CN101324187A - 数码录像测斜仪 - Google Patents

Abstract

一种数码录像测斜仪，包括一探管，在探管中设有测量室，测量室通过轴承支承在探管的外壳上，在测量室中设刻度标示件，其固定在密封室上，在测量室中注有绝缘液体，测量室中的绝缘液体中漂浮地设有指针与所述刻度标示件相关联；在测量室中设一录像机，其上的摄像头置于刻度标示件上面以摄录指针在刻度标示件上的指示位置。本数码录像测斜仪通过安装在测斜仪上的摄像机直接获得井下机械测角部分测出的井斜角和井斜方位角的数据影响，避免大量中间过程造成的误差，使得所测数据的精度、可信度大为提高。取消机电转换部分，取消了原有测斜仪的锁紧机构、机电转化部分，使测斜仪结构大为简化。通过图像直接可看出井下仪器工作情况，及时掌握故障情况。

Description

数码录像测斜仪

技术领域

本发明提供一种油井斜度测量装置，尤其是一种数码录像测斜仪。

背景技术

现有测斜仪有液面水平原理、悬垂原理、磁针定向原理、陀螺惯性定向原理、加速度测斜原理等，现有测斜仪存在的问题是，由井下机械测角部分测出的井斜角和井斜方位角要经过机电转换，再把电讯号传到地面仪器，然后把井下测来的电讯号再转换成井斜角和井斜方位角的度数，同时，机电转换还需要锁紧装置。这些过程复杂，产生误差的中间因素多，使得所测数据的可信度差。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种消除中间误差的数码录像测斜仪。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的数码录像测斜仪包括一个探管，在该探管中设有测量室，所述测量室通过轴承支承在所述探管的外壳上，在该测量室中设有刻度标示件，其固定在所述测量室上，在该测量室中注有绝缘液体，该测量室中的所述绝缘液体中漂浮地设有指针与所述刻度标示件相关联；在所述测量室中还设有一录像机，其上的摄像头置于所述刻度标示件处，以摄录所述指针在所述刻度标示件上的指示位置。

所述刻度标示件可以是顶角刻度标示件，也可以是方位角刻度标示件。

当所述刻度标示件为方位角刻度标示件时，所述漂浮的指针的结构可以是：包括一个密封室，该密封室置于所述绝缘液体中，其上表面露出在液面之上，其下底面的中心位置上设有一球形铰链或摆轴，该球形铰链或摆轴与测量室之间通过轴承可在水平面上转动地连接；在所述密封室中设有一陀螺电机，该密封室在水平方向上设有平衡杆，该平衡杆上设有指针，所述平衡杆装在所述密封室的外表面上，随密封室动而动；所述方位角刻度标示件的结构可以是：在测量室中设有一摆架，通过摆轴其与测量室内壁相固联，该摆架上固定所述方位角刻度标示件即方位刻度盘，使得该方位刻度盘可在测量室的纵截面平面内转动。

由于采用录像机录像技术得到方位角数据，故而，所述指针和方位刻度盘可以是不相接触的。

所述指针可以置于方位刻度盘的下方。

所述录像机的摄像头可固定设在与测量室内壁连接的杆件上。

当所述刻度标示件为顶角刻度标示件时，所述顶角刻度标示件的结构可以为：包括一顶角刻度球壳，其球壳腔朝下地固定在所述测量室的内壁上至少该球壳腔内充满绝缘液体；所述漂浮的指针的结构可以是：其包括一鱼漂，所述鱼漂置于该球壳腔内，鱼漂的上顶面上设一指针，该鱼漂的下端面上固设一鱼漂线的一端，鱼漂线的另一端固定在一固定杆的上端，该固定杆的下端固定在测量室的下底面上，固定点位于所述球壳的中心点，连接在固定杆上的鱼漂上的指针在所述绝缘液体的漂浮下始终保持在铅垂位置。

当所述刻度标示件为顶角刻度标示件时，所述顶角刻度标示件的结构还可以为：包括一具有环形中空腔室的环形顶角尺，其上固设一支撑架，该支撑架固定在测量室的内壁上，所述环形顶角尺的环形中空腔室中充有液体，液体中具有一气泡。

本发明提供的数码录像测斜仪一改现有技术将侧斜仪的测量数据由井下机械测角部分测出的井斜角和井斜方位角，经过机电转换，再把电讯号传到地面仪器，然后把井下测来的电讯号再转换成井斜角和井斜方位角的度数的测斜模式，通过安装在测斜仪上的摄像机直接获得井下机械测角部分测出的井斜角和井斜方位角的数据图象，使井下仪器的机械测角部分显示的井斜角和井斜方位角直接用图像记录或在地面仪表箱显示出来，这样，避免了大量的中间过程造成的误差，使得所测数据的精度、可信度大为提高。同时，取消机电转换部分，也就取消了原有测斜仪的锁紧机构、机电转化部分，使测斜仪的结构大为简化。再有，通过图像直接可看出井下仪器工作情况，还可以及时掌握故障情况。

下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的测斜仪中当刻度标示件为方位角刻度时的测斜仪的第一种结构示意图；

图2为本发明提供的测斜仪中当刻度标示件为方位角刻度时的测斜仪的第二种结构示意图；

图3为本发明提供的测斜仪中当刻度标示件为方位角刻度时的测斜仪第三种结构示意图；

图4为本发明提供的测斜仪中当刻度标示件为方位角刻度时的测斜仪第四种结构示意图；

图5为本发明提供的侧斜仪中当刻度标示件为顶角刻度标示件时的侧斜仪的一种结构示意图；

图6为本发明提供的侧斜仪中当刻度标示件为顶角刻度标示件时的侧斜仪的另一种结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的数码录像测斜仪可测量井的方位角和斜角。

一、方位角的测量

结构原理如下：

1.机械测角部分，

如图1所示，本发明提供的数码录像测斜仪包括一个探管，其包括一个外筒3和一个内筒5也就是测量室，内筒5通过轴承1和轴承15固定在外筒3上，使得内筒5可转动地固定在外筒内，内筒5和外筒3同轴固定。

所述漂浮的指针的结构是：在内筒5中设置一个密封室11，一陀螺电机10固定在该密封室11中。轴承1和轴承15的作用是消除井下仪器下井过程中由于电缆的转动而引起陀螺方位变化的影响。陀螺电机10通过陀螺电机轴装在密封室11内，而密封室11通过球形铰链或摆轴12和轴承13固定在内筒5的中心线上，轴承13和球形铰链或摆轴12的目的是消除内筒5的转动对陀螺电机方位变化的影响，球形铰链或摆轴12可万向转动，使得内筒5运动时不影响电机的方位。在内筒内充有绝缘液体16，其液面比密封室11上平面略低，绝缘液16的作用有两个：一个是保持陀螺电机10的轴和方位刻度盘8(见后)的水平位置，另一个是使陀螺电机和数码录像机绝缘。在密封室11的外壁上设有平衡杆17。平衡杆17是使陀螺电机10受力平衡。该平衡杆17上设有指针9；在内筒的下底面上设有偏心重块14。

所述方位角刻度标示件的结构是：在测量室中设有一摆架7，其与内筒5内壁通过一支撑杆18和摆轴6相固联，摆架7上通过摆轴6固定一方位角刻度标示件即方位刻度盘8，使得该方位刻度盘8随偏心重块14的偏心重力带动内筒5转动而转动，又会在井倾斜时随液面变化而转动。摆轴(轴承)6的作用是当井轴线倾斜时，不影响方位刻度盘8的水平位置。装在平衡杆17上即陀螺电机轴延长线的指针9是用来指示井斜方位角的数值的。

2.录像部分：

一数码录像机的摄像头固定设在内筒5上。录像机的摄像头4设置在支撑杆18上，尽可能靠近方位刻度盘8。支撑杆18固定在内筒5上。

由于采用录像机录像技术得到方位角数据，指针和方位刻度盘是不相接触的。

指针置于透明的方位刻度盘8的下方。

在内筒5的下底面上固定一偏心重块14。在内筒5上装偏心重块14的目的是，当井轴线在某一方位倾斜时，使装在内筒5上的支撑杆18、摆架7、方位刻度盘8与内筒5转过相同的角度，与井轴线倾斜方位一致。

由上可知，陀螺电机轴由于惯性定向原理始终定向在水平某一方位角上，而方位刻度盘8在偏心重块14的作用下随井轴线倾斜方位转动相同的角度，由指针9指在方位刻度盘8的井斜方位角的变化值，经过换算可得以磁北方向为基准的井斜方位角。

装在内筒5的轴线上方的数码录像机2和摄像头4可按照地面指令录下井下某一深度的指针9指在刻度盘8上位置画面，可精确读得该深度的倾斜方位角。在支撑杆18的内筒轴线上设置一光源19，其提供足够的亮度以保证所录图像清楚。

还可以是如图2所示的结构：在图2中，去掉了图1中的支撑杆18、摆轴(轴承)6、方位刻度盘8，光源19不变，把指针9a延长至内筒5的内壁，但不与内壁接触。把井斜方位刻度直接刻在内筒(密封室)5的内壁上，零刻度对准偏心重块14的重心垂线。

如图3所示，当所述刻度标示件为方位角刻度标示件时，所述方位刻度标示件和所述漂浮的指针的结构为：包括内环、外环、I轴、II轴、III轴与陀螺电机组成的三自由度陀螺仪，该陀螺仪的所述I轴用两轴承固定在内管内壁上，I轴的上端固设一方位指针，该方位指针下面有0°-360°的方位刻度盘，该方位刻度盘固定在内管内壁上，方位指针与方位刻度盘不相接触，内管下面在方位刻度盘刻度为0°处设置一偏心重块。

具体的，所述漂浮的指针的结构为：包括一具有外环307、内环309、I轴306、II轴310、III轴308、陀螺电机313、I轴轴承305、II轴轴承311组成的二环三轴三自由度的机械陀螺仪，外环307通过I轴轴承305固定在内管302的内壁上，在I轴306的上端部安装方位指针303，与方位指针303相对应地安装方位刻度盘304，方位刻度盘304固定在内管302的内壁上，内环309通过II轴310及轴承固定在外环上，陀螺电机313通过III轴308及轴承固定在内环上。

由于高速转动的陀螺电机313的定轴性把方位指针303定在磁北方向；方位刻度盘304的0刻度与偏心重块312的中心在同一铅垂面内，内管302通过上、下轴承317固定在外管301上，因此，当探管即外管301处于倾斜井段某一处，在偏心重块312的重力下使方位刻度盘304的刻度指向井段该处的倾斜方位，方位指针303在方位刻度盘304的读数即为该处的倾斜方位角。

该倾斜方位角的机械图像可通过数码录像机316、光源315、摄像头312系统可按测量要求录出。该系统结构与图1、2所示的结构基本相同。

如图4所示，当所述刻度标示件为方位角刻度标示件时，所述方位刻度标示件和所述漂浮的指针的结构为：包括一磁针式罗盘，该罗盘用水平轴固定在所述内管内壁上，该罗盘下端中心位置固设中心重块，该内管下端固设偏心重块。

具体的，所述方位角刻度标示件的结构和所述漂浮的指针的结构为：包括一具有磁针404、方位刻度盘405、磁针轴411、轴承410、罗盘盒403组成的罗盘，它通过水平轴406安装在内管402的内壁上。罗盘盒403的下端中心处安装中心重块407。内管402通过轴承409安装在外管401上，在内管402的下端与水平轴406相垂直的平面内安装偏心重块408。水平轴406的作用是在倾斜井段仍能保证罗盘处于水平状态。磁针404总是指向磁北方向，方位刻度盘405的0刻度与偏心重块408的中心在同铅垂平面内，因此当探管即外管401处于倾斜井段时，磁针404在方位刻度盘405上所指示的刻度即为倾斜方位角。

该倾斜方位角的机械图像可通过数码录像机414、光源413、摄像头412系统可按测斜要求录出，该系统的结构与前述实施例基本相同。

二、井斜角(顶角)的测量

1、机械测角部分

如图5所示，与前面实施例相同的，内筒05通过轴承01和轴承012固定在外筒02上。

当所述刻度标示件为顶角刻度标示件时，所述顶角刻度标示件的结构可以为：包括一顶角刻度球壳014，其球壳腔朝下地固定在内筒02的内壁上。至少该球壳腔内充满绝缘液体；在本实施例中，整个内筒02内都充满绝缘液体06。在内筒的下底面上设有偏心重块011。

所述漂浮的指针的结构可以是：其包括一鱼漂07，鱼漂07置于顶角刻度球壳腔014内，鱼漂07的上顶面上设一指针015，该鱼漂07的下端面上固设一鱼漂线08的一端，鱼漂线08的另一端09固定在一固定杆010的上端，该固定杆010的下端固定在测量室的下底面上，固定点位于所述球壳014的中心点，连接在固定杆010上的鱼漂07上的指针015在绝缘液体06的漂浮下始终保持在铅垂位置。

在内筒05的下底面上固定一偏心重块011。

轴承01和轴承012的作用是仪器下井过程中由于电缆的转动而带动内筒05的转动使鱼漂07在绝缘液06的浮力作用下稳定在铅垂方向。偏心重块011的作用使减小内筒的转动。顶角刻度球014通过固定线013固定在内筒05上，鱼漂07通过鱼漂线08固定在线固点09上，线固定点09在固定杆010上，固定杆010固定在内筒05的中心轴上，由图5可知，线固定点09位于顶角刻度球014的中心点上，装在鱼漂07上的指针015始终保持在铅垂位置，指针015顶角刻度球014内球面保持相同的近距离能读出刻度即可。

当井轴线发生倾斜时，固定在内筒05上的顶角刻度球014倾斜相同的角度，由指针015指在顶角刻度球014上的位置，即可读出某一井深处的井身轴线的井斜角(顶角)值。

2.录像部分

一数码录像机03的摄像头04固定设在一支架上，支架固定在内筒5上。录像机的摄像头04设置靠近顶角刻度球壳014。在支架上还设有光源016。

由于采用录像机录像技术得到顶角数据，指针和顶角刻度球壳014是不相接触的。

如图6所示，当所述刻度标示件为顶角刻度标示件时，所述顶角刻度标示件的结构还可以为：包括一具有环形中空腔室的环形顶角尺209，其上固设一支撑架210，该支撑架210固定在内筒204的内壁上，内筒204通过上下两轴承201与外筒203固联，该固联结构与前面实施例的结构相同。所述环形顶角尺209的环形中空腔室中充有液体206，液体中具有一气泡205。

与前面实施例相同地，在内筒的下底面上设有偏心重块211。

在内筒的上部固设摄像机202。在环形顶角尺209的中垂线的两端设置摄像头207和光源208。

上述实例提供的数码录像测斜仪测顶角装置是利用高精度的气泡水平尺的原理设计的。带有顶角(或倾斜角)刻度的环形中空的顶角尺209，它由支撑架210固定在内筒204的内壁上，环形中空的顶角尺209的中心平面与偏心重块211的重心和探管(外筒)203中心线所组成的平面平行，内筒204通过上、下两个安装在内筒204上、下两端面中心的轴承201固定在外筒203上，外筒203与内筒204的中心轴线为同一直线。环形中空的顶角尺209的内部空间装满液体206，液体中有一气泡205。

由于气泡205的密度远远小于液体206的密度，因此，当外筒203在井筒中任何倾斜位置时，气泡205总是处于环形中空的顶角尺209的最高点。当外筒3处于铅垂井筒时，此时的气泡205所处的顶角尺209的刻度为0°；而当外筒203处于倾斜井筒时，此时的气泡205所处的顶角尺209的刻度即为倾斜井筒在该处的顶角(倾斜角)值，当外筒3处于水平井段时，此时的气泡205所处的顶角尺209的刻度为90°。

偏心重块211的作用是在它的偏心重力下把环形中空的顶角尺209的中心平面与井轴中心的倾斜平面一致。这样才能保证顶角尺209测出的顶角(倾斜角)是正确的。

环形中空的顶角尺测出的顶角值是通过数码录像机202的摄像头207录下来的。摄像头207和光源208安在通过环形中空的顶角尺中垂线两边，并固定在内筒204的内壁上。录像机的机芯202固定在内筒内壁上。

地面上的仪器可通过电缆中的闭路电视线把图象传到地面上来，和通过电缆中的控制线，按要求的深度测点摄下顶角刻度尺图象，读出顶角值。

本测斜仪的优点是：1.可高精度测出顶角值，作为现有测斜仪测顶角的标准；2.由于未设有锁紧装置和机电转换装置，可连续测量，缩短测井时间。

三、特别要求

(一)对指针及刻度盘的要求

1.测方位角

①方位刻度盘，刻度精确、清楚；刻度盘受浮力大，保持水平性能好；刻度盘对着指针面光滑，指针偶尔接触时阻力极小可略，方位刻度盘用透明材料制作。

对于直接把方位刻度刻在内筒(密封室)5的内壁上的情况，要求零刻度对准偏心重块14的重心线，并且刻度线沿着内筒(密封室)5的内壁纵向上加长，以保证大顶角时能读出倾斜方位角。

②指针，指针内设弹簧，使由于密封液面倾斜运动时，指针与方位刻度盘运动不同步偶尔接触时，由于有弹簧作用产生正压力小，使摩擦阻力小；指针头成半球形，既好度数，摩阻又小。

2.测井斜角

①顶角刻度球，刻度精确、清楚；顶角刻度球安装位置精确稳固；用透明材料制作。

②指针，指针安装位置精确，所指位置清楚；重量轻，稳固。

(二)数码录像机及摄像头要求

1.在井下高温160℃时仍能正常工作；

2.摄像头体积小，如针孔摄像机，可安装数个，摄像清楚为原则；

3、录像时间满足测斜及钻井工艺要求。

四、数码录像机的安装与使用方法

可分为两种方案

(一)井口显像

1.安装：数码录像机的摄像头、光源等部分可安装在井下，存储及显像、操作部分可安装在地面仪表箱，从井下仪表到井口仪表中间用电视闭路线传送信号。

2.使用

该种方法可连续测试，井口按一定的预定测点的下入深度按动测量键，每按一次测一个下入深度处的井斜角和井斜方位角。该种方法必须在井筒铁质部分对电视闭路线中的高频电信号影响小时才能使用。

(二)非井口显像

1.安装：数码录像机(针孔摄像机)全部安装在井下，只是把摄像操作按钮装在地面仪表箱。

2.使用：该种方法可连续测试，井口按仪器的预定测定的下入深度按动测量键，每按一次测一个下入深度的井斜角和井斜方位角。该种方法只有把井下仪器提出井口后，再把存储的图像输入地面仪表箱，才能根据图像读出每一个深度测点的井斜角和井斜方位角。

五、数码录像测斜仪的优点

1.取消了原有测斜仪的锁紧机构，机电转化部分，使仪器结构大为简化，使井下仪器的机械测角部分显示的井斜角和井斜方位角直接用图像记录或在地面仪表箱显示出来，避免了大量的中间过程造成的误差，使得所测数据的精度、可信度大为提高。

2.由图像直接可看出井下仪器工作情况，可及时掌握故障情况。

3.对于陀螺仪，避免了电刷和方位电位计接触才能导电而产生的摩擦力矩，避免此力矩而引起陀螺的漂移。又由于取消了锁紧装置，可按要求进行连续测量，大大缩短测量时间，减小陀螺漂移时间。由此两点大大提高陀螺测井斜方位角的精确度。

4.对于测井斜顶角，由于是采用了高精度气泡水平尺原理而设计的环形中空的顶角尺，可作为各种方法测顶角仪器的标准仪器。

Claims (10)

1.一种数码录像测斜仪，其特征在于：包括一个探管，在该探管中设有测量室，所述测量室通过轴承支承在所述探管的外壳上，在该测量室中设有刻度标示件，其固定在所述测量室上，在该测量室中注有绝缘液体，该测量室中的所述绝缘液体中漂浮地设有指针与所述刻度标示件相关联；在所述测量室中还设有一录像机，其上的摄像头置于距所述刻度标示件一间距的位置上，以摄录所述指针在所述刻度标示件上的指示位置。

2.根据权利要求1所述的数码录像测斜仪，其特征在于：在所述测量室的下底面上固设一偏心重块。

3.根据权利要求1所述的数码录像测斜仪，其特征在于：所述测量室包括一个外筒和一个内筒，内筒通过上下两个轴承固定在外筒上，使得内筒可转动地固定在外筒内，内筒和外筒同轴固定，在所述内筒的下底面上固设一偏心重块。

4.根据权利要求1所述的数码录像测斜仪，其特征在于：所述刻度标示件是顶角刻度标示件或顶角电位计，或者，是方位角刻度标示件或方位电位计。

5.根据权利要求4所述的数码录像测斜仪，其特征在于：当所述刻度标示件为方位角刻度标示件时，

所述漂浮的指针的结构是：包括一个密封室，该密封室置于所述绝缘液体中，其上表面露出在液面之上，其下底面的中心位置上设有一球形铰链或摆轴，该球形铰链或摆轴与测量室之间通过轴承可在水平面上转动地连接；在所述密封室中设有一陀螺电机，该所述密封室外表面上在水平方向上设有平衡杆，该平衡杆上设有指针；或者，

所述方位角刻度标示件的结构是：在测量室中设有一摆架，通过摆轴与测量室内壁相固联，该摆架上固定所述方位角刻度标示件即方位刻度盘，使得该方位刻度盘可在测量室的纵截面平面内转动；或者，方位刻度刻在所述内筒的内壁上；或者，

当所述刻度标示件为方位刻度标示件时，所述方位刻度标示件和所述漂浮的指针的结构为：包括内环、外环、I轴、II轴、III轴与陀螺电机组成的三自由度陀螺仪，该陀螺仪的所述I轴用两轴承固定在内管内壁上，I轴的上端固设一方位指针，该方位指针下面有0°-360°的方位刻度盘，该方位刻度盘固定在内管内壁上，方位指针与方位刻度盘不相接触，内管下面在方位刻度盘刻度为0°处设置一偏心重块；或者，

当所述刻度标示件为方位刻度标示件时，所述方位刻度标示件和所述漂浮的指针的结构为：包括一磁针式罗盘，该罗盘用水平轴固定在所述内管内壁上，该罗盘下端中心位置固设中心重块，该内管下端固设偏心重块。

6.根据权利要求5所述的数码录像测斜仪，其特征在于：当方位刻度刻在所述内筒的内壁上时，其零刻度对准所述偏心重块的重心线，并且刻度线沿着内筒的内壁纵向上加长，以保证大顶角时能读出倾斜方位角。

7.根据权利要求5所述的数码录像测斜仪，其特征在于：所述指针和方位刻度盘是不相接触的。

8.根据权利要求7所述的数码录像测斜仪，其特征在于：所述指针置于方位刻度盘的下方。

9.根据权利要求4所述的数码录像测斜仪，其特征在于：当所述刻度标示件为顶角刻度标示件时，

所述顶角刻度标示件的结构为：包括一顶角刻度球壳，其球壳腔朝下地固定在所述测量室的内壁上至少该球壳腔内充满绝缘液体；

所述漂浮的指针的结构是：其包括一鱼漂，所述鱼漂置于该球壳腔内，鱼漂的上顶面上设一指针，该鱼漂的下端面上固设一鱼漂线的一端，鱼漂线的另一端固定在一固定杆的上端，该固定杆的下端固定在测量室的下底面上，固定点位于所述球壳的中心点，连接在固定杆上的鱼漂上的指针在所述绝缘液体的漂浮下始终保持在铅垂位置。

10.根据权利要求4所述的数码录像测斜仪，其特征在于：当所述刻度标示件为顶角刻度标示件时，所述顶角刻度标示件的结构为：包括一具有环形中空腔室的环形顶角尺，其上固设一支撑架，该支撑架固定在测量室的内壁上，所述环形顶角尺的环形中空腔室中充有液体，液体中具有一气泡作为所述漂浮指针。

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