セントラライザ、通路測量及び誘導装置
【課題】 新規で有用なセントラライザ等の提供。
【解決手段】穴の中心に計測装置を維持するセントラライザであって、第１回転ポイントと、前記固定された回転ポイントに回転可能に搭載される第１リンクと、第２回転ポイントと、前記可動の回転ポイントに回転可能に搭載される第２リンクと、前記第１リンクを前記第２リンクに接続する第３回転ポイントと、前記第１及び第２回転ポイントを互いに向けて付勢するように構成された弾性部材と、前記第１及び第２リンクの一方に接続されるローラとを含む。
【解決手段】穴の中心に計測装置を維持するセントラライザであって、第１回転ポイントと、前記固定された回転ポイントに回転可能に搭載される第１リンクと、第２回転ポイントと、前記可動の回転ポイントに回転可能に搭載される第２リンクと、前記第１リンクを前記第２リンクに接続する第３回転ポイントと、前記第１及び第２回転ポイントを互いに向けて付勢するように構成された弾性部材と、前記第１及び第２リンクの一方に接続されるローラとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、これに限定されないが、ボ−リング孔若しくは管のような通路により取られる経路及び／又は通路内の対象物の位置に関する３次元情報を精度良く求めるためのセントラライザ、通路測量及び誘導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボーリング産業は、前もって運命付けられたターゲット位置に掘削ヘッドを案内するために用いることができる位置決定システムを有することの望ましさを認識してきた。掘削パイプが前進する際の任意の時間にて掘削ヘッドの位置及び／又はボーリング孔の経路に関する正確な位置情報を提供できる位置決定システムが継続して望まれてきた。理想的には、位置決定システムは、掘削流体若しくは戻り流体の流れに対して最小限の制約を提供するように、掘削パイプに適合するほど十分小型であり、精度ができるだけ高くあるべきである。
【０００３】
幾つかのシステムは、かかる位置情報を提供するために考案されてきた。傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ及び磁力計のような、従来の案内及び孔測量ツールが用いられてきた。これらのシステムの全てに直面する１つの問題は、それらは、小さい径の孔に対して“掘削中の計測”が可能でないほど大きすぎる傾向にあることである。“掘削中の計測”システムでは、孔からツールを取り出すことなく測定がなされることができるように、掘削パイプ内に、典型的には掘削ヘッドの近傍に、位置検出装置を内蔵することが望ましい。かかる掘削パイプ内の計器装備の含有は、流体の流れを相当に制約する。かかるシステムを用いると、掘削パイプの径及び孔の径は、しばしば、流体の流れに最小限の制約を提供するために十分な内部スペースを依然として可能としつつ、位置計測装備を収容するために４インチよりも大きくならなければならない。傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ及び／又は磁力計に基づくシステムは、また、それらが信号ドリフト、変動、若しくは磁気若しくは重力偏差により全て影響を受けるので、高い精度を提供できない。１％若しくはそれ以上のオーダーの誤りがしばしば知見される。
【０００４】
ある浅深位置特定システムは、掘削ヘッド近傍のゾンデにより放射される音若しくは電磁放射を追跡することに基づく。深さが制限されることに加えて、かかるシステムは、また、放射を検出し掘削ヘッドの位置を追従するために、作業者が受信機を持ち、掘削ヘッド上の表面を歩くことを必要とする点で、欠陥がある。かかるシステムは、掘削ヘッド上の表面への作業者のアクセスがない場合や地面が放射に対して十分透過性がない場合には、用いることができない。
【０００５】
ここでの参照によりその内容が組み込まれる特許文献１に開示されるシステム及び方法は、４インチよりも実質的に小さい径の掘削パイプ内に適合するほど十分小さく、流体の円滑な通路を可能とする非常に高精度の位置決定システムを提供するように設計されている。このシステム及び方法は、“POLO”と称され、POsition LOcation技術を指す。特許文献１に開示のシステムは、連続的且つ周期的に、掘削パイプがボーリング孔若しくは他の通路を通過する際に掘削パイプの外面上で得られる軸方向の歪測定値から掘削パイプの部位の曲線の方位及び曲率半径を求める。連続的に取得される曲率半径及び方位情報を用いて、特許文献１に記載のシステムは、セグメントベースで、ボーリング孔の経路を表す円弧データであって、各測定ポイントで、測定する歪ゲージセンサの位置をも表す円弧データを構築する。センサが掘削ヘッド近傍に配置される場合、掘削ヘッドの位置を得ることができる。
【０００６】
特許文献１の記載のシステム及び方法は、傾斜掘削用途を有し、例えば回転掘削、水噴掘削、ダウンホールモータ掘削及び油圧掘削のような、種々の掘削装置と共に用いることができる。このシステムは、井戸掘削、貯留刺激、ガス若しくは流体貯蔵、新規のパイプ及びワイヤの配索、インフラの再生、既存のパイプ及びワイヤの交換、設備配置、コア掘削、コーン透過度計挿入、貯蔵タンク監視、パイプジャッキング、トンネル掘削のような傾斜掘削及び他の関連分野で有用である。
【０００７】
特許文献１の特許は、また、各測定ポイントにて、測定管が通路を通過する際に測定管の可能ならば絶対参照値に対する正味の回転量に関する情報を求め、歪測定値と共に回転情報を用いて、絶対参照値に対する測定された局部の曲率半径に対応付けられる方位を求めることによって、掘削動作中に測定管の回転を補償する方法を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】Hill,III他への米国特許第５，１９３，６２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の特許は、大きな利点を提供するが、このシステム及び方法には幾つかの局面で改善する余地がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
セントラライザベースの測量及び誘導（CSN）装置は、ボーリング孔ないし通路位置情報を提供するように設計される。装置は、クローズドトラバース測量（測量と称す）及びオープントラバース測量若しくは掘削中の誘導（誘導と称す）の双方に好適である。CSN装置は、通路内にセグメント（複数も可）を位置付けるセントラライザを有する一以上のセグメントからなるセンサストリング、及び、重力に対してでも、セントラライザの向き及び相対位置を測定する少なくとも１つの測定センサからなることができる。CSN装置は、また、少なくとも１つのオドメトリセンサ、初期化システム、誘導アルゴリズム実現プロセッサ（複数も可）を有することができる。センサストリング内のセントラライザの数は、少なくとも３つであるべきである。傾斜計、加速度計及びその他ののような追加のセンサがCSN装置及びシステムに含められてもよい。
【００１１】
センサストリングの孔内CSN組立体に関する模範的な実施例を含め、CSNの多数の考えられる実現が存在し、当該模範的な実施例では、各セグメントがセントラライザの相対位置を測定するための独自の検出器を有することができ、その各自の検出器は、重力に対するセンサストリングの相対的な向きを測定し、及び／又は、部分的なデータ低減がセグメント内部に配置されたプロセッサにより実行され、高価値データが誘導アルゴリズムプロセッサにバスを介して通信される。
【００１２】
その他の模範的な実施例は、参照直線計測本体若しくはビームに対するセントラライザの相対位置を測定する容量性近接検出器及び／又は光ファイバ近接検出器及び／又は歪ゲージベースの近接検出器を利用するCSN装置に関する。
【００１３】
その他の模範的な実施例は、角度計測センサを利用するCSN装置に関し、一以上のセントラライザに取り付けられるセンサストリングセグメントとして剛ビームを有する。これらのビームは、歪ゲージが撓曲部に実装された撓曲部ベースのジョイント及び／又は角度エンコーダのような角度検出器を備えるユニバーサルジョイントを用いて互いに接続される。セントラライザの相対位置は、当該エンコーダ及び／又は歪ゲージの読み取り値に基づいて決定される。
【００１４】
その他の模範的な実施例は、歪ゲージが実装された撓曲ビームをストリングセグメントとして利用するCSN装置に関し、セントラライザの相対位置を測定するためにこれらの歪ゲージの読み取り値を用いることができる。
【００１５】
その他の模範的な実施例は、撓曲ビームセンサを利用するCSN装置に関し、当該撓曲ビーム内に誘起される考えられうるせん断力を補償するために歪ゲージの複数のセットを利用することができる。
【００１６】
その他の模範的な実施例は、センサストリングに回転を誘起することにより若しくは掘削ストリングの回転の平均を取ることによりセントラライザの相対変位を測定する検出器及びセンサストリングの向きを計測する検出器のゼロドリフトに対する補償器に関する。センサストリングの向きを計測する検出器が加速度計である場合、かかる装置は、局所の地球の重力の検出器測定値の平均が、所与の時間での既知の値ｇに等しくなるように強制することによって、加速度計のゼロドリフトを計算することができ、及び／又は、セントラライザの相対変位を測定する検出器のゼロドリフトは、歪ゲージの読み取り値が、掘削ストリング上に配置された傾斜計、加速度計及び／又はジャイロスコープ、若しくは、地球の重力に対するセンサストリングの向きを測定するセンサストリングにより測定された角度依存性と同一のストリングの回転に関する角度依存性を追従するように、強制することによって補償される。
【００１７】
その他の模範的な実施例は、近接検出器ベース若しくは角度計測ベースの変位センサストリングの計測ビームの重力誘起サグを補償するために浮力を用いる装置に関する。
【００１８】
その他の模範的な実施例は、ボーリング孔に接触する各セントラライザのポイント間の一定の分離を維持するセントラライザに関する。
【００１９】
これらの模範的な実施例及び本発明の他の特徴は、添付図面を参照した次の詳細な説明に基づいてより良く理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるCSN装置を内蔵するシステムを示す図。
【図２ａ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｂ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｃ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｄ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｅ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図３】本発明による図２ａに示すようなCSN装置を内蔵するシステムを示す図。
【図４】本発明による図２ｂ、２ｃ及び２ｅに示すような変位若しくは歪測定を利用するCSN装置を示す図。
【図５ａ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図。
【図５ｂ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図であり、図５ａに示す丸で囲まれたローカル座標系の拡大図。
【図５ｃ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図。
【図５ｄ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図。
【図６】本発明によるＣＳＮシステム／装置によりどのようにして誘導及び／又は測量が実行できるかを示すブロック図。
【図７ａ】本発明による変位測定ＣＳＮ装置を示す図。
【図７ｂ】本発明による変位測定ＣＳＮ装置を示す図であり、図７ａの装置の断面Ａ−Ａを示す図。
【図８】本発明による歪ゲージ計測センサを利用するＣＳＮ装置を示す図。
【図９】本発明による図８に示すようなＣＳＮ装置上に作用する力を示す図。
【図１０】本発明による図８に示すようなＣＳＮ装置に対する歪ゲージデータ低減のブロック図。
【図１１】本発明によるＣＳＮ装置の回転する撓曲ビームに生ずる歪を示す図。
【図１２】本発明による図１１に示すような、回転型歪ゲージＣＳＮ装置においてどのようにしてデータ低減が実行できるかを示すブロック図。
【図１３】本発明によるＣＳＮ装置を用いた加速度計の感度を定義するベクトルを示す図。
【図１４】本発明によるＣＳＮ装置と共に用いられる加速度計でどのようにしてデータ低減が実行できるかを示すブロック図。
【図１５】本発明によるユニバーサルジョイント歪ゲージＣＳＮ装置を示す図。
【図１６】本発明によるユニバーサルジョイント歪ゲージＣＳＮ装置を示す図。
【図１７】本発明によるユニバーサルジョイント歪ゲージＣＳＮ装置を示す図。
【図１８】本発明によるＣＳＮ組立体のブロック図。
【図１９】本発明によるセントラライザの実施例を示す図。
【図２０ａ】本発明によるセントラライザの実施例を示す図。
【図２０ｂ】本発明によるセントラライザの実施例を示す図。
【図２１ａ】重力補償ＣＳＮ装置を示す図。
【図２１ｂ】重力補償ＣＳＮ装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、通路及びダウンホール位置情報を提供するように設計されたセントラライザベースの測量（サーベイ）及び誘導（ナビゲーション）（以下、“ＣＳＮ”）装置、システム、及び方法に関する。ＣＳＮ装置は、略任意のサイズの通路及び孔での使用のために大きさを決めることができ、掘削孔、パイピング、衛生工事、公共システム、及び、実質的に任意の他の孔環境における測量若しくは誘導に適している。ここで、用語通路及びボーリング孔は、互換性を持って用いられる。
【００２２】
図１は、ＣＳＮ装置１０を内蔵した傾斜掘削システムの基本要素、セグメント１３及びセントラライザ１４（１４ａ，１４ｂ及び１４ｃ）を含むセンサストリング１２、掘削ストリング１８、イニシャライザ２０、オドメータ２２、コンピューター２４、及び、掘削ヘッド２６を示す。計測センサ２８は、含まれ、中央のセントラライザ１４ｂに対応付けられることができ、若しくは、掘削ストリング１８上に配置されることができる。オドメータ２２及び誘導アルゴリズムを統治するコンピューター２４は、典型的には、掘削リグ３０上に実装され、ＣＳＮ装置１０と通信する。ＣＳＮ装置１０は、ボーリング孔１６内に挿入される前に事前に組み立てられてもよいし、若しくは、ボーリング孔１６内にＣＳＮ装置１０が前進する際に組み立てられてもよい。
【００２３】
図１に示すように、ＣＳＮ装置１０は、掘削ストリング１８上に配置され、ボーリング孔１６内に前進されることができる。ＣＳＮ装置１０のセントラライザ１４は、図１９乃至図２０ｂに関連して以下で詳説されるが、孔壁の不規則性に関らず、ボーリング孔１６の断面の中心にセントラライザ１４を繰り返し可能な態様で位置付ける機械的若しくは電気機械的装置である。図１に示すように、ＣＳＮ装置１０は、少なくとも３つのセントラライザ１４、即ち、ボーリング孔１６内の走行方向をベースに名付けられる、後尾セントラライザ１４ａ、中間セントラライザ１４ｂ及び先導セントラライザ１４ｃを用いる。セントラライザ１４は、任意の２つのセントラライザ１４を接続する一以上のセグメント１３内のセンサストリング１２に沿って接続され、接続されるセントラライザ１４間及びボーリング孔１６内の既知の一定の間隔を維持する。セントラライザ１４の互いに対する向きの変化若しくはセンサストリング１２セグメント１３に対する変化により実証されるＣＳＮ装置１０の方向の変化は、ボーリング孔１６のジオメトリを決定するために用いることができる。
【００２４】
図１に示すイニシャライザ２０は、ボーリング孔１６及びボーリング孔１６に対するＣＳＮ装置１０の挿入向きに関する情報を提供し、従って、位置に関する将来の計算は、初期の挿入位置に基づくことができる。イニシャライザ２０は、センサストリングセグメント１３上の対の隣接するセントラライザ１４間の距離よりも長い長さを有し、ＣＳＮ装置１０が初期的に向けられることができるように、ボーリング孔１６内への既知の走行経路を提供する。ある環境下では、ボーリング孔１６の入口経路に沿った２点ほどの少ない位置に関する情報が、イニシャライザ２０の代わりに用いられても良い。本発明の模範的な実施例による誘導は、ＣＳＮ装置１０の開始位置及び向きに対するＣＳＮ装置１０の位置付け位置を、イニシャライザ２０を用いて得られるデータに基づいて提供する。
【００２５】
図２ａ乃至図２ｅに示すように、ＣＳＮ装置１０と互換性のある種々のタイプのセントラライザベースの計測がある。しかし、全ては、ＣＳＮ装置１０での読み取り値に基づいてＣＳＮ装置１０の位置を決定することができる。ＣＳＮ装置１０の計測の種類は、これらに限定されないが、（１）図２ａに示すような直線ビーム／角度計測、（２）図２ｂに示すような直線ビーム／変位計測、（３）図２ｃに示すような撓曲ビーム計測、（４）図２ｄに示すような光ビーム変位計測、（５）図２ｅに示すような、（１）から（４）の組み合わせシステムを含む。これらの種々の計測タイプは、すべて、鉛直面内及び直交面内のボーリング孔１６の曲率を測定する。鉛直面は、任意のボーリング孔１６の位置でのボーリング孔１６の軸及び局所鉛直に直角なベクトルにより定義される。直交面は、鉛直軸に直交し、ボーリング孔１６の軸に平行である。ＣＳＮ装置１０は、ボーリング孔１６に沿った走行距離と共に、このボーリング孔１６の曲率情報を用いて、３次元でその位置を求める。入口ポイントから現在のＣＳＮ装置１０までのボーリング孔１６内の走行距離は、ＣＳＮ装置１０を前進させるために用いられる掘削ストリング１８に接続された若しくはＣＳＮ装置１０自体に接続されたオドメータ２２により測定されることができる。ＣＳＮ装置１０は、コンピューター２４と通信でき、コンピューター２４は、ＣＳＮ装置１０の測定値及びオドメータ２２に基づいて位置を算出するために用いることができる。或いは、ＣＳＮ装置１０自身が、その位置を求める処理能力及び全ての装備を含むことができ、接続されたコンピューター２４は、この情報を表示するために用いることができる。
【００２６】
イニシャライザ２０により提供される所定のローカル座標系（図５ｂ）からの開始位置及び開始向き（傾角及び方位角）の定義により、ＣＳＮ装置１０の操作者は、掘削誘導を、グローバル座標系における既知の表面及び内層面特徴に関連させることが可能である。図６に示すような誘導アルゴリズムは、ボーリング孔１６のＣＳＮ装置１０の位置を計算するために、センサストリングセグメント（複数も可）１２、オドメトリセンサ（複数も可）２２及びイニシャライザ２０の読み取り値を結合することができる。
【００２７】
ＣＳＮ装置１０は、セントラライザ１４の相対位置を提供する。より正確には、理想的な３セントラライザＣＳＮ装置１０は、図５ｂに示すように、ローカル座標系における先導セントラライザ１４ｃのベクトル座標を提供し、図５ｂでは、“ｘ”軸は、セントラライザ１４ａ及び１４ｃを結ぶ線により定義され、“ｚ”軸は、“ｘ”軸及びグローバル鉛直“Ｚ”により定義される面内にある。或いは、中間のセントラライザの位置は、“ｘ”軸がセントラライザ１４ａ及び１４ｂを結ぶ線により定義され、“ｙ”軸及び“ｚ”軸が上述と同様に定義される座標系で提供されるだろう。ｘ軸が、先導セントラライザ及び後尾セントラライザ、若しくは、先導セントラライザ及び中間セントラライザ、若しくは、中間セントラライザ及び後尾セントラライザを接続する座標系では、細かい詳細は異なるが、全て数学的に等価の誘導アルゴリズムを導き、互換性のある態様で用いられるだろう。
【００２８】
図３は、図２ａに示す計測技術によるＣＳＮ装置１０を示し、この場合、先導セントラライザ１４ｃと後尾セントラライザ１４ａ間の方向の角度の変化は、中間セントラライザ１４ｂにて測定される。示すように、ＣＳＮ装置１０は、掘削ヘッド２６が方向を変化する際にボーリング孔１６を通って掘削ヘッド２６を追従する。互いに対するセントラライザ１４の変位の大きさは、セントラライザ１４ｃ及び１４ｂを繋ぐビーム形成セグメント１３と、セントラライザ１４ｂ及び１４ｃを繋ぐビーム形成セグメント１３との間の角度θにより反映され、これは、中間セントラライザ１４ｂにある若しくはその近傍の角度センシング検出器（複数も可）２９（計測センサ２８）により測定される。センサストリング１２の回転ψも測定できる。
図４は、図２ｂ、２ｃ及び２ｅに示した計測技術、即ち変位及び曲げ／歪測定の双方を反映する代替的な誘導／測量技術用に構成されたＣＳＮ装置１０を示す。変位測定（図７ａ及び７ｂに関連して後に詳説）は、先導及び後尾セントラライザ１４ｃ，１４ａ上に搭載された（センサストリング１２セグメント１３として）直線変位計測ビーム３１を用いてセントラライザ１４の相対位置を測定する。近接センサ３８（測定センサ２８）は、直線計測ビーム３１に対する中間セントラライザ１４ｂの位置を計測する。
【００２９】
図４の参照を続けるに、それぞれセントラライザ１４間を接続する堅固な計測ビーム３２（センサストリングセグメント１２のその他の形態）に誘起される歪を測定するように構成された歪検出器計測（図８乃至１２に関連して後に詳説）も、ＣＳＮ装置１０において使用できる。直線からの如何なるセントラライザ１４の逸脱は、ビーム３２に歪を与えることになる。歪検出器若しくは歪ゲージ４０（計測センサ２８の一種）は、これらの歪を測定する（用語歪検出器及び歪ゲージは、ここでは互換性を持って用いられる）。歪ゲージ４０は、機械的な運動を電気信号に変換するように構成される。ＣＳＮ装置１０は、ビーム３２にわずか２つの歪ゲージを間隔をおいて実装することができる。センサストリング１２の回転ψも測定されることができる。
【００３０】
その他の実現では、歪検出器４０及び近接検出器３８の双方が、誘導精度を改善するために同時に使用されてもよい。その他の実現では、図２ｄに示すように、変位計測は、レーザービームのような光のビームの偏差に基づく。３つのセントラライザ１４構成では、可干渉性の線形光源（例えばレーザー）は、後尾セントラライザ１４ａを照明するために先導セントラライザ１４ａ上に搭載されることができる。後尾セントラライザ１４ａに搭載される反射面は、中間セントラライザ１４ｂに搭載される可干渉性の光を半導体位置検出素子（ＰＳＤ，計測センサ２８）へと戻るように反射し、当該検出器は、可干渉性の光の反射位置を電気信号に変換する。ビームがＰＳＤ計測センサ２８に交わるポイントは、３つのセントラライザ１４の相対変位に関連する。２つのセントラライザ１４光計測センサ構成では、中間セントラライザ１４ｂに搭載されるレーザーからの光は、隣接するセントラライザ１４に搭載されるミラーから反射され、中間セントラライザ１４ｂに搭載されるＰＳＤ計測センサ２８へと戻るように再び方向付けられる。ビームがＰＳＤ計測センサ２８に交わるポイントは、セントラライザ１４の相対角度に関連する。
【００３１】
上述の如く、ＣＳＮ誘導アルゴリズム（図６）は、グローバル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対して３次元でＣＳＮ装置１０の位置を求めるためにローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用いる。図５ａは、２つの座標系間の一般的な関係を示し、この場合、ローカル座標は、値表面下のボーリング孔１６に沿ったＣＳＮ装置１０の位置が原点とされる。ＣＳＮ誘導アルゴリズムは、ＣＳＮ装置１０の次の動作に基づくことができる。（１）ＣＳＮ装置１０は、後尾セントラライザ１４ａ及び中間セントラライザ１４ｂが、ボーリング孔１６の測量された部分（既知部）内に配置され、先導セントラライザ１４ｃがボーリング孔１６内の未知部内にあるような態様で、配置される。（２）変位測定を用いて、ＣＳＮ装置１０は、例えば計測センサ２８のような、ローカル座標系内で互いに対するセントラライザ１４の相対変位を算出する検出器のセットを含む。（３）ローカル座標系は、セントラライザ１４ａ及び１４ｃを結ぶベクトル（図５ｂの軸“ｘ”）及び計測センサ２８のような、例えば鉛直角度検出器により、測定されるような重力の方向（図５ｂの鉛直若しくは“Ｚ”）に基づいて定義される。（４）中間及び後尾セントラライザ１４ｂ，１４ａの位置の事前の決定。この情報が手に入ると、先導セントラライザ１４ｃの位置を求めることができる。
【００３２】
例えばプロセッサにより適用され、図５ｃのジオメトリにより機能する図６に示すようなアルゴリズムは、次を実行することができる。（１）ＣＳＮ装置１０は、前の段落で示すように配置される。（２）ローカル座標系における任意の２つの隣接するセンサストリングセグメントの相対角度向きθｙ、θｚ及び位置（ｙ、ｚ）が、内部のＣＳＮ装置１０のセグメント１３検出器を用いて求められる。（３）３つのセントラライザ１４は、等価物若しくは理想的な３セントラライザＣＳＮ装置１０の先導セントラライザ１４ｃ、後尾セントラライザ１４ａ及び中間セントラライザ１４ｂに割り当てられる。（４）理想的なＣＳＮ装置１０を形成する先導セントラライザ、中間セントラライザ及び後尾セントラライザ１４の相対位置は、センサストリング１２のローカル座標系で求められる。
【００３３】
図７ａは、セントラライザ１４ａ，１４ｂ及び１４ｃのそれぞれの位置を算出するための計測センサ２８として（図２ｂ及び図４に示すような）直線ビーム変位及び容量性測定を利用する本発明の代替的な模範的実施例によるＣＳＮ装置１０を示す。図７ａに示すように、剛性の高い直線ビーム３１は、軸方向（τ）に関して柔軟で径方向に関して高剛性である撓曲部３３により先導及び後尾セントラライザ１４ｃ及び１４ａに取り付けられる。近接検出器３８のセットは、中間セントラライザ１４ｂに関連付けられることができる。近接検出器３８は、直線ビーム３１に対する中間セントラライザ１４ｂの変位を測定する。加速度計３６は、鉛直に対する中間セントラライザ１４ｂの向きを測定するために使用することができる。近接検出器の例は、容量、渦電流、磁力、歪ゲージ及び光近接検出器を含む。本実施例のＣＳＮ装置１０に関連するグローバル座標系及びローカル座標系（図５ａ乃至図５ｄ）は、図７ａに示される。
【００３４】
これらの近接検出器３８と直線ビーム３１の関係は、中間セントラライザ１４ｂの中心を通る図７ａのＣＳＮ装置１０の断面図として図７ｂに示される。近接検出器３８は、先導セントラライザ１４ａ及び後尾セントラライザ１４ｃを結ぶベクトル及び鉛直により定義されるようなローカル座標系における中間セントラライザ１４ｂの位置を測定する。図７ａ及び図７ｂに示すようなＣＳＮ装置１０は、近接検出器３８、歪ゲージ４０（図８）、傾斜計（例えばか独時計３６）等を含む全ての検出器を支援するデータ取得回路、電源及び通信要素（図示せず）を含むことができる電子機器パッケージを有することができる。
【００３５】
データ低減は、以下で説明するように、図７ａに示すように、直線ビーム変位ＣＳＮ装置１０において達成されることができる。模範的な例は、直線ビーム変位計測、容量性近接検出器３８、及び、加速度計３６を検出器の例として用いる。先導及び後尾セントラライザ１４ｃ及び１４ａにより定義されるローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における中間セントラライザ１４ｂの変位は、次の通りである。
【００３６】
【数１】
ここで、ｄhorizontal及びｄverticalは、上述に定義された鉛直及び直交面における変位であり、ｄｚ及びｄｙは、容量性検出器３８により測定される変位であり、また、図４に示すように、ψは、加速度計（複数も可）３６により決定される鉛直に対する容量性検出器３８の回転角度である。従って、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるセントラライザ１４の座標は、次の通りである。
【００３７】
【数２】
ここで、ｕｉは、先導（ｉ＝３）、後尾（ｉ＝１）及び中間（ｉ＝２）セントラライザ１４ｃ、１４ｂ及び１４ａのそれぞれの位置であり、また、Ｌ１及びＬ２は、先導セントラライザ１４ｃ及び中間セントラライザ１４ｂ間の距離、及び、中間セントラライザ１４ｂ及び後尾セントラライザ１４ａ間の距離である。
【００３８】
ベクトルｕ２の方向は、後尾及び中間セントラライザはボーリング孔の既知部内に配置されているので、グローバル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で既知である。それ故に、ローカル座標系の軸ｘ、ｙ及びｚの向きは、グローバル座標系では次の通りである。
【００３９】
【数３】
中間及び後尾セントラライザ１４ｂ及び１４ａ（それぞれ図５ｂ）により決定されるような座標系における先導セントラライザ１４ｃの変位（図５ｂ）は、次のように書ける。
【００４０】
【数４】
グローバル座標系におけるｕ３を算出することは、先導セントラライザ１４ｃの位置の情報を提供し、測量されるボーリング孔１６の知見を広げる。
【００４１】
上述の如く、直線ビーム変位ＣＳＮ装置１０に対する代替例は、図２ｃ及び図４に示すような撓曲ビームＣＳＮ装置１０である。図８は、撓曲ビーム３２に取り付けられた歪ゲージ検出器４０を備えるＣＳＮ装置１０を示す。任意の種類の歪検出器４０及び例えば加速度計３６のような向き検出器が使用されてもよい。各実装されたセンサストリング１２セグメント１３、ここではＣＳＮ装置１０の（セントラライザ１４間の）撓曲ビーム３２は、（撓曲ビーム３２の反対側にある）対の歪ゲージ検出器４０の４以上のセットを担持し、各対向する対は、ハーフブリッジを形成する。これらのセグメント１３は、ＣＳＮ装置１０が容量性検出器３８を利用する場合、容量性検出器３８を収容する同一のセグメント１３であってもよいし若しくは同一のセグメント１３でなくてもよい。図８に示す装置１０では、歪ゲージ検出器４０及び加速度計３６の読み取り値は同時に記録されることができる。オドメトリ補正（Δｌ）を支援する変位検出器は、少なくとも１つのセグメント１３（図示せず）に配置されることもできる。幾つかの温度検出器（図示せず）も、熱作用を補償することを可能とするために各セグメント１３に配置されることができる。
【００４２】
好ましくは、この実施例において、４つのハーフブリッジ（歪検出器４０の対）が、最小数の歪検出器４０として各センサストリングセグメント１３（セントラライザ１４間）に搭載される。出力電圧Vｚ１, Vｙ１, Vｚ２,及びVｙ２を備えたＣＳＮ装置１０の下に示される回路図は、これらのハーフブリッジの模範的な配線を表す。これらの検出器４０は、後尾セントラライザ１４ａに対する先導セントラライザ１４ｃの相対位置及び相対向き、若しくは、４つの変数の合計を提供することができる。また、好ましくは、セントラライザ１４間の隣接するセンサストリングセグメント１３の少なくとも１つは、ＣＳＮ装置１０及び掘削ストリング１８がボーリング孔内に前進されるときに実際のボーリング孔１６の長さを求めるためにボーリング孔１６に対するＣＳＮ装置１０の相対的な動きを検出できる検出器（図示せず）を含むべきである。
【００４３】
せん断力は、各連続するセグメント１２が僅かに異なる曲率（ＣＳＮ装置１０に対応する以下のチャート参照）を有する図８に示す予測される形状に対応するＣＳＮ装置１０に作用する。ビーム３２の曲率の変動は、セントラライザ１４にかかるせん断力無しに達成できない。図８に示すＣＳＮ装置１０の好ましい歪ゲージ検出器４０スキームは、これらのせん断力を考慮する。チャートに対応するＣＳＮ装置１０の下に示す模範的な回路レイアウトは、どのようにセンサ４０を接続できるかを示す。
【００４４】
図９は、図８に示すような撓曲ビーム３２からなる単一のセンサストリングセグメント１３のセントラライザ１４上に作用する２次元の最終的なせん断力を示す。４つの未知の変数、即ち２つの力及び２つの曲げモーメントは、２つの平衡式を満たすべきである。即ち、撓曲ビーム３２に作用する全体の力及び全体のモーメントはゼロに等しい。図９は、せん断力（Ｔ）及びモーメント（Ｍ）の撓曲ビーム３２の長さに沿った分布を示す。値は、次の曲げ方程式に関連する。
【００４５】
【数５】
ここで、θは、ビーム３２の向きと水平との間の角度であり、Ｅは、ビーム３２の材料のヤング率、Ｉは、慣性モーメント、Ｌは、セントラライザ１４の位置により求められるようなセグメント１２の長さである。
【００４６】
図９によると、小さい角度近似において、ビームの軸（ｘ）に垂直な２方向（ｙ、ｚ）のそれぞれにおけるセグメント１２の軸に沿ったポイントの向きは、セグメント１２の端部ポイントの互いに対する相対的な角度向きが、セグメントの全長に亘って積分することにより表されることができるように、表現されてもよい。
【００４７】
【数６】
若しくは、
【００４８】
【数７】
積分値は、負荷されたモーメントの値から独立しており、双方の積分値は、正の数である。従って、これらの式（６及び７）は、組み合わせて次のように書きなおせる。
【００４９】
【数８】
ここで、Ｉｎｔθ１及びＩｎｔθ２は、図９に示すような所与のセンサストリングセグメント１２に対する校正係数である。
【００５０】
歪ゲージ４０の２セット（Ｒ１，Ｒ２及びＲ３，Ｒ４）が、ビーム３２（図９参照）上に位置ｘ１，ｘ２にて（図９の図の下のチャート参照）配置される場合、これらの歪ゲージ４０の読み取り値は、次のように、ＣＳＮ装置１０のセグメントにかかる曲げモーメントに関連する。
【００５１】
【数９】
ここで、Ｉ１，Ｉ２は、ハーフブリッジが実装される（図９）（歪ゲージ４０でのビーム３２の）対応する断面の慣性モーメントであり、ｄ１，ｄ２は、対応する断面でのビームの径である。
【００５２】
歪ゲージの出力値が既知の場合、モーメント（Ｍ）の値は、前の式９を解くことにより求めることができる。解は、次の通りである。
【００５３】
【数１０】
これは、次のようも書きなおせる。
【００５４】
【数１１】
ここで、ｍｉ，ｊは校正係数である。式８への式１１の代入は、次を与える。
【００５５】
【数１２】
同様に、ストリングセグメント１２の前端の鉛直方向の変位は、次のように書ける。
【００５６】
【数１３】
式６及び７に関する場合と同様、式１３の積分値の双方は、印加されるモーメントの値とは独立した正の数である。従って、式１３は、次のように書きなおせる。
【００５７】
【数１４】
また、
【００５８】
【数１５】
尚、ｍｉ，ｊの値は、式１２及び式１５で同じである。また、Ｉｎｔ係数の値は、次の関係を満たす。
【００５９】
【数１６】
これは、装置校正を簡易化するために使用されてもよい。
【００６０】
一定断面を備える撓曲ビーム３２（図９）に対して、式１６における積分値は、次の通りである。
【００６１】
【数１７】
図９に示すようなＣＳＮ装置１０が見ると予測される最大曲げ半径は、曲げ角度の値が３度若しくは０．０２ラジアンより小さくなることを保証するのに依然として十分大きい。ｃｏｓ（０．０２）≒０．９９９であるので、小さい角度近似が有効であり、式６乃至１７は、ローカル座標系の“ｙ”及び“ｚ”の双方の方向における後尾セントラライザ１４に対する先導セントラライザ１４の変位の投影の独立的な算出に使用できる。
【００６２】
図１０は、図９に示すような歪ゲージＣＳＮ装置１０における検出器低減用のブロック図である。ＣＳＮ装置１０の撓曲ビーム３２の校正は、次のように、後尾セントラライザ１４ａに対する先導セントラライザ１４ｃの角度及び偏向を定義する係数を提供すべきである。
【００６３】
【数１８】
ここで、係数ｐｉαは、校正中に決定される。これらの係数は、図１０に示す４×４の影響行列と称される。追加の複雑化は、ＣＳＮ装置１０が、通常使用中に、熱荷重下のみならず、引張荷重及び捻り荷重下でありうるという事実に起因する。捻り荷重補正は、次のように、一般形を有する。
【００６４】
【数１９】
ここで、τは、捻り検出器により測定されるようなＣＳＮ装置１０のセグメント１３に掛かる捻りであり、ｐτは、校正係数である。式１９内の係数は、図１０における２×２の回転行列である。
【００６５】
図１０の参照を続けるに、熱荷重は、係数ｐｉαの値を変化させる。第１の近似において、値は、次のように書ける。
【００６６】
【数２０】
ＣＴＥのものは、校正パラメータである。これらは、材料及び材料剛性熱依存性の双方を含む。ｐｉαの各値は、次の通り、軸方向の歪荷重に関して独自の校正された線形依存性を有する。
【００６７】
【数２１】
式２１の２つの式で記述される補正係数は、図１０における校正係数と称される。
【００６８】
図１１を参照するに、歪ゲージ検出器４０は、センサストリングセグメント１２を形成する不動のボーリング孔１６の壁により固定されたセントラライザ１４にて拘束される軸方向の回転ビーム３２に配置されることができる。ビーム３２が受けている曲げ量に関連した時間変化信号を生成するためにビーム３２を回転させることにより得られるＣＳＮ装置１０からのより大きい全体の測定精度の利点は、これに限定されないが、信号内のノイズの影響を減らすための時間に亘る信号の平均化及び改善された識別能の曲げ方向から生まれる。歪ゲージ検出器４０の単一のブリッジにより生成される信号は、回転角ψ及びψｍに対する振動パターンに追従することになり、歪ゲージ検出器４０により記憶される歪の値は、次のように算出できる。
【００６９】
【数２２】
ここで、ψ及びψｍは、図１１に定義され、Ψは、歪検出器４０の角度位置である。
【００７０】
所定時間に亘って歪の値を測定することによって曲げ平面の向き及び最大歪の値を回復することができる。式２２は、次の等価形で書きなおせる。
【００７１】
【数２３】
ここで、εｚ及びεｙは、図１１に示す“ｘｚ”及び“ｙｚ”面内の対応した曲げにより生ずる歪である。
【００７２】
従って、値ε（ψ）が測定される場合、εｚ及びεｙは、先ず、正弦（ｓｉｎ）及び余弦（ｃｏｓ）へのε（ψ）の最小二乗適合（フィット）を実行することにより回復されてもよい。考えられる手順の１つは、先ず、次の方程式を解くことにより、εｓｉｎ、εｃｏｓ及びεｏｆｆｓｅｔの値を求めることである。
【００７３】
【数２４】
ここで、
【００７４】
【数２５】
値εｙ及びεｚは、次から回復されることができる。
【００７５】
【数２６】
式２６の行列は、各センサストリングセグメント１２に対する校正された実験により決定されなければならない向き行列である。
【００７６】
図１２を参照するに、ブロック図は、回転歪ゲージ４０のデータに対する低減アルゴリズムを示す。歪ゲージ４０のブリッジは、未知のオフセットを有するので、式２３は、次の形を有するだろう。
【００７７】
【数２７】
従って、εＹ及びεＺは、式２６への最小二乗適合を解くことにより求められ、この場合、
【００７８】
【数２８】
より一般的な場合であって、２つの略直交するブリッジ（ａ及びｂ）が同一の値εＹ及びεＺを測定するために用いられる場合、より一般的な最小二乗適合手順は、単一のブリッジ状況に対する式２８により記述される最小二乗適合の分析的解法に代えて実行される。最小化関数は、次の通りである。
【００７９】
【数２９】
ここで、インデックスａ，ｂは、（図９、歪ゲージデータの）２つのブリッジを指し、インデックスｉは測定番号を指し、Ψａ及びΨｂは、図１２及び式２９のゲージ方向角である。図１２に示すゲージ方向角は、各センサストリングセグメント１２に対して校正された実験により決定される。
【００８０】
図１３を参照するに、これは、図７ａ及び８に関連して説明したＣＳＮ装置１０の電子部品パッケージに組み入れられるような上述の加速度計３６に関する。３軸加速度計３６は、次のデータにより完全に表すことができ、この場合、グローバル鉛直方向“Ｚ”に対して、加速度計の各成分は、校正された電気出力（ゲージ係数）、他の加速度計３６の成分に対する既知の固定の空間的方向（向き）、及び、測定のその好ましい軸に関する測定された回転角度を有する（角度位置）。
【００８１】
【表１】
【００８２】
座標系及び角度は、図１３に定義される。ローカル座標系の定義に基づいて、回転行列は、次のように定義されてもよい。
【００８３】
【数３０】
【００８４】
【数３１】
従って、角度ψＹＺ＝ψ回転した後の角度ψＹＺでのボーリング孔１６を下方に行くＣＳＮ装置１０に対して、ＣＳＮ装置１０の外周に配置される加速度計３６の読み取り値は、次のように求めることができる。
【００８５】
【数３２】
ここで、適合パラメータｃ０、ｃ１及びｃ２は、３軸加速度計３６の初期校正中に決定され、ｇは地球の重力係数である。全ての３つの加速度計３６の読み取り値を記述する式は、次の形を有するだろう。
【００８６】
【数３３】
理想的な配置ΨＹＺ＝０を備える理想的な加速度計３６に対して、式３３は、次のように簡素化される。
【００８７】
【数３４】
図１４を参照するに、示されたデータ低減アルゴリズムは、ゼロオフセットドリフト及び角速度に対する加速度計３６の読み取り値を補正する。かかるアルゴリズムは、例えば、図１１に示すようなＣＳＮ装置１０と共に、プロセッサを含むゼロドリフト補償器により使用されることができる。ゼロドリフト補償器は、ＣＳＮ装置１０を回転させることにより働く。ゼロドリフト補償器は、任意の時間の既知の値ｇに測定された値ｇの平均が同一となる規則を強制することによって動作することができる。或いは、ゼロドリフト補償器は、歪ゲージ４０の歪読み取り値が、加速度計３６により記録される角度依存性と同一のストリング１２の回転に関する角度依存性を追従する規則を強制することによって動作することができる。或いは、ゼロドリフト補償器は、歪ゲージ４０の歪読み取り値が、掘削ストリング１８（図１）若しくはセンサストリングに配置される角度エンコーダにより測定されるのと同一の角度依存性を追従する規則を強制することによって動作することができる。
【００８８】
加速度計のゼロオフセットは、ドリフトするだろうし、及び／又は、加速度計３６は、回転する物体に搭載されるので、加速度計の読み取り値のより正確な記述は、次のようになるだろう。
【００８９】
【数３５】
ここで、offは、加速度計のゼロオフセットであり、ωは、回転の角速度であり、インデックスαは、ローカルｘ、ｙ及びｚ座標系を指す。式３５は、角度に対して解くことができる。解は、次の形を有する。
【００９０】
【数３６】
１２個の定数ｄｊαの値は校正中に決定される。式３６は、次のように、適合性条件を受ける。
【００９１】
【数３７】
次のように、変数を定義する場合には、表記は簡易化される。
【００９２】
【数３８】
ここで、インデックスｉは、加速度計により実行される各計測を指す。尚、オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３は、測定に独立であり、インデックスｉを有さない。式３７の適合性条件は、次のように書きなおせる。
【００９３】
【数３９】
ωは小さく、値ｃｏｓ（θ）≒１であるので、ωの値は、次の通り求められる。
【００９４】
【数４０】
ｃｏｓ（θ）≠１に対する任意の補正の必要性は、この近似からの偏差がこのアプリケーションに対して重大となるときを評価することにより実験的に決定されなければならない。
【００９５】
加速度計３６は、時間と共に変化するゼロオフセットを有するので、式７０は、実際の測定値に対して満足されないだろう。オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３の値は、次のように、最小二乗適合、即ち最小化により求められる。
【００９６】
【数４１】
オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３の値が求められると、回転角度は、次のように定義できる。
【００９７】
【数４２】
オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３の値が知られているとき、個々の加速度計３６のオフセットの値及びψｉ及びｃｏｓ（θｉ）は、求めることができる。
【００９８】
図１５乃至図１７を参照するに、それぞれの図は、例えば図２ｃ及び８に関連して上述した歪ゲージ変位ＣＳＮ装置１０の実施例に対する代替実施例である、ユニバーサルジョイント角度測定センサ５０を示す。図１５に示すように、ユニバーサルジョイント５０は、ボーリング孔１６若しくは管内に適合する円筒形の形状であることができ、対向する可撓性の撓曲部５４の２つのセットにて結合される２つの部材５６からなり、ジョイント５０は、その長さに直交する任意の面内の全ての方向に曲がることができる。可撓性の撓曲部５４は、ユニバーサルジョイント５０の仮想的な中心軸に対して径方向に配置される。可撓性の撓曲部５４の２セットの各セットは、仮想中心軸に沿った一面に沿ったジョイント５０内の屈曲を可能とする。屈曲の各面は、互いに直交し、従って、仮想中心軸まわりの全ての方向における屈曲が可能である。可撓性の撓曲部５４での歪力は、検出器５２を用いて、図８のＣＳＮ装置１０の歪ゲージ検出器４０においてと同一の方法で測定される。鉛直に対するユニバーサルジョイント５０の空間的な向きは、ユニバーサルジョイント５０の内部に取り付けられる３軸加速度計５７により測定される。
【００９９】
ユニバーサルジョイント５０は、図１６に示すようなＣＳＮ装置１０の中間セントラライザ１４ｂに接続されてもよい。スプリング５８は、セントラライザ１４ｂを作動させるために用いることができる（これは、図１９乃至２０ｂを参照して後に詳説する）。ユニバーサルジョイント５０及び中間セントラライザ１４ｂは、互いに剛結され、先導及び後尾セントラライザ１４ａ及び１４ｃへのアーム４４と接続される。
【０１００】
図１７に示すように、ユニバーサルジョイント５０は、測量及び／又は誘導用のダウンホールツールとして用いられるためにＣＳＮ装置１０上に搭載されるとき、３つのセントラライザ１４の中間セントラライザ１４ｂに若しくはその付近に配置される。２つの外側のセントラライザ１４ａ及び１４ｃは、図１７に示すように、アーム４４によりユニバーサルジョイント５０に接続され、アーム４４は、望ましい場合には、電子部品パッケージを収容してもよい。ユニバーサルジョイント５０は、ジョイント部材５６及びアーム４４の動きを測定するために歪ゲージ５２（図１５）を含む。
【０１０１】
上述の如く、本発明の種々の実施例のＣＳＮ装置１０は、ダウンホール装置の誘導及びボーリング孔１６若しくは通路の測量のために用いられる。誘導アルゴリズム（図６）の目標は、ＣＳＮ装置１０のセントラライザ１４の相対位置を求めること、及び、当該データに基づいてＣＳＮ装置１０のボーリング孔１６の位置を求めることである。図１８を参照するに、この図は、ＣＳＮ装置１０の組立体のブロック図であり、第１のローカル座標系（＃１）は、次のように、座標ベクトルを有する。
【０１０２】
【数４３】
ここで、ｃｏｓθは、加速度計５７により求められ、ｇは地球重力係数である。原点
［外１］
を備えたローカル座標系（図５ａ−５ｄ）、及び、ｘ軸の向き
［外２］
、及び、アーム４４の長さＬとすると、軸の向きは次のようになるだろう。
【０１０３】
【数４４】
再度、図５ｄを参照するに、この図は、上述のローカル座標系を示し、例えば図１５に示すような歪ゲージ５２の読み取り値は、ローカル座標系におけるＣＳＮ装置１０のセグメントの先導セントラライザ１４ｃの位置の角度θｙ、θｚを提供する。従って、次のセントラライザ１４ｂ及び次の座標系の原点は、次のようになるだろう。
【０１０４】
【数４５】
次の座標系の向きは、式４６により定義されることなり、この場合、新しいベクトルは、次の通りである。
【０１０５】
【数４６】
式４５及び４６を用いて、第１のローカル座標系におけるボーリング孔１６の未知領域におけるＣＳＮ装置１０の部分の向き及び原点を定義することができる。式４５及び４６を全てのＣＳＮ装置１０のセグメント１３に適用した後、ボーリング孔１６の未知領域におけるＣＳＮ装置１０の部分の位置が求められる。ＣＳＮ装置１０の形状は、歪ゲージ４０若しくは５２の精度まで定義される。ＣＳＮ装置１０の鉛直に対する傾斜は、加速度計３６若しくは５７の精度内で定義される。ＣＳＮ装置１０の方位角は未知である。
【０１０６】
図１９、２０ａ及び２０ｂを参照するに、ＣＳＮ装置１０用のセントラライザの一実施例が示される。上述の如く、セントラライザ１４は、ボーリング孔１６内に上述の計測センサ（図１）を正確且つ繰り返し可能に位置付けるために用いられる。更に、セントラライザ１４は、既知の回転ポイント６０を有し、回転ポイント６０は、それが取り付く計測物に対して軸方向に移動しないだろう。セントラライザ１４は、セントラライザ１４の回転ポイント６０を、同一の横方向の面内に軸方向に留まらせるために拘束するように直線機構を適合させるように構成される。この機構は、“Scott Russell”若しくは“Evan’s リンク”と時々称されるが、図１９に示すような、２つのリンク６４、及び、図２０ａ及び２０ｂに示すような６４ａ，６４ｂからなる。図２０ａ及び２０ｂの短い方のリンク６４ｂは、固定の回転ポイント６０ｂを有する一方、長い方のリンク６４ａは、管ハウジング３４に沿って軸方向に自由に動く回転ポイント６０ａを有する。リンク６４ａ及び６４ｂは、長いリンク６４ａの全長に沿った途中に配置される回転ポイント６６にて結合され、短いリンク６４ｂは、固定されたポイント６０ｂからリンクされた回転ポイント６６までの距離が長いリンク６４ａの長さの半分になるように大きさにされる。
【０１０７】
このセントラライザ１４の機構は、スプリング６８を、摺動する回転ポイント６０ａの背後に配置することによって形成され、スプリング６８は、長いリンク６４ａの自由端に外向きに押す力を付与する。この設計は、回転ポイントにてローラベアリングを使用できるが、或いは、それらは、より密な公差のための撓曲部によるような、若しくは、より緩い公差が許容される場合には孔内のピンによるような、他の手段によりなされうる。ローラ６２は、ボーリング孔１６の壁に接触するために長いリンク６４ａの端部に配置される。
【０１０８】
このセントラライザ１４の概念によれば、全ての回転ポイントは、短いリンク６４ｂの回転ポイント６０ｂに対して、従って、ＣＳＮ装置１０の上の既知の位置にて、軸方向に平行になる。また、この機構は、セントラライザ１４の容積を低減する。図１９は、回転ポイント６０が固定された、ダブルローラを備えたセントラライザ１４の実施例を示す。この実施例は、固定された回転ポイント６０まわりに中心化された２つのスプリング実装６８のロール６２を有する。図２０ａ及び２０ｂは、同様に単一の固定回転ポイント６０を備えるが、１つのスプリング実装６８のロール６２を備える単一のローラ構造を示す。
【０１０９】
本発明の代替実施例では、装置は、サグ（垂れ）を抑えるために機械的ビーム上の重力作用を相殺するために利用される。図２１ａ及び図２１に示すように、近接検出器ベース若しくは角度計測ベースの変位センサストリングを有するＣＳＮ装置１０の計測ビームの重力により誘起されるサグを補償するために浮力を用いて、測量若しくは誘導の精度を改善することができる。図２１ａに示すように、角度測定計測センサＣＳＮ装置１０は、流体８１を収容するハウジング３４内にセンサストリングセグメント１３を収容することができる。この流体は、セグメント１３に対して浮力を提供し、従って、サグを抑制する。或いは、図２１ｂに示すように、変位測定計測センサＣＳＮ装置１０は、ハウジング３４に充填された流体８１内にその直線ビーム３１を同様に収容させることができる。このようにして、直線ビーム３１のサギングが抑制され、これにより、容量センサ３８によりセンシングされる変位の誤りが防止される。
【０１１０】
本発明の種々の実施例が説明されてきた。本発明は、これらの特定の実施例を参照して説明されてきたが、この説明は、本発明の例示を意図し、限定を意図しない。種々の改変及び用途は、添付の特許請求の範囲の請求項に記載の本発明の範囲及び真の精神から逸脱することなく等業者に浮かびうる。
【０１１１】
本願は、ここでの参照によりその全体が組み込まれる、２００４年１２月１４日に出願された米国予備出願第６０／６３５，４７７号の優先権を主張する。
【符号の説明】
【０１１２】
１０ ＣＳＮ装置
１３ センサストリングセグメント
１４ セントラライザ
１６ ボーリング孔
２２ オドメータ
２８ 計測センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、これに限定されないが、ボ−リング孔若しくは管のような通路により取られる経路及び／又は通路内の対象物の位置に関する３次元情報を精度良く求めるためのセントラライザ、通路測量及び誘導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボーリング産業は、前もって運命付けられたターゲット位置に掘削ヘッドを案内するために用いることができる位置決定システムを有することの望ましさを認識してきた。掘削パイプが前進する際の任意の時間にて掘削ヘッドの位置及び／又はボーリング孔の経路に関する正確な位置情報を提供できる位置決定システムが継続して望まれてきた。理想的には、位置決定システムは、掘削流体若しくは戻り流体の流れに対して最小限の制約を提供するように、掘削パイプに適合するほど十分小型であり、精度ができるだけ高くあるべきである。
【０００３】
幾つかのシステムは、かかる位置情報を提供するために考案されてきた。傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ及び磁力計のような、従来の案内及び孔測量ツールが用いられてきた。これらのシステムの全てに直面する１つの問題は、それらは、小さい径の孔に対して“掘削中の計測”が可能でないほど大きすぎる傾向にあることである。“掘削中の計測”システムでは、孔からツールを取り出すことなく測定がなされることができるように、掘削パイプ内に、典型的には掘削ヘッドの近傍に、位置検出装置を内蔵することが望ましい。かかる掘削パイプ内の計器装備の含有は、流体の流れを相当に制約する。かかるシステムを用いると、掘削パイプの径及び孔の径は、しばしば、流体の流れに最小限の制約を提供するために十分な内部スペースを依然として可能としつつ、位置計測装備を収容するために４インチよりも大きくならなければならない。傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ及び／又は磁力計に基づくシステムは、また、それらが信号ドリフト、変動、若しくは磁気若しくは重力偏差により全て影響を受けるので、高い精度を提供できない。１％若しくはそれ以上のオーダーの誤りがしばしば知見される。
【０００４】
ある浅深位置特定システムは、掘削ヘッド近傍のゾンデにより放射される音若しくは電磁放射を追跡することに基づく。深さが制限されることに加えて、かかるシステムは、また、放射を検出し掘削ヘッドの位置を追従するために、作業者が受信機を持ち、掘削ヘッド上の表面を歩くことを必要とする点で、欠陥がある。かかるシステムは、掘削ヘッド上の表面への作業者のアクセスがない場合や地面が放射に対して十分透過性がない場合には、用いることができない。
【０００５】
ここでの参照によりその内容が組み込まれる特許文献１に開示されるシステム及び方法は、４インチよりも実質的に小さい径の掘削パイプ内に適合するほど十分小さく、流体の円滑な通路を可能とする非常に高精度の位置決定システムを提供するように設計されている。このシステム及び方法は、“POLO”と称され、POsition LOcation技術を指す。特許文献１に開示のシステムは、連続的且つ周期的に、掘削パイプがボーリング孔若しくは他の通路を通過する際に掘削パイプの外面上で得られる軸方向の歪測定値から掘削パイプの部位の曲線の方位及び曲率半径を求める。連続的に取得される曲率半径及び方位情報を用いて、特許文献１に記載のシステムは、セグメントベースで、ボーリング孔の経路を表す円弧データであって、各測定ポイントで、測定する歪ゲージセンサの位置をも表す円弧データを構築する。センサが掘削ヘッド近傍に配置される場合、掘削ヘッドの位置を得ることができる。
【０００６】
特許文献１の記載のシステム及び方法は、傾斜掘削用途を有し、例えば回転掘削、水噴掘削、ダウンホールモータ掘削及び油圧掘削のような、種々の掘削装置と共に用いることができる。このシステムは、井戸掘削、貯留刺激、ガス若しくは流体貯蔵、新規のパイプ及びワイヤの配索、インフラの再生、既存のパイプ及びワイヤの交換、設備配置、コア掘削、コーン透過度計挿入、貯蔵タンク監視、パイプジャッキング、トンネル掘削のような傾斜掘削及び他の関連分野で有用である。
【０００７】
特許文献１の特許は、また、各測定ポイントにて、測定管が通路を通過する際に測定管の可能ならば絶対参照値に対する正味の回転量に関する情報を求め、歪測定値と共に回転情報を用いて、絶対参照値に対する測定された局部の曲率半径に対応付けられる方位を求めることによって、掘削動作中に測定管の回転を補償する方法を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】Hill,III他への米国特許第５，１９３，６２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の特許は、大きな利点を提供するが、このシステム及び方法には幾つかの局面で改善する余地がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
セントラライザベースの測量及び誘導（CSN）装置は、ボーリング孔ないし通路位置情報を提供するように設計される。装置は、クローズドトラバース測量（測量と称す）及びオープントラバース測量若しくは掘削中の誘導（誘導と称す）の双方に好適である。CSN装置は、通路内にセグメント（複数も可）を位置付けるセントラライザを有する一以上のセグメントからなるセンサストリング、及び、重力に対してでも、セントラライザの向き及び相対位置を測定する少なくとも１つの測定センサからなることができる。CSN装置は、また、少なくとも１つのオドメトリセンサ、初期化システム、誘導アルゴリズム実現プロセッサ（複数も可）を有することができる。センサストリング内のセントラライザの数は、少なくとも３つであるべきである。傾斜計、加速度計及びその他ののような追加のセンサがCSN装置及びシステムに含められてもよい。
【００１１】
センサストリングの孔内CSN組立体に関する模範的な実施例を含め、CSNの多数の考えられる実現が存在し、当該模範的な実施例では、各セグメントがセントラライザの相対位置を測定するための独自の検出器を有することができ、その各自の検出器は、重力に対するセンサストリングの相対的な向きを測定し、及び／又は、部分的なデータ低減がセグメント内部に配置されたプロセッサにより実行され、高価値データが誘導アルゴリズムプロセッサにバスを介して通信される。
【００１２】
その他の模範的な実施例は、参照直線計測本体若しくはビームに対するセントラライザの相対位置を測定する容量性近接検出器及び／又は光ファイバ近接検出器及び／又は歪ゲージベースの近接検出器を利用するCSN装置に関する。
【００１３】
その他の模範的な実施例は、角度計測センサを利用するCSN装置に関し、一以上のセントラライザに取り付けられるセンサストリングセグメントとして剛ビームを有する。これらのビームは、歪ゲージが撓曲部に実装された撓曲部ベースのジョイント及び／又は角度エンコーダのような角度検出器を備えるユニバーサルジョイントを用いて互いに接続される。セントラライザの相対位置は、当該エンコーダ及び／又は歪ゲージの読み取り値に基づいて決定される。
【００１４】
その他の模範的な実施例は、歪ゲージが実装された撓曲ビームをストリングセグメントとして利用するCSN装置に関し、セントラライザの相対位置を測定するためにこれらの歪ゲージの読み取り値を用いることができる。
【００１５】
その他の模範的な実施例は、撓曲ビームセンサを利用するCSN装置に関し、当該撓曲ビーム内に誘起される考えられうるせん断力を補償するために歪ゲージの複数のセットを利用することができる。
【００１６】
その他の模範的な実施例は、センサストリングに回転を誘起することにより若しくは掘削ストリングの回転の平均を取ることによりセントラライザの相対変位を測定する検出器及びセンサストリングの向きを計測する検出器のゼロドリフトに対する補償器に関する。センサストリングの向きを計測する検出器が加速度計である場合、かかる装置は、局所の地球の重力の検出器測定値の平均が、所与の時間での既知の値ｇに等しくなるように強制することによって、加速度計のゼロドリフトを計算することができ、及び／又は、セントラライザの相対変位を測定する検出器のゼロドリフトは、歪ゲージの読み取り値が、掘削ストリング上に配置された傾斜計、加速度計及び／又はジャイロスコープ、若しくは、地球の重力に対するセンサストリングの向きを測定するセンサストリングにより測定された角度依存性と同一のストリングの回転に関する角度依存性を追従するように、強制することによって補償される。
【００１７】
その他の模範的な実施例は、近接検出器ベース若しくは角度計測ベースの変位センサストリングの計測ビームの重力誘起サグを補償するために浮力を用いる装置に関する。
【００１８】
その他の模範的な実施例は、ボーリング孔に接触する各セントラライザのポイント間の一定の分離を維持するセントラライザに関する。
【００１９】
これらの模範的な実施例及び本発明の他の特徴は、添付図面を参照した次の詳細な説明に基づいてより良く理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるCSN装置を内蔵するシステムを示す図。
【図２ａ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｂ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｃ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｄ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図２ｅ】本発明によるCSN装置の種々の実施例を示す図。
【図３】本発明による図２ａに示すようなCSN装置を内蔵するシステムを示す図。
【図４】本発明による図２ｂ、２ｃ及び２ｅに示すような変位若しくは歪測定を利用するCSN装置を示す図。
【図５ａ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図。
【図５ｂ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図であり、図５ａに示す丸で囲まれたローカル座標系の拡大図。
【図５ｃ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図。
【図５ｄ】本発明によるCSN装置により利用されるグローバル座標系及びローカル座標系を示す図。
【図６】本発明によるＣＳＮシステム／装置によりどのようにして誘導及び／又は測量が実行できるかを示すブロック図。
【図７ａ】本発明による変位測定ＣＳＮ装置を示す図。
【図７ｂ】本発明による変位測定ＣＳＮ装置を示す図であり、図７ａの装置の断面Ａ−Ａを示す図。
【図８】本発明による歪ゲージ計測センサを利用するＣＳＮ装置を示す図。
【図９】本発明による図８に示すようなＣＳＮ装置上に作用する力を示す図。
【図１０】本発明による図８に示すようなＣＳＮ装置に対する歪ゲージデータ低減のブロック図。
【図１１】本発明によるＣＳＮ装置の回転する撓曲ビームに生ずる歪を示す図。
【図１２】本発明による図１１に示すような、回転型歪ゲージＣＳＮ装置においてどのようにしてデータ低減が実行できるかを示すブロック図。
【図１３】本発明によるＣＳＮ装置を用いた加速度計の感度を定義するベクトルを示す図。
【図１４】本発明によるＣＳＮ装置と共に用いられる加速度計でどのようにしてデータ低減が実行できるかを示すブロック図。
【図１５】本発明によるユニバーサルジョイント歪ゲージＣＳＮ装置を示す図。
【図１６】本発明によるユニバーサルジョイント歪ゲージＣＳＮ装置を示す図。
【図１７】本発明によるユニバーサルジョイント歪ゲージＣＳＮ装置を示す図。
【図１８】本発明によるＣＳＮ組立体のブロック図。
【図１９】本発明によるセントラライザの実施例を示す図。
【図２０ａ】本発明によるセントラライザの実施例を示す図。
【図２０ｂ】本発明によるセントラライザの実施例を示す図。
【図２１ａ】重力補償ＣＳＮ装置を示す図。
【図２１ｂ】重力補償ＣＳＮ装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、通路及びダウンホール位置情報を提供するように設計されたセントラライザベースの測量（サーベイ）及び誘導（ナビゲーション）（以下、“ＣＳＮ”）装置、システム、及び方法に関する。ＣＳＮ装置は、略任意のサイズの通路及び孔での使用のために大きさを決めることができ、掘削孔、パイピング、衛生工事、公共システム、及び、実質的に任意の他の孔環境における測量若しくは誘導に適している。ここで、用語通路及びボーリング孔は、互換性を持って用いられる。
【００２２】
図１は、ＣＳＮ装置１０を内蔵した傾斜掘削システムの基本要素、セグメント１３及びセントラライザ１４（１４ａ，１４ｂ及び１４ｃ）を含むセンサストリング１２、掘削ストリング１８、イニシャライザ２０、オドメータ２２、コンピューター２４、及び、掘削ヘッド２６を示す。計測センサ２８は、含まれ、中央のセントラライザ１４ｂに対応付けられることができ、若しくは、掘削ストリング１８上に配置されることができる。オドメータ２２及び誘導アルゴリズムを統治するコンピューター２４は、典型的には、掘削リグ３０上に実装され、ＣＳＮ装置１０と通信する。ＣＳＮ装置１０は、ボーリング孔１６内に挿入される前に事前に組み立てられてもよいし、若しくは、ボーリング孔１６内にＣＳＮ装置１０が前進する際に組み立てられてもよい。
【００２３】
図１に示すように、ＣＳＮ装置１０は、掘削ストリング１８上に配置され、ボーリング孔１６内に前進されることができる。ＣＳＮ装置１０のセントラライザ１４は、図１９乃至図２０ｂに関連して以下で詳説されるが、孔壁の不規則性に関らず、ボーリング孔１６の断面の中心にセントラライザ１４を繰り返し可能な態様で位置付ける機械的若しくは電気機械的装置である。図１に示すように、ＣＳＮ装置１０は、少なくとも３つのセントラライザ１４、即ち、ボーリング孔１６内の走行方向をベースに名付けられる、後尾セントラライザ１４ａ、中間セントラライザ１４ｂ及び先導セントラライザ１４ｃを用いる。セントラライザ１４は、任意の２つのセントラライザ１４を接続する一以上のセグメント１３内のセンサストリング１２に沿って接続され、接続されるセントラライザ１４間及びボーリング孔１６内の既知の一定の間隔を維持する。セントラライザ１４の互いに対する向きの変化若しくはセンサストリング１２セグメント１３に対する変化により実証されるＣＳＮ装置１０の方向の変化は、ボーリング孔１６のジオメトリを決定するために用いることができる。
【００２４】
図１に示すイニシャライザ２０は、ボーリング孔１６及びボーリング孔１６に対するＣＳＮ装置１０の挿入向きに関する情報を提供し、従って、位置に関する将来の計算は、初期の挿入位置に基づくことができる。イニシャライザ２０は、センサストリングセグメント１３上の対の隣接するセントラライザ１４間の距離よりも長い長さを有し、ＣＳＮ装置１０が初期的に向けられることができるように、ボーリング孔１６内への既知の走行経路を提供する。ある環境下では、ボーリング孔１６の入口経路に沿った２点ほどの少ない位置に関する情報が、イニシャライザ２０の代わりに用いられても良い。本発明の模範的な実施例による誘導は、ＣＳＮ装置１０の開始位置及び向きに対するＣＳＮ装置１０の位置付け位置を、イニシャライザ２０を用いて得られるデータに基づいて提供する。
【００２５】
図２ａ乃至図２ｅに示すように、ＣＳＮ装置１０と互換性のある種々のタイプのセントラライザベースの計測がある。しかし、全ては、ＣＳＮ装置１０での読み取り値に基づいてＣＳＮ装置１０の位置を決定することができる。ＣＳＮ装置１０の計測の種類は、これらに限定されないが、（１）図２ａに示すような直線ビーム／角度計測、（２）図２ｂに示すような直線ビーム／変位計測、（３）図２ｃに示すような撓曲ビーム計測、（４）図２ｄに示すような光ビーム変位計測、（５）図２ｅに示すような、（１）から（４）の組み合わせシステムを含む。これらの種々の計測タイプは、すべて、鉛直面内及び直交面内のボーリング孔１６の曲率を測定する。鉛直面は、任意のボーリング孔１６の位置でのボーリング孔１６の軸及び局所鉛直に直角なベクトルにより定義される。直交面は、鉛直軸に直交し、ボーリング孔１６の軸に平行である。ＣＳＮ装置１０は、ボーリング孔１６に沿った走行距離と共に、このボーリング孔１６の曲率情報を用いて、３次元でその位置を求める。入口ポイントから現在のＣＳＮ装置１０までのボーリング孔１６内の走行距離は、ＣＳＮ装置１０を前進させるために用いられる掘削ストリング１８に接続された若しくはＣＳＮ装置１０自体に接続されたオドメータ２２により測定されることができる。ＣＳＮ装置１０は、コンピューター２４と通信でき、コンピューター２４は、ＣＳＮ装置１０の測定値及びオドメータ２２に基づいて位置を算出するために用いることができる。或いは、ＣＳＮ装置１０自身が、その位置を求める処理能力及び全ての装備を含むことができ、接続されたコンピューター２４は、この情報を表示するために用いることができる。
【００２６】
イニシャライザ２０により提供される所定のローカル座標系（図５ｂ）からの開始位置及び開始向き（傾角及び方位角）の定義により、ＣＳＮ装置１０の操作者は、掘削誘導を、グローバル座標系における既知の表面及び内層面特徴に関連させることが可能である。図６に示すような誘導アルゴリズムは、ボーリング孔１６のＣＳＮ装置１０の位置を計算するために、センサストリングセグメント（複数も可）１２、オドメトリセンサ（複数も可）２２及びイニシャライザ２０の読み取り値を結合することができる。
【００２７】
ＣＳＮ装置１０は、セントラライザ１４の相対位置を提供する。より正確には、理想的な３セントラライザＣＳＮ装置１０は、図５ｂに示すように、ローカル座標系における先導セントラライザ１４ｃのベクトル座標を提供し、図５ｂでは、“ｘ”軸は、セントラライザ１４ａ及び１４ｃを結ぶ線により定義され、“ｚ”軸は、“ｘ”軸及びグローバル鉛直“Ｚ”により定義される面内にある。或いは、中間のセントラライザの位置は、“ｘ”軸がセントラライザ１４ａ及び１４ｂを結ぶ線により定義され、“ｙ”軸及び“ｚ”軸が上述と同様に定義される座標系で提供されるだろう。ｘ軸が、先導セントラライザ及び後尾セントラライザ、若しくは、先導セントラライザ及び中間セントラライザ、若しくは、中間セントラライザ及び後尾セントラライザを接続する座標系では、細かい詳細は異なるが、全て数学的に等価の誘導アルゴリズムを導き、互換性のある態様で用いられるだろう。
【００２８】
図３は、図２ａに示す計測技術によるＣＳＮ装置１０を示し、この場合、先導セントラライザ１４ｃと後尾セントラライザ１４ａ間の方向の角度の変化は、中間セントラライザ１４ｂにて測定される。示すように、ＣＳＮ装置１０は、掘削ヘッド２６が方向を変化する際にボーリング孔１６を通って掘削ヘッド２６を追従する。互いに対するセントラライザ１４の変位の大きさは、セントラライザ１４ｃ及び１４ｂを繋ぐビーム形成セグメント１３と、セントラライザ１４ｂ及び１４ｃを繋ぐビーム形成セグメント１３との間の角度θにより反映され、これは、中間セントラライザ１４ｂにある若しくはその近傍の角度センシング検出器（複数も可）２９（計測センサ２８）により測定される。センサストリング１２の回転ψも測定できる。
図４は、図２ｂ、２ｃ及び２ｅに示した計測技術、即ち変位及び曲げ／歪測定の双方を反映する代替的な誘導／測量技術用に構成されたＣＳＮ装置１０を示す。変位測定（図７ａ及び７ｂに関連して後に詳説）は、先導及び後尾セントラライザ１４ｃ，１４ａ上に搭載された（センサストリング１２セグメント１３として）直線変位計測ビーム３１を用いてセントラライザ１４の相対位置を測定する。近接センサ３８（測定センサ２８）は、直線計測ビーム３１に対する中間セントラライザ１４ｂの位置を計測する。
【００２９】
図４の参照を続けるに、それぞれセントラライザ１４間を接続する堅固な計測ビーム３２（センサストリングセグメント１２のその他の形態）に誘起される歪を測定するように構成された歪検出器計測（図８乃至１２に関連して後に詳説）も、ＣＳＮ装置１０において使用できる。直線からの如何なるセントラライザ１４の逸脱は、ビーム３２に歪を与えることになる。歪検出器若しくは歪ゲージ４０（計測センサ２８の一種）は、これらの歪を測定する（用語歪検出器及び歪ゲージは、ここでは互換性を持って用いられる）。歪ゲージ４０は、機械的な運動を電気信号に変換するように構成される。ＣＳＮ装置１０は、ビーム３２にわずか２つの歪ゲージを間隔をおいて実装することができる。センサストリング１２の回転ψも測定されることができる。
【００３０】
その他の実現では、歪検出器４０及び近接検出器３８の双方が、誘導精度を改善するために同時に使用されてもよい。その他の実現では、図２ｄに示すように、変位計測は、レーザービームのような光のビームの偏差に基づく。３つのセントラライザ１４構成では、可干渉性の線形光源（例えばレーザー）は、後尾セントラライザ１４ａを照明するために先導セントラライザ１４ａ上に搭載されることができる。後尾セントラライザ１４ａに搭載される反射面は、中間セントラライザ１４ｂに搭載される可干渉性の光を半導体位置検出素子（ＰＳＤ，計測センサ２８）へと戻るように反射し、当該検出器は、可干渉性の光の反射位置を電気信号に変換する。ビームがＰＳＤ計測センサ２８に交わるポイントは、３つのセントラライザ１４の相対変位に関連する。２つのセントラライザ１４光計測センサ構成では、中間セントラライザ１４ｂに搭載されるレーザーからの光は、隣接するセントラライザ１４に搭載されるミラーから反射され、中間セントラライザ１４ｂに搭載されるＰＳＤ計測センサ２８へと戻るように再び方向付けられる。ビームがＰＳＤ計測センサ２８に交わるポイントは、セントラライザ１４の相対角度に関連する。
【００３１】
上述の如く、ＣＳＮ誘導アルゴリズム（図６）は、グローバル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対して３次元でＣＳＮ装置１０の位置を求めるためにローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用いる。図５ａは、２つの座標系間の一般的な関係を示し、この場合、ローカル座標は、値表面下のボーリング孔１６に沿ったＣＳＮ装置１０の位置が原点とされる。ＣＳＮ誘導アルゴリズムは、ＣＳＮ装置１０の次の動作に基づくことができる。（１）ＣＳＮ装置１０は、後尾セントラライザ１４ａ及び中間セントラライザ１４ｂが、ボーリング孔１６の測量された部分（既知部）内に配置され、先導セントラライザ１４ｃがボーリング孔１６内の未知部内にあるような態様で、配置される。（２）変位測定を用いて、ＣＳＮ装置１０は、例えば計測センサ２８のような、ローカル座標系内で互いに対するセントラライザ１４の相対変位を算出する検出器のセットを含む。（３）ローカル座標系は、セントラライザ１４ａ及び１４ｃを結ぶベクトル（図５ｂの軸“ｘ”）及び計測センサ２８のような、例えば鉛直角度検出器により、測定されるような重力の方向（図５ｂの鉛直若しくは“Ｚ”）に基づいて定義される。（４）中間及び後尾セントラライザ１４ｂ，１４ａの位置の事前の決定。この情報が手に入ると、先導セントラライザ１４ｃの位置を求めることができる。
【００３２】
例えばプロセッサにより適用され、図５ｃのジオメトリにより機能する図６に示すようなアルゴリズムは、次を実行することができる。（１）ＣＳＮ装置１０は、前の段落で示すように配置される。（２）ローカル座標系における任意の２つの隣接するセンサストリングセグメントの相対角度向きθｙ、θｚ及び位置（ｙ、ｚ）が、内部のＣＳＮ装置１０のセグメント１３検出器を用いて求められる。（３）３つのセントラライザ１４は、等価物若しくは理想的な３セントラライザＣＳＮ装置１０の先導セントラライザ１４ｃ、後尾セントラライザ１４ａ及び中間セントラライザ１４ｂに割り当てられる。（４）理想的なＣＳＮ装置１０を形成する先導セントラライザ、中間セントラライザ及び後尾セントラライザ１４の相対位置は、センサストリング１２のローカル座標系で求められる。
【００３３】
図７ａは、セントラライザ１４ａ，１４ｂ及び１４ｃのそれぞれの位置を算出するための計測センサ２８として（図２ｂ及び図４に示すような）直線ビーム変位及び容量性測定を利用する本発明の代替的な模範的実施例によるＣＳＮ装置１０を示す。図７ａに示すように、剛性の高い直線ビーム３１は、軸方向（τ）に関して柔軟で径方向に関して高剛性である撓曲部３３により先導及び後尾セントラライザ１４ｃ及び１４ａに取り付けられる。近接検出器３８のセットは、中間セントラライザ１４ｂに関連付けられることができる。近接検出器３８は、直線ビーム３１に対する中間セントラライザ１４ｂの変位を測定する。加速度計３６は、鉛直に対する中間セントラライザ１４ｂの向きを測定するために使用することができる。近接検出器の例は、容量、渦電流、磁力、歪ゲージ及び光近接検出器を含む。本実施例のＣＳＮ装置１０に関連するグローバル座標系及びローカル座標系（図５ａ乃至図５ｄ）は、図７ａに示される。
【００３４】
これらの近接検出器３８と直線ビーム３１の関係は、中間セントラライザ１４ｂの中心を通る図７ａのＣＳＮ装置１０の断面図として図７ｂに示される。近接検出器３８は、先導セントラライザ１４ａ及び後尾セントラライザ１４ｃを結ぶベクトル及び鉛直により定義されるようなローカル座標系における中間セントラライザ１４ｂの位置を測定する。図７ａ及び図７ｂに示すようなＣＳＮ装置１０は、近接検出器３８、歪ゲージ４０（図８）、傾斜計（例えばか独時計３６）等を含む全ての検出器を支援するデータ取得回路、電源及び通信要素（図示せず）を含むことができる電子機器パッケージを有することができる。
【００３５】
データ低減は、以下で説明するように、図７ａに示すように、直線ビーム変位ＣＳＮ装置１０において達成されることができる。模範的な例は、直線ビーム変位計測、容量性近接検出器３８、及び、加速度計３６を検出器の例として用いる。先導及び後尾セントラライザ１４ｃ及び１４ａにより定義されるローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における中間セントラライザ１４ｂの変位は、次の通りである。
【００３６】
【数１】
ここで、ｄhorizontal及びｄverticalは、上述に定義された鉛直及び直交面における変位であり、ｄｚ及びｄｙは、容量性検出器３８により測定される変位であり、また、図４に示すように、ψは、加速度計（複数も可）３６により決定される鉛直に対する容量性検出器３８の回転角度である。従って、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるセントラライザ１４の座標は、次の通りである。
【００３７】
【数２】
ここで、ｕｉは、先導（ｉ＝３）、後尾（ｉ＝１）及び中間（ｉ＝２）セントラライザ１４ｃ、１４ｂ及び１４ａのそれぞれの位置であり、また、Ｌ１及びＬ２は、先導セントラライザ１４ｃ及び中間セントラライザ１４ｂ間の距離、及び、中間セントラライザ１４ｂ及び後尾セントラライザ１４ａ間の距離である。
【００３８】
ベクトルｕ２の方向は、後尾及び中間セントラライザはボーリング孔の既知部内に配置されているので、グローバル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で既知である。それ故に、ローカル座標系の軸ｘ、ｙ及びｚの向きは、グローバル座標系では次の通りである。
【００３９】
【数３】
中間及び後尾セントラライザ１４ｂ及び１４ａ（それぞれ図５ｂ）により決定されるような座標系における先導セントラライザ１４ｃの変位（図５ｂ）は、次のように書ける。
【００４０】
【数４】
グローバル座標系におけるｕ３を算出することは、先導セントラライザ１４ｃの位置の情報を提供し、測量されるボーリング孔１６の知見を広げる。
【００４１】
上述の如く、直線ビーム変位ＣＳＮ装置１０に対する代替例は、図２ｃ及び図４に示すような撓曲ビームＣＳＮ装置１０である。図８は、撓曲ビーム３２に取り付けられた歪ゲージ検出器４０を備えるＣＳＮ装置１０を示す。任意の種類の歪検出器４０及び例えば加速度計３６のような向き検出器が使用されてもよい。各実装されたセンサストリング１２セグメント１３、ここではＣＳＮ装置１０の（セントラライザ１４間の）撓曲ビーム３２は、（撓曲ビーム３２の反対側にある）対の歪ゲージ検出器４０の４以上のセットを担持し、各対向する対は、ハーフブリッジを形成する。これらのセグメント１３は、ＣＳＮ装置１０が容量性検出器３８を利用する場合、容量性検出器３８を収容する同一のセグメント１３であってもよいし若しくは同一のセグメント１３でなくてもよい。図８に示す装置１０では、歪ゲージ検出器４０及び加速度計３６の読み取り値は同時に記録されることができる。オドメトリ補正（Δｌ）を支援する変位検出器は、少なくとも１つのセグメント１３（図示せず）に配置されることもできる。幾つかの温度検出器（図示せず）も、熱作用を補償することを可能とするために各セグメント１３に配置されることができる。
【００４２】
好ましくは、この実施例において、４つのハーフブリッジ（歪検出器４０の対）が、最小数の歪検出器４０として各センサストリングセグメント１３（セントラライザ１４間）に搭載される。出力電圧Vｚ１, Vｙ１, Vｚ２,及びVｙ２を備えたＣＳＮ装置１０の下に示される回路図は、これらのハーフブリッジの模範的な配線を表す。これらの検出器４０は、後尾セントラライザ１４ａに対する先導セントラライザ１４ｃの相対位置及び相対向き、若しくは、４つの変数の合計を提供することができる。また、好ましくは、セントラライザ１４間の隣接するセンサストリングセグメント１３の少なくとも１つは、ＣＳＮ装置１０及び掘削ストリング１８がボーリング孔内に前進されるときに実際のボーリング孔１６の長さを求めるためにボーリング孔１６に対するＣＳＮ装置１０の相対的な動きを検出できる検出器（図示せず）を含むべきである。
【００４３】
せん断力は、各連続するセグメント１２が僅かに異なる曲率（ＣＳＮ装置１０に対応する以下のチャート参照）を有する図８に示す予測される形状に対応するＣＳＮ装置１０に作用する。ビーム３２の曲率の変動は、セントラライザ１４にかかるせん断力無しに達成できない。図８に示すＣＳＮ装置１０の好ましい歪ゲージ検出器４０スキームは、これらのせん断力を考慮する。チャートに対応するＣＳＮ装置１０の下に示す模範的な回路レイアウトは、どのようにセンサ４０を接続できるかを示す。
【００４４】
図９は、図８に示すような撓曲ビーム３２からなる単一のセンサストリングセグメント１３のセントラライザ１４上に作用する２次元の最終的なせん断力を示す。４つの未知の変数、即ち２つの力及び２つの曲げモーメントは、２つの平衡式を満たすべきである。即ち、撓曲ビーム３２に作用する全体の力及び全体のモーメントはゼロに等しい。図９は、せん断力（Ｔ）及びモーメント（Ｍ）の撓曲ビーム３２の長さに沿った分布を示す。値は、次の曲げ方程式に関連する。
【００４５】
【数５】
ここで、θは、ビーム３２の向きと水平との間の角度であり、Ｅは、ビーム３２の材料のヤング率、Ｉは、慣性モーメント、Ｌは、セントラライザ１４の位置により求められるようなセグメント１２の長さである。
【００４６】
図９によると、小さい角度近似において、ビームの軸（ｘ）に垂直な２方向（ｙ、ｚ）のそれぞれにおけるセグメント１２の軸に沿ったポイントの向きは、セグメント１２の端部ポイントの互いに対する相対的な角度向きが、セグメントの全長に亘って積分することにより表されることができるように、表現されてもよい。
【００４７】
【数６】
若しくは、
【００４８】
【数７】
積分値は、負荷されたモーメントの値から独立しており、双方の積分値は、正の数である。従って、これらの式（６及び７）は、組み合わせて次のように書きなおせる。
【００４９】
【数８】
ここで、Ｉｎｔθ１及びＩｎｔθ２は、図９に示すような所与のセンサストリングセグメント１２に対する校正係数である。
【００５０】
歪ゲージ４０の２セット（Ｒ１，Ｒ２及びＲ３，Ｒ４）が、ビーム３２（図９参照）上に位置ｘ１，ｘ２にて（図９の図の下のチャート参照）配置される場合、これらの歪ゲージ４０の読み取り値は、次のように、ＣＳＮ装置１０のセグメントにかかる曲げモーメントに関連する。
【００５１】
【数９】
ここで、Ｉ１，Ｉ２は、ハーフブリッジが実装される（図９）（歪ゲージ４０でのビーム３２の）対応する断面の慣性モーメントであり、ｄ１，ｄ２は、対応する断面でのビームの径である。
【００５２】
歪ゲージの出力値が既知の場合、モーメント（Ｍ）の値は、前の式９を解くことにより求めることができる。解は、次の通りである。
【００５３】
【数１０】
これは、次のようも書きなおせる。
【００５４】
【数１１】
ここで、ｍｉ，ｊは校正係数である。式８への式１１の代入は、次を与える。
【００５５】
【数１２】
同様に、ストリングセグメント１２の前端の鉛直方向の変位は、次のように書ける。
【００５６】
【数１３】
式６及び７に関する場合と同様、式１３の積分値の双方は、印加されるモーメントの値とは独立した正の数である。従って、式１３は、次のように書きなおせる。
【００５７】
【数１４】
また、
【００５８】
【数１５】
尚、ｍｉ，ｊの値は、式１２及び式１５で同じである。また、Ｉｎｔ係数の値は、次の関係を満たす。
【００５９】
【数１６】
これは、装置校正を簡易化するために使用されてもよい。
【００６０】
一定断面を備える撓曲ビーム３２（図９）に対して、式１６における積分値は、次の通りである。
【００６１】
【数１７】
図９に示すようなＣＳＮ装置１０が見ると予測される最大曲げ半径は、曲げ角度の値が３度若しくは０．０２ラジアンより小さくなることを保証するのに依然として十分大きい。ｃｏｓ（０．０２）≒０．９９９であるので、小さい角度近似が有効であり、式６乃至１７は、ローカル座標系の“ｙ”及び“ｚ”の双方の方向における後尾セントラライザ１４に対する先導セントラライザ１４の変位の投影の独立的な算出に使用できる。
【００６２】
図１０は、図９に示すような歪ゲージＣＳＮ装置１０における検出器低減用のブロック図である。ＣＳＮ装置１０の撓曲ビーム３２の校正は、次のように、後尾セントラライザ１４ａに対する先導セントラライザ１４ｃの角度及び偏向を定義する係数を提供すべきである。
【００６３】
【数１８】
ここで、係数ｐｉαは、校正中に決定される。これらの係数は、図１０に示す４×４の影響行列と称される。追加の複雑化は、ＣＳＮ装置１０が、通常使用中に、熱荷重下のみならず、引張荷重及び捻り荷重下でありうるという事実に起因する。捻り荷重補正は、次のように、一般形を有する。
【００６４】
【数１９】
ここで、τは、捻り検出器により測定されるようなＣＳＮ装置１０のセグメント１３に掛かる捻りであり、ｐτは、校正係数である。式１９内の係数は、図１０における２×２の回転行列である。
【００６５】
図１０の参照を続けるに、熱荷重は、係数ｐｉαの値を変化させる。第１の近似において、値は、次のように書ける。
【００６６】
【数２０】
ＣＴＥのものは、校正パラメータである。これらは、材料及び材料剛性熱依存性の双方を含む。ｐｉαの各値は、次の通り、軸方向の歪荷重に関して独自の校正された線形依存性を有する。
【００６７】
【数２１】
式２１の２つの式で記述される補正係数は、図１０における校正係数と称される。
【００６８】
図１１を参照するに、歪ゲージ検出器４０は、センサストリングセグメント１２を形成する不動のボーリング孔１６の壁により固定されたセントラライザ１４にて拘束される軸方向の回転ビーム３２に配置されることができる。ビーム３２が受けている曲げ量に関連した時間変化信号を生成するためにビーム３２を回転させることにより得られるＣＳＮ装置１０からのより大きい全体の測定精度の利点は、これに限定されないが、信号内のノイズの影響を減らすための時間に亘る信号の平均化及び改善された識別能の曲げ方向から生まれる。歪ゲージ検出器４０の単一のブリッジにより生成される信号は、回転角ψ及びψｍに対する振動パターンに追従することになり、歪ゲージ検出器４０により記憶される歪の値は、次のように算出できる。
【００６９】
【数２２】
ここで、ψ及びψｍは、図１１に定義され、Ψは、歪検出器４０の角度位置である。
【００７０】
所定時間に亘って歪の値を測定することによって曲げ平面の向き及び最大歪の値を回復することができる。式２２は、次の等価形で書きなおせる。
【００７１】
【数２３】
ここで、εｚ及びεｙは、図１１に示す“ｘｚ”及び“ｙｚ”面内の対応した曲げにより生ずる歪である。
【００７２】
従って、値ε（ψ）が測定される場合、εｚ及びεｙは、先ず、正弦（ｓｉｎ）及び余弦（ｃｏｓ）へのε（ψ）の最小二乗適合（フィット）を実行することにより回復されてもよい。考えられる手順の１つは、先ず、次の方程式を解くことにより、εｓｉｎ、εｃｏｓ及びεｏｆｆｓｅｔの値を求めることである。
【００７３】
【数２４】
ここで、
【００７４】
【数２５】
値εｙ及びεｚは、次から回復されることができる。
【００７５】
【数２６】
式２６の行列は、各センサストリングセグメント１２に対する校正された実験により決定されなければならない向き行列である。
【００７６】
図１２を参照するに、ブロック図は、回転歪ゲージ４０のデータに対する低減アルゴリズムを示す。歪ゲージ４０のブリッジは、未知のオフセットを有するので、式２３は、次の形を有するだろう。
【００７７】
【数２７】
従って、εＹ及びεＺは、式２６への最小二乗適合を解くことにより求められ、この場合、
【００７８】
【数２８】
より一般的な場合であって、２つの略直交するブリッジ（ａ及びｂ）が同一の値εＹ及びεＺを測定するために用いられる場合、より一般的な最小二乗適合手順は、単一のブリッジ状況に対する式２８により記述される最小二乗適合の分析的解法に代えて実行される。最小化関数は、次の通りである。
【００７９】
【数２９】
ここで、インデックスａ，ｂは、（図９、歪ゲージデータの）２つのブリッジを指し、インデックスｉは測定番号を指し、Ψａ及びΨｂは、図１２及び式２９のゲージ方向角である。図１２に示すゲージ方向角は、各センサストリングセグメント１２に対して校正された実験により決定される。
【００８０】
図１３を参照するに、これは、図７ａ及び８に関連して説明したＣＳＮ装置１０の電子部品パッケージに組み入れられるような上述の加速度計３６に関する。３軸加速度計３６は、次のデータにより完全に表すことができ、この場合、グローバル鉛直方向“Ｚ”に対して、加速度計の各成分は、校正された電気出力（ゲージ係数）、他の加速度計３６の成分に対する既知の固定の空間的方向（向き）、及び、測定のその好ましい軸に関する測定された回転角度を有する（角度位置）。
【００８１】
【表１】
【００８２】
座標系及び角度は、図１３に定義される。ローカル座標系の定義に基づいて、回転行列は、次のように定義されてもよい。
【００８３】
【数３０】
【００８４】
【数３１】
従って、角度ψＹＺ＝ψ回転した後の角度ψＹＺでのボーリング孔１６を下方に行くＣＳＮ装置１０に対して、ＣＳＮ装置１０の外周に配置される加速度計３６の読み取り値は、次のように求めることができる。
【００８５】
【数３２】
ここで、適合パラメータｃ０、ｃ１及びｃ２は、３軸加速度計３６の初期校正中に決定され、ｇは地球の重力係数である。全ての３つの加速度計３６の読み取り値を記述する式は、次の形を有するだろう。
【００８６】
【数３３】
理想的な配置ΨＹＺ＝０を備える理想的な加速度計３６に対して、式３３は、次のように簡素化される。
【００８７】
【数３４】
図１４を参照するに、示されたデータ低減アルゴリズムは、ゼロオフセットドリフト及び角速度に対する加速度計３６の読み取り値を補正する。かかるアルゴリズムは、例えば、図１１に示すようなＣＳＮ装置１０と共に、プロセッサを含むゼロドリフト補償器により使用されることができる。ゼロドリフト補償器は、ＣＳＮ装置１０を回転させることにより働く。ゼロドリフト補償器は、任意の時間の既知の値ｇに測定された値ｇの平均が同一となる規則を強制することによって動作することができる。或いは、ゼロドリフト補償器は、歪ゲージ４０の歪読み取り値が、加速度計３６により記録される角度依存性と同一のストリング１２の回転に関する角度依存性を追従する規則を強制することによって動作することができる。或いは、ゼロドリフト補償器は、歪ゲージ４０の歪読み取り値が、掘削ストリング１８（図１）若しくはセンサストリングに配置される角度エンコーダにより測定されるのと同一の角度依存性を追従する規則を強制することによって動作することができる。
【００８８】
加速度計のゼロオフセットは、ドリフトするだろうし、及び／又は、加速度計３６は、回転する物体に搭載されるので、加速度計の読み取り値のより正確な記述は、次のようになるだろう。
【００８９】
【数３５】
ここで、offは、加速度計のゼロオフセットであり、ωは、回転の角速度であり、インデックスαは、ローカルｘ、ｙ及びｚ座標系を指す。式３５は、角度に対して解くことができる。解は、次の形を有する。
【００９０】
【数３６】
１２個の定数ｄｊαの値は校正中に決定される。式３６は、次のように、適合性条件を受ける。
【００９１】
【数３７】
次のように、変数を定義する場合には、表記は簡易化される。
【００９２】
【数３８】
ここで、インデックスｉは、加速度計により実行される各計測を指す。尚、オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３は、測定に独立であり、インデックスｉを有さない。式３７の適合性条件は、次のように書きなおせる。
【００９３】
【数３９】
ωは小さく、値ｃｏｓ（θ）≒１であるので、ωの値は、次の通り求められる。
【００９４】
【数４０】
ｃｏｓ（θ）≠１に対する任意の補正の必要性は、この近似からの偏差がこのアプリケーションに対して重大となるときを評価することにより実験的に決定されなければならない。
【００９５】
加速度計３６は、時間と共に変化するゼロオフセットを有するので、式７０は、実際の測定値に対して満足されないだろう。オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３の値は、次のように、最小二乗適合、即ち最小化により求められる。
【００９６】
【数４１】
オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３の値が求められると、回転角度は、次のように定義できる。
【００９７】
【数４２】
オフセットＯＦ１，ＯＦ２及びＯＦ３の値が知られているとき、個々の加速度計３６のオフセットの値及びψｉ及びｃｏｓ（θｉ）は、求めることができる。
【００９８】
図１５乃至図１７を参照するに、それぞれの図は、例えば図２ｃ及び８に関連して上述した歪ゲージ変位ＣＳＮ装置１０の実施例に対する代替実施例である、ユニバーサルジョイント角度測定センサ５０を示す。図１５に示すように、ユニバーサルジョイント５０は、ボーリング孔１６若しくは管内に適合する円筒形の形状であることができ、対向する可撓性の撓曲部５４の２つのセットにて結合される２つの部材５６からなり、ジョイント５０は、その長さに直交する任意の面内の全ての方向に曲がることができる。可撓性の撓曲部５４は、ユニバーサルジョイント５０の仮想的な中心軸に対して径方向に配置される。可撓性の撓曲部５４の２セットの各セットは、仮想中心軸に沿った一面に沿ったジョイント５０内の屈曲を可能とする。屈曲の各面は、互いに直交し、従って、仮想中心軸まわりの全ての方向における屈曲が可能である。可撓性の撓曲部５４での歪力は、検出器５２を用いて、図８のＣＳＮ装置１０の歪ゲージ検出器４０においてと同一の方法で測定される。鉛直に対するユニバーサルジョイント５０の空間的な向きは、ユニバーサルジョイント５０の内部に取り付けられる３軸加速度計５７により測定される。
【００９９】
ユニバーサルジョイント５０は、図１６に示すようなＣＳＮ装置１０の中間セントラライザ１４ｂに接続されてもよい。スプリング５８は、セントラライザ１４ｂを作動させるために用いることができる（これは、図１９乃至２０ｂを参照して後に詳説する）。ユニバーサルジョイント５０及び中間セントラライザ１４ｂは、互いに剛結され、先導及び後尾セントラライザ１４ａ及び１４ｃへのアーム４４と接続される。
【０１００】
図１７に示すように、ユニバーサルジョイント５０は、測量及び／又は誘導用のダウンホールツールとして用いられるためにＣＳＮ装置１０上に搭載されるとき、３つのセントラライザ１４の中間セントラライザ１４ｂに若しくはその付近に配置される。２つの外側のセントラライザ１４ａ及び１４ｃは、図１７に示すように、アーム４４によりユニバーサルジョイント５０に接続され、アーム４４は、望ましい場合には、電子部品パッケージを収容してもよい。ユニバーサルジョイント５０は、ジョイント部材５６及びアーム４４の動きを測定するために歪ゲージ５２（図１５）を含む。
【０１０１】
上述の如く、本発明の種々の実施例のＣＳＮ装置１０は、ダウンホール装置の誘導及びボーリング孔１６若しくは通路の測量のために用いられる。誘導アルゴリズム（図６）の目標は、ＣＳＮ装置１０のセントラライザ１４の相対位置を求めること、及び、当該データに基づいてＣＳＮ装置１０のボーリング孔１６の位置を求めることである。図１８を参照するに、この図は、ＣＳＮ装置１０の組立体のブロック図であり、第１のローカル座標系（＃１）は、次のように、座標ベクトルを有する。
【０１０２】
【数４３】
ここで、ｃｏｓθは、加速度計５７により求められ、ｇは地球重力係数である。原点
［外１］
を備えたローカル座標系（図５ａ−５ｄ）、及び、ｘ軸の向き
［外２］
、及び、アーム４４の長さＬとすると、軸の向きは次のようになるだろう。
【０１０３】
【数４４】
再度、図５ｄを参照するに、この図は、上述のローカル座標系を示し、例えば図１５に示すような歪ゲージ５２の読み取り値は、ローカル座標系におけるＣＳＮ装置１０のセグメントの先導セントラライザ１４ｃの位置の角度θｙ、θｚを提供する。従って、次のセントラライザ１４ｂ及び次の座標系の原点は、次のようになるだろう。
【０１０４】
【数４５】
次の座標系の向きは、式４６により定義されることなり、この場合、新しいベクトルは、次の通りである。
【０１０５】
【数４６】
式４５及び４６を用いて、第１のローカル座標系におけるボーリング孔１６の未知領域におけるＣＳＮ装置１０の部分の向き及び原点を定義することができる。式４５及び４６を全てのＣＳＮ装置１０のセグメント１３に適用した後、ボーリング孔１６の未知領域におけるＣＳＮ装置１０の部分の位置が求められる。ＣＳＮ装置１０の形状は、歪ゲージ４０若しくは５２の精度まで定義される。ＣＳＮ装置１０の鉛直に対する傾斜は、加速度計３６若しくは５７の精度内で定義される。ＣＳＮ装置１０の方位角は未知である。
【０１０６】
図１９、２０ａ及び２０ｂを参照するに、ＣＳＮ装置１０用のセントラライザの一実施例が示される。上述の如く、セントラライザ１４は、ボーリング孔１６内に上述の計測センサ（図１）を正確且つ繰り返し可能に位置付けるために用いられる。更に、セントラライザ１４は、既知の回転ポイント６０を有し、回転ポイント６０は、それが取り付く計測物に対して軸方向に移動しないだろう。セントラライザ１４は、セントラライザ１４の回転ポイント６０を、同一の横方向の面内に軸方向に留まらせるために拘束するように直線機構を適合させるように構成される。この機構は、“Scott Russell”若しくは“Evan’s リンク”と時々称されるが、図１９に示すような、２つのリンク６４、及び、図２０ａ及び２０ｂに示すような６４ａ，６４ｂからなる。図２０ａ及び２０ｂの短い方のリンク６４ｂは、固定の回転ポイント６０ｂを有する一方、長い方のリンク６４ａは、管ハウジング３４に沿って軸方向に自由に動く回転ポイント６０ａを有する。リンク６４ａ及び６４ｂは、長いリンク６４ａの全長に沿った途中に配置される回転ポイント６６にて結合され、短いリンク６４ｂは、固定されたポイント６０ｂからリンクされた回転ポイント６６までの距離が長いリンク６４ａの長さの半分になるように大きさにされる。
【０１０７】
このセントラライザ１４の機構は、スプリング６８を、摺動する回転ポイント６０ａの背後に配置することによって形成され、スプリング６８は、長いリンク６４ａの自由端に外向きに押す力を付与する。この設計は、回転ポイントにてローラベアリングを使用できるが、或いは、それらは、より密な公差のための撓曲部によるような、若しくは、より緩い公差が許容される場合には孔内のピンによるような、他の手段によりなされうる。ローラ６２は、ボーリング孔１６の壁に接触するために長いリンク６４ａの端部に配置される。
【０１０８】
このセントラライザ１４の概念によれば、全ての回転ポイントは、短いリンク６４ｂの回転ポイント６０ｂに対して、従って、ＣＳＮ装置１０の上の既知の位置にて、軸方向に平行になる。また、この機構は、セントラライザ１４の容積を低減する。図１９は、回転ポイント６０が固定された、ダブルローラを備えたセントラライザ１４の実施例を示す。この実施例は、固定された回転ポイント６０まわりに中心化された２つのスプリング実装６８のロール６２を有する。図２０ａ及び２０ｂは、同様に単一の固定回転ポイント６０を備えるが、１つのスプリング実装６８のロール６２を備える単一のローラ構造を示す。
【０１０９】
本発明の代替実施例では、装置は、サグ（垂れ）を抑えるために機械的ビーム上の重力作用を相殺するために利用される。図２１ａ及び図２１に示すように、近接検出器ベース若しくは角度計測ベースの変位センサストリングを有するＣＳＮ装置１０の計測ビームの重力により誘起されるサグを補償するために浮力を用いて、測量若しくは誘導の精度を改善することができる。図２１ａに示すように、角度測定計測センサＣＳＮ装置１０は、流体８１を収容するハウジング３４内にセンサストリングセグメント１３を収容することができる。この流体は、セグメント１３に対して浮力を提供し、従って、サグを抑制する。或いは、図２１ｂに示すように、変位測定計測センサＣＳＮ装置１０は、ハウジング３４に充填された流体８１内にその直線ビーム３１を同様に収容させることができる。このようにして、直線ビーム３１のサギングが抑制され、これにより、容量センサ３８によりセンシングされる変位の誤りが防止される。
【０１１０】
本発明の種々の実施例が説明されてきた。本発明は、これらの特定の実施例を参照して説明されてきたが、この説明は、本発明の例示を意図し、限定を意図しない。種々の改変及び用途は、添付の特許請求の範囲の請求項に記載の本発明の範囲及び真の精神から逸脱することなく等業者に浮かびうる。
【０１１１】
本願は、ここでの参照によりその全体が組み込まれる、２００４年１２月１４日に出願された米国予備出願第６０／６３５，４７７号の優先権を主張する。
【符号の説明】
【０１１２】
１０ ＣＳＮ装置
１３ センサストリングセグメント
１４ セントラライザ
１６ ボーリング孔
２２ オドメータ
２８ 計測センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穴の中心に計測装置を維持するセントラライザであって、
第１回転ポイントと、
前記固定された回転ポイントに回転可能に搭載される第１リンクと、
第２回転ポイントと、
前記可動の回転ポイントに回転可能に搭載される第２リンクと、
前記第１リンクを前記第２リンクに接続する第３回転ポイントと、
前記第１及び第２回転ポイントを互いに向けて付勢するように構成された弾性部材と、
前記第１及び第２リンクの一方に接続されるローラとを含む、セントラライザ。
【請求項２】
前記第１回転ポイントは固定であり、前記第２回転ポイントは可動である、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項３】
前記弾性部材は、スプリングである、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項４】
前記第１リンクは、前記第２リンクよりも長い、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項５】
前記第３回転ポイントは、前記第１リンクの長さに沿った中間にある、請求項４に記載のセントラライザ。
【請求項６】
前記ローラは、前記第１リンクに接続される、請求項４に記載のセントラライザ。
【請求項７】
前記第１リンク及び第２リンクは同一長さである、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項８】
前記ローラは、前記第１リンク及び第２リンクに接続される、請求項７に記載のセントラライザ。
【請求項９】
通路測量及び誘導装置であって、
加速度計と、
当該装置の形状の変化を測定するように構成された少なくとも１つの歪ゲージと、
当該装置の少なくとも一部位を回転させるように構成されたゼロドリフト補償器とを含む、装置。
【請求項１０】
前記ゼロドリフト補償器は、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを算出する手段を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ゼロドリフト補償器は、ｇを重力としたとき、測定値ｇの平均が任意の時間での既知の値ｇと同一となるようにすることによって、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを補償するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記ゼロドリフト補償器は、前記歪ゲージの読取り歪が、前記加速度計により記録される角度依存性と同一の当該装置の回転に対する角度依存性を追従するようにすることにおり、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを補償するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記ゼロドリフト補償器は、前記歪ゲージの読取り歪が、当該装置上の角度エンコーダにより計測されるのと同一の角度依存性を追従するようにすることにおり、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを補償するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１】
穴の中心に計測装置を維持するセントラライザであって、
第１回転ポイントと、
前記固定された回転ポイントに回転可能に搭載される第１リンクと、
第２回転ポイントと、
前記可動の回転ポイントに回転可能に搭載される第２リンクと、
前記第１リンクを前記第２リンクに接続する第３回転ポイントと、
前記第１及び第２回転ポイントを互いに向けて付勢するように構成された弾性部材と、
前記第１及び第２リンクの一方に接続されるローラとを含む、セントラライザ。
【請求項２】
前記第１回転ポイントは固定であり、前記第２回転ポイントは可動である、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項３】
前記弾性部材は、スプリングである、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項４】
前記第１リンクは、前記第２リンクよりも長い、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項５】
前記第３回転ポイントは、前記第１リンクの長さに沿った中間にある、請求項４に記載のセントラライザ。
【請求項６】
前記ローラは、前記第１リンクに接続される、請求項４に記載のセントラライザ。
【請求項７】
前記第１リンク及び第２リンクは同一長さである、請求項１に記載のセントラライザ。
【請求項８】
前記ローラは、前記第１リンク及び第２リンクに接続される、請求項７に記載のセントラライザ。
【請求項９】
通路測量及び誘導装置であって、
加速度計と、
当該装置の形状の変化を測定するように構成された少なくとも１つの歪ゲージと、
当該装置の少なくとも一部位を回転させるように構成されたゼロドリフト補償器とを含む、装置。
【請求項１０】
前記ゼロドリフト補償器は、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを算出する手段を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ゼロドリフト補償器は、ｇを重力としたとき、測定値ｇの平均が任意の時間での既知の値ｇと同一となるようにすることによって、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを補償するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記ゼロドリフト補償器は、前記歪ゲージの読取り歪が、前記加速度計により記録される角度依存性と同一の当該装置の回転に対する角度依存性を追従するようにすることにおり、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを補償するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記ゼロドリフト補償器は、前記歪ゲージの読取り歪が、当該装置上の角度エンコーダにより計測されるのと同一の角度依存性を追従するようにすることにおり、前記加速度計及び前記歪ゲージのゼロドリフトを補償するように構成される、請求項９に記載の装置。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０ａ】
【図２０ｂ】
【図２１ａ】
【図２１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０ａ】
【図２０ｂ】
【図２１ａ】
【図２１ｂ】
【公開番号】特開２０１２−８３３６０（Ｐ２０１２−８３３６０Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７０６７１（Ｐ２０１１−２７０６７１）
【出願日】平成２３年１２月９日（２０１１．１２．９）
【分割の表示】特願２００７−５４６８６４（Ｐ２００７−５４６８６４）の分割
【原出願日】平成１７年１２月１４日（２００５．１２．１４）
【出願人】（５０７１９６１０３）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月９日（２０１１．１２．９）
【分割の表示】特願２００７−５４６８６４（Ｐ２００７−５４６８６４）の分割
【原出願日】平成１７年１２月１４日（２００５．１２．１４）
【出願人】（５０７１９６１０３）
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