测斜仪器及其测斜原理(换底)

测斜仪器及其测斜原理韩志勇1.测斜仪器分类；2.测斜原理；3.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；–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。LRtg1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：ZYXGGGtg22222sinZYXZGGGG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。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。XYoGGtg1180当GX0时，用下式计算：XYGGtg1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XYoGGtg1180当GX0时，用下式计算：XYGGtg1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。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：ENWS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•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•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φ可用下式计算：121VVtg当V10时，用下式计算：121180VVtgo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cossincoscossin1YXZHHHVsincos2XYHHVZYXGGG22singGZcos22sinYXYGGG22cosYXXGGG)()()(2212YYXXZYXZXYYXGHGHGGGHGHGHgVVtg222ZYXGGGg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：222cossincosZYXZHHHH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θx、θy、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、θy、θz。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：θx、θy、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：zzyyxxHHHhcoscoscos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：yxHHtgoyxHHtg180当Hy0时，当Hy0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。22yxHHQC矢量是用三个磁通门测值计算的磁力线方向。222zyxHHHC不讲！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。β是磁力线和水平面的夹角，称为“磁倾角”。222coszyxHHHcosCP不讲！测方位原理—磁北原理3.只用磁通门进行计算oo9090zyxHHHtg221zyxoHHHtg22190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。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：22PRH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：sincosyxHHRHx和Hy在Q上的投影：cossinyxHHQ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。sincoscoscossinsincos)cossin(zyxzyxHHHHHHPsincosyxHHR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。PRtgoPRtg180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