漂錘隨機定向浮陀測斜儀的製作方法
2023-10-06 05:44:19 2
專利名稱：漂錘隨機定向浮陀測斜儀的製作方法
技術領域：
本發明提供一種油井斜度測量裝置，尤其是一種漂錘隨機定向浮陀測斜儀。
背景技術：
現有測斜儀多採用液面水平原理、懸錘原理、陀螺慣性定向原理、加速度測斜原理等，現有測斜儀存在的問題是，結構較為複雜，產生誤差部件多，造成累計誤差大，影響鑽井測斜工程質量。另外，現有的測斜儀具有一個較大的框架，使得測頂角值範圍較小。
發明內容
本發明的目的在於改進現有技術中的不足， 提供一種結構簡單，性能可靠，提高所測數據的精度、穩定性和重複性--即所測數據的可信度的漂錘隨機定向浮陀測斜儀。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的漂錘隨機定向浮陀測斜儀包括一個探管，在該探管中設有測量室，所述測量室通過軸承支承在所屬探管的外殼上，在該測量室中設有電位計，在該測量室中注有絕緣液體，該測量室中的所述絕緣液體中漂浮地設有針形電刷；在所述測量室中還設有一個鎖緊機構，其與所述針形電刷或所述電位計相連接，使得所述針形電刷與所述電位計相接觸或相分離。
所述電位計可以是頂角電位計，也可以是方位角電位計。
所述針形電刷可以連接在一個魚漂或懸錘上，也可以連接在一個定向的懸浮裝置上。
所述鎖緊機構包括調速電機驅動的減速器以及一頂杆，該頂杆頂抵在連接所述針形電刷的魚漂或懸錘上，或是頂抵在所述電位器上，在所述減速器的輸出軸上連接一可將轉動變為直線運動的機構，該機構中的轉動部件與所述輸出軸連接，該機構中的直線運動部件與所述頂杆相連接。
在所述頂杆和所述測量室之間還設有扶正管，在所述頂杆和所述扶正管之間還設有復位彈簧，扶正管與密封室或測量室固聯在一起。
本發明提供的漂錘隨機定向浮陀測斜儀還可以是包括一個探管外殼，其內設有縱向軸，其與探管外殼固定在一起，在該縱向軸上通過軸承固設一支撐杆，該支撐杆的上端固定一測量室，該測量室的下底面固定在該支撐杆上；在測量室內的下底板焊接固設一支撐杆；支撐杆的上端通過固定其上的一球形鉸鏈，與一電機密封室連接，使該電機密封室在垂直和水平兩個平面內轉動；在該電機密封室內設有一陀螺電機，其通過設於其上兩側的水平軸固定在電機密封室的側壁上，微調裝置安裝在電機密封室兩側壁上。
在電機密封室的兩下側外壁上設有電刷平衡杆，在一側的電刷平衡杆上固設針形電刷，在兩側的電刷平衡杆上固設定位頂針；在測量室中注有絕緣液，其液面高於所述電機密封室的下端面但低於其上端面；在測量室的內壁上固設調速電機及減速機，其輸出軸上設有齒輪，其與一齒條嚙合，該齒條可上下移動地固定在測量室的內壁上；該齒條的下端固設一頂杆，該頂杆的一端連接一擺軸，該擺軸通過一水平軸承可在測量室的縱向面轉動地固聯在一擺架上，該擺架的下端為一環形的方位電位計，與針形電刷及定位頂針上下相對設置。
本發明提供的漂錘隨機定向浮陀測斜儀通過在測量室中注入液體，將針形電刷置於液體中，將測斜儀置於具有一定傾斜度的油井中，針形電刷仍然處於鉛垂方向，而電位計則隨著測斜儀的測量室沿油井傾斜，電刷抵在電位計上，即可測得油井傾斜段的傾斜度(頂角或方位角)。本漂錘隨機定向浮陀測斜儀的結構大為簡化，產生誤差減小。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1a為魚漂法測頂角的測斜儀的結構原理示意圖；圖1b為懸錘法測頂角的測斜儀的結構原理示意圖；圖1c為圖1a和圖1b所述的測斜儀中的電位計上環形導線18及弧形線性電阻19在頂角電位計半球形殼體內側面上分布的結構示意圖；圖1d為本魚漂測頂角的測斜儀置於油井的具有一定斜度井段中測定其傾斜頂角的結構原理示意圖；圖2a是方位角測法測方位角的測斜儀的結構原理示意圖；圖2b(1)是方位角方位角測法測方位角的測斜儀中的計算方法的圖示；圖2b(2)是方位角方位角測法測方位角的測斜儀中的計算方法的圖示；圖2c是簡化了的陀螺儀動靜平衡分析示意圖。
具體實施例方式
如圖1a、1b、1c所示，本測斜儀包括一探管外殼2，其中間同軸心地設有一密封的圓柱體形密封室4，該密封室4的上下兩端中心軸線上設有中心軸，在該中心軸上設軸承1，通過軸承1支承固定在該探管外殼2上；密封室4中充滿絕緣液6，在密封室4內設有一頂角電位計3，該頂角電位計3為半球殼體，該半球殼體的直徑與密封室的內徑相等，且固定在密封室內壁上，在其底圓面上固聯一蓋板，在該蓋板上的位於頂角電位計3的半球殼體的半球中心點處設有一中心孔7；魚漂或懸錘5設於頂角電位計3的半球殼體內，魚漂或重錘5的與半球殼體相鄰的頂端上設有一針形電刷16，魚漂與懸錘5的與半球殼體相背的一端上連接一柔性導線14的一端，該柔性導線14的另一端從中心孔7穿出頂角電位計3固聯在一頂杆13的一端；在密封室4中還設有一扶正管8，其是一個一端具有一筒底另一端敞口的筒體，該筒底朝向頂角電位計3設置，在該筒底中心點處設一孔，頂杆13穿過該孔，在位於扶正管8筒體內部的頂杆13上穿設一彈簧9，在頂杆13上固設一彈簧檔板12，該彈簧9的一端抵在扶正管8的筒底上，另一端抵在頂杆13上的彈簧檔板12上；在密封室4中還設有一凸輪11或設於導槽中的齒條，該頂杆13的自由端無壓力地抵靠在該凸輪11的側面上，或抵靠在齒條的上端面上，凸輪11的該側面到迴轉中心的距離是變化的；該凸輪與一調速電機通過其上的齒輪減速器10相連接，驅動電機轉動，通過其上的凸輪11作用，可以使得頂杆13壓縮彈簧9而位移，頂杆13又通過彈簧9的彈力隨著凸輪的轉動而復位。如果設置的是齒條，電機減速機上的輸出齒輪與齒條嚙合，電機正轉，可使齒條上移，頂推頂杆13上移，電機反轉，可使齒條下移，頂杆13下移。
下面詳細描述本測斜儀用作頂角的測量的具體方法一、頂角的測量工作原理魚漂法測頂角(如圖1a所示)和懸錘法測頂角(如圖1b所示)，兩者結構原理有相似之處和不同之處，相似之處是魚漂和懸錘法都始終保持鉛垂位置，不同之處是，魚漂法測頂角時，本測斜儀的頂角電位計3朝上設置，受絕緣液鉛垂向上的浮力，而懸錘受鉛垂向下的重力，穩定魚漂和懸錘的鉛垂位置都是靠絕緣液的阻尼作用。其它如頂角電位計、電刷、鎖緊裝置結構作用相似，因此，此處只討論魚漂法測頂角原理。本技術的懸錘法測頂角與過去的不同之處在於①去掉了框架結構而增大了測頂角值範圍；②懸錘懸在柔性導線下端，可提高其靈敏度及精度。
魚漂法測頂角的工作原理如下(見圖1a)(1)機械測角部分密封室4為一與探管外殼2同軸芯的圓柱體，密封室4的上底和下底的中心軸用軸承1支承，而軸承1又用杆件固定於探管外殼2上。探管下入鑽孔井段時，探管外殼2、密封室4與鑽孔井眼同軸。由於軸承1摩擦阻力小，因此探管隨電纜下入井眼過程中發生轉動時，密封室只發生少許轉動，這是因為軸承的摩擦阻力很小。
魚漂5裝在形狀為半球面的頂角電位計3內，魚漂5的下端中心處固定的柔性導線14穿出半球面底面上的蓋板的中心孔中，柔性導線可以從此中心孔進出。魚漂5的上端中點安裝有針形電刷16。柔性導線14的下端固定於頂杆13的上端。
當探管外殼2處於傾斜井段某一測點時，由於半球面電位計3的中心軸與密封室4的中心軸、探管外殼2的中心軸、傾斜井段的中心軸始終同軸，並處於傾斜位置，而魚漂5在絕緣液6的浮力作用下始終保持處於鉛垂位置，因此，魚漂5的中心軸與密封室4的中心軸之間的夾角θ即為傾斜井段該測點處的頂角值。在斜油井中，因為均固定在密封室4上，故電機10以及凸輪11也傾斜，另外，扶正管8也是傾斜的。
(2)機電轉換部分為現有技術，故此處不贅述。
機電轉化部分的作用是把機械測出的頂角值變成電訊號，再通過電纜把此訊號傳給地面儀器，再轉變成頂角值，直接讀出。
該部分由形狀為半球面的頂角電位計3完成。它的結構參見圖1c，由在半球面內側面上設置的均勻分布的環形導線18和在半球面內側面的一母線上設置的溝通各個環形導線18的弧形線性電阻Rθ19以及裝在半球面與針形電刷16相接觸的內面上的絕緣織物15組成。
半球面頂角電位計3還可採用另兩種結構即用阻值高的材料衝壓成半球面，半球面內面衝壓均勻密布的針尖形小坑；或用電阻絲在半球面上，從半球底圓依次螺旋形向上向中心點排繞。
魚漂5的入口導線從魚漂固定的頂角電位計半球底面上蓋板中心孔引入，經過柔性導線14進入魚漂5的中心線再與其上端針形電刷16連接。
有關測頂角和以後用陀螺儀測方位角的電器部分的原理、線路、使用等同於地質出版社1978年出版，上海儀器廠等合編的《鑽孔彎曲測量》一書上有關章節，例如第52頁的第6章陀螺定向測斜儀有關部分。此不贅述。
(3)鎖緊部分鎖緊部分結構作用如下如圖1a所示，頂角電位計3是固定於密封室4的內壁上不動的，對鑽井孔眼測斜過程中魚漂5及其上面的針形電刷16是可動的。
①自由狀態調速電機齒輪減速機10(可購買或定做)固定於密封室4上，安裝在輸出軸上的凸輪11上頂部與頂杆13的下端相接觸，但無壓力。扶正管8固定於密封室4中，扶正管8的上端距頂角電位計半球中點7留適當距離，此頂角電位計的下底中心有一小孔允許柔性導線14上下通過，同時，扶正管8的底上也作為彈簧9的固定端，在頂杆13的下部安裝有彈簧檔板12，在彈簧9的張力作用於彈簧檔板12上的情況下，推動頂杆13向下移動到最低位置。安裝在頂杆上部的柔性導線14通過頂角電位計半球底面上蓋板中心點的孔7把魚漂5及其上面的針形電刷16也向下拉到最低位置，使針形電刷16與頂角電位計3的內球面導電部分相距適當距離，即頂角測角系統處於自由狀態。這時，凸輪11的距離迴轉軸心最近的側面與頂杆13相接觸。
②鎖緊狀態地面操作面板啟動調速電機齒輪減速機10，為使鎖緊過程平穩，輸出軸轉速要低。裝在輸出軸上的凸輪11與頂杆相接觸處的側面在由距離迴轉軸心最近處沿凸輪連續變化的側面變化到距離迴轉軸心最遠處的過程中，逐漸上壓頂杆13，使其慢速上移，柔性導線14通過頂角電位計半球底面上蓋板中心點的孔7上移，魚漂5在絕緣液6的浮力作用下帶動柔性導線14和針形電刷16一起慢速上移，使針形電刷16的針尖與頂角電位計3的內球面導電部分緊密接觸，緊密接觸的壓力來源於絕緣液6對魚漂5的浮力。上述過程叫做系統鎖緊過程。
在測試中，當探管達到測點停止下放或上提時才進行鎖緊，測完數據後再恢復自由狀態。
對於到達自由狀態或鎖緊狀態時，必須立即停止調速電機齒輪減速機轉動，為此必須安裝限位繼電器來實行自動控制。
為保證鎖緊可靠，採取如下措施①』調速電機齒輪減速機輸出軸轉速適當慢，使魚漂上移過程中保持鉛垂狀態，不擺動。
②』在頂角電位計3的內球面導電部分上裝有絕緣織布15，防止針形電刷在頂角電位計導電面上產生移動。
③』針形電刷內安裝有彈簧，使針形電刷有一定伸縮性，控制鎖緊過程中針形電刷對電位計導電錶面壓力不過大，特別是懸錘法測頂角。
鎖緊裝置除了可以採用上述凸輪結構外，還可採用齒輪齒條結構。
二、方位角的測量目前國內在強磁性井眼中常採用三自由度陀螺儀作為定向指針。本發明可以對現有三自由度陀螺儀的結構大量簡化，以提高儀器性能。
三自由度陀螺儀結構如圖2a所示，包括一個探管外殼01，其內設有縱向軸016，其與探管外殼01固定在一起，在該縱向軸016上通過軸承015固設一支撐杆018，該支撐杆018的上端固定一測量室，其分成上測量室02和下測量室03，該上測量室2和下測量室03僅通過一個隔板分割而成，下測量室03的下底面通過焊接點014固定在該支撐杆18上；在測量室02或03內的下底板上通過軸承013固設一支撐杆019。
支撐杆019的上端通過固定其上的一球形鉸鏈021，與一電機密封室023連接，使該電機密封室023在垂直和水平兩個平面內轉動；在該電機密封室023內設有一陀螺電機022，其通過設於其上的定軸026a固定在電機密封室的兩側壁軸孔中，一側軸孔中用壓簧頂住軸一端，並在與軸孔垂直方向上開一孔，用螺釘頂住軸頸平面上，防止軸轉動，另一側軸孔中由微調螺絲頂住軸的另一端，以調節電機的中心位置。
在電機密封室23的兩側外壁上設有電刷平衡杆027，在一側的電刷平衡杆027上固設針形電刷11，在兩側的電刷平衡杆027外端上固設定位頂針020；在測量室02或03中注有絕緣液012，其液面高於所述電機密封室023的下端面但低於其上端面；在測量室02或03的內壁上固設調速電機及減速機04，其輸出軸上設有齒輪024，其與一齒條025嚙合，該齒條025可上下移動地固定在測量室02或03的內壁上；該齒條025的下端固設一頂杆07，該頂杆07的一端連接一擺軸08，該擺軸08通過一水平軸承可在測量室02或03的縱向面轉動地固聯在一擺架09上，該擺架的下端為一環形的方位電位計010，與針形電刷011及定位頂針020上下相對設置。
分上下兩個測量室，當頂角值小時用下測量室，當頂角值大時用上測量室。在本實施例中，通過一個水平隔板0201分成上測量室02和下測量室03。
工作原理浮陀法測方位角基本結構(1)機械測角部分由定向指針和方位電位計組成。
①定向指針如圖2a所示，陀螺電機022的III軸026a安裝在電機密封室023的兩端，並處於中心水平位置，電機密封室023的下端中心點支承於球形鉸鏈021上，球形鉸鏈021固定於下密封室03的中心軸線上的支撐杆019上，支撐杆019用軸承013支承於下測量室03外殼上。測量室03內裝有絕緣液012，其液面比電機密封室023上端面低適當高度。可知，陀螺電機022和電機密封室023的重力主要作用於球形鉸鏈021上，而絕緣液012的作用是在其浮力作用下使陀螺電機保持水平狀態。其原理是，陀螺電機密封室和電機製作精度再高也不能消除靜或動不平衡力矩，該力矩使電機密封室023以及陀螺電機022其中一端偏高，由於偏高則使絕緣液對其端浮力減小，而另一端偏低，多沉入液面一些，使其所受浮力增加，因此，浮力的作用是使陀螺電機密封室保持水平的調節器。
此處簡化了的陀螺儀仍是三自由度，與現有技術相比，減掉了外環(方向支架)及外環I軸，內環(陀螺房)及內環II軸。所述陀螺電機軸為III軸(定軸)，而且軸在鉛垂面內繞球形鉸鏈021的轉動，此時球形鉸鏈021相當於II軸，III軸在水平面內繞球形鉸鏈021的轉動，這時，球形鉸鏈相當於I軸，這兩種轉動叫陀螺儀的進動特性。在水平面內III軸繞球形鉸鏈021的轉動又叫陀螺儀的方位漂移，在鉛垂面內III軸繞球形鉸鏈021的轉動又相當於陀螺電機軸的抬頭或低頭。
由於探管外殼01在不同傾斜井段下入時，會隨電纜產生轉動，但由於上、下測量室用軸承015支承於探管外殼01上，而測量室03外裝有偏心重塊017，因此，密封室只能在不同傾斜井段中隨著偏心重塊017的轉動而轉動，密封室內裝有低粘度的絕緣液012，密封室小的轉動不會引起絕緣液012的粘滯運動，也就不會引起陀螺電機軸在水平面內繞球形鉸鏈021的轉動。
要提高陀螺電機軸的定軸性，減小方位漂移，可採取如下措施a.儘量提高陀螺電機、電機密封室的加工精度，儘量減小球形鉸鏈的摩擦阻力，以及儘量減少對球形鉸鏈的靜或動不平衡力矩。
b.儘量提高陀螺電機的轉速，以及增大外層轉子的直徑，以增大陀螺電機的動量矩，本陀螺儀由於去掉了內環及外環，增大轉子的直徑是有潛力的。
陀螺儀的三大特點，即定軸性、進動性、章動性，此正是應用了定軸性，它在磁性鑽孔中把陀螺電機軸作為方向指針，而求出測點的傾斜方位角。
②方位電位計由圖2a知，方位電位計010為一包圍電機密封室023的空心圓柱薄壁筒，由輕質材料製成。在外層表面均勻繞上電阻絲，方位電位計在自由時，上端面比絕緣液面略低。在絕緣液的浮力作用下，保持水平位置。
方位電位計010與擺架09連接，擺架09的中心安裝有擺軸08及其軸承，擺軸的軸承安裝在頂杆07的下端。頂杆07與扶正管05下端配合處成方形斷面，扶正管05下端的方形孔對頂杆07下端的斷面為方形的柱體實行周向固定，而軸向可上下活動。周向固定的目的是使方位電位計010隨密封室03在進入傾斜井段隨偏心重塊017轉動相同的角度。
把陀螺電機軸作為定向指針，則可測出以陀螺電機軸為定向基準的測點的井斜方位角，再經過轉換算出以磁北方向為基準的井斜方位角。
(2)機電轉換部分當方位電位計產生機械轉動時，針形電刷011處於鎖緊狀態時就短路掉相應的方位電阻，有關測方位角的電器部分，前已說明為成熟技術。
(3)鎖緊部分在下井過程中，陀螺儀應處於自由狀態，即方位電位計010與針形電刷011脫開。到達某一傾斜井段測點時，探管停止下放，陀螺儀需要鎖緊。其自由、鎖緊過程如下①自由狀態如圖2a所示，在下井過程中，在彈簧06的張力作用下，上推彈簧檔板028帶動頂杆07、擺架09、方位電位計010上移，使方位電位計010與針形電刷011脫開，實現自由狀態。
②鎖緊狀態當探管下入傾斜井段某一測點，停止下放。鎖緊過程如下地面操作面板啟動調速電機齒輪減速機04正轉，為使鎖緊過程平穩，其輸出軸轉速控制慢轉。如圖2a，齒輪024的轉動，使齒條025下行移動，慢速下壓頂杆07，克服彈簧06的張力使擺架09、方位電位計010下移與針形電刷011接觸，為使針形電刷011作用在方位電位計010上的電阻絲的壓力不至過大而擠壓斷電阻絲，針形電刷011內設有彈簧，而產生一定伸縮性。為了防止針形電刷在電阻絲上產生移動，設在電刷平衡杆27和電刷杆上的定位頂針020與方位電位計010上外緣不導電部分接觸，並在接觸部分做成密布的針尖形小坑。上述過程即鎖緊。
當方位電位計010、針形電刷011進入自由狀態或鎖緊狀態，應即時停止調速電機，為此應設置限位繼電器。
由鎖緊狀態變為自由狀態，只要反轉調速電機即可。
為了避免方位電位計與電機密封室在下井過程中隨液面運動的不同步，而發生相碰，影響電機軸定向，為此，在自由狀態時方位電位計與針形電刷間留適當距離。
(4)測斜儀的安全運輸測斜儀在室內安裝，標定合格後，需有專用防震的車輛運輸。但儀器本身也應有一定的防震能力。
①測頂角裝置圖1a、1b中各個部件安裝連接可靠、搬運過程中不能產生部件鬆動，另有特殊要求a.運輸過程中鎖緊裝置應鬆開，以免針形電刷劃斷電阻絲；b.連接魚漂和懸錘的柔性導線應有高的抗疲勞強度，以免晃斷。
②浮陀法測方位角裝置除上述一般要求外，其特殊要求為a.在搬運過程中應處於鎖緊狀態，定位頂針020應與方位電位計010外緣上的針尖形小坑緊密接觸，即防止損壞電阻絲。
b.球形鉸鏈021、擺軸08、軸承013儘量減小摩擦阻力，並要有足夠強度。
3、陀螺儀的動平衡調試方法(1)調試原理圖2c所示為陀螺儀的動靜平衡分析圖，以下對靜動平衡分析①靜平衡與動平衡的不同點當陀螺電機處於靜止時，陀螺電機的重心在現有製造精度條件下不可能做到與幾何中心重合。但當陀螺電機運轉起來後，由小的靜不平衡就變成大得多的動不平衡。如圖2c所示，圖中G/2為把陀螺電機分為左右兩半各自的重力，若能做到左右兩半重力相等，重力位置對稱，則陀螺電機運轉起來就不會產生進動，但做不到。
②解決動不平衡原理方法a.用浮力原理縮小陀螺電機的抬頭或低頭(此段原理前已述及)。密封室的形狀、大小，在滿足浮力保持水平前提下盡作小，並利於安裝維修。
b.用微調裝置縮小陀螺電機軸的方位漂移如圖2a所示，在陀螺電機軸的一端安裝微調螺絲026，以進行陀螺電機在其軸上的位置微小調節。其目的是陀螺電機的動量矩平衡中心(陀螺電機左右兩半動量矩方向相反，大小略有差別)調到幾何中心，即球形鉸鏈021的垂直中心線上。由此可知，可減小甚至消除陀螺電機軸在水平面繞球形鉸鏈021的進動，即方位漂移。
(2)方位漂移調節步驟把陀螺儀取出，固定在有絕緣液的容器中，放在如圖2a所示位置，絕緣液面比電機密封室上表面略低，觀察電機密封室是否水平，有微小不平是允許的。調節步驟如下I、靜方位漂移的調節(即探管處於靜止狀態)a.檢查室內是否潔淨，應做到；b.啟動陀螺電機，待轉速達到額定值後，測陀螺電機軸的初始方位角α0(見圖2b(1)和圖2b(2)，然後間隔1-2小時，停住陀螺電機，在測陀螺電機軸的方位角α1；c.由於電機軸的方位漂移，α1≠α0，此時，調節電機軸一端的微調螺絲，細調一點，調節後，再把陀螺電機在方位角α0下啟動，再過1-2小時，同上述方法測α2，兩次測得的方位角分別為α1和α2，若(α2-α0)＜(α1-α0)。，說明調微螺絲方向相同，否則反方向調。上述步驟進行若干次後，直到調到(αn-α0)→0，或者方位漂移達到精度要求為止。
II、動方位漂移的調節動是指在模擬探管在下井過程中方位角、頂角均在變化過程中測試陀螺電機軸的初始定向方位角α0的變化，其調節方法基本與前述對靜方位漂移的調節。
4、啟動陀螺電機時的定向操作(1)在探管外殼上刻上定向母線，要求偏心重塊017的偏心方向線指向方位電位計010的起始電阻刻度線。
(2)用羅盤、標杆、三角架、瞄準儀等把探管外殼01上的定向母線定在磁北方向。
(3)把整個探管往磁北方向傾斜到接近測斜儀能測到的最大頂角角度，在此過程中保持探管外殼的定向母線磁北方向不變。由於偏心重塊017的作用，使方位電位計10的起始電阻刻度線指向磁北方向。
(4)啟動調速電機齒輪減速機04正轉，通過齒輪024等鎖住針形電刷，這時，通過地面操作面板測出啟動陀螺電機前的定向方位角α0。
(5)啟動陀螺電機正常後，反轉調速電機使陀螺儀處於自由狀態，這時可把探管下入井中各測點測試。每測一點步驟如下待探管進入某測點停止後，先鎖住陀螺儀，然後測該點方位角α』，測完後鬆開為自由狀態，繼續對其它點測量。測完後把儀器提出井口平移到按原位置放置在三角架上，再測陀螺電機軸的最終定向方位角，再分別按時間折扣方法，(該時間折扣方法是現有技術)對所有測點進行漂移修正。
(6)測點方位角計算如圖2b(1)所示，為計算某一測點方位角關係圖。圓表示方位電位計，N表示磁北方向，OA表示陀螺電機軸的方向，OB表示某一測點的傾斜方向。可知，ON、OA方向不變，OB隨測點傾斜方向而變，由偏心重塊控制，指向電位計起始電阻點，即方位電位計電阻的起始點B隨測點傾斜方向而變。按測點傾斜方位角的定義，方位電位計電阻增大方向為順時針方向，因此，α0表示陀螺電機的軸的定軸方位角，若不考慮漂移，不變，可測。α』為方位電位計上電阻值對應的轉角。α』可測。α則表示以磁北方向為基準測點方位角，以圖中各方位角關係可知如圖2b1所示，當α』＞α0，則α＝(360°-α』)+α0如圖2b(1)所示，當α』＜α0，則α＝α0-α』5、陀螺儀防高溫措施當井深或測點處於高溫層時，井下溫度可達160℃甚至更高，此時若不採取防高溫措施，陀螺電機將不能正常工作。採取措施如下(1)密封室(測量室)與探管外殼之間的轉動空間，抽空，並在傳熱表面塗上絕熱層，阻止井下高溫大量熱傳入測量室。
(2)絕緣液選用適於高溫的液體或加入適當製冷液，以減小陀螺電機等工作時發熱引起的溫升。
(3)選用抗高溫的優質材料製造陀螺電機等，以提高陀螺儀本身的抗高溫能力。
(4)在空間允許條件下，儘量增大陀螺電機轉子外徑，而不把提高電機轉速作為改進方向，以減小陀螺電機的發熱及陀螺電機軸的磨損。
(5)增加密封室內的絕緣液量，並選擇具有大比熱的絕緣液，大幅度降低測斜儀在下井過程中密封室內的溫升速度。由於受以前外徑的限制，只有儘量加長密封室來實現。
6、設計浮陀螺測斜儀的理論分析此主要分析液體對陀螺儀一的作用原理。
(1)利用液體的浮力原理，使陀螺電機軸有良好的水平位置，作用原理前已述及。
(2)利用液體有良好的定向特性而增加陀螺儀定向的穩定性。
觀察裝在圓形容器中的水，當處於相對靜態時，在離液面中心適當位置，放一米粒大小的浮物，浮在液面上並處於相對靜態。這時，把圓形容器繞其中心軸旋轉一角度，旋轉速度比陀螺測斜儀下井測斜過程中方位角變化的速度適當快(由於鑽杆的彈性小，近似於剛體，因此，在鑽井過程中方位角的變化速度是比較慢的)，這時，觀察到圓形容器雖然轉了一角度，而浮物基本仍停在原方位上，說明水有良好的定向性。
上述現象的原因是當容器轉動時，對水的作用力只產生在水與碗的接觸面上的摩擦力，而此摩擦力要傳到水內部，是靠水的內摩擦力，而摩擦力的大小取決於容器的內表面的粗糙度、水的粘度、旋轉速度、容器的內徑等。由於選用的圓形容器內表面光潔度高，水的粘度小、轉速不是快，轉角不很大。由牛頓的內摩擦力計算知，內摩擦力是很小的，不足以引起大質量的水的相對運動，說明水有良好的定向特性。
上述理論指導在設計浮陀測斜儀應考慮以下幾點①兩測量室用上、下軸承支承於探管外殼上，因此，在下井時，電纜只能引起探管外殼轉動，而測量室只隨方位角的變化產生小角度的慢速轉動；②儘量提高測量室內表面光潔度；③選用低粘度液體。
④把偏心重塊017安裝在密封室之外。
權利要求
1.一種漂錘隨機定向測斜儀，包括一個探管，在該探管中設有測量室，所述測量室通過軸承支承在所述探管的外殼上，在該測量室中設有電位計，在該測量室中注有絕緣液體，該測量室中的所述絕緣液體中漂浮地設有針形電刷；在所述測量室中還設有一個鎖緊機構，其與所述針形電刷或所述電位計相連接，使得所述針形電刷與所述電位計相接觸或相分離。
2.根據權利要求1所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述電位計是頂角電位計，或所述電位計是方位角電位計。
3.根據權利要求2所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述針形電刷通過柔索連接在一個魚漂或懸錘上；或者所述針形電刷連接在一個定向的懸浮裝置上。
4.根據權利要求3所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述鎖緊機構包括調速電機驅動的減速器以及一頂杆，該頂杆頂抵在連接所述針形電刷的魚漂或懸錘上，在所述減速器的輸出軸上連接一可將轉動變為直線運動的機構，該機構中的轉動部件與所述輸出軸連接，該機構中的直線運動部件與所述頂杆相連接；或者所述鎖緊機構包括調速電機驅動的減速器以及一頂杆，該頂杆頂抵在所述電位計上，在所述減速器的輸出軸上連接一可將轉動變為直線運動的機構，該機構中的轉動部件與所述輸出軸連接，該機構中的直線運動部件與所述頂杆相連接。
5.根據權利要求4所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於該頂角電位計(3)為半球殼體，在該頂角電位計(3)的底部圓形截面上設一蓋板，在該蓋板的中心點設有一孔(7)；在其底圓面上固聯一蓋板，在該蓋板上的位於頂角電位計3的半球殼體的半球中心點處設有一中心孔7；所述魚漂或懸錘(5)設於所述頂角電位計(3)的半球殼體內，所述魚漂或懸錘(5)的與半球殼體相鄰的頂端上設有所述針形電刷(16)，所述魚漂或懸錘(5)的與半球殼體相背的一端上連接一柔性導線(14)的一端，該柔性導線(14)的另一端從所述中心孔(7)穿出所述頂角電位計(3)固聯頂杆(13)，該頂杆(13)連接在所述鎖緊機構上，通過該鎖緊機構使所述頂杆上下移動，從而使所述魚漂與懸錘(5)上的所述電刷(16)接觸或離開所述頂角電位計(3)。
6.根據權利要求5所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述鎖緊機構包括一個扶正管(05或8)，所述扶正管(05或8)設在所述測量室中，其是一個一端具有一筒底另一端敞口的筒體，該扶正管(05或8)筒底朝向所述頂角電位計(3)或該扶正管(5)筒體的筒底朝向所述方位角電位計(010)固定地設置在密封室(4)或測量室(02或03)中，在該筒底中心點處設一孔，所述頂杆(07或13)穿過該孔，在位於所述扶正管(05或8)筒體內部的所述頂杆(07或13)上穿設一彈簧(06或9)，在該頂杆(07或13)上固設一彈簧檔板(028或12)，該彈簧(06或9)的一端抵在所述扶正管(05或8)的筒底上，另一端抵在該頂杆(07或13)上的彈簧檔板(028或12)上；在所述密封室(4)或測量室(02或03)中固設一可使所述頂杆上下移動的傳動裝置構成所述鎖緊機構。
7.根據權利要求4所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於可將轉動變為直線運動的機構，即使所述頂杆上下移動的所述傳動裝置包括一固定在密封室上的凸輪(11)，該頂杆(13)的自由端無壓力地抵靠在該凸輪(11)的側面上，凸輪11的該側面到迴轉中心的距離是變化的；該凸輪與一調速電機通過減速器(10)相連接；或者可將轉動變為直線運動的機構，即使所述頂杆上下移動的所述傳動裝置包括固設與所述密封室(4)中的一導槽，其中設有一齒條，該頂杆(13)的自由端無壓力地抵靠在齒條的上端面上所述齒條與一調速電機通過減速器(10)相連接。
8.根據權利要求5所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述半球面頂角電位計的結構為用阻值高的材料衝壓成半球面，半球面內面衝壓均勻密布的針尖形小坑；或其結構為用電阻絲在半球面頂角電位計的球形內表面上從半球底圓依次螺旋形排繞同心圓的電阻線；或是，各環形導線與線性電阻相連接。
9.根據權利要求5所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述探管外殼(1)其內設有縱向軸(16)，其與探管外殼(1)固定在一起，在該縱向軸(16)上通過軸承(15)固設一支撐杆(18)，該支撐杆(18)的上端固定一測量室(2或3)，該測量室(3)的下底面中心點焊接在該支撐杆(18)上；在測量室(2或3)內的下底板上通過軸承(13)固設一支撐杆(19)；支撐杆(19)下端焊接在測量室(3)下底面中心上。所述方位角電位計所述支撐杆(19)的上端通過固定其上的一球形鉸鏈(21)，與一電機密封室(23)連接，使該電機密封室(23)在垂直和水平兩個平面內轉動；在該電機密封室(23)內設有一陀螺電機(22)，其通過設於其上的定軸(26a)固定在電機密封室的兩側壁軸孔中，一側軸孔中用壓簧頂住軸一端，並在與軸孔垂直方向上開一孔，用螺釘頂住軸頸平面上，防止軸轉動，另一側軸孔中由微調螺絲頂住軸的另一端，以調節電機的中心位置，由此構成所述可在圓周360度方向上轉動的懸浮裝置。
10.根據權利要求11所述的漂錘隨機定向測斜儀，其特徵在於所述方位電位計的結構為在所述電機密封室(23)的兩側外壁上設有電刷平衡杆(27)，在一側的電刷平衡杆(27)上固設針形電刷(11)，在兩側的電刷平衡杆(27)外端上固設定位頂針(20)，由此構成所述的針形電刷；在所述測量室(2或3)中注有的所述絕緣液(12)，其液面高於所述電機密封室(23)的下端面但低於其上端面；在所述測量室(2或3)的內壁上固設調速電機及減速機(4)，其輸出軸上設有齒輪(24)，其與一齒條(25)嚙合，該齒條(25)可上下移動地固定在測量室(2或3)的內壁上；該齒條(25)的下端固設一頂杆(7)，該頂杆(7)的一端連接一擺軸(8)，該擺軸(8)通過一水平軸承可在所述測量室(2或3)的縱向面轉動地固聯在一擺架(9)上，該擺架的下端為一環形的方位電位計(10)，與所述針形電刷(11)及定位頂針(20)上下相對設置，由此構成所述方位角電位計。
全文摘要
本發明提供一種漂錘隨機定向浮陀測斜儀，其包括一個探管，在探管中設有測量室，測量室通過軸承支承在探管的外壁上，在該測量室中設有電位計，在該測量室中注有絕緣液體，該測量室中的絕緣液體中漂浮地設有針形電刷；在測量室中還設有一個鎖緊機構，其與針形電刷或電位計相連接，使得針形電刷與電位計相接觸或相分離。本漂錘隨機定向浮陀測斜儀通過在測量室中注入液體，將針形電刷置於液體中，將測斜儀置於具有一定傾斜度的油井中，針形電刷仍然處於鉛垂方向，而電位計則隨著測斜儀的測量室沿油井傾斜，電刷抵在電位計上，即可測得油井傾斜段的傾斜度(頂角或方位角)。本漂錘隨機定向浮陀測斜儀的結構大為簡化，產生誤差減小。
文檔編號E21B47/02GK1891976SQ20061009937
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月19日 優先權日2006年4月7日
發明者伍成林 申請人:伍成林