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测斜仪器及其测斜原理

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仪器 及其 原理
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测斜仪器及其测斜原理王增才1. 测斜仪器分类;2. 测斜原理;3. 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• – 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 — 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 — 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 斜原理 — 重力加速度计的布置– 在测斜仪器中,在X, Y, 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 — 井斜角的计算• ,即为所测点的井斜角。• X、 Y、 别为::2 222s 测斜原理 — 装置角的计算• 造斜工具下入时,若已知工具面与 在井底平面上,高边方向与 为高边工具面角,即装置角。测斜原理 — 装置斜角的计算• 造斜工具下入时,若已知工具面与 在井底平面上,高边方向与 为高边工具面角,即装置角。180 当 下式计算:测斜原理 — 装置斜角的计算180 当 下式计算:测斜原理 — 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。测斜原理 — 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。测斜原理 — 定心罗盘:– 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 将 位置互换, 位置互换 。测斜原理 — 浮动罗盘:– “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”字标记正好落在罗盘面的井眼下倾方位线 (即 高边方位线 )上 。所以这种罗盘盘面的方位标志与地理方位一致, 不需要 N、 E、测斜原理 — 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。测斜原理 — 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。测斜原理 — 井斜方位角计算• 将 时, 斜方位,都在同一条线和同一方位上。• 选择 2两个坐标轴:– 轴同向;– 1轴互相垂直;• X、 Y、 别为: Z 。• X、 Y、 别为: Y、 • 将 值分别分解到2两个轴上。测斜原理 — 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:121当 时,用下式计算:121180当 时,用下式计算:测斜原理 — 井斜方位角计算 c o ss i nc o sc o ss i  s o Y 2s c o 22c )()()(2212222 测斜原理 — 井斜方位角计算• 另一种计算方法:• X、 Y、 别为: Z 。• X、 Y、 别为: Y、 • 当地的磁倾角为 β;• 则测点的井斜方位角可用下式计算:c 测斜原理— 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 如此即可以陀螺罗盘的正北作为参照方向,测量井斜方位。测斜原理 — 陀螺原理– 陀螺轴的转速非常高,一般为 41500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 (由于陀螺质量偏心,使陀螺受到一个外力 力 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 而影响陀螺仪的精度。– 进动,表现在罗盘的 为“漂移 (即使陀螺仪的重心只有 10微米 (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 。测斜原理 — 陀螺原理• 陀螺进动原理测斜原理 — 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。测斜原理 — 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 o- 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 转动,则该物体具有角动量 。其标量为:o  IH 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 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– 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。zH  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。 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。这种变化时强迫性的。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。测斜原理 — 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、 有三个加速度计,和三个方向的陀螺仪。三个方向的陀螺仪,保证三个方向的加速度计指向始终与 N、 E、 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、 每隔 10秒钟,给出一组测点的 N、 E、 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。测斜原理 — 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 干扰及磁场变化自由陀螺 100英尺 2~ 3英寸 进动漂移找北陀螺 20~ 30英尺 3英寸惯性导航 1英尺 径太大,结构复杂 组 成• 钻测量系统 )– 开始出现随钻测斜 – 后来出现随钻测量 – 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 );– 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。 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:– 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:– 仪器和电缆从测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;等等电磁波及声波传输法• 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:– 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。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 1400~ 1500米 /秒。• 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: 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:传输速度慢。 一个脉冲 5秒钟,传一个参数需要 1~ 2分钟。泥浆连续波传输法• 两个大小形状完全相同的盘子,开着同样的槽口。一个是静盘,一个动盘。马达带动动盘连续旋转,槽口连续“被堵”和“开通”,造成连续波形。• 动盘转速不同,得到的连续波形就不一样。• 只要有两种波形就够了,一种代表“ 1”,一种代表“ 0”。• 每秒钟可发出三个波形,传输一个参数,只需要 9秒钟。
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