第二节 测斜仪器的工作原理

井眼轴线
北极方向
重力加速度 图5.2.5 重力加速度和地磁场矢量的分解
2.电子测斜仪的传感器 为测得重力加速度和地磁场三个相互垂直方向的分量的大小，人们 利用电、磁原理发明了加速度传感器和磁力仪，精确测得重力场和磁力 场的分量。 ①井斜角测量元件—加速度传感器的工作原理（图5.2.6） 利用一个石英铰固定一个测试体，使该物体只能沿一个轴运动。当 仪器下井后，沿该轴作用的重力分量将推动测试体运动。测试体的移动 在电容器之间产生不平衡，由伺服放大器检测出来。然后在线圈内通 电，产生一个反力，使测试体恢复原来位置。重力分量越大，所需要的 产生反力的电流就越大。测量已知电阻上的电压降，就可直接得到重力 分量值。
图5.2.4 陀螺仪的结构
陀螺具有进动性，即外框架转轴上有干扰力矩时，内框架转轴进 动，使陀螺轴发生倾斜；而内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转 动；因此陀螺轴会产生漂移，在使用陀螺仪前需要进行漂移量修正，使 陀螺轴指向真北方向，以提高测量精度。
3.特点 陀螺罗盘的定向是依靠自身的转动惯量保持方向不变，因而其不受磁 场的影响。 当用磁性罗盘在下完套管的井内进行测量时，由于钢套管的存在将会 得出错误的结果。即使在裸眼井中，如果邻近井下有套管，结果也存在误 差。在丛式井平台上的定向造斜过程中，由于邻井很接近，磁单点测斜仪 的测量结果是不可靠的。在这些情况下，就应使用的陀螺罗盘来代替磁罗 盘。
三、电子侧斜仪的测斜原理
1.电子测斜仪的工作原理 任何空间矢量皆可分解为三个相互垂直的分矢量：
r r r r i = i1 + i2 + i3
如果已知矢量的大小和主矢量的方向，那么，很容易计算出分矢量与 主矢量的夹角。 重力加速度和地磁场都可分解为三个相互垂直方向的分量。测得这三 个分量的大小，可精确计算出分量的空间方向。如果将某一分量至于井眼 轴线方向，那么可精确得到井眼的井斜角和方位角（图5.2.5）。
3.陀螺仪的结构 陀螺仪（图5.2.4)由一个坐在水平轴上的旋转轮组成，轮子由电机 驱动，转数高达400OOr/min。高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内、外 环的转轴上，三轴在空间相互垂直正交并交于一点，该点与陀螺的重心 重合，使陀螺具有三个方向的自由度。陀螺转子轴的方向始终指向真北 方向。 外环 陀螺轴 真北方向 刻度盘 内环
图5.2.7磁力仪测量方位角原理示意图
第二节
测斜仪器的工作原理
一、磁性测斜仪测量井斜的原理
1.原理：利用重力始终指向地心（摆锤） 的原理测量井斜角，利用地磁场（罗盘指 向）测量方位角（图5.2.1）。
图5.2.1 罗盘
2.磁性测斜仪应注意的问题： ①在磁性测斜仪中，磁罗盘对地球磁场产生感应。罗盘指向会受到局 部磁场的干扰。（钢钻铤和钻头都可能被磁化，为避免磁罗盘产生可能的 误差，测斜仪所在的钻铤由含有铜、镍、铬和其他金属的合金制成，称为 无磁钻铤；如果测量部位邻近有钢性的套管或在套管中测量方位，会存在 较大的误差。） ②测量区域不同，磁北和真北之间有一定的角度偏差。利用罗盘测量 的方位结果还需进行磁偏角校正(图5.2.2）。（所有测量结果都应以真北 方向报告。偏角的大小（磁偏角）由地理位置决定。）
图5.2.6 加速度计工作原理示意图
②方位角测量元件—磁力仪工作原理 磁力仪是检测固定轴向的地磁场强度的传感器。其原理如图5.2.7： 一个有环绕线圈的软铁磁心，放在变化的磁场中时，则磁通量将集中在螺 线管内，并在线圈内产生电流。电流的大小取决于暴露在磁场中的导磁物 质的量。线圈环与磁力线成90ْ 电流最大。当线圈环转动到以较小的面积 时 暴露在磁场中时，电流就会减少。因此，线圈中获得的电流大小可以用作 测量磁场和线圈之间角度的一种方法。 磁力线
北海地区磁偏角=-7° N60E（磁）=N53E（真）
加利福尼亚地区磁偏角=+15° N60E（磁）=N75E（真）
图5.2.2 磁偏角和真方位的转换
二、陀螺仪测量井斜的原理
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2.照相测斜仪 1.陀螺测斜仪的测斜原理
利用摆锤测量井斜角，利用高速陀螺的 方位不变的特性测量方位角。 2.陀螺定向原理（图5.2.3） 三自由度高速旋转的陀螺，由于自身的 转动惯量，在轴承无磨擦的情况下，陀螺转 子轴在空间的方向保持不变，此特性称作陀 螺仪的定轴性。用方向不变的陀螺转子轴作 测量方位的参考，此为陀螺定向的基本原 理。 图5.2.3陀螺定向原理