2测斜仪器及其测斜原理(kk)
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• 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1～2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。
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到地面上。 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”。
– 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—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
测量技术 的发展
井斜测量仪器的发展
• 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；
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。
– 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。
测方位原理—磁北原理
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。
– 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。
测井斜原理—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。
测井斜原理—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。
– 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
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。
(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
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
• X、Y、Z三轴的测值， 分别为：GX、GY、 GZ，则：
tg GX2 GY2
GZ
sin
GZ
GX2 GY2 GZ2
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。
• 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)； • 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；
– 主要问题是：传播介
– 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。
质是井内泥浆和地层 岩石，信号衰减太厉 害；
– 至今未见应用；
– 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。
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。
– 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。
tg 1
R
L
– 重锤悬挂长度越长，测量范围就 越小；
• 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
• 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。
– 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
MWD原理简介—
电磁波及声波传输法
• 电磁波传输法：
• 声波传输法：
– 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；
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
2.25英寸
磁干扰及磁场变 化
自由陀螺
100英尺
2～3英寸 进动漂移
找北陀螺
20～30英尺
1.75～3英 寸
惯性导航
1英尺
10.6英寸
直径太大，结构 复杂
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：
• 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—重力原理
– 巧妙设计，可测900甚至1200井斜
测井斜原理—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。
测井斜原理—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。
• 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。
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。
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到地面上。 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”。
– 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—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
测量技术 的发展
井斜测量仪器的发展
• 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；
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。
– 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。
测方位原理—磁北原理
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。
– 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。
测井斜原理—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。
测井斜原理—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。
– 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
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。
(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
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
• X、Y、Z三轴的测值， 分别为：GX、GY、 GZ，则：
tg GX2 GY2
GZ
sin
GZ
GX2 GY2 GZ2
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。
• 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)； • 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；
– 主要问题是：传播介
– 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。
质是井内泥浆和地层 岩石，信号衰减太厉 害；
– 至今未见应用；
– 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。
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。
– 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。
tg 1
R
L
– 重锤悬挂长度越长，测量范围就 越小；
• 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
• 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。
– 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
MWD原理简介—
电磁波及声波传输法
• 电磁波传输法：
• 声波传输法：
– 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；
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
2.25英寸
磁干扰及磁场变 化
自由陀螺
100英尺
2～3英寸 进动漂移
找北陀螺
20～30英尺
1.75～3英 寸
惯性导航
1英尺
10.6英寸
直径太大，结构 复杂
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：
• 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—重力原理
– 巧妙设计，可测900甚至1200井斜
测井斜原理—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。
测井斜原理—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。