CN2350726Y - 球面圆环栅云纹定向测斜仪 - Google Patents

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一种球面圆环栅云纹定向测斜仪,包括有外壳、测斜传感器、摄像部分以及由电缆与摄像部分相连的采集处理部分,通过传感器中的刻有相同的球面圆环栅的内外球壳在钻井倾斜时相互错位而干涉出云纹图案,由摄像部分摄像并传输到采集处理部分中,对所摄的图案进行分析处理,从而获得钻井的倾斜角和方位角的数据。它以高精度和低廉的价格解决了随钻自动测量倾斜角和方向角的关键性技术问题。

Description

球面圆环栅云纹定向测斜仪
本实用新型涉及一种检测倾斜角和方位角的测斜仪；特别是一种利用球面圆环栅云纹对钻井的倾斜角和方位角进行定向测量的测斜仪。
检测倾斜角和方位角的测斜仪通常属于钻井测斜技术领域。它可用于石油钻探、矿山、建筑、勘察等工程定向钻井测量，是控制井眼轨迹必不可少的工具之一。此外，它也可以用在一般工程中进行测斜和测水平。目前，国内外使用的测斜仪多为机械式，例如：王斌的《定向钻井测量仪器》(石油工业出版社，1990,9)等，包括电磁、陀螺、声波、重力加速度式机械测斜仪。根据有关资料可以看出，当前国内外已有多种测斜研究成果应用于生产实际。它们在原理和结构上各有不同，也各有优缺点。依据其工作原理主要可分为以下几类：
1、利用液面水平原理；用玻璃制做充有液体的倾斜探头，此方法虽简单，成本低，但精度低；
2、利用重锤原理；当探头随钻孔倾斜时，悬锤轴可测出钻孔倾斜角，此方法测量精度也差，误差一般在±30分，国外有44种测斜仪均属此原理。
3、利用陀螺、声波原理及机械式测斜；此类方法虽然在精度上、自动化程度上都有所提高，但其结构十分复杂，一般精度也在±30分左右，且造价昂贵。
另外，从使用过程方面可分为磁单点、多点和陀螺照相不随钻测斜仪及随钻测斜仪。照相测斜仪不能对钻井过程实时监控。随钻测斜仪能随时提供井斜、方位、温度参数，但目前使用的随钻测斜仪价格相当昂贵，例如美国生产的有线随钻测斜仪约100万美元，而无线随钻测斜仪在大约200万美元以上。
目前还有几种测斜仪在其二次使用上进行了改进，例如使用数码显示、微机处理等，但由于这些仪器在原理上的限制，很难继续提高它们的测斜精度，因而不能满足精度较高的钻井测斜的要求。
综上所述，目前使用的现有测斜仪的缺陷主要集中在自动化程度低、结构复杂、精度低、成本过高以及(非实时)停钻测斜等几个方面。
本实用新型的目的是克服现有技术中的一些不足之处，提供一种精度高且造价低廉、实用的测斜仪。它特别适用于定向钻井工程中的随钻自动测斜，以解决倾斜角和方位角监测的关键性技术问题。
实现上述目的的球面圆环栅云纹定向测斜仪包括有外壳、测斜传感器、摄像部分以及通过电缆与摄像部分相连的采集处理部分，所述传感器包括固定于外壳上的透明外球壳，容纳于该外球壳中的液体，设置于所述外球壳内并与外球壳保持一定间距而飘浮在液体中的透明内半球壳，固定在所述内半球壳底平面下起指北、配重作用的条形磁铁，其中，所述内半球壳以顶点为圆心沿外球面光刻有节距相等的同心圆环栅，球内壁涂有反射层，而所述外球壳的内壁上半部则刻有与内半球壳相同的圆环栅线；
所述摄像部分包括固定于上述球形传感器上方外壳上的CCD摄像头以及位于上述摄像头至少一侧，也固定于上述球形传感器上方外壳上的照明装置。
下面简单说明其工作原理：如果内半球壳与外球壳上的圆环栅错位就可以相互干涉而产生云纹，根据云纹的形状、条纹级数和内球壳上圆环栅中心运动方向可以判别倾斜角和方位角。当钻井方向为铅直时，内外球壳上的圆环栅是重合的，没有云纹产生；而当钻井方向倾斜时，两圆环栅错位便会产生云纹。在使用中，将球型传感器固定在外壳上，使外壳的筒心轴线与传感器两球壳上的圆环栅中心重合，再将外壳与非磁钻铤内壳固接。在传感器的上方安装CCD摄像头和照明装置。当仪器工作时，摄像头把传感器上产生的云纹图象信号传输到地面上的图象采集和处理系统，经分析处理便可得出相应结果。
本测斜仪运用了光学上的云纹法原理，根据球面圆环栅叠合干涉形成云纹来判别倾斜角和方位角，用CCD摄像系统摄取云纹图像，再用微机采集处理系统进行数据分析和处理并得到所需信息。它克服了上述以往测斜仪的缺点，具有高精度、不停钻、结构简单、技术上易于实现等特点，尤其是其造价远远低于国内外现有的测斜仪。本测斜仪解决了定向钻井工程中倾斜角和方位角监测的关键性技术问题，它也可用于一般工程中的测斜及测水平。
图1是本实用新型的球面圆环栅云纹定向测斜仪的结构示意图；
图2是所述测斜仪的传感器中产生的球面圆环栅干涉云纹的效果图；
图3是所述测斜仪的传感器及摄像部分的结构图；
图4a、4b、4c分别是所述测斜仪所传感器中不同形状的条形磁铁的示意图；
图5是测斜仪的系统示意框图。
下面参照附图说明本实用新型的实施例。
参见图1和图3，上述球面圆环栅云纹定向测斜仪包括有：外壳1、测斜传感器B、摄像部分以及通过电缆8与摄像部分相连的采集处理部分9。
外壳1呈圆筒型，用于容纳球型传感器外球壳2并可与之固接，它的外面与非磁钻铤A的内壁相固接。传感器B带有固定于外壳1上的透明外球壳2，所述外球壳2呈圆球形，其中充有液体5，该液体5可以是水，也可以是黏度较低透明的油或者其它液体。在所述外球壳2内设置有透明内半球壳3，它呈大半个球形，并且以与外球壳2保持一定间距的方式飘浮在上述液体5中，可在外球壳2中随液体5的液面转动，在所述内半球壳3底平面下固定有起指北、配重作用的条形磁铁4，使内球壳3的方位保持一定。所述内半球壳3以顶点为圆心沿其外球面通过光刻形成有节距相等的同心圆环栅，在球的内壁涂有反射层C，而所述外球壳2的内壁上半部则刻有与内半球壳相同的圆环栅线。上述内外球壳2和3是透明且密闭的，可以由玻璃或者有机玻璃等制成。所述摄像部分包括固定于上述球形传感器B上方外壳1顶部的CCD摄像头6，位于上述摄像头6至少一侧，同样固定于上述球形传感器B上方外壳1上的照明装置7。摄像头6从上方对着球型传感器B，用来摄取所述球型传感器B中产生的云纹图象。所述照明装置7可以是灯泡，设置在外壳1顶部摄像头6的一侧或者两侧，也可以围绕摄像头6设置多个，它从上方照向传感器B，照亮产生云纹处，以使摄像头6摄得的图像清晰。所述采集处理部分9带有微机(未示出)，通过传输电缆8与摄像头6相连，用以对由摄像头6摄得的图像进行分析、处理。
参见图4，条形磁铁4固定在内球壳3的底平面下用来给内球壳3定向，同时它还起到给飘浮在液体5上的内球壳3配重的作用，因此两者在液体中的稳定性是非常重要的。条形磁铁4可以制成断面为圆弧形的条状(如图4a所示)、断面为三角形的条状(如图4b所示)以及断面为梯形的条状(如图4c所示)，它们都能够获得较好的稳定性，但条形磁铁4的形状并不限于此，它可以是能够获得较好的稳定性的任何形状。
安装时，先将球型传感器B的外球壳2固定在外壳1上，使外壳1的筒状轴线与内外两球壳2、3上的圆环栅中心重合，再将外壳1与无磁钻铤的内壁壳体相固接，然后，在球型传感器B的上方安装CCD摄像头6和照明装置7。再将摄像头6通过电缆8连接地面的图象采集和处理系统9。
参见图5，在工作时，首先由球型传感器(B)产生云纹(不倾斜时不产生)，通过CCD摄像头(6)对该云纹进行摄像，再将摄取的图像经电缆(8)传输到采集处理装置(9)中进行处理。
传感器B产生的云纹图案与倾斜角和方位角的关系如图1及图2所示，当钻井方向为铅直时，内外球壳2、3上的圆环栅是重合的，没有云纹产生。如果非磁钻铤A产生倾角为θ的倾斜(见图1)，则内半球壳3与外球壳2上的圆环栅形成错位，就会相互干涉而产生云纹(如图2所示)，根据云纹的形状、条纹级数和内球壳上圆环栅中心运动方向可以判别倾斜角和方位角。图2中的梭形条纹既为干涉云纹，梭的两个端点O、P分别是内外球壳2、3上的圆环栅中心。这两端点与球心连线所成的夹角既为倾斜角θ(图1中)；而梭的走向与条形磁铁S-N的夹角既为方位角α(见图2)。
本实用新型以更科学的原理和更简洁的结构使得其具备了以下几大优点：
1、测斜精度高；测斜精度随圆环栅的节距的减小而提高，节距可根据精度要求而调节，可测倾斜角达5秒以下。
2、检测速度快；用高科技含量很高的摄像系统和先进的微机采集处理系统来完成倾斜的测量与分析处理已是轻而易举。
3、实现不停钻随钻测量；传感器不受钻杆转动的影响，摄像系统可以随时摄取图象和传递图象信号给地面的上图象采集和处理系统，可以迅速得出结果。
4、结构简单，成本低；球型传感器结构很简单，所用的材料是一般的有机玻璃或玻璃，摄像和微机系统成本也较低。与目前国内外的测斜仪相比成本大大的降低了。

Claims (9)

1．一种球面圆环栅云纹定向测斜仪，包括有外壳(1)、测斜传感器(B)、摄像部分以及通过电缆(8)与摄像部分相连的采集处理部分(9)，其特征在于：所述传感器(B)包括固定于外壳(1)上的透明外球壳(2)，容纳于该外球壳(2)中的液体(5)，设置于所述外球壳(2)内并与外球壳(2)保持一定间距而飘浮在液体(5)中的透明内半球壳(3)，固定在所述内半球壳(3)底平面下起指北、配重作用的条形磁铁(4)，其中，所述内半球壳(3)以顶点为圆心沿外球面光刻有节距相等的同心圆环栅，球内壁涂有反射层(C)，而所述外球壳(2)的内壁上半部则刻有与内半球壳(3)相同的圆环栅线；所述摄像部分包括固定于上述球形传感器(B)上方外壳(1)上的CCD摄像头(6)以及位于上述摄像头(6)至少一侧，也固定于上述球形传感器(B)上方外壳(1)上的照明装置(7)。
2．如权利要求1所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述内、外球壳(3)、(2)由玻璃制成。
3．如权利要求1所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述内、外球壳(3)、(2)由有机玻璃制成。
4．如权利要求2或3所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述液体(5)是透明油液或水。
5．如权利要求4所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述条形磁铁(4)的断面为圆弧形。
6．如权利要求4所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述条形磁铁(4)的断面为三角形。
7．如权利要求4所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述条形磁铁(4)的断面为梯形。
8．如权利要求5至7之一所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述照明装置(7)是两个位于摄像头(6)两侧的灯泡。
9．如权利要求8所述的球面圆环栅云纹定向测斜仪，其特征在于：所述采集处理部分(9)带有用来对由摄像头(6)摄得的图像进行分析的微机。
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