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. 虹吸測斜儀也是應用此原理。虹吸測斜儀也是應用此原理。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。齒刀上的齒尖所指方位，標志著造斜工具的工具面方位。

2、 測量時儀器最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的測量時儀器最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的印痕，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； 同時，氟氫酸液瓶的液面傾斜方位代表著井斜方位。于同時，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系。是知道了工具面方位與井斜方位的關系。 需在下鉆前在裸眼內測得井斜方位；需在下鉆前在裸眼內測得井斜方位； 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

3、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，測量范圍就越小；圍就越小； 巧妙設計，可測巧妙設計，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動彈簧，驅動彈

4、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。可讀井斜角。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生位移，引起電容傳發生位移，引起電容傳感器的電容發生變化，感器的電容發生變化，此變化信號通過放大以此變化信號通過放大以后，使線圈產生一定的后，使線圈產生一定的電流，該電流產生磁力電流，該電流產生磁力使重力元復位。使重力元復位。 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

5、在空間的狀態有關。力元在空間的狀態有關。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：重力元的空間狀態： 水平狀態，重力方向與位移方向一致，位移最大； 垂直狀態，重力方向與位移方向垂直，位移為零； 傾斜狀態，重力方向與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。測斜原理測斜原理重力原理重力原理3.重力加速度計重力

6、加速度計井斜角的計算井斜角的計算Z軸與重力方向g的夾角，即為所測點的井斜角。X、Y、Z三軸的測值，分別為：GX、GY、GZ，則：ZYXGGGtg22222sinZYXZGGGG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裝置角的計算裝置角的計算 造斜工具下入時，若已知工具面與造斜工具下入時，若已知工具面與X方向一致，則在方向一致，則在井底平面上，高邊方向與井底平面上，高邊方向與X方向的夾角，即為高邊工方向的夾角，即為高邊工具面角，即裝置角。具面角，即裝置角。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裝置角的計算裝置角的計算 造斜工具下入時，若已知造斜工具下入時

7、，若已知工具面與工具面與X方向一致，則方向一致，則在井底平面上，高邊方向在井底平面上，高邊方向與與X方向的夾角，即為高方向的夾角，即為高邊工具面角，即裝置角。邊工具面角，即裝置角。XYoGGtg1180當當GX0時，用下式計算：時，用下式計算：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裝置角的計算裝置角的計算XYoGGtg1180當當GX0時，用下式計算：時，用下式計算：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

8、時間內基本上在一段時間內基本上是不變的。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明。磁羅盤是中華民族的偉大發明。 磁羅盤始終處于水平位置，并可自由轉動，羅盤始磁羅盤始終處于水平位置，并可自由轉動，羅盤始終指出磁北極的方向。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。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

9、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1.磁羅盤磁羅盤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1.磁羅盤磁羅盤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

10、1.磁羅盤磁羅盤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1.磁羅盤磁羅盤 羅盤面方位與地理羅盤面方位與地理方位一致的情況：方位一致的情況： “十”字標記是固定在儀器的中心線上。井眼傾斜后，羅盤始終保持水平。在照相時， “十十”字標記字標記落在羅盤面上的井底落在羅盤面上的井底上傾方位線上傾方位線(即即高邊高邊方位線方位線)上上。所以這種羅盤盤面的方位標志不需要不需要N、S互換，互換，E、W互換互換。測方位原理測方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤羅盤羅盤面方面方位與位與地理地理方位方位一致一致的情的情況：況：ENWS測方位原理測方位原理

11、磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門 磁通門結構：磁通門結構： 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。線圈內通交流電，不管電流大小和變化如何，線圈感應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，也不會感應電流。 在地球磁場影響下，會感應出電流來。感應的電壓大小與該點處地球磁場強度大小有關，與通過磁通門的磁通量多少有關。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 磁通門狀態磁通門狀態 磁通門與磁力線方向的關系狀態不同，通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，根據三個磁通門測得的磁通量的值

12、，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 將將X、Y、Z各軸和井斜各軸和井斜方向線都投影到水平面方向線都投影到水平面上；這時，上；這時，Z軸和高邊方軸和高邊方位、井斜方位，都在同位、井斜方位，都在同一條線和同一方位上。一條線和同一方位上。 選擇選擇V1和和V2兩個坐標軸：兩個坐標軸： V1軸與軸與Z軸同向；軸同向； V2軸與軸與V1軸互相垂直軸互相垂直且自且自V2正方向順時針正方向順時針90度到達度到達V1正方向；正方向；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 X

13、、Y、Z三個方向上的三個方向上的三個磁通門的測值，分三個磁通門的測值，分別為：別為：HX、HY、HZ 。 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三個重力加速度計的測值，分別為：值，分別為：GX、GY、GZ 。 將將HX、HY、HZ 測值分測值分別別分解分解到到V1和和V2兩個兩個軸上。軸上。測方位原理測方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門井斜方位角計算井斜方位角計算這是水平面上的這是水平面上的投影圖。投影圖。顯然，井斜方位顯然，井斜方位角角可用下式計可用下式計算：算：121VVtg當當V10時，用下式時，用下式計算：計算：121180VVtgo當當V10時，時， 當當Hy

14、0時，時，當當P0時，時，不講！不講！測方位原理測方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺儀結構及原理： 高速旋轉的陀螺儀具有定向性(定軸性)。加上內外框架，構成“萬向機架”。只要陀螺軸的方向不變，只要陀螺軸的方向不變，與外框架構成一體的羅盤與外框架構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 陀螺軸的轉速非常高，一般為41500rpm，還有更高轉速的。 制造要求整個儀器的內外框架的重心整個儀器的內外框架的重心(包括羅盤

15、重量在內包括羅盤重量在內) ，必須與陀螺的重，必須與陀螺的重心完全重合。心完全重合。否則陀螺將會出現“進動”。 進動進動(Precesion)：由于陀螺質量偏心，使陀螺受到一個外力A的作用。在力A的作用下，內框架并不轉動，而是外框架轉動一個角度，這就會使羅盤的N極偏離地理正北方位，從而影響陀螺儀的精度。 進動，表現在羅盤的N極偏離正北，稱為“漂移(Dift)”即使陀螺儀的重心只有即使陀螺儀的重心只有10微米微米(0.01毫米毫米)的偏差，也會使外框架的偏差，也會使外框架的的“進動進動”即陀螺的即陀螺的“漂移漂移”達到達到每小時幾度每小時幾度。測方位原理測方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺進動原理測

16、方位原理測方位原理陀螺原理陀螺原理 解決陀螺漂移問題的方法： 由于制造的原因，陀螺儀不可能絕對沒有飄移。 在內框架上裝設水銀開關或稱扭矩開關。可根據已經出現的重心偏離，給陀螺一個輔助扭矩，盡可能消除漂移。 在測斜過程中，每隔10分鐘，讓陀螺靜止3分鐘，在同一深度處，連續多拍幾張照片。對比這幾張照片，就可求得陀螺在這段時間內的漂移率。根據這個漂移率，就可修正每個時間正式測量的結果。測方位原理測方位原理真北原理真北原理 真北原理就是在測量過程中，儀器自動尋找地理北極，并以地理北極為準測量井斜方位。 質量為m的物體，繞oo軸轉動，線速度為v，旋轉半徑為r，則該物體具有角動量 。角動量是一矢量，其標量

17、為： 具有轉動慣量I的物體，繞ZZ軸以角速度轉動，則該物體具有角動量 。其標量為：oHvmrHozH IHz測方位原理測方位原理真北原理真北原理 陀螺儀的轉子在繞自身軸線轉動轉子在繞自身軸線轉動時，將具有角動量 。 其方向與陀螺軸線一致。 角動量的大小與轉動角速度和轉動慣量I 有關。 陀螺儀又是地球上的一個物體，將隨地球一起繞地軸轉動隨地球一起繞地軸轉動。所以陀螺儀還具有角動量 。 其方向總與地軸正北方向一致。 此角動量大小與陀螺儀質量m，繞地軸轉動的速度v和距地軸的距離r有關。而v和r顯然與陀螺儀所在地點的緯度有關。 zHoH測方位原理測方位原理真北原理真北原理 反映了陀螺軸線方向； 反映了

18、地軸正北方向； 一般來說，二方向不一致。zoHHHzHoHIvmrHzHoHHzHoH 陀螺儀具有的總的角動量陀螺儀具有的總的角動量為： 當 和 方向一致時， 當 和 方向不一致時，要用矢量合成求得 測方位原理測方位原理真北原理真北原理現在我們強迫改變陀螺軸的方向，即改變 的方向，使其方向與 相一致。這樣作，需要給陀螺軸一個外力距此外力矩的大小，反映了 和 的差別。zHMoHzHzoHHHoH測方位原理測方位原理真北原理真北原理 實際測量前，在地面上將 與 的水平分量 調為一致。 以此時需要的外力距 作為零點。儀器在井下測斜過程中，陀螺軸線隨著井眼方向的變化而不斷變化。這種變化時強迫性的。使之

19、強迫變化的外力距 也在不斷變化。 顯然， 就反映了井眼軸線的方向與正北方向的差別，于是可以計算出井眼方位角來。oHHzHoHHMMHMM 慣性導航原理慣性導航原理 導彈、衛星、航天器等的導航，潛水艇和大海航行的導導彈、衛星、航天器等的導航，潛水艇和大海航行的導航，在沒有參照系可循的情況下，使用慣性導航。航，在沒有參照系可循的情況下，使用慣性導航。 在慣性導航儀器中的在慣性導航儀器中的N、E、H三個方向，裝有三個加速三個方向，裝有三個加速度計，和三個方向的陀螺儀。三個方向的陀螺儀，保證度計，和三個方向的陀螺儀。三個方向的陀螺儀，保證三個方向的加速度計指向始終與三個方向的加速度計指向始終與N、E、

20、H三個方向一致。三個方向一致。 從儀器下井開始，不斷地記錄三個加速度計的測值。不從儀器下井開始，不斷地記錄三個加速度計的測值。不斷地根據三個加速度計測的三個軸向的加速度對時間的斷地根據三個加速度計測的三個軸向的加速度對時間的積分，算出儀器在三個軸向的運行速度，再根據速度對積分，算出儀器在三個軸向的運行速度，再根據速度對時間的積分，不斷地算出儀器在三個軸向時間的積分，不斷地算出儀器在三個軸向N、E、H的位的位移增量。移增量。 每隔每隔10秒鐘，給出一組測點的秒鐘，給出一組測點的N、E、H坐標值。坐標值。 如果想計算每個測點的井斜角、井斜方位角以及井眼曲如果想計算每個測點的井斜角、井斜方位角以及井

21、眼曲率等參數，可以采用反算法。率等參數，可以采用反算法。各種方法精度對比各種方法精度對比儀器儀器每每10000英尺測英尺測深的位移誤差深的位移誤差儀器外徑儀器外徑使用的局限性使用的局限性磁性儀器磁性儀器200英尺英尺2.25英寸英寸磁干擾及磁場變磁干擾及磁場變化化自由陀螺自由陀螺100英尺英尺23英寸英寸進動漂移進動漂移找北陀螺找北陀螺2030英尺英尺1.753英英寸寸慣性導航慣性導航1英尺英尺10.6英寸英寸直徑太大，結構直徑太大，結構復雜復雜MWD原理簡介原理簡介組成組成 MWD(隨鉆測量系統隨鉆測量系統) 開始出現隨鉆測斜開始出現隨鉆測斜SWD(Survey While Drilling

22、)； 后來出現隨鉆測量后來出現隨鉆測量MWD(Measurement While Drilling)； 可測內容：井斜參數可測內容：井斜參數(井斜角、井斜方位角井斜角、井斜方位角)；定向參；定向參數數(工具面角工具面角)；地層參數；地層參數(電阻、伽碼等電阻、伽碼等)；工藝參數；工藝參數(鉆壓、轉速等鉆壓、轉速等)；泥漿參數；泥漿參數(井溫、壓力等井溫、壓力等)； MWD三大組成部分：三大組成部分： 井下測量部分：各種參數的傳感器、輸出測量信井下測量部分：各種參數的傳感器、輸出測量信號等；號等； 信號傳輸部分：編碼器、傳送部分、動力部分；信號傳輸部分：編碼器、傳送部分、動力部分； 地面接收部分

23、：譯碼器、計算、顯示、存儲、打地面接收部分：譯碼器、計算、顯示、存儲、打印等；印等； 三部分中，難度最大的時傳輸部分。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 電纜傳輸法的優點：電纜傳輸法的優點： 信息傳輸效率高，速度快，信息量大，可進行實時傳輸；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井下；不需要井下電源，地面電源通過電纜傳導井下； 可以雙向通信，形成閉環控制；可以雙向通信，形成閉環控制； 不存在信息衰減問題，沒有井深限制；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

24、壁里。特殊接頭，不僅可連接鉆桿，還特制的鉆桿，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。可連接電纜。 缺點：電纜鉆桿制作太復雜；缺點：電纜鉆桿制作太復雜； 2. 有線隨鉆：有線隨鉆： 儀器和電纜從測入接頭進入鉆桿水眼，并下入到井下。缺點：儀器和電纜從測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；下入后不能接單跟； 無法進行旋轉鉆進；無法進行旋轉鉆進； 電纜容易磨損；等等電纜容易磨損；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、電磁波可以傳輸電視、廣播、電報等等，原廣播、電報等等，原理上可以傳輸井下測理上可以傳輸井下測量信號，實際上困難量信號，實際上困難很大；很大； 主要問題是：傳播介主要問題是：傳播介質是井內泥漿和地層質是井內泥漿和地層巖石，信號衰減太厲巖石，信號衰減太厲害；害； 至今未見應用；至今未見應用； 聲波傳輸法：聲波傳輸法： 地面制造地震波，傳地面制造地震波，傳導井下后在反射回到導井下后在反射回到地面，接受后可以得地面，接受后可以得到地層信息，原理上到地層信息，原理上也可以將井下測量信也可以將井下測量信息傳導地面上。息