测斜仪器及其测斜原理

1、测斜仪器及其测斜仪器及其测斜原理测斜原理韩志勇韩志勇测斜仪器分类；测斜原理；MWD信号传输原理；测斜仪器分类测斜仪器分类测斜原理测斜原理液面原理液面原理1. 液面是水平的。井眼轴显示倾液面是水平的。井眼轴显示倾斜的。液面与井眼轴线的法面的斜的。液面与井眼轴线的法面的交角，即为井眼井斜角。交角，即为井眼井斜角。2. 氟氢酸测斜仪就是这个原理。氟氢酸测斜仪就是这个原理。3. 虹吸测斜仪也是应用此原理。虹吸测斜仪也是应用此原理。测斜原理测斜原理液面原理液面原理 HF液面原理测斜定向液面原理测斜定向： 齿刀上的齿尖所指方位，标志着造斜工具的工具面方位。齿刀上的齿尖所指方位，标志着造斜工具的工具面方位。

2、 测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位；印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位； 同时，氟氢酸液瓶的液面倾斜方位代表着井斜方位。于同时，氟氢酸液瓶的液面倾斜方位代表着井斜方位。于是知道了工具面方位与井斜方位的关系。是知道了工具面方位与井斜方位的关系。 需在下钻前在裸眼内测得井斜方位；需在下钻前在裸眼内测得井斜方位； 测斜原理测斜原理重力原理重力原理1.重锤罗盘照相重锤罗盘照相 井斜角的定义就是：重力方井斜角的定义就是：重力方向与井眼方向之间的夹角。向与井眼方向之间的夹角。所以可以利用重力原理测量所以可

3、以利用重力原理测量井斜角。井斜角。 悬挂的重锤，总是指向重力悬挂的重锤，总是指向重力方向；方向； 罗盘面上刻有许多同心圆，罗盘面上刻有许多同心圆，代表不同的角度。代表不同的角度。 对着罗盘照相，对着罗盘照相，“十十”字标字标记投影到罗盘面上，可以读记投影到罗盘面上，可以读到井斜角值。到井斜角值。 重锤悬挂长度越长，测量范重锤悬挂长度越长，测量范围就越小；围就越小； 巧妙设计，可测巧妙设计，可测900甚至甚至1200井斜角。井斜角。LRtg1测斜原理测斜原理重力原理重力原理重锤打孔测井斜重锤打孔测井斜重锤带尖；重锤带尖；时钟控制；时钟控制；到时间后，到时间后，由时钟控制由时钟控制驱动弹簧，驱动弹

4、簧，推动打孔纸推动打孔纸板撞向重锤板撞向重锤的尖部，从的尖部，从而打孔。而打孔。由孔眼位置由孔眼位置可读井斜角。可读井斜角。测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力加速度计 原理：原理： 重力元在重力作用下要重力元在重力作用下要发生位移，引起电容传发生位移，引起电容传感器的电容发生变化，感器的电容发生变化，此变化信号通过放大以此变化信号通过放大以后，使线圈产生一定的后，使线圈产生一定的电流，该电流产生磁力电流，该电流产生磁力使重力元复位。使重力元复位。 重力元位移大小，反映重力元位移大小，反映在线圈给出的电压大小。在线圈给出的电压大小。 重力元的位移大小与重重力元的位移大小与重力元

5、在空间的状态有关。力元在空间的状态有关。测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力加速度计 重力元的空间状态：重力元的空间状态： 水平状态，重力方向与位移方向一致，位移最大； 垂直状态，重力方向与位移方向垂直，位移为零； 倾斜状态，重力方向与位移方向有一定夹角，位移与角度sin成正比。测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力加速度计 重力加速度计的布重力加速度计的布置置 在测斜仪器中，在X，Y，Z三个方向上，各装一个重力加速度计，则三个重力加速度计的测值是不同的。通过计算，可以算出重力方向与仪器轴线的夹角即井斜角的大小。测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力

6、加速度计井斜角的计算井斜角的计算Z轴与重力方向g的夹角，即为所测点的井斜角。X、Y、Z三轴的测值，分别为：GX、GY、GZ，则：ZYXGGGtg22222sinZYXZGGGG测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力加速度计装置角的计算装置角的计算 造斜工具下入时，若已知工具面与造斜工具下入时，若已知工具面与X方向一致，则在方向一致，则在井底平面上，高边方向与井底平面上，高边方向与X方向的夹角，即为高边工方向的夹角，即为高边工具面角，即装置角。具面角，即装置角。测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力加速度计装置角的计算装置角的计算 造斜工具下入时，若已知造斜工具下入时

7、，若已知工具面与工具面与X方向一致，则方向一致，则在井底平面上，高边方向在井底平面上，高边方向与与X方向的夹角，即为高方向的夹角，即为高边工具面角，即装置角。边工具面角，即装置角。XYoGGtg1180当当GX0时，用下式计算：时，用下式计算：测斜原理测斜原理重力原理重力原理3.重力加速度计重力加速度计装置角的计算装置角的计算XYoGGtg1180当当GX0时，用下式计算：时，用下式计算：测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理磁北原理磁北原理 地球有个磁场，地球地球有个磁场，地球上任一点都受到磁场上任一点都受到磁场的作用，该点的磁力的作用，该点的磁力线方向（即磁北方向）线方向（即磁北方向）在一段

8、时间内基本上在一段时间内基本上是不变的。测的磁力是不变的。测的磁力线方向与井眼方位线线方向与井眼方位线的夹角，即是井斜方的夹角，即是井斜方位角。位角。测方位原理测方位原理重力原理重力原理1.磁罗盘磁罗盘 磁罗盘是中华民族的伟大发明。磁罗盘是中华民族的伟大发明。 磁罗盘始终处于水平位置，并可自由转动，罗盘始磁罗盘始终处于水平位置，并可自由转动，罗盘始终指出磁北极的方向。终指出磁北极的方向。 与重锤罗盘和为一体，在测得井斜角的同时，也测与重锤罗盘和为一体，在测得井斜角的同时，也测出井斜方位角。出井斜方位角。测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理1.磁罗盘磁罗盘 如果罗盘盘面上的方位标志，与地理方位相

9、同，则“十十”字标字标记落在低边方位线上记落在低边方位线上。而井斜角是高边方位井斜角是高边方位线与正北方位线的夹线与正北方位线的夹角角。所以罗盘面上的读值与实际井斜方位相差1800。 为了丛罗盘盘面上直接读出井斜方位，需要将将N和和S位置互换，位置互换，E和和W位置互换位置互换。罗盘面方位与地理方位相反的情况罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理1.磁罗盘磁罗盘罗盘面方位与地理方位相反的情况罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理1.磁罗盘磁罗盘罗盘面方位与地理方位相反的情况罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理

10、1.磁罗盘磁罗盘罗盘面方位与地理方位相反的情况罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理1.磁罗盘磁罗盘 罗盘面方位与地理罗盘面方位与地理方位一致的情况：方位一致的情况： “十”字标记是固定在仪器的中心线上。井眼倾斜后，罗盘始终保持水平。在照相时， “十十”字标记字标记落在罗盘面上的井底落在罗盘面上的井底上倾方位线上倾方位线(即即高边高边方位线方位线)上上。所以这种罗盘盘面的方位标志不需要不需要N、S互换，互换，E、W互换互换。测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理1.磁罗盘磁罗盘罗盘罗盘面方面方位与位与地理地理方位方位一致一致的情的情况：况：ENWS测方位原理测方位原理

11、磁北原理磁北原理2.磁通门磁通门 磁通门结构：磁通门结构： 铁心上绕着两级线圈。 初级线圈，先正向缠绕，然后又反向缠绕。线圈内通交流电，不管电流大小和变化如何，线圈感应的磁场互相抵消为零。 次级线圈，仅一个方向缠绕，且不通电。在没有地球磁场情况下，也不会感应电流。 在地球磁场影响下，会感应出电流来。感应的电压大小与该点处地球磁场强度大小有关，与通过磁通门的磁通量多少有关。测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理2.磁通门磁通门 磁通门状态磁通门状态 磁通门与磁力线方向的关系状态不同，通过的磁通量多少就不同。 磁通门的布置磁通门的布置 磁通门在仪器中的三个坐标方向布置，根据三个磁通门测得的磁通量的值

12、，可以算出磁北方向与井眼方位的夹角，即井斜方位角。测测方位方位原理原理磁北原理磁北原理2.磁通门磁通门井斜方位角计算井斜方位角计算 将将X、Y、Z各轴和井斜各轴和井斜方向线都投影到水平面方向线都投影到水平面上；这时，上；这时，Z轴和高边方轴和高边方位、井斜方位，都在同位、井斜方位，都在同一条线和同一方位上。一条线和同一方位上。 选择选择V1和和V2两个坐标轴：两个坐标轴： V1轴与轴与Z轴同向；轴同向； V2轴与轴与V1轴互相垂直轴互相垂直且自且自V2正方向顺时针正方向顺时针90度到达度到达V1正方向；正方向；测测方位方位原理原理磁北原理磁北原理2.磁通门磁通门井斜方位角计算井斜方位角计算 X

13、、Y、Z三个方向上的三个方向上的三个磁通门的测值，分三个磁通门的测值，分别为：别为：HX、HY、HZ 。 X、Y、Z三个方向上的三个方向上的三个重力加速度计的测三个重力加速度计的测值，分别为：值，分别为：GX、GY、GZ 。 将将HX、HY、HZ 测值分测值分别别分解分解到到V1和和V2两个两个轴上。轴上。测方位原理测方位原理磁北原理磁北原理2.磁通门磁通门井斜方位角计算井斜方位角计算这是水平面上的这是水平面上的投影图。投影图。显然，井斜方位显然，井斜方位角角可用下式计可用下式计算：算：121VVtg当当V10时，用下式时，用下式计算：计算：121180VVtgo当当V10时，时， 当当Hy

14、0时，时，当当P0时，时，不讲！不讲！测方位原理测方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺仪结构及原理： 高速旋转的陀螺仪具有定向性(定轴性)。加上内外框架，构成“万向机架”。只要陀螺轴的方向不变，只要陀螺轴的方向不变，与外框架构成一体的罗盘与外框架构成一体的罗盘的方向也就不变。的方向也就不变。 在陀螺仪启动时，人为地使陀螺轴指向地理正北(不是磁北)，就可保证罗盘的N极始终指向地理正北。 如此即可以陀螺罗盘的正北作为参照方向，测量井斜方位。测方位原理测方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺轴的转速非常高，一般为41500rpm，还有更高转速的。 制造要求整个仪器的内外框架的重心整个仪器的内外框架的重心(包括罗盘

15、重量在内包括罗盘重量在内) ，必须与陀螺的重，必须与陀螺的重心完全重合。心完全重合。否则陀螺将会出现“进动”。 进动进动(Precesion)：由于陀螺质量偏心，使陀螺受到一个外力A的作用。在力A的作用下，内框架并不转动，而是外框架转动一个角度，这就会使罗盘的N极偏离地理正北方位，从而影响陀螺仪的精度。 进动，表现在罗盘的N极偏离正北，称为“漂移(Dift)”即使陀螺仪的重心只有即使陀螺仪的重心只有10微米微米(0.01毫米毫米)的偏差，也会使外框架的偏差，也会使外框架的的“进动进动”即陀螺的即陀螺的“漂移漂移”达到达到每小时几度每小时几度。测方位原理测方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺进动原理测

16、方位原理测方位原理陀螺原理陀螺原理 解决陀螺漂移问题的方法： 由于制造的原因，陀螺仪不可能绝对没有飘移。 在内框架上装设水银开关或称扭矩开关。可根据已经出现的重心偏离，给陀螺一个辅助扭矩，尽可能消除漂移。 在测斜过程中，每隔10分钟，让陀螺静止3分钟，在同一深度处，连续多拍几张照片。对比这几张照片，就可求得陀螺在这段时间内的漂移率。根据这个漂移率，就可修正每个时间正式测量的结果。测方位原理测方位原理真北原理真北原理 真北原理就是在测量过程中，仪器自动寻找地理北极，并以地理北极为准测量井斜方位。 质量为m的物体，绕oo轴转动，线速度为v，旋转半径为r，则该物体具有角动量 。角动量是一矢量，其标量

17、为： 具有转动惯量I的物体，绕ZZ轴以角速度转动，则该物体具有角动量 。其标量为：oHvmrHozH IHz测方位原理测方位原理真北原理真北原理 陀螺仪的转子在绕自身轴线转动转子在绕自身轴线转动时，将具有角动量 。 其方向与陀螺轴线一致。 角动量的大小与转动角速度和转动惯量I 有关。 陀螺仪又是地球上的一个物体，将随地球一起绕地轴转动随地球一起绕地轴转动。所以陀螺仪还具有角动量 。 其方向总与地轴正北方向一致。 此角动量大小与陀螺仪质量m，绕地轴转动的速度v和距地轴的距离r有关。而v和r显然与陀螺仪所在地点的纬度有关。 zHoH测方位原理测方位原理真北原理真北原理 反映了陀螺轴线方向； 反映了

18、地轴正北方向； 一般来说，二方向不一致。zoHHHzHoHIvmrHzHoHHzHoH 陀螺仪具有的总的角动量陀螺仪具有的总的角动量为： 当 和 方向一致时， 当 和 方向不一致时，要用矢量合成求得 测方位原理测方位原理真北原理真北原理现在我们强迫改变陀螺轴的方向，即改变 的方向，使其方向与 相一致。这样作，需要给陀螺轴一个外力距此外力矩的大小，反映了 和 的差别。zHMoHzHzoHHHoH测方位原理测方位原理真北原理真北原理 实际测量前，在地面上将 与 的水平分量 调为一致。 以此时需要的外力距 作为零点。仪器在井下测斜过程中，陀螺轴线随着井眼方向的变化而不断变化。这种变化时强迫性的。使之

19、强迫变化的外力距 也在不断变化。 显然， 就反映了井眼轴线的方向与正北方向的差别，于是可以计算出井眼方位角来。oHHzHoHHMMHMM 惯性导航原理惯性导航原理 导弹、卫星、航天器等的导航，潜水艇和大海航行的导导弹、卫星、航天器等的导航，潜水艇和大海航行的导航，在没有参照系可循的情况下，使用惯性导航。航，在没有参照系可循的情况下，使用惯性导航。 在惯性导航仪器中的在惯性导航仪器中的N、E、H三个方向，装有三个加速三个方向，装有三个加速度计，和三个方向的陀螺仪。三个方向的陀螺仪，保证度计，和三个方向的陀螺仪。三个方向的陀螺仪，保证三个方向的加速度计指向始终与三个方向的加速度计指向始终与N、E、

20、H三个方向一致。三个方向一致。 从仪器下井开始，不断地记录三个加速度计的测值。不从仪器下井开始，不断地记录三个加速度计的测值。不断地根据三个加速度计测的三个轴向的加速度对时间的断地根据三个加速度计测的三个轴向的加速度对时间的积分，算出仪器在三个轴向的运行速度，再根据速度对积分，算出仪器在三个轴向的运行速度，再根据速度对时间的积分，不断地算出仪器在三个轴向时间的积分，不断地算出仪器在三个轴向N、E、H的位的位移增量。移增量。 每隔每隔10秒钟，给出一组测点的秒钟，给出一组测点的N、E、H坐标值。坐标值。 如果想计算每个测点的井斜角、井斜方位角以及井眼曲如果想计算每个测点的井斜角、井斜方位角以及井

21、眼曲率等参数，可以采用反算法。率等参数，可以采用反算法。各种方法精度对比各种方法精度对比仪器仪器每每10000英尺测英尺测深的位移误差深的位移误差仪器外径仪器外径使用的局限性使用的局限性磁性仪器磁性仪器200英尺英尺2.25英寸英寸磁干扰及磁场变磁干扰及磁场变化化自由陀螺自由陀螺100英尺英尺23英寸英寸进动漂移进动漂移找北陀螺找北陀螺2030英尺英尺1.753英英寸寸惯性导航惯性导航1英尺英尺10.6英寸英寸直径太大，结构直径太大，结构复杂复杂MWD原理简介原理简介组成组成 MWD(随钻测量系统随钻测量系统) 开始出现随钻测斜开始出现随钻测斜SWD(Survey While Drilling

22、)； 后来出现随钻测量后来出现随钻测量MWD(Measurement While Drilling)； 可测内容：井斜参数可测内容：井斜参数(井斜角、井斜方位角井斜角、井斜方位角)；定向参；定向参数数(工具面角工具面角)；地层参数；地层参数(电阻、伽码等电阻、伽码等)；工艺参数；工艺参数(钻压、转速等钻压、转速等)；泥浆参数；泥浆参数(井温、压力等井温、压力等)； MWD三大组成部分：三大组成部分： 井下测量部分：各种参数的传感器、输出测量信井下测量部分：各种参数的传感器、输出测量信号等；号等； 信号传输部分：编码器、传送部分、动力部分；信号传输部分：编码器、传送部分、动力部分； 地面接收部分

23、：译码器、计算、显示、存储、打地面接收部分：译码器、计算、显示、存储、打印等；印等； 三部分中，难度最大的时传输部分。三部分中，难度最大的时传输部分。MWD原理简介原理简介电缆传输法电缆传输法 电缆传输法的优点：电缆传输法的优点： 信息传输效率高，速度快，信息量大，可进行实时传输；信息传输效率高，速度快，信息量大，可进行实时传输； 不需要井下电源，地面电源通过电缆传导井下；不需要井下电源，地面电源通过电缆传导井下； 可以双向通信，形成闭环控制；可以双向通信，形成闭环控制； 不存在信息衰减问题，没有井深限制；不存在信息衰减问题，没有井深限制； 1. 电缆钻杆：电缆钻杆： 特制的钻杆，电缆埋在钻杆

24、壁里。特殊接头，不仅可连接钻杆，还特制的钻杆，电缆埋在钻杆壁里。特殊接头，不仅可连接钻杆，还可连接电缆。可连接电缆。 缺点：电缆钻杆制作太复杂；缺点：电缆钻杆制作太复杂； 2. 有线随钻：有线随钻： 仪器和电缆从测入接头进入钻杆水眼，并下入到井下。缺点：仪器和电缆从测入接头进入钻杆水眼，并下入到井下。缺点： 下入后不能接单跟；下入后不能接单跟； 无法进行旋转钻进；无法进行旋转钻进； 电缆容易磨损；等等电缆容易磨损；等等MWD原理简介原理简介电磁波及声波传输法电磁波及声波传输法 电磁波传输法：电磁波传输法： 电磁波可以传输电视、电磁波可以传输电视、广播、电报等等，原广播、电报等等，原理上可以传输井下测理上可以传输井下测量信号，实际上困难量信号，实际上困难很大；很大； 主要问题是：传播介主要问题是：传播介质是井内泥浆和地层质是井内泥浆和地层岩石，信号衰减太厉岩石，信号衰减太厉害；害； 至今未见应用；至今未见应用； 声波传输法：声波传输法： 地面制造地震波，传地面制造地震波，传导井下后在反射回到导井下后在反射回到地面，接受后可以得地面，接受后可以得到地层信息，原理上到地层信息，原理上也可以将井下测量信也可以将井下测量信息传导地面上。息