專利名稱：球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種檢測傾斜角和方位角的測斜儀；特別是一種利用球面圓環(huán)柵云紋對鉆井的傾斜角和方位角進行定向測量的測斜儀。
檢測傾斜角和方位角的測斜儀通常屬于鉆井測斜技術(shù)領(lǐng)域。它可用于石油鉆探、礦山、建筑、勘察等工程定向鉆井測量，是控制井眼軌跡必不可少的工具之一。此外，它也可以用在一般工程中進行測斜和測水平。目前，國內(nèi)外使用的測斜儀多為機械式，例如王斌的《定向鉆井測量儀器》(石油工業(yè)出版社，1990,9)等，包括電磁、陀螺、聲波、重力加速度式機械測斜儀。根據(jù)有關(guān)資料可以看出，當(dāng)前國內(nèi)外已有多種測斜研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實際。它們在原理和結(jié)構(gòu)上各有不同，也各有優(yōu)缺點。依據(jù)其工作原理主要可分為以下幾類1、利用液面水平原理；用玻璃制做充有液體的傾斜探頭，此方法雖簡單，成本低，但精度低；2、利用重錘原理；當(dāng)探頭隨鉆孔傾斜時，懸錘軸可測出鉆孔傾斜角，此方法測量精度也差，誤差一般在±30分，國外有44種測斜儀均屬此原理。
3、利用陀螺、聲波原理及機械式測斜；此類方法雖然在精度上、自動化程度上都有所提高，但其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一般精度也在±30分左右，且造價昂貴。
另外，從使用過程方面可分為磁單點、多點和陀螺照相不隨鉆測斜儀及隨鉆測斜儀。照相測斜儀不能對鉆井過程實時監(jiān)控。隨鉆測斜儀能隨時提供井斜、方位、溫度參數(shù)，但目前使用的隨鉆測斜儀價格相當(dāng)昂貴，例如美國生產(chǎn)的有線隨鉆測斜儀約100萬美元，而無線隨鉆測斜儀在大約200萬美元以上。
目前還有幾種測斜儀在其二次使用上進行了改進，例如使用數(shù)碼顯示、微機處理等，但由于這些儀器在原理上的限制，很難繼續(xù)提高它們的測斜精度，因而不能滿足精度較高的鉆井測斜的要求。
綜上所述，目前使用的現(xiàn)有測斜儀的缺陷主要集中在自動化程度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、成本過高以及(非實時)停鉆測斜等幾個方面。
本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的一些不足之處，提供一種精度高且造價低廉、實用的測斜儀。它特別適用于定向鉆井工程中的隨鉆自動測斜，以解決傾斜角和方位角監(jiān)測的關(guān)鍵性技術(shù)問題。
實現(xiàn)上述目的的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀包括有外殼、測斜傳感器、攝像部分以及通過電纜與攝像部分相連的采集處理部分，所述傳感器包括固定于外殼上的透明外球殼，容納于該外球殼中的液體，設(shè)置于所述外球殼內(nèi)并與外球殼保持一定間距而飄浮在液體中的透明內(nèi)半球殼，固定在所述內(nèi)半球殼底平面下起指北、配重作用的條形磁鐵，其中，所述內(nèi)半球殼以頂點為圓心沿外球面光刻有節(jié)距相等的同心圓環(huán)柵，球內(nèi)壁涂有反射層，而所述外球殼的內(nèi)壁上半部則刻有與內(nèi)半球殼相同的圓環(huán)柵線；所述攝像部分包括固定于上述球形傳感器上方外殼上的CCD攝像頭以及位于上述攝像頭至少一側(cè)，也固定于上述球形傳感器上方外殼上的照明裝置。
下面簡單說明其工作原理如果內(nèi)半球殼與外球殼上的圓環(huán)柵錯位就可以相互干涉而產(chǎn)生云紋，根據(jù)云紋的形狀、條紋級數(shù)和內(nèi)球殼上圓環(huán)柵中心運動方向可以判別傾斜角和方位角。當(dāng)鉆井方向為鉛直時，內(nèi)外球殼上的圓環(huán)柵是重合的，沒有云紋產(chǎn)生；而當(dāng)鉆井方向傾斜時，兩圓環(huán)柵錯位便會產(chǎn)生云紋。在使用中，將球型傳感器固定在外殼上，使外殼的筒心軸線與傳感器兩球殼上的圓環(huán)柵中心重合，再將外殼與非磁鉆鋌內(nèi)殼固接。在傳感器的上方安裝CCD攝像頭和照明裝置。當(dāng)儀器工作時，攝像頭把傳感器上產(chǎn)生的云紋圖象信號傳輸?shù)降孛嫔系膱D象采集和處理系統(tǒng)，經(jīng)分析處理便可得出相應(yīng)結(jié)果。
本測斜儀運用了光學(xué)上的云紋法原理，根據(jù)球面圓環(huán)柵疊合干涉形成云紋來判別傾斜角和方位角，用CCD攝像系統(tǒng)攝取云紋圖像，再用微機采集處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和處理并得到所需信息。它克服了上述以往測斜儀的缺點，具有高精度、不停鉆、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)上易于實現(xiàn)等特點，尤其是其造價遠遠低于國內(nèi)外現(xiàn)有的測斜儀。本測斜儀解決了定向鉆井工程中傾斜角和方位角監(jiān)測的關(guān)鍵性技術(shù)問題，它也可用于一般工程中的測斜及測水平。
圖1是本實用新型的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是所述測斜儀的傳感器中產(chǎn)生的球面圓環(huán)柵干涉云紋的效果圖；圖3是所述測斜儀的傳感器及攝像部分的結(jié)構(gòu)圖；圖4a、4b、4c分別是所述測斜儀所傳感器中不同形狀的條形磁鐵的示意圖；圖5是測斜儀的系統(tǒng)示意框圖。
下面參照
本實用新型的實施例。
參見圖1和圖3，上述球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀包括有外殼1、測斜傳感器B、攝像部分以及通過電纜8與攝像部分相連的采集處理部分9。
外殼1呈圓筒型，用于容納球型傳感器外球殼2并可與之固接，它的外面與非磁鉆鋌A的內(nèi)壁相固接。傳感器B帶有固定于外殼1上的透明外球殼2，所述外球殼2呈圓球形，其中充有液體5，該液體5可以是水，也可以是黏度較低透明的油或者其它液體。在所述外球殼2內(nèi)設(shè)置有透明內(nèi)半球殼3，它呈大半個球形，并且以與外球殼2保持一定間距的方式飄浮在上述液體5中，可在外球殼2中隨液體5的液面轉(zhuǎn)動，在所述內(nèi)半球殼3底平面下固定有起指北、配重作用的條形磁鐵4，使內(nèi)球殼3的方位保持一定。所述內(nèi)半球殼3以頂點為圓心沿其外球面通過光刻形成有節(jié)距相等的同心圓環(huán)柵，在球的內(nèi)壁涂有反射層C，而所述外球殼2的內(nèi)壁上半部則刻有與內(nèi)半球殼相同的圓環(huán)柵線。上述內(nèi)外球殼2和3是透明且密閉的，可以由玻璃或者有機玻璃等制成。所述攝像部分包括固定于上述球形傳感器B上方外殼1頂部的CCD攝像頭6，位于上述攝像頭6至少一側(cè)，同樣固定于上述球形傳感器B上方外殼1上的照明裝置7。攝像頭6從上方對著球型傳感器B，用來攝取所述球型傳感器B中產(chǎn)生的云紋圖象。所述照明裝置7可以是燈泡，設(shè)置在外殼1頂部攝像頭6的一側(cè)或者兩側(cè)，也可以圍繞攝像頭6設(shè)置多個，它從上方照向傳感器B，照亮產(chǎn)生云紋處，以使攝像頭6攝得的圖像清晰。所述采集處理部分9帶有微機(未示出)，通過傳輸電纜8與攝像頭6相連，用以對由攝像頭6攝得的圖像進行分析、處理。
參見圖4，條形磁鐵4固定在內(nèi)球殼3的底平面下用來給內(nèi)球殼3定向，同時它還起到給飄浮在液體5上的內(nèi)球殼3配重的作用，因此兩者在液體中的穩(wěn)定性是非常重要的。條形磁鐵4可以制成斷面為圓弧形的條狀(如圖4a所示)、斷面為三角形的條狀(如圖4b所示)以及斷面為梯形的條狀(如圖4c所示)，它們都能夠獲得較好的穩(wěn)定性，但條形磁鐵4的形狀并不限于此，它可以是能夠獲得較好的穩(wěn)定性的任何形狀。
安裝時，先將球型傳感器B的外球殼2固定在外殼1上，使外殼1的筒狀軸線與內(nèi)外兩球殼2、3上的圓環(huán)柵中心重合，再將外殼1與無磁鉆鋌的內(nèi)壁殼體相固接，然后，在球型傳感器B的上方安裝CCD攝像頭6和照明裝置7。再將攝像頭6通過電纜8連接地面的圖象采集和處理系統(tǒng)9。
參見圖5，在工作時，首先由球型傳感器(B)產(chǎn)生云紋(不傾斜時不產(chǎn)生)，通過CCD攝像頭(6)對該云紋進行攝像，再將攝取的圖像經(jīng)電纜(8)傳輸?shù)讲杉幚硌b置(9)中進行處理。
傳感器B產(chǎn)生的云紋圖案與傾斜角和方位角的關(guān)系如圖1及圖2所示，當(dāng)鉆井方向為鉛直時，內(nèi)外球殼2、3上的圓環(huán)柵是重合的，沒有云紋產(chǎn)生。如果非磁鉆鋌A產(chǎn)生傾角為θ的傾斜(見圖1)，則內(nèi)半球殼3與外球殼2上的圓環(huán)柵形成錯位，就會相互干涉而產(chǎn)生云紋(如圖2所示)，根據(jù)云紋的形狀、條紋級數(shù)和內(nèi)球殼上圓環(huán)柵中心運動方向可以判別傾斜角和方位角。圖2中的梭形條紋既為干涉云紋，梭的兩個端點O、P分別是內(nèi)外球殼2、3上的圓環(huán)柵中心。這兩端點與球心連線所成的夾角既為傾斜角θ(圖1中)；而梭的走向與條形磁鐵S-N的夾角既為方位角α(見圖2)。
本實用新型以更科學(xué)的原理和更簡潔的結(jié)構(gòu)使得其具備了以下幾大優(yōu)點1、測斜精度高；測斜精度隨圓環(huán)柵的節(jié)距的減小而提高，節(jié)距可根據(jù)精度要求而調(diào)節(jié)，可測傾斜角達5秒以下。
2、檢測速度快；用高科技含量很高的攝像系統(tǒng)和先進的微機采集處理系統(tǒng)來完成傾斜的測量與分析處理已是輕而易舉。
3、實現(xiàn)不停鉆隨鉆測量；傳感器不受鉆桿轉(zhuǎn)動的影響，攝像系統(tǒng)可以隨時攝取圖象和傳遞圖象信號給地面的上圖象采集和處理系統(tǒng)，可以迅速得出結(jié)果。
4、結(jié)構(gòu)簡單，成本低；球型傳感器結(jié)構(gòu)很簡單，所用的材料是一般的有機玻璃或玻璃，攝像和微機系統(tǒng)成本也較低。與目前國內(nèi)外的測斜儀相比成本大大的降低了。
權(quán)利要求1．一種球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，包括有外殼(1)、測斜傳感器(B)、攝像部分以及通過電纜(8)與攝像部分相連的采集處理部分(9)，其特征在于所述傳感器(B)包括固定于外殼(1)上的透明外球殼(2)，容納于該外球殼(2)中的液體(5)，設(shè)置于所述外球殼(2)內(nèi)并與外球殼(2)保持一定間距而飄浮在液體(5)中的透明內(nèi)半球殼(3)，固定在所述內(nèi)半球殼(3)底平面下起指北、配重作用的條形磁鐵(4)，其中，所述內(nèi)半球殼(3)以頂點為圓心沿外球面光刻有節(jié)距相等的同心圓環(huán)柵，球內(nèi)壁涂有反射層(C)，而所述外球殼(2)的內(nèi)壁上半部則刻有與內(nèi)半球殼(3)相同的圓環(huán)柵線；所述攝像部分包括固定于上述球形傳感器(B)上方外殼(1)上的CCD攝像頭(6)以及位于上述攝像頭(6)至少一側(cè)，也固定于上述球形傳感器(B)上方外殼(1)上的照明裝置(7)。
2．如權(quán)利要求1所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述內(nèi)、外球殼(3)、(2)由玻璃制成。
3．如權(quán)利要求1所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述內(nèi)、外球殼(3)、(2)由有機玻璃制成。
4．如權(quán)利要求2或3所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述液體(5)是透明油液或水。
5．如權(quán)利要求4所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述條形磁鐵(4)的斷面為圓弧形。
6．如權(quán)利要求4所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述條形磁鐵(4)的斷面為三角形。
7．如權(quán)利要求4所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述條形磁鐵(4)的斷面為梯形。
8．如權(quán)利要求5至7之一所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述照明裝置(7)是兩個位于攝像頭(6)兩側(cè)的燈泡。
9．如權(quán)利要求8所述的球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀，其特征在于所述采集處理部分(9)帶有用來對由攝像頭(6)攝得的圖像進行分析的微機。
專利摘要一種球面圓環(huán)柵云紋定向測斜儀,包括有外殼、測斜傳感器、攝像部分以及由電纜與攝像部分相連的采集處理部分,通過傳感器中的刻有相同的球面圓環(huán)柵的內(nèi)外球殼在鉆井傾斜時相互錯位而干涉出云紋圖案,由攝像部分攝像并傳輸?shù)讲杉幚聿糠种?對所攝的圖案進行分析處理,從而獲得鉆井的傾斜角和方位角的數(shù)據(jù)。它以高精度和低廉的價格解決了隨鉆自動測量傾斜角和方向角的關(guān)鍵性技術(shù)問題。
文檔編號G01C9/00GK2350726SQ9920034
公開日1999年11月24日 申請日期1999年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月14日
發(fā)明者安里千 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))