測(cè)斜儀器及其測(cè)斜原理(換底)

1、測(cè)斜儀器及其測(cè)斜原理韓志勇1. 測(cè)斜儀器分類；2. 測(cè)斜原理；3. MWD信號(hào)傳輸原理；測(cè)量技術(shù)的發(fā)展測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 只能測(cè)量井斜角的儀器：只能測(cè)量井斜角的儀器： 虹吸測(cè)斜儀；虹吸測(cè)斜儀；(液面原理液面原理) 重錘打孔測(cè)斜儀；重錘打孔測(cè)斜儀；(重錘原理重錘原理) 氟氫酸測(cè)斜儀；氟氫酸測(cè)斜儀； (液面原理液面原理) 羅盤重錘測(cè)斜儀羅盤重錘測(cè)斜儀： 磁性單、多點(diǎn)照相測(cè)斜儀；磁性單、多點(diǎn)照相測(cè)斜儀； 陀螺重錘測(cè)斜儀：陀螺重錘測(cè)斜儀： 陀螺單、多點(diǎn)照相測(cè)斜儀；陀螺單、多點(diǎn)照相測(cè)斜儀； 磁通門加表測(cè)斜儀：磁通門加表測(cè)斜儀： 點(diǎn)子多電測(cè)量?jī)x；點(diǎn)子多電測(cè)量?jī)x； 有線隨鉆測(cè)量?jī)x有線隨鉆測(cè)量?jī)x 陀螺加表測(cè)量?jī)x：

2、陀螺加表測(cè)量?jī)x： 自動(dòng)找北陀螺測(cè)量?jī)x；自動(dòng)找北陀螺測(cè)量?jī)x； 慣性測(cè)量技術(shù)；慣性測(cè)量技術(shù)； 隨鉆測(cè)量；隨鉆測(cè)量；(MWD) 磁通門磁通門+加速度計(jì)加速度計(jì) 隨鉆測(cè)井隨鉆測(cè)井(LWD) 隨鉆地層評(píng)價(jià)隨鉆地層評(píng)價(jià)(FEWD) 隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量(APWD) 隨鉆地震技術(shù)隨鉆地震技術(shù)(SWD) 導(dǎo)向鉆井技術(shù)導(dǎo)向鉆井技術(shù) 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù) 閉環(huán)鉆井技術(shù)閉環(huán)鉆井技術(shù)隨鉆測(cè)量技術(shù)隨鉆測(cè)量技術(shù)測(cè)量技術(shù)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展井斜測(cè)量?jī)x器的發(fā)展井斜測(cè)量?jī)x器的發(fā)展現(xiàn)代測(cè)斜儀器分類現(xiàn)代測(cè)斜儀器分類測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理 1. 液面是水平的。井眼軸顯示傾液面是水平的。井眼軸顯示傾斜的。

3、液面與井眼軸線的法面斜的。液面與井眼軸線的法面的交角，即為井眼井斜角。的交角，即為井眼井斜角。 2. 氟氫酸測(cè)斜儀就是這個(gè)原理。氟氫酸測(cè)斜儀就是這個(gè)原理。 3. 虹吸測(cè)斜儀也是應(yīng)用此原理。虹吸測(cè)斜儀也是應(yīng)用此原理。測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理 HF液面原理測(cè)斜定向液面原理測(cè)斜定向： 齒刀上的齒尖所指方位，標(biāo)志著造斜工具的工具面方位。齒刀上的齒尖所指方位，標(biāo)志著造斜工具的工具面方位。 測(cè)量時(shí)儀器最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的印測(cè)量時(shí)儀器最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位；痕，于是可知道造斜工具的工具面方位； 同時(shí)，氟氫酸液瓶的液面傾斜方位代

4、表著井斜方位。于是同時(shí)，氟氫酸液瓶的液面傾斜方位代表著井斜方位。于是知道了工具面方位與井斜方位的關(guān)系。知道了工具面方位與井斜方位的關(guān)系。 需在下鉆前在裸眼內(nèi)測(cè)得井斜方位；需在下鉆前在裸眼內(nèi)測(cè)得井斜方位； 測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理1.重錘羅盤照相重錘羅盤照相 井斜角的定義就是：重力方向與井斜角的定義就是：重力方向與井眼方向之間的夾角。所以可以井眼方向之間的夾角。所以可以利用重力原理測(cè)量井斜角。利用重力原理測(cè)量井斜角。 懸掛的重錘，總是指向重力方向；懸掛的重錘，總是指向重力方向； 羅盤面上刻有許多同心圓，代表羅盤面上刻有許多同心圓，代表不同的角度。不同的角度。 對(duì)著羅盤照相，對(duì)著羅盤照

5、相，“十十”字標(biāo)記投字標(biāo)記投影到羅盤面上，可以讀到井斜角影到羅盤面上，可以讀到井斜角值。值。 重錘懸掛長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)量范圍就重錘懸掛長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)量范圍就越?。辉叫。?巧妙設(shè)計(jì)，可測(cè)巧妙設(shè)計(jì)，可測(cè)900甚至甚至1200井斜井斜角。角。LRtg1測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理重錘打孔測(cè)井重錘打孔測(cè)井斜 重錘帶尖；重錘帶尖； 時(shí)鐘控制；時(shí)鐘控制； 到時(shí)間后，由到時(shí)間后，由時(shí)鐘控制驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘控制驅(qū)動(dòng)彈簧，推動(dòng)打彈簧，推動(dòng)打孔紙板撞向重孔紙板撞向重錘的尖部，從錘的尖部，從而打孔。而打孔。 由孔眼位置可由孔眼位置可讀井斜角。讀井斜角。測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì) 原理

6、：原理： 重力元在重力作用下要發(fā)重力元在重力作用下要發(fā)生位移，引起電容傳感器生位移，引起電容傳感器的電容發(fā)生變化，此變化的電容發(fā)生變化，此變化信號(hào)通過(guò)放大以后，使線信號(hào)通過(guò)放大以后，使線圈產(chǎn)生一定的電流，該電圈產(chǎn)生一定的電流，該電流產(chǎn)生磁力使重力元復(fù)位。流產(chǎn)生磁力使重力元復(fù)位。 重力元位移大小，反映在重力元位移大小，反映在線圈給出的電壓大小。線圈給出的電壓大小。 重力元的位移大小與重力重力元的位移大小與重力元在空間的狀態(tài)有關(guān)元在空間的狀態(tài)有關(guān)。測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì) 重力元的空間狀態(tài)：重力元的空間狀態(tài)： 水平狀態(tài)，重力方向水平狀態(tài)，重力方向與位移方向一

7、致，位與位移方向一致，位移最大；移最大； 垂直狀態(tài)，重力方向垂直狀態(tài)，重力方向與位移方向垂直，位與位移方向垂直，位移為零；移為零； 傾斜狀態(tài)，重力方向傾斜狀態(tài)，重力方向與位移方向有一定夾與位移方向有一定夾角，位移與角度角，位移與角度sin成成正比。正比。測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì) 重力加速度計(jì)的布重力加速度計(jì)的布置置 在測(cè)斜儀器中，在在測(cè)斜儀器中，在X，Y，Z三個(gè)方向上，三個(gè)方向上，各裝一個(gè)重力加速度各裝一個(gè)重力加速度計(jì)，則三個(gè)重力加速計(jì)，則三個(gè)重力加速度計(jì)的測(cè)值是不同的。度計(jì)的測(cè)值是不同的。通過(guò)計(jì)算，可以算出通過(guò)計(jì)算，可以算出重力方向與儀器軸線重力方向與

8、儀器軸線的夾角即井斜角的大的夾角即井斜角的大小。小。測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì)井斜角的計(jì)算井斜角的計(jì)算Z軸與重力方向軸與重力方向g的夾的夾角角，即為所測(cè)點(diǎn)的井，即為所測(cè)點(diǎn)的井斜角。斜角。X、Y、Z三軸的測(cè)值，三軸的測(cè)值，分別為：分別為：GX、GY、GZ，則：，則：ZYXGGGtg22222sinZYXZGGGG測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì)裝置角的計(jì)算裝置角的計(jì)算 造斜工具下入時(shí)，若已知工具面與造斜工具下入時(shí)，若已知工具面與X方向一致，方向一致，則在井底平面上，高邊方向與則在井底平面上，高邊方向與X方向的夾角，即方向的夾角

9、，即為高邊工具面角，即裝置角。為高邊工具面角，即裝置角。測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì)裝置角的計(jì)算裝置角的計(jì)算 造斜工具下入時(shí)，若已知工造斜工具下入時(shí)，若已知工具面與具面與X方向一致，則在井底方向一致，則在井底平面上，高邊方向與平面上，高邊方向與X方向的方向的夾角，即為高邊工具面角，夾角，即為高邊工具面角，即裝置角即裝置角。XYoGGtg1180當(dāng)當(dāng)GX0時(shí)，用下式計(jì)算：時(shí)，用下式計(jì)算：測(cè)井斜原理測(cè)井斜原理液面原理液面原理3.重力加速度計(jì)重力加速度計(jì)裝置角的計(jì)算裝置角的計(jì)算XYoGGtg1180當(dāng)當(dāng)GX0時(shí)，用下式計(jì)算：時(shí)，用下式計(jì)算：測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北

10、原理磁北原理磁北原理磁北原理 地球有個(gè)磁場(chǎng)，地球地球有個(gè)磁場(chǎng)，地球上任一點(diǎn)都受到磁場(chǎng)上任一點(diǎn)都受到磁場(chǎng)的作用，該點(diǎn)的磁力的作用，該點(diǎn)的磁力線方向（即磁北方向）線方向（即磁北方向）在一段時(shí)間內(nèi)基本上在一段時(shí)間內(nèi)基本上是不變的。測(cè)的磁力是不變的。測(cè)的磁力線方向與井眼方位線線方向與井眼方位線的夾角，即是井斜方的夾角，即是井斜方位角。位角。測(cè)方位原理測(cè)方位原理重力原理重力原理1.磁羅盤磁羅盤 磁羅盤是中華民族的偉大發(fā)明。磁羅盤是中華民族的偉大發(fā)明。 磁羅盤始終處于水平位置，并可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，羅盤始磁羅盤始終處于水平位置，并可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，羅盤始終指出磁北極的方向。終指出磁北極的方向。 與重錘羅盤和為一體，在測(cè)

11、得井斜角的同時(shí)，也測(cè)與重錘羅盤和為一體，在測(cè)得井斜角的同時(shí)，也測(cè)出井斜方位角。出井斜方位角。測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤 如果羅盤盤面上的方位標(biāo)志，與地理方位相同，則“十十”字標(biāo)字標(biāo)記落在低邊方位線上記落在低邊方位線上。而井斜角是高邊方位井斜角是高邊方位線與正北方位線的夾線與正北方位線的夾角角。所以羅盤面上的讀值與實(shí)際井斜方位相差1800。 為了叢羅盤盤面上直接讀出井斜方位，需要將將N和和S位置互換，位置互換，E和和W位置互換位置互換。羅盤面方位與地理方位相反的情況羅盤面方位與地理方位相反的情況測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤羅盤面方位與地理方位相反

12、的情況羅盤面方位與地理方位相反的情況測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤羅盤面方位與地理方位相反的情況羅盤面方位與地理方位相反的情況測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤羅盤面方位與地理方位相反的情況羅盤面方位與地理方位相反的情況測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤 羅盤面方位與地理方位羅盤面方位與地理方位一致的情況：一致的情況： “十十”字標(biāo)記是固定在儀字標(biāo)記是固定在儀器的中心線上。井眼傾斜器的中心線上。井眼傾斜后，羅盤始終保持水平。后，羅盤始終保持水平。在照相時(shí)，在照相時(shí)， “十十”字標(biāo)字標(biāo)記落在羅盤面上的井底上記落在羅盤面上的井底上傾方位線傾

13、方位線(即即高邊方位線高邊方位線)上上。所以這種羅盤盤面的。所以這種羅盤盤面的方位標(biāo)志方位標(biāo)志不需要不需要N、S互互換，換，E、W互換互換。測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理1.磁羅盤磁羅盤羅盤羅盤面方面方位與位與地理地理方位方位一致一致的情的情況：況：ENWS測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門 磁通門結(jié)構(gòu)：磁通門結(jié)構(gòu)： 鐵心上繞著兩級(jí)線圈。鐵心上繞著兩級(jí)線圈。 初級(jí)線圈，先正向纏繞，然后又初級(jí)線圈，先正向纏繞，然后又反向纏繞。線圈內(nèi)通交流電，不反向纏繞。線圈內(nèi)通交流電，不管電流大小和變化如何，線圈感管電流大小和變化如何，線圈感應(yīng)的磁場(chǎng)互相抵消為零。應(yīng)的磁場(chǎng)互相抵消為零。

14、次級(jí)線圈，僅一個(gè)方向纏繞，且次級(jí)線圈，僅一個(gè)方向纏繞，且不通電。在沒(méi)有地球磁場(chǎng)情況下，不通電。在沒(méi)有地球磁場(chǎng)情況下，也不會(huì)感應(yīng)電流。也不會(huì)感應(yīng)電流。 在地球磁場(chǎng)影響下，會(huì)感應(yīng)出電在地球磁場(chǎng)影響下，會(huì)感應(yīng)出電流來(lái)。感應(yīng)的電壓大小與該點(diǎn)處流來(lái)。感應(yīng)的電壓大小與該點(diǎn)處地球磁場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān)，與通過(guò)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān)，與通過(guò)磁通門的磁通量多少有關(guān)。磁通門的磁通量多少有關(guān)。測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門 磁通門狀態(tài)磁通門狀態(tài) 磁通門與磁力線方向的關(guān)磁通門與磁力線方向的關(guān)系狀態(tài)不同，通過(guò)的磁通系狀態(tài)不同，通過(guò)的磁通量多少就不同。量多少就不同。 磁通門的布置磁通門的布置 磁通門在儀器中

15、的三個(gè)坐磁通門在儀器中的三個(gè)坐標(biāo)方向布置，根據(jù)三個(gè)磁標(biāo)方向布置，根據(jù)三個(gè)磁通門測(cè)得的磁通量的值，通門測(cè)得的磁通量的值，可以算出磁北方向與井眼可以算出磁北方向與井眼方位的夾角，即井斜方位方位的夾角，即井斜方位角。角。測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門井斜方位角計(jì)算井斜方位角計(jì)算 將將X、Y、Z各軸和井斜各軸和井斜方向線都投影到水平面方向線都投影到水平面上；這時(shí)，上；這時(shí)，Z軸和高邊方軸和高邊方位、井斜方位，都在同位、井斜方位，都在同一條線和同一方位上。一條線和同一方位上。 選擇選擇V1和和V2兩個(gè)坐標(biāo)軸：兩個(gè)坐標(biāo)軸： V1軸與軸與Z軸同向；軸同向； V2軸與軸與V1軸互相垂直軸

16、互相垂直且自且自V2正方向順時(shí)針正方向順時(shí)針90度到達(dá)度到達(dá)V1正方向正方向；測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門井斜方位角計(jì)算井斜方位角計(jì)算 X、Y、Z三個(gè)方向上的三個(gè)方向上的三個(gè)磁通門的測(cè)值，分三個(gè)磁通門的測(cè)值，分別為：別為：HX、HY、HZ 。 X、Y、Z三個(gè)方向上的三個(gè)方向上的三個(gè)重力加速度計(jì)的測(cè)三個(gè)重力加速度計(jì)的測(cè)值，分別為：值，分別為：GX、GY、GZ 。 將將HX、HY、HZ 測(cè)值分測(cè)值分別別分解分解到到V1和和V2兩個(gè)兩個(gè)軸上。軸上。測(cè)方位原理測(cè)方位原理磁北原理磁北原理2.磁通門磁通門井斜方位角計(jì)算井斜方位角計(jì)算 這是水平面上的投這是水平面上的投影圖。影圖。 顯

17、然，井斜方位角顯然，井斜方位角可用下式計(jì)算：可用下式計(jì)算：121VVtg當(dāng)當(dāng)V10時(shí)，用下式時(shí)，用下式計(jì)算：計(jì)算：121180VVtgo當(dāng)當(dāng)V10時(shí)，時(shí)， 當(dāng)當(dāng)Hy 0時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)P0時(shí)，時(shí)，不講！不講！測(cè)方位原理測(cè)方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺儀結(jié)構(gòu)及原理：陀螺儀結(jié)構(gòu)及原理： 高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀具有定向性高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀具有定向性(定定軸性軸性)。加上內(nèi)外框架，構(gòu)成。加上內(nèi)外框架，構(gòu)成“萬(wàn)萬(wàn)向機(jī)架向機(jī)架”。只要陀螺軸的方向不只要陀螺軸的方向不變，與外框架構(gòu)成一體的羅盤的變，與外框架構(gòu)成一體的羅盤的方向也就不變。方向也就不變。 在陀螺儀啟動(dòng)時(shí)，人為地使陀螺在陀螺儀啟動(dòng)時(shí)，人為地使陀螺軸指向地理正

18、北軸指向地理正北(不是磁北不是磁北)，就，就可保證羅盤的可保證羅盤的N極始終指向地理極始終指向地理正北。正北。 如此即可以陀螺羅盤的正北作為如此即可以陀螺羅盤的正北作為參照方向，測(cè)量井斜方位。參照方向，測(cè)量井斜方位。測(cè)方位原理測(cè)方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺軸的轉(zhuǎn)速非常高，一般為陀螺軸的轉(zhuǎn)速非常高，一般為41500rpm，還有更高轉(zhuǎn)速的。，還有更高轉(zhuǎn)速的。 制造要求制造要求整個(gè)儀器的內(nèi)外框架的重心整個(gè)儀器的內(nèi)外框架的重心(包括羅盤重量在內(nèi)包括羅盤重量在內(nèi)) ，必須與陀螺的，必須與陀螺的重心完全重合。重心完全重合。否則陀螺將會(huì)出現(xiàn)否則陀螺將會(huì)出現(xiàn)“進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)”。 進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)(Precesion)：由

19、于陀螺質(zhì)量偏心，：由于陀螺質(zhì)量偏心，使陀螺受到一個(gè)外力使陀螺受到一個(gè)外力A的作用。在力的作用。在力A的作用下，內(nèi)框架并不轉(zhuǎn)動(dòng)，而是的作用下，內(nèi)框架并不轉(zhuǎn)動(dòng)，而是外框架轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度外框架轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，這就會(huì)使羅，這就會(huì)使羅盤的盤的N極偏離地理正北方位，從而影極偏離地理正北方位，從而影響陀螺儀的精度。響陀螺儀的精度。 進(jìn)動(dòng)，表現(xiàn)在羅盤的進(jìn)動(dòng)，表現(xiàn)在羅盤的N極偏離正北，極偏離正北，稱為稱為“漂移漂移(Dift)”即使陀螺儀的重心只有即使陀螺儀的重心只有10微米微米(0.01毫米毫米)的偏差，也會(huì)使外框架的的偏差，也會(huì)使外框架的“進(jìn)進(jìn)動(dòng)動(dòng)”即陀螺的即陀螺的“漂移漂移”達(dá)到達(dá)到每小時(shí)幾度每小時(shí)幾度。測(cè)方

20、位原理測(cè)方位原理陀螺原理陀螺原理 陀螺進(jìn)動(dòng)原理陀螺進(jìn)動(dòng)原理內(nèi)框架內(nèi)框架外框架外框架測(cè)方位原理測(cè)方位原理陀螺原理陀螺原理 解決陀螺漂移問(wèn)題的方法：解決陀螺漂移問(wèn)題的方法： 由于制造的原因，陀螺儀不可能絕對(duì)沒(méi)有飄移。由于制造的原因，陀螺儀不可能絕對(duì)沒(méi)有飄移。 在內(nèi)框架上裝設(shè)水銀開關(guān)或稱扭矩開關(guān)?？筛鶕?jù)已經(jīng)出在內(nèi)框架上裝設(shè)水銀開關(guān)或稱扭矩開關(guān)?？筛鶕?jù)已經(jīng)出現(xiàn)的重心偏離，給陀螺一個(gè)輔助扭矩，盡可能消除漂移?，F(xiàn)的重心偏離，給陀螺一個(gè)輔助扭矩，盡可能消除漂移。 在測(cè)斜過(guò)程中，每隔在測(cè)斜過(guò)程中，每隔10分鐘，讓陀螺靜止分鐘，讓陀螺靜止3分鐘，在同一分鐘，在同一深度處，連續(xù)多拍幾張照片。對(duì)比這幾張照片，就可求

21、深度處，連續(xù)多拍幾張照片。對(duì)比這幾張照片，就可求得陀螺在這段時(shí)間內(nèi)的漂移率。根據(jù)這個(gè)漂移率，就可得陀螺在這段時(shí)間內(nèi)的漂移率。根據(jù)這個(gè)漂移率，就可修正每個(gè)時(shí)間正式測(cè)量的結(jié)果。修正每個(gè)時(shí)間正式測(cè)量的結(jié)果。測(cè)方位原理測(cè)方位原理真北原理真北原理 真北原理就是在測(cè)量過(guò)程中，儀器自真北原理就是在測(cè)量過(guò)程中，儀器自動(dòng)尋找地理北極，并以地理北極為準(zhǔn)動(dòng)尋找地理北極，并以地理北極為準(zhǔn)測(cè)量井斜方位。測(cè)量井斜方位。 質(zhì)量為質(zhì)量為m的物體，繞的物體，繞oo軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線速度為速度為v，旋轉(zhuǎn)半徑為，旋轉(zhuǎn)半徑為r，則該物體具，則該物體具有角動(dòng)量有角動(dòng)量 。角動(dòng)量是一矢量，其。角動(dòng)量是一矢量，其標(biāo)量為：標(biāo)量為： 具有轉(zhuǎn)

22、動(dòng)慣量具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的物體，繞的物體，繞ZZ軸以角軸以角速度速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則該物體具有角動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，則該物體具有角動(dòng)量量 。其標(biāo)量為：。其標(biāo)量為：oHvmrHozH IHz測(cè)方位原理測(cè)方位原理真北原理真北原理 陀螺儀的陀螺儀的轉(zhuǎn)子在繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子在繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將具有角動(dòng)量時(shí)，將具有角動(dòng)量 。 其方向與陀螺軸線一致。其方向與陀螺軸線一致。 角動(dòng)量的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度角動(dòng)量的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I 有關(guān)。有關(guān)。 陀螺儀又是地球上的一個(gè)物體，陀螺儀又是地球上的一個(gè)物體，將將隨地球一起繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)隨地球一起繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所以。所以陀螺儀還具有角動(dòng)量陀螺儀還具有角動(dòng)量 。 其方向總與地軸正北

23、方向一致。其方向總與地軸正北方向一致。 此角動(dòng)量大小與陀螺儀質(zhì)量此角動(dòng)量大小與陀螺儀質(zhì)量m，繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度v和距地軸的和距地軸的距離距離r有關(guān)。而有關(guān)。而v和和r顯然與陀螺顯然與陀螺儀所在地點(diǎn)的緯度有關(guān)。儀所在地點(diǎn)的緯度有關(guān)。 zHoH測(cè)方位原理測(cè)方位原理真北原理真北原理 反映了陀螺軸線方向；反映了陀螺軸線方向； 反映了地軸正北方向；反映了地軸正北方向； 一般來(lái)說(shuō)，二方向不一一般來(lái)說(shuō)，二方向不一致。致。zoHHHzHoHIvmrHzHoHHzHoH 陀螺儀具有的總的角動(dòng)量陀螺儀具有的總的角動(dòng)量為：為： 當(dāng)當(dāng) 和和 方向一致時(shí)，方向一致時(shí)， 當(dāng)當(dāng) 和和 方向不一致時(shí)，方向不一致

24、時(shí)，要用矢量合成，求得：要用矢量合成，求得：測(cè)方位原理測(cè)方位原理真北原理真北原理現(xiàn)在我們強(qiáng)迫改變陀螺軸的方向，即現(xiàn)在我們強(qiáng)迫改變陀螺軸的方向，即改變改變 的方向，使其方向與的方向，使其方向與 相一致。相一致。這樣作，需要給陀螺軸一個(gè)外力距這樣作，需要給陀螺軸一個(gè)外力距此外力矩的大小，反映了此外力矩的大小，反映了 和和 的差別。的差別。zHMoHzHzoHHHoH測(cè)方位原理測(cè)方位原理真北原理真北原理 實(shí)際測(cè)量前，在地面上將實(shí)際測(cè)量前，在地面上將 與與 的水平分量的水平分量 調(diào)為一調(diào)為一致。致。 以此時(shí)需要的外力距以此時(shí)需要的外力距 作為零點(diǎn)。儀器在井下測(cè)斜過(guò)程中，作為零點(diǎn)。儀器在井下測(cè)斜過(guò)程中，

25、陀螺軸線隨著井眼方向的變化而不斷變化。這種變化是強(qiáng)迫陀螺軸線隨著井眼方向的變化而不斷變化。這種變化是強(qiáng)迫性的。使之強(qiáng)迫變化的外力距性的。使之強(qiáng)迫變化的外力距 也在不斷變化。也在不斷變化。 顯然，顯然， 就反映了井眼軸線的方向與正北方向的就反映了井眼軸線的方向與正北方向的差別，于是可以計(jì)算出井眼方位角來(lái)差別，于是可以計(jì)算出井眼方位角來(lái)。oHHzHoHHMMHMM 慣性導(dǎo)航原理慣性導(dǎo)航原理 導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天器等的導(dǎo)航，潛水艇和大海航行的導(dǎo)航，導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天器等的導(dǎo)航，潛水艇和大海航行的導(dǎo)航，在沒(méi)有參照系可循的情況下，使用慣性導(dǎo)航。在沒(méi)有參照系可循的情況下，使用慣性導(dǎo)航。 在慣性導(dǎo)航儀器中的在慣性

26、導(dǎo)航儀器中的N、E、H三個(gè)方向，裝有三個(gè)加速度計(jì)，三個(gè)方向，裝有三個(gè)加速度計(jì)，和三個(gè)方向的陀螺儀。三個(gè)方向的陀螺儀，保證三個(gè)方向的和三個(gè)方向的陀螺儀。三個(gè)方向的陀螺儀，保證三個(gè)方向的加速度計(jì)指向始終與加速度計(jì)指向始終與N、E、H三個(gè)方向一致。三個(gè)方向一致。 從儀器下井開始，不斷地記錄三個(gè)加速度計(jì)的測(cè)值。不斷地從儀器下井開始，不斷地記錄三個(gè)加速度計(jì)的測(cè)值。不斷地根據(jù)三個(gè)加速度計(jì)測(cè)的三個(gè)軸向的加速度對(duì)時(shí)間的積分，算根據(jù)三個(gè)加速度計(jì)測(cè)的三個(gè)軸向的加速度對(duì)時(shí)間的積分，算出儀器在三個(gè)軸向的運(yùn)行速度，再根據(jù)速度對(duì)時(shí)間的積分，出儀器在三個(gè)軸向的運(yùn)行速度，再根據(jù)速度對(duì)時(shí)間的積分，不斷地算出儀器在三個(gè)軸向不斷地

27、算出儀器在三個(gè)軸向N、E、H的位移增量。的位移增量。 每隔每隔10秒鐘，給出一組測(cè)點(diǎn)的秒鐘，給出一組測(cè)點(diǎn)的N、E、H坐標(biāo)值。坐標(biāo)值。 如果想計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的井斜角、井斜方位角以及井眼曲率等如果想計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的井斜角、井斜方位角以及井眼曲率等參數(shù)，可以采用反算法。參數(shù)，可以采用反算法。各種方法精度對(duì)比各種方法精度對(duì)比儀器儀器每每10000英尺測(cè)英尺測(cè)深的位移誤差深的位移誤差儀器外徑儀器外徑使用的局限性使用的局限性磁性儀器磁性儀器200英尺英尺2.25英寸英寸磁干擾及磁場(chǎng)變磁干擾及磁場(chǎng)變化化自由陀螺自由陀螺100英尺英尺23英寸英寸進(jìn)動(dòng)漂移進(jìn)動(dòng)漂移找北陀螺找北陀螺2030英尺英尺1.753英英寸寸慣

28、性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航1英尺英尺10.6英寸英寸直徑太大，結(jié)構(gòu)直徑太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜復(fù)雜MWD原理簡(jiǎn)介原理簡(jiǎn)介組成組成 MWD(隨鉆測(cè)量系統(tǒng)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)) 開始出現(xiàn)隨鉆測(cè)斜開始出現(xiàn)隨鉆測(cè)斜SWD(Survey While Drilling)； 后來(lái)出現(xiàn)隨鉆測(cè)量后來(lái)出現(xiàn)隨鉆測(cè)量MWD(Measurement While Drilling)； 可測(cè)內(nèi)容：可測(cè)內(nèi)容： 軌跡參數(shù)軌跡參數(shù)(井斜角、井斜方位角井斜角、井斜方位角)；定向參數(shù)；定向參數(shù)(工具面角工具面角)； 地層參數(shù)地層參數(shù)(電阻率、伽碼、自然電位等電阻率、伽碼、自然電位等)； 工藝參數(shù)工藝參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆壓、轉(zhuǎn)速等)； 泥漿參數(shù)泥漿參數(shù)(井溫、壓力

29、等井溫、壓力等)； MWD三大組成部分：三大組成部分： 井下測(cè)量部分：各種參數(shù)的傳感器、輸出測(cè)量信號(hào)等；井下測(cè)量部分：各種參數(shù)的傳感器、輸出測(cè)量信號(hào)等； 信號(hào)傳輸部分：編碼器、傳送部分、動(dòng)力部分；信號(hào)傳輸部分：編碼器、傳送部分、動(dòng)力部分； 地面接收部分：譯碼器、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)、打印等；地面接收部分：譯碼器、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)、打印等； 三部分中，難度最大的時(shí)傳輸部分。三部分中，難度最大的時(shí)傳輸部分。MWD原理簡(jiǎn)介原理簡(jiǎn)介電纜傳輸法電纜傳輸法 電纜傳輸法的優(yōu)點(diǎn)：電纜傳輸法的優(yōu)點(diǎn)： 信息傳輸效率高，速度快，信息量大，可進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸；信息傳輸效率高，速度快，信息量大，可進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸； 不需要井下電源

30、，地面電源通過(guò)電纜傳導(dǎo)井下；不需要井下電源，地面電源通過(guò)電纜傳導(dǎo)井下； 可以雙向通信，形成閉環(huán)控制；可以雙向通信，形成閉環(huán)控制； 不存在信息衰減問(wèn)題，沒(méi)有井深限制；不存在信息衰減問(wèn)題，沒(méi)有井深限制； 1. 電纜鉆桿：電纜鉆桿： 特制的鉆桿，電纜埋在鉆桿壁里。特殊接頭，不僅可連接鉆桿，還可特制的鉆桿，電纜埋在鉆桿壁里。特殊接頭，不僅可連接鉆桿，還可連接電纜。連接電纜。 缺點(diǎn)：電纜鉆桿制作太復(fù)雜；缺點(diǎn)：電纜鉆桿制作太復(fù)雜； 2. 有線隨鉆：有線隨鉆： 儀器和電纜從測(cè)入接頭進(jìn)入鉆桿水眼，并下入到井下。儀器和電纜從測(cè)入接頭進(jìn)入鉆桿水眼，并下入到井下。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 下入后不能接單跟；下入后不能接單跟； 無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)； 電纜容易磨損；等等電纜容易磨損；等等MWD原理簡(jiǎn)介原理簡(jiǎn)介電磁波及聲波傳輸法電磁波及聲波傳輸法 電磁波傳輸法：電磁波傳輸法： 電磁波可以傳輸電視、電磁波可以傳輸電視、廣播、電報(bào)等等，原廣播、電報(bào)等等，原理上可以傳輸井下測(cè)理上可以傳輸井下測(cè)量信號(hào)，實(shí)際上困難量信號(hào)，實(shí)際上困難很大；很大； 主要問(wèn)題是：傳