测斜仪器及其测斜原理韩志勇

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；

测斜仪器分类

测斜原理—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；

测斜原理—重力原理1.重锤罗盘照相 • 井斜角的定义就是：重力方向与井眼方向之间的夹角。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。

测斜原理—重力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。

测斜原理—重力原理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，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。

测斜原理—重力原理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sinα成正比。

测斜原理—重力原理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。

测斜原理—重力原理3.重力加速度计—井斜角的计算测斜原理—重力原理3.重力加速度计—井斜角的计算 • Z轴与重力方向g的夹角α，即为所测点的井斜角。 • X、Y、Z三轴的测值，分别为：GX、GY、GZ，则：

测斜原理—重力原理3.重力加速度计—装置角的计算测斜原理—重力原理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。

测斜原理—重力原理3.重力加速度计—装置角的计算测斜原理—重力原理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GX>0时，用下式计算：当GX<0时，用下式计算：

当GX>0时，用下式计算： 当GX<0时，用下式计算：测斜原理—重力原理3.重力加速度计—装置角的计算

测方位原理—磁北原理磁北原理 • 地球有个磁场，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 罗盘面方位与地理方位相反的情况 • 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，需要将N和S位置互换，E和W位置互换。

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： N W E S

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。

当V1>0时，用下式计算： 当V1<0时，用下式计算：测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算 • 这是水平面上的投影图。 • 显然，井斜方位角φ可用下式计算：

测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算

测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算 • 第二种计算方法： • 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 。 • 当地的磁倾角为β； • 则测点的井斜方位角可用下式计算：此法仍需要判断！不可取！

测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算 • 第三种计算方法： • 根据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 ）可以求得X、Y、Z三个坐标轴的正方向与重力线方向的三个夹角θx、 θ y 、θz 。 • 由于三个加速度计的安置方向与三个磁通门的安置方向完全相同，所以，三个磁通门的正方向与重力线的夹角也等于： θx、 θ y 、θz 。

测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算测方位原理—磁北原理2.磁通门—井斜方位角计算 • 第三种计算方法： • 根据三个磁通门的正方向与重力线的夹角也等于： θx、 θ y 、θz ，可以计算出三个磁通门正方向与水平线的最小夹角。λx、λy、λz。 • 计算三个磁通门测值在水平线上的投影之和h：还没有完成！

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 只用磁通门的测值，也可以完成井斜角、井斜方位角和装置角的计算。已知：磁通门的三个测值分别为：Hx，Hy，Hz；如图所示。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 Q矢量乃是高边方向线。在X、Y平面上。由于工具面方向与Y轴方向一致，则工具面角可用下式计算：当Hy >0时，当Hy <0时，

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 Q矢量乃是高边方向线。在X、Y平面上。 C矢量是用三个磁通门测值计算的磁力线方向。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 P矢量在水平面上，是C矢量在水平面上的投影。 P矢量正是计算井斜方位角的起始边。 β是磁力线和水平面的夹角，称为“磁倾角”。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 Q矢量在XY平面上，而且处在高边方向；R矢量也在XY平面上，并且与Q矢量垂直。则R矢量应该于水平面平行。自R矢量的正方向顺时针旋转90o，正好到达Q矢量。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 由于R矢量和Q矢量在XY平面上互相垂直，而且Q矢量是高边方向，R矢量是水平方向，所以，两个矢量投影到水平面上，也必然互相垂直。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 如果将三个磁通门的测值，分解到水平面上的P坐标和R坐标轴上，则P矢量和R矢量之和，就应该是磁北方位矢量。且：

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 井斜方位角是：以磁北方位线(N矢量)为始边，顺时针旋转转到井斜方位线(P矢量即Hz矢量或Q矢量在水平面上的投影)上所转过的角度。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 问题在于如何将三个磁通门测值分解到R矢量和P矢量上。先看在XY平面上的投影。 Hx和Hy在R上的投影： Hx和Hy在Q上的投影：

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 Q矢量、R矢量和Hz矢量都投影到水平面上。R矢量没有变化，P矢量等于Q矢量的投影，加上Hz矢量的投影。

测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算 井斜方位角可用R矢量和P矢量计算出来。当P>0时，当P<0时，

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(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α，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 ω

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o－o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ω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ω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。

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。测方位原理—真北原理 • 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

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。测方位原理—真北原理

测斜仪器及其 测斜原理 韩志勇