钻孔弯曲测量的原理及其方位角测量原理

钻孔弯曲测量的原理及其方位角测量原理

为了随时掌握与控制钻孔空间位置的变化，预防与纠正钻孔弯曲，在钻进中必须测量钻孔轨迹各孔段上的基本参素即：顶角、方位角和孔深。这一工作称为钻孔弯曲度测量简称测斜。

一、钻孔弯曲测量的原理

钻孔弯曲的测量原理包括顶角测量原理和方位角测量原理，孔深测量一般只是借助电缆（测绳）或钻杆将测斜仪下入到指定深度来控制。

（一）顶角测量原理

根据钻孔顶角定义，测量顶角度必须符合两个条件：一是该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的夹角；其二是该角度在钻孔弯曲平面内。目前，顶角测量原理是利用地球的重力场，有液面水平原理和悬锤原理等。

1、液面水平原理（氢氟酸测斜）

氢氟酸测斜仪就是利用液面水平原理来测量钻孔的顶角。把20～30%浓度的氢氟酸注入长度为100～150m m内径为15～25m m的玻璃试管中。注入量为试管长度的1/3左右。然后，将盛有氢氟酸的玻璃试管装在特制的接头内，用橡胶塞加以密封。用钻杆将其下到孔内待测位置，静止停留15～25m i n后，提钻取出试管。由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作用，在试管上留有液面痕迹。根据液面的高低，就可算出顶角。

图 顶角校正关系图 图 倾斜仪

1－量角器；2－悬锤；3－半园盘；4－固定架；

5－转动轴；6－玻璃管

由于有毛细管的作用，试管形成了如图2-4-27所示的蚀痕曲面。由此测出的顶角必须校正，按下式可求出实际顶角θ：

θ=θ′+E

式中 θ--钻孔的实际顶角，θ′--玻璃试管上实测顶角，E--校正角。

为了避免计算和校正上的麻烦，可以利用倾斜仪来直接测定。

2、悬锤原理

悬锤测量钻孔顶角的原理如图。

图 悬锤测量钻孔顶角的原理示意图

框架可绕a轴灵活转动，b轴与a轴垂直相交，在b轴中点0悬挂一能灵活转动的弧形刻度盘，刻度盘转动面与钻孔弯曲平面一致，刻度盘因重力作用永远下垂。当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0°正对准弧形竖板了上的标线，即顶角为0°；当仪器在倾斜孔内时，弧形竖板倾斜一个角度，此角度就是钻孔顶角θ。

二、方位角测量原理

根据钻孔方位角的定义，方位角的测量必须满足两个条件：一是该角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角，其二该角度必须是水平面上的角度。

在无磁性干扰或干扰很小的孔段中，可利用地磁场定向原理；在有磁屏蔽(如在套管内)或磁干扰较大(如存在磁性矿体)的孔段中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理。

1、地磁场定向原理

地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元件(磁通门)确定倾斜钻孔的方位角。因此，测量时罗盘必须处于水平状态，并且罗盘上0°线必须指向钻孔弯曲方向。为了满足这些要求，罗盘的转动轴应垂直于钻孔弯曲平面，并且在其下部装有重块，使罗盘保持水平。此外，罗盘上0°与180°连线及框架上的偏重块都在框架的垂直平分平面内(即钻孔弯曲平面内)，偏重块与180°线同侧。这样一来，在倾斜钻孔中180°线必定指向钻孔弯曲方向。此时，0°线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角(图17-4)。

图17－4地磁场定向原理测钻孔方位角示意图

2、地面定向原理

在地面将一定位方向设法传到孔内各个测点。如图17-5所示，若取地面定位方向为O A，其方位角为α0，O A在圆O′上的投影为O′A′。钻孔弯曲平面的方向为O B，其方位角为α1，令∠A O B＝α1-α0，O B在圆O′上的投影为O′B′。若令∠A′O′B′＝ф，则此在钻孔横截面上的ф角，即为终点角。

图17－5地面定向原理测钻孔方位角示意图

根据投影几何，可有以下关系：

t gα＝t gфC O Sθ

式中：α--已知定位方向与钻孔倾斜方向间的方位角差；

ф-终点角；

θ--测点处钻孔顶角。

目前采用地面定向原理测钻孔方位角的具体方法有钻杆定向法、环测定向法和陀螺惯性定向法。