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1、测斜仪器及其测斜原理,测斜仪器分类；测斜原理；MWD信号传输原理；,测量技术的发展,只能测量井斜角的仪器：虹吸测斜仪；(液面原理)重锤打孔测斜仪；(重锤原理)氟氢酸测斜仪；(液面原理)罗盘重锤测斜仪：磁性单、多点照相测斜仪；陀螺重锤测斜仪：陀螺单、多点照相测斜仪；磁通门加表测斜仪：点子多电测量仪；有线随钻测量仪陀螺加表测量仪：自动找北陀螺测量仪；惯性测量技术；,随钻测量；(MWD)磁通门+加速度计随钻测井(LWD)随钻地层评价(FEWD)随钻环空压力测量(APWD)随钻地震技术(SWD)导向钻井技术地质导向技术闭环钻井技术,随钻测量技术,测量技术的发展,井斜测量仪器的发展,现代测斜仪器分类,测
2、井斜原理液面原理,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。,测井斜原理液面原理,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；,测井斜原理液面原理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
3、；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。,测井斜原理液面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。,测井斜原理液面原理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。,测井斜原理液面
4、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sin成正比。,测井斜原理液面原理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。,测井斜原理液面原理3.重力加速度计井斜角的计算,Z轴与重力方向g的夹角，即为所测点的井斜角。X、Y、Z三轴的测值，分别为：GX、GY、GZ，则：,测井斜原理液面原理3.重力加速度计装置角的计算,造斜
5、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。,测井斜原理液面原理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GX0时，用下式计算：,当GX0时，用下式计算：,测井斜原理液面原理3.重力加速度计装置角的计算,当GX0时，用下式计算：,当GX0时，用下式计算：,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。
6、,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,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。,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相反的情
7、况,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：,E,N,W,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
8、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,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V
9、2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,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。,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，井斜方位角可用下式计算：,当V10时，用下式计算：,当V10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,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、
10、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；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！,不讲！,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x、y、z。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：x、y、z。,不讲！,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：x、y、z，
11、可以计算出三个磁通门正方向与水平线的最小夹角。x、y、z。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！,不讲！,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。,不讲！,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，,不讲！,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。,不
12、讲！,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。是磁力线和水平面的夹角，称为“磁倾角”。,不讲！,测方位原理磁北原理3.只用磁通门进行计算,不讲！,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。,不讲！,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。
13、,不讲！,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：,不讲！,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。,不讲！,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：,不讲！,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
14、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。,不讲！,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P0时，,当P0时，,不讲！,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
15、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，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,内框架,外框架,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
16、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oo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
17、动量。其方向与陀螺轴线一致。角动量的大小与转动角速度和转动惯量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。,测方位原理真北原理,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。,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：,测方位原理真北原理,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
18、映了 和 的差别。,测方位原理真北原理,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。这种变化是强迫性的。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。,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、H三个方向，装有三个加速度计，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、H三个方向一致。从仪器下井开始，不断地记录三个加
19、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、H的位移增量。每隔10秒钟，给出一组测点的N、E、H坐标值。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。,各种方法精度对比,MWD原理简介组成,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：轨迹参数(井斜角、井斜方位角)；定向参数(工具面角)；地层参数(电阻率、伽码、自然电位等
20、)；工艺参数(钻压、转速等)；泥浆参数(井温、压力等)；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
21、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：物探原理：地面制造地震波，传到井下后再反射回到地面，接受后可以得到地层信息，利用此原理，也可以将井下测量信息传到地面上。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
22、到地面上。在立管上可以接受到此压力波。传播速度14001500米/秒。正脉冲：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：平时凡尔堵住，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12分钟。,MWD原理简介连续波传输法,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。,
