测斜仪器及其测斜原理(换底)讲师韩志勇

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1、测斜仪器及其 测斜原理 韩志勇测斜仪器分类； 测斜原理； MWD信号传输原理；测量技术的发展 只能测量井斜角的仪器： 虹吸测斜仪；(液面原理) 重锤打孔测斜仪；(重锤原理) 氟氢酸测斜仪； (液面原理) 罗盘重锤测斜仪： 磁性单、多点照相测斜仪； 陀螺重锤测斜仪： 陀螺单、多点照相测斜仪； 磁通门加表测斜仪： 点子多电测量仪； 有线随钻测量仪 陀螺加表测量仪： 自动找北陀螺测量仪； 惯性测量技术； 随钻测量；(MWD) 磁通门+加速度计 随钻测井(LWD) 随钻地层评价 (FEWD) 随钻环空压力测量 (APWD) 随钻地震技术(SWD) 导向钻井技术 地质导向技术 闭环钻井技术随钻测量技术测

2、量技术 的发展井斜测量仪器的发展现代测斜仪器分类测井斜原理液面原理 1. 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 交角，即为井眼井斜角。 2. 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。测井斜原理液面原理 HF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。 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； 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。 需在下钻前在裸眼内测得井斜方位； 测井斜原理液面原理 1.重锤罗盘照相 井斜角的定义就是：重力方向与 井

3、眼方向之间的夹角。所以可以 利用重力原理测量井斜角。 悬挂的重锤，总是指向重力方向 ； 罗盘面上刻有许多同心圆，代表 不同的角度。 对着罗盘照相，“十”字标记投影 到罗盘面上，可以读到井斜角值 。 重锤悬挂长度越长，测量范围就 越小； 巧妙设计，可测900甚至1200井斜 角。测井斜原理液面原理重锤打孔测井斜 重锤带尖； 时钟控制； 到时间后，由 时钟控制驱动 弹簧，推动打 孔纸板撞向重 锤的尖部，从 而打孔。 由孔眼位置可 读井斜角。测井斜原理液面原理 3.重力加速度计 原理： 重力元在重力作用下要发 生位移，引起电容传感器 的电容发生变化，此变化 信号通过放大以后，使线 圈产生一定的电流，

4、该电 流产生磁力使重力元复位 。 重力元位移大小，反映在 线圈给出的电压大小。 重力元的位移大小与重力 元在空间的状态有关。测井斜原理液面原理 3.重力加速度计 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 。测井斜原理液面原理 3.重力加速度计 重力加速度计的布置 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。测井斜原理液面原理 3

5、.重力加速度计井斜角的计算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：测井斜原理液面原理 3.重力加速度计装置角的计算 造斜工具下入时，若已知工具面与X方向一致， 则在井底平面上，高边方向与X方向的夹角，即 为高边工具面角，即装置角。测井斜原理液面原理 3.重力加速度计装置角的计算 造斜工具下入时，若已知工 具面与X方向一致，则在井底 平面上，高边方向与X方向的 夹角，即为高边工具面角， 即装置角。当GX0时，用下式计算：测井斜原理液面原理 3.重力加速度计装置角的计算当GX0时，用下式计算：测方位原理磁北原理 磁北原理 地球有个磁

6、场，地球 上任一点都受到磁场 的作用，该点的磁力 线方向（即磁北方向 ）在一段时间内基本 上是不变的。测的磁 力线方向与井眼方位 线的夹角，即是井斜 方位角。测方位原理重力原理 1.磁罗盘 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 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 出井斜方位角。测方位原理磁北原理 1.磁罗盘 如果罗盘盘面上的方 位标志，与地理方位 相同，则“十”字标记 落在低边方位线上。 而井斜角是高边方位 线与正北方位线的夹 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

7、将N和S位置互换 ，E和W位置互换。罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理磁北原理 1.磁罗盘 罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理磁北原理 1.磁罗盘罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理磁北原理 1.磁罗盘罗盘面方位与地理方位相反的情况测方位原理磁北原理 1.磁罗盘 罗盘面方位与地理方位 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”字标记落 在罗盘面上的井底上倾方 位线(即高边方位线)上。 所以这种罗盘盘面的方位 标志不需要N、S互换，E 、W互换。测方位原理磁北原理 1.磁罗盘罗盘 面方 位与 地理 方位 一致 的情 况

8、：ENWS测方位原理磁北原理 2.磁通门 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。测方位原理磁北原理 2.磁通门 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， 可以算出磁北方向与井

9、眼 方位的夹角，即井斜方位 角。测方位原理磁北原理 2.磁通门井斜方位角计算 将X、Y、Z各轴和井斜 方向线都投影到水平面 上；这时，Z轴和高边方 位、井斜方位，都在同 一条线和同一方位上。 选择V1和V2两个坐标轴 ： V1轴与Z轴同向； V2轴与V1轴互相垂直 且自V2正方向顺时针 90度到达V1正方向；测方位原理磁北原理 2.磁通门井斜方位角计算 X、Y、Z三个方向上的 三个磁通门的测值，分 别为：HX、HY、HZ 。 X、Y、Z三个方向上的 三个重力加速度计的测 值，分别为：GX、GY 、GZ 。 将HX、HY、HZ 测值分 别分解到V1和V2两个 轴上。测方位原理磁北原理 2.磁通门

10、井斜方位角计算 这是水平面上的投 影图。 显然，井斜方位角 可用下式计算：当V10时，用下式 计算：当V10时 ， 当Hy 0时，当P0时，不讲！测方位原理 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 ，与外框架构成一体的罗盘的方 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(

11、 包括罗盘重量在内) ，必须与陀螺的 重心完全重合。否则陀螺将会出现“ 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10微米(0.01毫米)的偏差，也会使外框架的“进动 ”即陀螺的“漂移”达到每小时几度。测方位原理陀螺原理 陀螺进动原理内框架外框架测方位原理陀螺原理 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

12、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：测方位原理真北原理 陀螺仪的转子在绕

13、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。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。 测方位原理真北原理 反映了陀螺轴线方向 ； 反映了地轴正北方向 ； 一般来说，二方向不一 致。 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

14、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。测方位原理真北原理 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。这种变化是强 迫性的。使之强迫变化的外力距 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。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N、E、H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，保证三

15、个方向的 加速度计指向始终与N、E、H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，再根据速度对时间的积分，不断地 算出仪器在三个轴向N、E、H的位移增量。 每隔10秒钟，给出一组测点的N、E、H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率等参 数，可以采用反算法。各种方法精度对比仪仪器每10000英尺测测 深的位移误误差仪仪器外径使用的局限性磁性仪仪器200英尺2.25英寸磁干扰扰及磁场场 变变化自由陀螺100英尺23英寸进动进动 漂移找北陀螺2030英尺1.753英 寸惯惯性导导 航1英尺10.6