測斜儀器及其測斜原理

1、測斜儀器及其測斜儀器及其測斜原理測斜原理韓志勇韓志勇測斜儀器分類；測斜原理；MWD信號傳輸原理；測斜儀器分類測斜儀器分類測斜原理測斜原理液面原理液面原理1. 液面是水平的。井眼軸顯示傾液面是水平的。井眼軸顯示傾斜的。液面與井眼軸線的法面的斜的。液面與井眼軸線的法面的交角，即為井眼井斜角。交角，即為井眼井斜角。2. 氟氫酸測斜儀就是這個原理。氟氫酸測斜儀就是這個原理。3. 虹吸測斜儀也是應(yīng)用此原理。虹吸測斜儀也是應(yīng)用此原理。測斜原理測斜原理液面原理液面原理 HF液面原理測斜定向液面原理測斜定向： 齒刀上的齒尖所指方位，標志著造斜工具的工具面方位。 測量時儀器最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的

2、印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位； 同時，氟氫酸液瓶的液面傾斜方位代表著井斜方位。于是知道了工具面方位與井斜方位的關(guān)系。 需在下鉆前在裸眼內(nèi)測得井斜方位； 測斜原理測斜原理重力原理重力原理1.重錘羅盤照相重錘羅盤照相 井斜角的定義就是：重力方井斜角的定義就是：重力方向與井眼方向之間的夾角。向與井眼方向之間的夾角。所以可以利用重力原理測量所以可以利用重力原理測量井斜角。井斜角。 懸掛的重錘，總是指向重力懸掛的重錘，總是指向重力方向；方向； 羅盤面上刻有許多同心圓，羅盤面上刻有許多同心圓，代表不同的角度。代表不同的角度。 對著羅盤照相，對著羅盤照相，“十十”字標字標記投影到羅盤面上，可以讀記投

3、影到羅盤面上，可以讀到井斜角值。到井斜角值。 重錘懸掛長度越長，測量范重錘懸掛長度越長，測量范圍就越??；圍就越?。?巧妙設(shè)計，可測巧妙設(shè)計，可測900甚至甚至1200井斜角。井斜角。LRtg1測斜原理測斜原理重力原理重力原理重錘打孔測井斜重錘打孔測井斜重錘帶尖；重錘帶尖；時鐘控制；時鐘控制；到時間后，到時間后，由時鐘控制由時鐘控制驅(qū)動彈簧，驅(qū)動彈簧，推動打孔紙推動打孔紙板撞向重錘板撞向重錘的尖部，從的尖部，從而打孔。而打孔。由孔眼位置由孔眼位置可讀井斜角?？勺x井斜角。測斜原理測斜原理重力原理重力原理3.重力加速度計重力加速度計 原理：原理： 重力元在重力作用下要重力元在重力作用下要發(fā)生位移，引

4、起電容傳發(fā)生位移，引起電容傳感器的電容發(fā)生變化，感器的電容發(fā)生變化，此變化信號通過放大以此變化信號通過放大以后，使線圈產(chǎn)生一定的后，使線圈產(chǎn)生一定的電流，該電流產(chǎn)生磁力電流，該電流產(chǎn)生磁力使重力元復(fù)位。使重力元復(fù)位。 重力元位移大小，反映重力元位移大小，反映在線圈給出的電壓大小。在線圈給出的電壓大小。 重力元的位移大小與重重力元的位移大小與重力元在空間的狀態(tài)有關(guān)。力元在空間的狀態(tài)有關(guān)。測斜原理測斜原理重力原理重力原理3.重力加速度計重力加速度計 重力元的空間狀態(tài)：重力元的空間狀態(tài)： 水平狀態(tài)，重力方向與位移方向一致，位移最大； 垂直狀態(tài)，重力方向與位移方向垂直，位移為零； 傾斜狀態(tài)，重力方向與

5、位移方向有一定夾角，位移與角度sin成正比。測斜原理測斜原理重力原理重力原理3.重力加速度計重力加速度計 重力加速度計的布重力加速度計的布置置 在測斜儀器中，在X，Y，Z三個方向上，各裝一個重力加速度計，則三個重力加速度計的測值是不同的。通過計算，可以算出重力方向與儀器軸線的夾角即井斜角的大小。測方位原理測方位原理磁北原理磁北原理磁北原理磁北原理 地球有個磁場，地球地球有個磁場，地球上任一點都受到磁場上任一點都受到磁場的作用，該點的磁力的作用，該點的磁力線方向（即磁北方向）線方向（即磁北方向）在一段時間內(nèi)基本上在一段時間內(nèi)基本上是不變的。測的磁力是不變的。測的磁力線方向與井眼方位線線方向與井眼

6、方位線的夾角，即是井斜方的夾角，即是井斜方位角。位角。測方位原理測方位原理重力原理重力原理1.磁羅盤磁羅盤 磁羅盤是中華民族的偉大發(fā)明。 磁羅盤始終處于水平位置，并可自由轉(zhuǎn)動，羅盤始終指出磁北極的方向。 與重錘羅盤和為一體，在測得井斜角的同時，也測出井斜方位角。測方位原理測方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤 如果羅盤盤面上的方位標志，與地理方位相同，則“十十”字標字標記落在低邊方位線上記落在低邊方位線上。而井斜角是高邊方位井斜角是高邊方位線與正北方位線的夾線與正北方位線的夾角角。所以羅盤面上的讀值與實際井斜方位相差1800。 為了叢羅盤盤面上直接讀出井斜方位，需要將將N和和S位置互換，位

7、置互換，E和和W位置互換位置互換。羅盤面方位與地理方位相反的情況羅盤面方位與地理方位相反的情況測方位原理測方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門 磁通門結(jié)構(gòu)：磁通門結(jié)構(gòu)： 鐵心上繞著兩級線圈。 初級線圈，先正向纏繞，然后又反向纏繞。線圈內(nèi)通交流電，不管電流大小和變化如何，線圈感應(yīng)的磁場互相抵消為零。 次級線圈，僅一個方向纏繞，且不通電。在沒有地球磁場情況下，也不會感應(yīng)電流。 在地球磁場影響下，會感應(yīng)出電流來。感應(yīng)的電壓大小與該點處地球磁場強度大小有關(guān)，與通過磁通門的磁通量多少有關(guān)。測方位原理測方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門 磁通門狀態(tài)磁通門狀態(tài) 磁通門與磁力線方向的關(guān)系狀態(tài)不同，通

8、過的磁通量多少就不同。 磁通門的布置磁通門的布置 磁通門在儀器中的三個坐標方向布置，根據(jù)三個磁通門測得的磁通量的值，可以算出磁北方向與井眼方位的夾角，即井斜方位角。測測方位方位原理原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門井斜方位角計算井斜方位角計算 第三種計算方法：第三種計算方法： 根據(jù)根據(jù)X、Y、Z三個方向上的三個方向上的三個重力加速度計的測值三個重力加速度計的測值（分別為：（分別為：GX、GY、GZ ）可）可以求得以求得X、Y、Z三個坐標軸三個坐標軸的正方向與重力線方向的三的正方向與重力線方向的三個夾角個夾角x、 y 、z 。 由于三個加速度計的安置方由于三個加速度計的安置方向與三個磁通門的安

9、置方向向與三個磁通門的安置方向完全相同，所以，三個磁通完全相同，所以，三個磁通門的正方向與重力線的夾角門的正方向與重力線的夾角也等于：也等于： x、 y 、z 。測方位原理測方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺儀結(jié)構(gòu)及原理： 高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀具有定向性(定軸性)。加上內(nèi)外框架，構(gòu)成“萬向機架”。只要陀螺軸的方向不變，只要陀螺軸的方向不變，與外框架構(gòu)成一體的羅盤與外框架構(gòu)成一體的羅盤的方向也就不變。的方向也就不變。 在陀螺儀啟動時，人為地使陀螺軸指向地理正北(不是磁北)，就可保證羅盤的N極始終指向地理正北。 如此即可以陀螺羅盤的正北作為參照方向，測量井斜方位。測方位原理測方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺

10、進動原理各種方法精度對比各種方法精度對比儀器每10000英尺測深的位移誤差儀器外徑使用的局限性磁性儀器200英尺2.25英寸磁干擾及磁場變化自由陀螺100英尺23英寸進動漂移找北陀螺2030英尺1.753英寸慣性導(dǎo)航1英尺10.6英寸直徑太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜MWD原理簡介原理簡介組成組成 MWD(隨鉆測量系統(tǒng)) 開始出現(xiàn)隨鉆測斜SWD(Survey While Drilling)； 后來出現(xiàn)隨鉆測量MWD(Measurement While Drilling)； 可測內(nèi)容：井斜參數(shù)(井斜角、井斜方位角)；定向參數(shù)(工具面角)；地層參數(shù)(電阻、伽碼等)；工藝參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速等)；泥漿參數(shù)(井溫、壓力等

11、)； MWD三大組成部分： 井下測量部分：各種參數(shù)的傳感器、輸出測量信號等； 信號傳輸部分：編碼器、傳送部分、動力部分； 地面接收部分：譯碼器、計算、顯示、存儲、打印等； 三部分中，難度最大的時傳輸部分。MWD原理簡介原理簡介電纜傳輸法電纜傳輸法 電纜傳輸法的優(yōu)點： 信息傳輸效率高，速度快，信息量大，可進行實時傳輸； 不需要井下電源，地面電源通過電纜傳導(dǎo)井下； 可以雙向通信，形成閉環(huán)控制； 不存在信息衰減問題，沒有井深限制； 1. 電纜鉆桿：電纜鉆桿： 特制的鉆桿，電纜埋在鉆桿壁里。特殊接頭，不僅可連接鉆桿，還可連接電纜。 缺點：電纜鉆桿制作太復(fù)雜； 2. 有線隨鉆：有線隨鉆： 儀器和電纜從測

12、入接頭進入鉆桿水眼，并下入到井下。缺點： 下入后不能接單跟； 無法進行旋轉(zhuǎn)鉆進； 電纜容易磨損；等等MWD原理簡介原理簡介電磁波及聲波傳輸法電磁波及聲波傳輸法 電磁波傳輸法：電磁波傳輸法： 電磁波可以傳輸電視、廣播、電報等等，原理上可以傳輸井下測量信號，實際上困難很大； 主要問題是：傳播介質(zhì)是井內(nèi)泥漿和地層巖石，信號衰減太厲害； 至今未見應(yīng)用； 聲波傳輸法：聲波傳輸法： 地面制造地震波，傳導(dǎo)井下后在反射回到地面，接受后可以得到地層信息，原理上也可以將井下測量信息傳導(dǎo)地面上。 但是實際上困難很大，主要問題也是信號衰減嚴重，受到的干擾太多。 現(xiàn)在還在研究中。MWD原理簡介原理簡介泥漿壓力脈沖傳輸法泥漿壓力脈沖傳輸法鉆柱內(nèi)外都有泥漿，泥漿有壓力，在井下制造一個壓力脈沖，通過鉆柱內(nèi)的泥漿傳導(dǎo)地面上。在立管上可以接受到此壓力波。傳播速度14001500米/秒。正脈沖：正脈沖：平時凡爾打開，立管壓力正常，凡爾被堵時壓力突然增高，發(fā)出一個脈沖信號。壓力增高代表“1”；壓力不增高代表“0”。負脈沖：負脈沖：平時凡爾賭注，立管壓力正常，凡爾打開時將井內(nèi)與環(huán)空連通，相當于循環(huán)短路，壓力突然降低，發(fā)出一個負脈沖信號。主要缺點：