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。 测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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，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 第三种计算方法：第三种计算方法： 根据根据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值三个重力加速度计的测值（分别为：（分别为：GX、GY、GZ ）可）可以求得以求得X、Y、Z三个坐标轴三个坐标轴的正方向与重力线方向的三的正方向与重力线方向的三个夹角个夹角x、 y 、z 。 由于三个加速度计的安置方由于三个加速度计的安置方向与三个磁通门的安

9、置方向向与三个磁通门的安置方向完全相同，所以，三个磁通完全相同，所以，三个磁通门的正方向与重力线的夹角门的正方向与重力线的夹角也等于：也等于： x、 y 、z 。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

10、进动原理各种方法精度对比各种方法精度对比仪器每10000英尺测深的位移误差仪器外径使用的局限性磁性仪器200英尺2.25英寸磁干扰及磁场变化自由陀螺100英尺23英寸进动漂移找北陀螺2030英尺1.753英寸惯性导航1英尺10.6英寸直径太大，结构复杂MWD原理简介原理简介组成组成 MWD(随钻测量系统) 开始出现随钻测斜SWD(Survey While Drilling)； 后来出现随钻测量MWD(Measurement While Drilling)； 可测内容：井斜参数(井斜角、井斜方位角)；定向参数(工具面角)；地层参数(电阻、伽码等)；工艺参数(钻压、转速等)；泥浆参数(井温、压力等

11、)； MWD三大组成部分： 井下测量部分：各种参数的传感器、输出测量信号等； 信号传输部分：编码器、传送部分、动力部分； 地面接收部分：译码器、计算、显示、存储、打印等； 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： 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； 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； 1. 电缆钻杆：电缆钻杆： 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。 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

12、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； 无法进行旋转钻进； 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、广播、电报等等，原理上可以传输井下测量信号，实际上困难很大； 主要问题是：传播介质是井内泥浆和地层岩石，信号衰减太厉害； 至今未见应用； 声波传输法：声波传输法： 地面制造地震波，传导井下后在反射回到地面，接受后可以得到地层信息，原理上也可以将井下测量信息传导地面上。 但是实际上困难很大，主要问题也是信号衰减严重，受到的干扰太多。 现在还在研究中。MWD原理简介原理简介泥浆压力脉冲传输法泥浆压力脉冲传输法钻柱内外都有泥浆，泥浆有压力，在井下制造一个压力脉冲，通过钻柱内的泥浆传导地面上。在立管上可以接受到此压力波。传播速度14001500米/秒。正脉冲：正脉冲：平时凡尔打开，立管压力正常，凡尔被堵时压力突然增高，发出一个脉冲信号。压力增高代表“1”；压力不增高代表“0”。负脉冲：负脉冲：平时凡尔赌注，立管压力正常，凡尔打开时将井内与环空连通，相当于循环短路，压力突然降低，发出一个负脉冲信号。主要缺点：