球面圆环栅云纹测斜研究.pdf

第2 9 卷第s 瓣 2 0 0 0 举1 1 月 孛溪矿韭大擎学攘 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o 圭。2 9N o ．8 N o v ．2 0 0 0 文章龋号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 0 0 8 0 5 5 8 。0 5 球面圆环栅云纹测斜研究 安篷子，张东耱，臻志宏 中圄矿北大学藏础科学系，j E 京1 0 0 0 8 3 摘要提虫乖j 用两球面蹲环栅干涉产生的M o l t 6 备致 即云纹法 来计蓐和剃剐倾解氟和方往南 的澳l 瓣新方法，设许了双雏燮棒惑嚣建主要器锌瓣潮鳞系统，采蔺嚣冀机嚣像建理技拳，唾噩麟蹙 及方位角的检测精度太太提商，这3 0 ”以下。谵方法可用于定向钻井及普通离精度水平测羹． 关键稍蓠环褥；M o i r e 奈纹；钻舞潮辞杖 中嘲分类号03 4 8 ．1 2文献标识码A 在煤炭行业中，煤层缝中甲烷气的开采、煤样 或者襻静采取、常蔑采矿技术嚣法开采瓣搽邦滚 屡、用打定向辨将煤气化开采等，对定向钻井技术 撬蹬了虢来越嵩的要求n 】．锸彝浏瓣装蚤是定向钻 井控制井眼轨迹必不可少的工具．目前，已经有多 种溺辩技拳成栗应餍子生产蜜舔，豳凑舞使磊豹浏 斜仪多为电磁、陀螺、声波及蜇力加速度式测斜仪 等．这謦仪器备有倪疑点，缺点童黉集串在结稳筮 杂、耩度羝、成本太裹莓且方鞭o 。3 由予这些仪嚣 受到原理的限制，很赡继续掇商测斜精度，因此，本 文铮对强翦铁势测斜的现状，提出了运弼光学土的 云纹干涉原瓒，根据球面圆环栅叠合千涉形成 M o i r ∈条纹来嬲剃倾斜角和方位燕，用C C D 摄像 系统摄取云纹豳像，瓣用微机采集翘理系统进行数 撂公辑强短理菸褥裂辑霉蘩爨，鸯定彝镳势提供了 一个高精度低成本的新方法，本方法还可用于高耩 凄楚蠹王程浏瓣、测承平。 1测斜传黪器的缡构和测斜原理 1 ．1 传嫩器的结掏 零文孛设睾} 耱测斜传感嚣是一磐辣溅费感器， 冀主体简要结构如圉1 所示，盎要鄢件有 羚球舞1 透明球壳．肉鼙上半部栽有节鼹褶 等的同心圆环栅线{ 建举球意2 半琢壳豹筑平瓣翎袁蜜越，潋半 球顶点为圆心，沿外球面光刻有与外球壳节距相等 瓣嚣心壤耀据，簿麴蠢壁涂主菠瓣差，浚使嚣球瓣 形成的干涉条纹更清晰{ 条形磁蛰3 溺接予凌半珠壳瘾平囊下，凑黎 北、配重作用； 液体4 容纳于矫球壳内，耀于浮起内半球 壳，并使内外球壳保持一定的间距。使内半球党能 雀9 } 辣壳癍舀鸯转秘． 翔1 臻型传礁器示意倚匾 F i g ．1 S k e t c ho fs p h e r e - s h a p e ds a n e , o r A 方向和B 方向分舅n 为铅锤方向和钻进方向 1 2 传落器豹工舔溅瑗 籍内半球壳2 每外球壳1 上的圆环栅错位就 发垒糍互予涉磊产象M o l t 6 条绽，根据M o i r 祭纹 的形状太小和方向辩结会条纹级数的判别可以确 定倾斜角和方位角．警钻进方向蠢镫鸯时，肉外球 壳上的圆环栅是重含的，没有嚣纹条纹产生 而当 钻进方向倾辩时，两闼环樯错位产生云绽干滓条绞 如豳2 所示 。图中梭形条纹和辐射状条纹既为云 妖辅辩瓣} 1 9 9 9 一1 2 一豁 基盒域尊t 固蒙自然科举基金赘肪项目 5 9 5 7 4 0 0 5 捧囊薅奔。赘墼手 t 9 4 9 一 ，秀。避宁省拢藏牵 芏掌薄圭，孛鏊矿盘式掌教授，博士生导菸，扶摹毙学隽掌溺试瑟霉馨赫理方霹鞲究， 万方数据 第s 期 安墨苄警簿蟊器琢辩云竣测辩辑究 5 5 9 纹千涉M o i r 6 条纹，梭的2 个尖端分别是内外球壳 主蘸圈环褥串心 这两个灸端与球心连线所我的爽 角甄为倾斜角8 图1 中艇示 ；丽梭的走向与条形 磁针S N 的夹角既为方位角。 图2 中所示 ． 浆纹 N 图2 圆环栅云绒干涉条纹图 F i g ．2 l n e r f e r e n c e c i r c u l a rg r a t i n g sM o i n l 1 ．3M o i r ∈条纹疑条皱警相对位移懿美系 事实上，用炎壤予涉的方法来测量秘分柝位移 或虚变簿，所看中的是它的M o i r 6 祭纹对微小位移 变化具有放大作用，同时冀对应有相当精确的量化 效聚“．本文薪述骧瑾的应磁也苓镝矫．首先，我 鳃从乎薅圆嚣援蚋M o i r 6 条纹形戴舞始，推导一下 位移与条纹的关系．图3 趋2 个等节距阙环栅叠合 干涉示意图。2 个光栅中的一个称为试样光栅S G ， 而强一个称为参考光栅R G ，二者节距耩等鸯为P ， 设耩光壤发生位移必2 c ，选取薅圆心连线为z 轴， 坐标原点定在圆心连线中点处 为不破坏图形的可 视性，采在图上标示 ，试祥光栅和参考光栅的栅线 序号分掰为S x ，y 一f 和R x ，， 一i z ，女为整数 量霉正霹受 ，裂溪毙器豹方程式努别势 茹 c 2 ，2 1 2 p 2 ， 1 a z c 2 Y 2 2 户2 ， 1 b 露光攒摄线重囊禚交，搀遥黥交点逵藏线鄄巍 M o l t 6 条纹．交点形成条纹的级数由h 士z m 绘 出．从式 1 a ， 1 b 可得条纹的方程解析式为 { [ T f 2 Y 2 ] [ z c 2 Y 2 ] 一m 2 P 2 } 。 4 ￡ z 4 - f 2 十Y 2 X z e 2 Y 2 ] ， 2 f 2 ，21 鄂赢4 - 。r n Z p z - - 4 c z 一专 3 在浅 3 中，姿m 3 扩一4 ， 0 时，艨表零的是以薅 圆心连线为直径的圆的内部形成蹦2 中的梭形条 纹．事实上，这个圆内的条纹应箍一组椭圃．当 m 。矿一4 c z 0 辩，所表拳的燕沿这个蠲静蠲周向 终澎成辐射状双曲线条纹，如图3 中囊嚣。特另4 媲， 当两光掘的相对位移较小时，双曲线条纹可以近似 看成直线 磁如阔2 和图7 中所见判的 ． 窭毒球巍珏环壤手涉象跛在x - y 警疆土瓣投影 F i g ．4 C a s ts h a d o wO i lx - yp l a n eo f M o l t 6f r i n g e sf o r m e db yt w oe q u i s p a c e dc { r c u l a rg r a t i n g s 两光搬的相对位穆量是计算倾斜角的基础量。 辐射条纹的数目与位移有明确的对应关系，遗种对 应关系为位移的确定提供了极大的方便．假设位 移隽N 个节距，捌球嚣位移弧长鸯N ，条绞芝经移 之勰蚱关系是怎样的呢 从上蕊的推导可知，在辫 圆心连线为直径的圆z 。。，的外围，圆环栅的干涉 条绽是双曲线，从图3 和嘲4 中可以看出，双曲城 是蠢两缀翟或椭圆 酌交点形成静．缓设i 炭遴鹩 一缀匮隽￡组，表选的必敷组，当相对像移为Ⅳ个 节距时，在R 组的圆中，与圆z 。，相内切的圆旅 剐好与每一条双曲线相交，每对交点对应L 组的一 个潮，五组中共有2 N 个窗每毛耱交，{ 魏就是说，双 蓝线共凑2 N 2 4 N 条 双曲线是瓣嚣的 。这 样．便得出位移与条纹的关系，即条纹数是相对位 移节距数的4 倍．知道了条纹数，也就得到了相对 矗葶挺．嵌变分辑的云纹法。北京t 清华犬学工程力学系材j | 唪力学教研缀．1 9 8 3 。2 l 一3 5 。 万方数据 牵掰矿监太学学报 摹2 卷 佼移量．透纛霹l 盂求辩镢辩鹞，籁辩角鑫下式嚣苒 0 一[ 户 条纹数／4 ／R 3 1 8 0 。／3 ． 4 获萄2 ～4 ，7 审的圆环撵予涉M o i r 6 条绞圉来番， 条纹密度分布是有很强的对称性和方向性的，逸也 就为判羽方位角提供了足够的信意． 2 球瓣云纹技术褰定向链势中豹疲期 球面云纹传感器可用予定向钻井测斜，其结构 如匿5 薪示． 图5 测斜仪 传{ 晦器 安装简图 F i g ，5S k e t c ho ff i x i n gd i p c o m p a s ss y s t e m 1 ．照明装置I2 ．C C D 像采集前端装置l 3 ．球獭传感器} 4 ，外壳f5 ．* d i m 无磁内壳 安装辩，将球蘩传感器外球壳霹寇在终壳4 上，使外壳的筒心轴线与内外两球壳上的圆环栅中 心重合，再将外壳4 等锫穗无磁内壳5 藩接，在球 型传感器的上方安装C C D 像采集前端装置2 和照 明装置1 ．C C D 像采集前端装置2 连接地面的黼像 采集、接收和处理系统，当系统工作耐，C C D 像采 集装置把传感器上产生的M o i r 6 条纹图像信警采 集下来，著传辕到地遂上的图像接收和处理系统， 经分析处理褥出结果．根据采用的球壳咫寸及栅线 的蜜度可捷测量角糖震达捌3 0 ”以下，测斜系统的 构成如图6 所示，具体方法如下； 1 剿终内径分裂毙3 2l l q r f i 翻3 2 。lI T l m 豹内 圆冒圈一图 疆6 测斜系统攫耀 S c h e m a t i cd i a g r a mo fd i p e o m p a s ss y s t e m 球壳秘外球嵬 玻璃或透明塑料制 ，两球壳的厚度 均为2m m ，内球壳制成比半球大 郎似多半球 ． 2 分别在内避壳的多} 蘑』二和羚球竞的内面 上，沿球面光刻节飚为0 ．0 1i Y l m 的同心圆环栅线， 并在内球壳静乎嚣越褒土 郅壳蠹 安装条形嫩铁。 3 内球壳是髓于外球壳内的，而外球壳可随 链铤赣辩。辩球壳之溷注入逶爨鳕透明液体，使内 球壳在外球壳内转动自如，这样，当外球壳向任何 方囊缎辩拜毒，内球壳始终保持溅寒豹拳平状态，蒡 且在地磁场和条形磁铁作用下，内球壳方位角保持 不变并被设为基攥位置。 4 两球面圆环栅相对移动便产生M o i 始条 绞，静在两个球面土医环褥的圆心之闯形藏校形条 纹和外围的辐射条纹，用面阵C C D 像采集装置 分 辨率为10 2 4 10 2 4 获敬云纹图中静M o i r ∈条绞 图像，将图像送人计算机并显承出来，使可以直接 观察劐并斜角及空间方便角． s 最初采集的图像 如图2 是不能直接用作 分析和计算的．必须进行相应的图像赴理后才能加 以剥期。图7 a ，7 b 螃示的是两螟不同的等节鼹圆环 栅干涉M o i r ∈条纹图 图7 a 的节距小于图7 b 的节 踅 ，逮嚣攥图像怒经过处理麴，条纹涛辑，蒸本满 足计算和分析的需要． 6 对照理过携蓬像进行数据分辑程娃理，霹 准确计算出倾斜角及空间方位角．根据辐射条纹数 哥戳诗算壅位移燕，进嚣由余弦定褒褥出穰毵角 0 。而由梭形的两端点连线或辐射条纹最稀疏处中 心线毒条形磁铁辫成斡必角鄄为方往靠这一多 完全由相戚的软件系统来完成．软件系统包括信 号采集稃簸理，系统的自动益测和控镪，馈辩焦鞍 方位角的计算及自动调懿等。 一一 B C o 圈7 等节糕姻环搬干涉M o i r ∈条跛圈 缀豳像处理 F i g ．7M o i r ∈p a t t 由 nf o r m e db yt w oe q u i s p a c e dc i r c u l a rg r a t i n g s 万方数据 第6 期 安里千等球面圆环栅云纹测斜研究 3 实验传感器是手工制作，配合问隙较大，精度不高} 2 目前，光栅的制作技术可以使节距达到 图像采集系统的采集精度较低，对细条纹有漏采现 0 ．0 1m m ，理论上，根据条纹判别位移可精确到半象，使用高精度的采集设施，效果会更好；3 图像 个节距，若传感器的直径为3 2 。。，那么，倾斜角 处理软件尚不完善，有待于进一步开发完善． 的检测精度就可以达到3 0 ”．节距越小，精度越高．4绪i 仑 在本文的实验中，传感器是手工制作的，直径为M o i r 6 条纹是对位移的放大，球面圆环栅的 3 2m m ，光栅节距为1m m ，理论检测精度为5 0 ’．M o i r 6 条纹与位移有明确的对应关系，即条纹数是 传感器随机发生一次倾斜，就对应一个方位角相对位移节距数的4 倍，利用这一关系就可以精确 和一个倾斜角．首先，对倾斜角进行检测，主要对0得出球面相对位移量，从而得到倾斜角口一位移弧 在1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 。时的检测精度加以考察，长 P 条纹数／4 对应的圆心角；球面圆环栅的 每个角度测试1 0 次，实验结果如表1 所示；然后，M o i r ∈条纹对称性和方向性是相当强的，这为判别 进行方位角的测试实验，主要考察方位角。在2 0 a ， 方位角提供了足够的信息．利用圆环栅干涉产生 3 0 ，4 0 ，6 0 ，8 0 ，9 0 ，1 0 0 。时的检测精度，每个角度测 M o i r 6 条纹来检测钻进倾斜角和方位角是完全可 试3 次，实验结果见表2 ． 行的；本文设计的球型传感器，适合安装在钻铤中， 衰1 倾斜角的实验检瓣段据可随钻进测量倾斜角和方位角，传感器的结构简 ’a b I 。1 M 。n s u 。i n gd a t ao fs l o p e8 n O 。8 单、设计合理且实用、精度高；在理论上，该测斜系 弓髦氅2 卫兰} 』生塑里 o _统可以将测斜角的精度提高到3 0 ”以下，经实验验 均僵／ 。 8 ．4 1 7 ．22 7 ．53 8 ．14 6 ．85 5 ．4⋯。’’一’⋯⋯⋯⋯～⋯一’～’一一 磊F i i i 瓦百i 1 面1 了广i 了一证，实际检测值与理论值一致，但由于手工制作传 8 9 ‘5 85 8 ‘8 8 2 2 9 7 吧”3 5 ’8 5“4 45 8”5 8 “5 感器的精度限制，也造成了不少的偏差，而这正是 2．1．．2．．． ⋯⋯l ⋯⋯⋯⋯oo7 ⋯～⋯⋯“一 测jo1 1 3 2 7 54 06 4 6 35 2 4 下一步细致工作所要解决的重点之一；本文所述的 ．4 7 ．81 6 ．52 8 ．5 3 7 ．8 4 6 ．5 5 3 ．5 一 ’’。。一 ’⋯⋯’一 。⋯ 讯59 ．01 6 ．32 5 ．3 3 8 ．5 4 4 ．35 1 ．5 测斜仪还可用于其他工程测量中，如建筑、公路、 查； 器”52 6 o3 5 o4 5 560081 932 953 554 745 85铁路等方面检测空一l U J 倾斜角、水平角及方位角等． 一7 6 ．．．．．．坏埘守月日口∞Z 『m M 月、小T 月Ⅸ月世月岢 姒 “9 ； 挎 2 2 5 70 84 3 9 0 ‘8 54 4 8 9 ’i5 5 7 4 ’ I 附- I 注据查新资料表明用云纹法检测钻井倾斜角和方 9．31 7 ．3 ．．．3．3⋯⋯⋯㈣Ⅶ“M ⋯⋯H ⋯⋯ J 卫丑上J 上Ⅱ_ j L L 瑚_ 8 址玉j 工2 一 位角在国内外尚无先例．本文所述的测斜方法将为国内外 注t 倾斜角的单位为 9 。 钻井测斜提供一条新的、成本更低的、更有效的途径．该测 裹2 方位角的实验检测数据 斜系统尚属实验室试验阶段．诸如，钻杆震动引起的误差、 竺竺竺坚竺竺竺竺竺竺 竺 图像的传输以及地磁的影响等等，目前正在实验研究阶段， 圭堕堕塑_ 兰』生』生塑羔L } 今后将陆续公开报道． ～．。l 2 3 ．23 4 ．04 2 ．86 0 ，07 8 ．38 5 ．39 7 ．3 ～ 一 爱薮2 2 4 ．1 3 4 ．2 3 5 ．36 3 ．68 3 ．6 8 7 ．39 2 ．6 参考文献。 ～’31 8 ．83 2 ．43 6 ．05 5 ．47 7 ．69 2 ．31 0 1 ．2 一 [ 1 ] 英格里斯．定向钻井E M ] ．苏义脑译．北京；石油工 从以上实验结果来看，测试值与实际值吻合较 业出版社，1 9 9 5 ．1 7 2 5 ． 好，有不少测试结果与实际值是相当一致的，这说 [ 2 ] 王斌定向钻井测量仪器[ M ] ．北京石油工业出 明球面云纹法测斜是完全可行的．但是，测试值也 [ 3 ] 要塞。1 r i 3 9 9 0 P ．3 s 3 ．一篱o ∈F r i 。“ 。i 。S t 商。A 。l y s 砒M ] ． 存在一定的偏差，有时偏差还很大，主要原因是1 。。L o n d 。。P e Ⅵ。。o 。P ，。。，1 9 6 9 ．1 1 1 _ 1 3 3 ．。。。 R e s e a r c ho nS k e wM e a s u r e m e n to fM o i r 垂F r i n g e s o fS p h e r eC i r c u l a rG r a t i n g s A NL i q i a n ，Z H A N GD o n g s h e n g ，C H E NZ h i h o n g D e p a r t m e n to fS c i e n c ea n dA r t s ，C U M T ，B e i j i n g ，1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t An e wm e t h o do fs k e wm e a s u r e m e n tw a sp u tf o r w a r d ，i nw h i c ht h eM o i r ∈f r i n g e sf o r m e db yt h e i n t e r f e r e n c eo ft W Os p h e r ec i r c u l a rg r a t i n g s e r eu s e dt oc a l c u l a t ea n dd i s c r i m i n a t es h n t e da n g l ea n da z i m u t h a n g l e ．T h ed i p c o m p a a ss y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nas p h e r es h a p e ds e n s o r ．T h ei m a g e sw e r ep r o c e s s e db y u s i n gd i g i t a li m a g et e c h n i q u e ．T h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n gs l a n t e da n g l ea sw e l la sa z i m u t ha n g l ew a si m - p r o v e dg r e a t l y w i t ht h ee r r o rb e i n gl e s st h a n3 0 ”．T h em e t h o dc a n b eu s e di nd i r e c t i o n a ld r i l f i n ga n dh i g ha c - c u r a c yh o r i z o n t a ls u r v e y ． K e yw o r d s e i r e u l a rg r a t i n g lM o i r 6f r i n g e s ；d r i l l i n gd i p c o m p a s s 万方数据