮合的齿轮组件106、116是用于使两可独立运动的万向节部件运行的驱动机构的一部分。0015现参。
31、照图7，传感器仪器组100的端视图示出传感器底盘110围绕X轴稍微转动以使支承件112、传感器114和传感轴线115倾斜。在某些实施例中，齿轮106可转动，以又使齿轮116转动并使传感器底盘110绕X轴转动。在其它实施例中，齿轮106通过轴104保持不动或固定，而外罩或外部万向节108绕工具轴线或Z轴转动，并然后使互锁的齿轮116沿固定齿轮106移动，并使传感器底盘110绕内部万向节轴线转动。0016在各实施例中，用于本文所述各运动的致动器包括低功率、低发热且低磁场特性的致动器。例如，致动器可包括传动螺杆、线性电动机、齿轮、小齿轮和具有毫微定位的压电电动机。在某些实施例中，万向运动机构包括联接。
32、到诸如传感器底盘110和外罩108之类的一个或多个万向节的一个或多个压电电动机，且万向运动机构联接到用于触发压电电动机的电路。还设置控制电路来控制万向节触发电路。在另一实施例中，万向运动机构包括单个压电电动机与多个万向节之间的齿轮组件。在另一些实施例中，万向节机构包括形状记忆装置，该形状记忆装置能够具有联接到诸如传感器底盘110之类的一个或多个万向节的至少两种形状，从而驱动万向节至至少两种定向。在另一实施例中，设有用于使形状记忆装置改变形状的装置。在其它实施例中，用于各万向节的驱动器是步进电动机。说明书CN102245856ACN102245862A4/9页100017在某些实施例中，传感器1。
33、14、120是具有最大灵敏度轴线的定向响应传感器。在某些实施例中，各传感器包括加速计、斜度计、磁力计或陀螺仪。0018为了说明传感器114怎样绕三个正交轴线或在三个正交平面内转动，现参见图813。在图8中，示出仪器探测组200的立体图，为了清楚起见局部切去并以虚线示出某些部件。壳体202支承仪器探测组200的各部件，包括可转动内部轴204，该可转动内部轴204具有与传感器底盘、篮架或内部万向节210中的齿轮216啮合的齿轮206。传感器底盘210包括联接到支承件212的传感器214以及允许齿轮216使支承件212和传感器214绕X轴转动的转动支承件218。外罩或万向节208可独立于可转动轴20。
34、4绕Z轴转动。传感器214沿Y方向定位，其中传感器214的传感轴线与Y方向对齐。0019现参照图9，在内部轴204保持不动时，向致动器供给动力以使外罩208绕Z轴转动，如图所示。当外罩208转动时，齿轮216沿固定齿轮206移动以同时使传感器底盘210转动。该双重转动将传感器214定位在沿Z方向的新位置，其中传感器214的传感轴线与Z轴对齐。0020接着参照图10，在轴204和齿轮206固定的同时，外罩208继续转动。齿轮216继续沿固定齿轮206移动，现将传感器214放置在沿X方向的新位置，如图所示。传感器214的传感轴线与X轴对齐。0021接着参照图11，在轴204和齿轮206固定的同时，。
35、外罩208继续转动。齿轮216继续沿固定齿轮206移动，以将传感器214放置在沿Z方向的新位置，如图所示。传感器214的传感轴线与Z轴对齐。0022现参照图12，在轴204和齿轮206固定的同时，外罩208继续转动。齿轮216继续沿固定齿轮206移动，以将传感器214放置在沿Y方向的新位置，如图所示。传感器214的传感轴线与Y轴对齐。0023最后，参照图13，在轴204和齿轮206固定的同时，外罩208继续转动。齿轮216继续沿固定齿轮206移动，以将传感器214放置在沿X方向的位置，如图所示。传感器214的传感轴线与X轴对齐。0024在某些实施例中，齿轮106、116之间11的比值将使传感器。
36、底盘110在与Y轴对齐和与Z轴对齐之间翻转。如果外罩108在保持内部轴不动的同时转动，如本文详述的，则较大的齿轮比会使允许感器底盘沿多个方向定向。在某些实施例中，使外罩108和轴104一起转动将使传感器114与X轴或Y轴对齐，或使传感器114在XY平面内转动。在其它实施例中，外罩108或轴104中的仅一个转动将使传感器底盘翻转成与Z轴对齐且在XZ或YZ平面或简称为Z平面内翻转。0025在某些实施例中，改变齿轮206、216的齿轮比以产生所要求的结果。在某些实施例中，齿轮比是21，以沿着沿所述三个正交轴X、Y和Z的所有正向和负向定向引导传感器214和其传感轴线。参照图13B，21的齿轮比将引导传。
37、感器214的传感轴线通过三维球面230上的三维轨迹232、234。在其它实施例中，且参照图13C，将齿轮比调整到65，以使万向节传感器214沿诸如三维球面242上一系列三维轨迹242的更多三维轨迹引导其传感轴线。在其它实施例中，还可调整齿轮比以调整传感轴线在假想三维球面上移动经过的三维轨迹的数量和类型。0026上述定向响应传感器的万向运动形成可用于校准传感器并进一步收集勘探信息说明书CN102245856ACN102245862A5/9页11的某些几何形状、定义、信息和响应。参照图13D和13E，传感器组200包括外部万向节208和具有传感器214的内部万向节210。传感器组200的位置对应于。
38、特定勘探位置处的工具定向I。此外，定向I处的倾角，定向I处加速计灵敏度轴线215与工具轴线Z之间的角度，0的偏移量，外部壳体202的转动角度并相对于X轴测得，且0工具面，为传感轴线215位于包含Z轴和G矢量的平面内角度。对于所示特定万向节和传感器定向，当没有任何偏移0时，/2。因此，示例性响应模式可以是如下倾斜响应模式00270028CBSFSINSINCOS0COSCOS0029如图13E所示，可用N、B、E和V轴以及传感轴线在NE平面内的投影215来定义其它几何形状。0030在替代实施例中，正在校准的传感器的灵敏度轴线或传感器的Z轴可使用其它机构根据本文所述的原理定向。例如，参照图1424。
39、，传感器勘探组300包括用于绕三个正交轴线引导定向响应传感器的三轴转动机构。传感器组300包括用于通过各种Z传感轴线定向引导传感器的内部螺旋轨道302。参照图20，传感器组300的本体301包括内部螺旋轨道302。开口端306接纳传感器304，该传感器304具有与沟槽310匹配的导轨308。传感器包括所示Z轴定向。0031现参照图21，促使或强制传感器304沿着轨道302。通过本文所述的驱动装置或通过支承钻杆柱的运动来施力。在传感器304的新位置，Z轴定向已如图所示变化。在图22中，传感器304已经移动到轨道302内的新位置，具有如图所示的新Z轴定向。在图23中，传感器已进一步移动到另一Z轴定。
40、向。最后，在图24中，传感器304停在狭槽312内，具有所示Z轴定向。在某些实施例中，传感器304通过螺旋轨道302行进返回。在这些实施例中，传感器304通过轨道302的螺旋运动模拟本文所述在三个正交平面内相对于万向运动机构的各种定向。可在各种定向处取得测量值并也如本文所述进行校准。0032在以下讨论中，为了清楚起见，参照传感器组200，但应理解这些原理同样适用于传感器组100或传感器组300。在各示例性实施例中，确定传感器214的传感轴线215的转动或万向运动使得传感轴线的三维轨迹横跨三个相互正交的方向。在又一些实施例中，三维轨迹选择成在间隔开180度的定向横跨三个相互正交的方向。在一实施例。
41、中，这三个方向对应于沿钻杆柱和工具轴线的方向，以及正交于钻杆柱和工具轴线的两个方向。在一示例性实施例中，本文所揭示的用于齿轮组件的齿轮比为2N/2N1，其中N大于或等于1，形成包含限定这三个正交轴线且与这些轴线接触至少两次的点的至少一个子集的轨迹，成对的接触点彼此相对即间隔开180度。0033在一示例性实施例中，传感器214例如可以是磁力计或加速计或两者的组合转动或万向运动，使得其灵敏度轴线215正交于钻杆柱和传感器组200的Z轴诸如图8、10、12、13中所示的位置。然后，外罩208转动或旋转以使正交定向的传感轴线215绕钻杆柱和工具Z轴转动。用传感器214取得测量值。此外，如前所述，外罩2。
42、08可在内部万向节210通过齿轮组件转动的同时旋转，从而引导传感轴线215通过参照图13B和13C所示和所述且横跨三个相互正交方向的多个三维轨迹。再次用传感器214取得测量值。说明书CN102245856ACN102245862A6/9页120034在某些实施例中，使用转动检查拍摄方法ROTATIONALCHECKSHOTMETHOD取得测量值，其中在钻杆柱固定在每个角度和恒定深度时，在各离散的转动角度处进行测量。美国专利4,682,412中可以发现该方法的其它细节。在其它实施例中，在钻杆柱固定在每个角度但不同深度时，在各离散转动角度处进行测量。美国专利5,806,194中可以发现该方法的其它。
43、细节。在某些实施例中，当钻杆柱转动时连续进行测量，如美国专利申请公开2006/0106587中所揭示那样。0035如刚才所述进行的测量可用于确定比例因子和偏置。可计算比例因子和偏置以及未对准项。在某些实施例中，将通过传感器214取得的测量值拟合成具有一定偏移的正弦波。该偏移提供偏置，且幅值提供比例因子。此外，用系统200取得的轨迹和横跨正交测量允许用一矢量的补偿测量确定偏置和比例因子。0036在某些实施例中，传感器214的传感轴线215翻转180以允许对偏置进行测量。例如，与图12的位置相比，图8中传感器214的位置表示传感器214的180翻转。同样，图9对应于图11，且图10对应于图13。在。
44、某些实施例中，使用数字处理来计算该偏置。0037该偏置计算用于校准传感器214。在某些实施例中，通过沿不同的轨迹路径或横跨正交方向标准化由传感器214取得的三个测量值的和来确定比例因子。三个测量值的平方和等于被校准的特定场值的平方例如当地重力加速度的平方或当地磁场值的大小的平方。0038在又一些实施例中，在围绕轨迹连续操纵传感轴线的同时取得这些测量值。在某些实施例中，传感器214是加速计，且沿轨迹校准加速计允许用传感器校准参数例如比例因子、偏置和未对准度同时确定工具倾角和工具面值。在某些实施例中，传感器214包括加速计和磁力计，且沿轨迹校准传感器允许与倾度、工具面和磁力计校准参数例如磁力计的比。
45、例因子、偏置和未对准度同时确定工具方位角。因此，在又一些实施例中，各校准参数可用作质量控制参数。任何校准参数从所观察的趋势的突然中断可提供传感器即将失效或测量值可能包括误差的警告。在各示例性实施例中，各校准参数作为时间函数的线性趋势用于指出落到该趋势以外大于特定量例如3个标准偏差的点。使用最小二乘法拟合或KALMAN滤波来得到线性趋势，或对于其它实施例用其它方式得到。0039在各示例性实施例中，校准定向响应传感器的方法包括将传感器定向成最大灵敏度的轴线正交于工具轴线，此后在正交于工具轴线的定向取得至少两个测量值，两个测量值间隔开180度。接着，将传感器定向成最大灵敏度轴线平行于工具轴线或反向平。
46、行于工具轴线。在该定向进行至少一次测量。在第一正交位置的两个测量值是横跨轴向测量值并可用于确定传感器的偏置。可使用该偏置校正该轴向测量值。然后，如果传感器正在测量的总场的值是已知的，则可确定比例因子，通常情况是用地球的重力场、磁场或地球的自旋向量。然后可在勘探时使用这三个测量值或可取得其它测量值。0040在包括在万向运动装置的篮架中具有加速计和磁力计两者的系统的示例性实施例中，使用传感器测量值和轨迹校准值来同时确定倾度和校准参数。另一方法包括同时确定倾度、工具面和校准参数。另一方法包括同时确定倾度、工具面、方位角和校准参数。0041在包括在万向运动装置的篮架中仅具有加速计的系统的示例性实施例中。
47、，使用传感器测量值和轨迹校准值来同时确定倾度和校准参数。另一方法包括同时确定倾度、工具面和校准参数。说明书CN102245856ACN102245862A7/9页130042在各示例性实施例中，传感器组系统仅包括万向运动装置的篮架内的加速计和条带下降常规MWD勘探构造中的三轴磁力计。一种方法包括同时确定倾度、工具面和加速计的校准参数并使用磁力计读数、倾度和方位角确定方位角，如常规MWD勘探中那样。0043在各示例性实施例中，系统仅包括万向运动装置的篮架内的加速计和与内部万向节分开的可转动轴上的磁力计120。在又一实施例中，该装置包括安装在可绕本体轴线转动的外罩108图6上的至少一个定向灵敏传感。
48、器125。在又一实施例中，该装置包括安装在外罩108上并具有彼此正交的传感轴线的至少两个定向灵敏传感器125。在某些实施例中，安装在外罩108上的定向灵敏传感器125是磁力计。在某些实施例中，安装在外罩108上的定向灵敏传感器125是陀螺仪。一种方法包括通过在外罩108的不同定向处进行至少两次测量来同时测量倾度、工具面和加速计校准参数，并校准磁力计的偏置。在某些实施例中，两个测量值间隔开180度。在某些实施例中，在间隔开90度的两个定向用磁力计取得各测量值。这些测量值与倾度和工具面一起用于如美国专利4,510,696中所述那样推导方位角。0044在各示例性实施例中，系统包括与内部万向架内的加速。
49、计分开并在传感器组件内任何位置除了内部万向节定向的磁力计。磁力计设置在万向节内，该万向节设置成磁力计传感轴线或者沿着钻杆柱轴线或者反向平行于钻杆柱轴线。偏置用平行或反向平行测量值得到，并与倾度、工具面和其它磁力计测量值一起用于推导方位角。0045在例如确定倾度的同时确定校准参数的其它实施例中，对系统定义响应模式，沿轨迹进行一组测量，并对在预定精度内与所观测数据最一致的偏置、比例因子未对准和倾度进行迭代折半查找。其它实施例包括用磁力计参数计算和方位角计算进行工具面计算。0046本文所揭示的是通过所述转动和万向运动机构现场校准横跨轴向传感器倾度计或磁力计或陀螺仪的实施例。这些技术可应用于用于井下振动和震动测量的倾度计、磁力计、陀螺仪和加速计。0047本文的各实施例使得能够在井下环境中使这种定向响应传感器在宽范围角度上转动或万向运动，由此使得即使由于存在磁材料而存在勘探传感器的有时会发生的磁干扰或磁屏蔽，也能够提供传感器的现场校准，磁材料诸如钻探泥浆中的铁屑、磁铁矿、钛铁矿或赤铁矿。0048在传感器校准期间，精确地得知环境场的大小和方向，并注意确保在校准期间没有磁干扰或振动。当预期校准即使在固定温度下也随时间显著漂移时，如高温操作例如大于约190时可能发生的那样，只有现场且在接近进行勘探时的时间可校准传感器才能进。