连续测斜仪的实现原理.doc

连续测斜仪原理和测量系统的实现 在地质勘探中，为了能够确定出地层层面倾角和倾斜方位角，必须连续测量井筒的倾角和倾斜方位角以及作为参考标志的井下仪器倾角和方位角。在进行丛式钻井或水平井、救险井中，更需要知道井身轨迹和钻头位置，以调整下一步的钻进方向。因此，无论是完钻之后或是钻井过程中，高精度连续地测量井斜和方位都是十分必要的。 以前的电阻式井斜仪中，倾角和方位角电位器的活动臂，在仪器沿井筒移动过程中并不与电阻丝接触，仅在仪器停止移动后才通过继电器控制使它们接触，所以只能逐点测量。为了连续测量井斜和方位，在有的仪器中采用了低转矩电位器。但低转矩电位器是触点机械式传感器使仪器精度的提高受到很大的限制，且可靠性也很差。 90年代后，各大石油公司相继采用了惯性导航系统来测量井斜和方位角，以重力加速度传感器和磁通门传???器代替低转矩电位器和重力摆电位器组成新的井斜测量系统。就象确定飞机在空间姿态一样，可以准确地确定井下仪器的运动姿态。 一．惯性导航定向方法： 在大地空间存在着重力场和磁场。在地球的某一点，重力方向垂直向下指向地心，而磁场方向则与该点在地球上的位置有关；以大地重力方向和磁场方向作为标准，就可以确定某个物体空间的姿态。飞机上用的惯性导航系统便是一例。图一所示为惯性导航系统定向的原理示意图。图中[X，Y，Z]是两两正交的直角坐标系。Y轴正向指向飞机头部，X轴正向指向飞机的右翼，而Z轴则垂直于XOY平面，其正方向向上。[N，E，V]是两两正交的大地坐标系，N轴正向指向正北方向，E轴正向指向正东方向，V轴正向则指向重力相反方向。为了确定飞机的姿态，只需确定飞机坐标系相对于大地坐标系的三个角度，这三个角度分别是： 图一 惯性导航系统定向原理 γ：方位角，它是Y轴水平投影与磁北N的夹角，它决定了飞机的飞行方向。 α：Z轴与V轴的夹角，也既Y轴与其水平面上投影间的夹角，它的大小反应飞机的俯仰程度。 β自转角，飞机绕自身轴线转动形成的夹角。 为了测出这三个角度，只需在飞机坐标系的三个轴上分别安装和测出重力加速度G和磁场强度F的分量，就可准确的确定飞机在大地空间中的姿态。 连续测斜原理： 在连续测斜仪中，三个加速度传感器和三个磁通门传感器分别安装在三个两两正交的轴上，用以测量G和F分别在这些轴上的分量Gx、Gy、Gz、Fx、Fy和Fz。如图二所示，在大地坐标系[N，E，V]中，重力加速度G和V轴重合，而磁场强度F则在NOV平面上，F和N之间的夹角称地磁倾角I。假设[X，Y，Z]为仪器坐标系，Z轴与仪器轴线重合指向仪器下部，X轴在仪器横截面上指向仪器基准方向；Y轴也在仪器横截面上，与X轴垂直，其方向遵循右手法则（图三所示）。则在仪器坐标系中，六个传感器的输出分别以gx，gy，gz，fx，fy，fz表示，而G和F两个单位向量有如下关系： g=gxi+gyj+gzk f=fxifyj+fzk 且有： gx2 +gy 2+gz 2=1 fx2 +fy 2+fz 2=1 图二 大地坐标系 如图三所示，在大地坐标系中，V轴方向向下，ξξ是仪器横截面与水平面的交线，ηη是[X，O，Y]的横截面通过原点O的垂直线，那么我们可以定义： DAZ：oη顺时针偏离ON的夹角，称之为仪器倾斜方位角，oη是仪器轴线OZ在水平面上的投影线； RB：是OX顺时针偏离Oη（最初的基准线）的夹角，它反应了仪器自身旋转的程度，在测井中，称之为相对方位角。 DEV：是OZ与OV间的夹角，为仪器倾斜角。 这样在仪器坐标系和大地坐标系中，通过三次坐标旋转就可以计算出上面三个变量的函数关系： DEV=arctg[（gx 2+gy2 ）/gz] tgDAZ=（gyfx-gxfy）/（fx-gxsinI） 其中 sinI=gxfx+gyfy+gzfz RB=180°-arctg（gy/gx） 至此，只要我们能测量出六个传感器的输出gx，gy，gz，fx，fy，fz，就可以根据这六个值来确定仪器在井筒中的姿态，这个姿态就是用DEV，DAZ，和RB三个角度唯一确定。 图三 仪器姿态示意图 连续测量系统的实现： 连斜测量系统包括传感器和变换电