3.4泥浆类型的影响
3.5径厚比的影响
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第四节 无线随钻测量系统井下仪器的动力源
由于无线随钻MWD遥测系统没有返回到地面的电缆导体，所以操纵仪器的动力源必须安装在井下。目前，无线随钻MWD遥测系统所使用的动力源主要有两种方式。
一、电池组
由于电池组没有运动部件，所以它具有紧凑和可靠的优点。但是它的使用寿命和工作时间有限，并且受温度影响。同时，更换电池的费用也比较高，这种方式曾成功地使用在只要求定向数据的应用中，在传输多参数时能力受限。它有限的动力输出不能满足多传感器工具的需要(图7-22)。
二、涡轮式交流发电机
随着MWD朝着多传感器的趋势发展，涡轮发电机越来越广泛地用来为工具提供动力。它利用通过仪器的钻井液液流作为涡轮叶片的动力，带动连接交流发电机的轴(图7-23)。产生的电流必须用稳压器来控制。尽管这种系统比电池组能提供更多的动力和更长的工作寿命，但当涡轮损坏时就会发生断电故障。为防止损坏，在涡轮的钻井液进口处装一个滤网来滤掉钻井液中的岩屑。因为要倒掉岩屑或拿开滤网以使钢丝绳起下的仪器通过，而且为了易于取放，可将滤网装于钻柱顶部。
图7-22 利用电池组的MWD仪器
图7-23 使用涡轮发电机MWD仪器 161
图7-24 涡轮发电机结构原理示意图 图7-24是俄罗斯电磁波式孔底遥测系统井下仪器所配备的蜗轮发电机机构原理示意图。发电机包括带绕组的定子1和外壳2，其中定子为轴向静止状态，而外壳起转子的作用。在外壳2中，固定了为建立磁场和在定子1绕组上产生电动势的磁铁3。
外壳2的一头与涡轮4相连，而另一头与涡轮5相连。外壳与涡轮连接的地方借助密封圈6、7进行密封。涡轮4、5用于驱动带磁铁3的外壳2旋转，以形成交变的旋转磁场。在涡轮4的内部安装了二个轴承8、9。在涡轮4的前端面上留有注油孔，里面有带密封圈11的封闭螺栓10。在这个孔里还装有带弹簧13和钢球14的阀座12。在轴承8、9之间安装了隔离圈15、16，而轴承8、9本身则靠防松卡圈17来固定。涡轮4相对外壳的位置用防松卡圈18来确定。
定子1安装在轴承19上，轴承19的端面密封靠卡圈20、衬套21、T形衬套22和带密封圈24的柱塞23来实现。在卡圈20和衬套21之间装有六根弹簧，以保证在端面密封的接触处能形成足够的轴向力。各密封件用销钉26和螺钉27连接，并被固定在定子1上。衬套22靠支撑套28来保证同心。借助销钉29对支撑套28进行校正，并用防松卡圈30固定。
发电机基本参数和特性如下：
周围环境温度，℃ 10~90 在10—70Hz振动频率的范围内加速度，m/s ≯100 最大静水压力，Mpa 60 最大交变载荷，kN 1000 额定转速，r/min 1400 额定功率，W 225 发电机输出电压，V 15 发电机在隔离电路之间的最小绝缘电阻，KΩ 100 产品的外形尺寸
直径，mm 82 长度，mm 567 质量，kg ≯25
第五节 随钻测量系统井下仪器的传感器
在MWD井下仪器中，必须有一些电子元器件采集井底信息，并将这些非电量的物理量转换成电量的物理量，这些电子元器件称为随钻测量井下仪器的传感器。由于MWD传感器必须在井内钻进过程中工作，即要承受钻进过程的振动，又要保证传感器能连续测量井内物理信息，因此，它与普通测斜仪、定向仪不同，一般不能采用锁紧——松开接触式的传感器，同时，井下仪器上的传感器都必须十分坚固以承受井下恶劣环境，并具有稳定的工作性能和长的工作寿命。起初的MWD仪器仅能检测定向钻井的几何参数——顶角、方位角和工具面向角，随着钻井工程对井底信息量和实时性要求的不断提高，特别是现代地质导向钻进技术的不断发展，目前的MWD仪器已不仅能检测定向钻井的几何参数，而且还能检测井底的钻压、扭具、温度和地层的伽马射线、电阻率等。当然，针对于不同的工作阶段和性质，井底信息的采集可能有所侧重，目前在用的只有一种系统具有可以不起出全部下部钻具来更换损坏的部件(传感器组／电子元件)的功能。一个传感器损坏了并不意味着必须起出仪器。如果操作者确信其他传感器仍在提供所需信息，损失一个数据并不重要(如定向井作业时伽马射线没有测到，而操作者认为定向数据更为重要)。
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一、定向传感器
在钻进过程中连续地测量井眼参数应用教多的是加速度计和磁力仪等坚固的固态传感器。加速度计测量地球的重力场分量，而磁力仪测量地球的磁场分量。无论在哪种情况，场都是在特定的方向起作用，因此，通过对测量仪器相对于该方向的方位，采用正交三轴定位布置的磁力计和加速度计就可以确定井斜角，方位角及工具面角(见图7-25)。
1、加速度计
图7-26是加速度计工作原理示意图。它利用一个石英铰固定一个测试体，使该物体只能沿一个轴运动。当仪器下井后，沿该轴作用的重力分量将推动测试体运动。测试体的移动在电容器之间产生不平衡，由伺服放大器检测出来。然后在线圈内通电，产生一个反力，使测试体恢复原来位置。重力分量越大，所需要的产生反力的电流就越大。测量已知电阻上的电压降，就可直接得到重力分量值。 对于三轴的加速度计，其三个分量的矢量和必等于重力加速度g。由于可以用其他方法在任何位置测得重力加速度g，所以实际上只需两个加速度计。但是，三轴加速度计确 实可以提供检验输出结果和识别错误的手段。
2、磁力仪
磁力仪是检测固定轴向地磁场强度的传感器，图7-27是一个有环绕线圈的软铁磁心。如将磁心(或螺线管)放在变化的磁场中，则磁通量将集中在螺线管内，并在线圈内产生电流。电流的大小取决于暴露在磁场中的导磁物质的量。线圈环与磁力线成90°时，电流较大。当线圈环转动
图7-26 加速度计的工作原理 图7-25 加速度计和磁力计沿 三个正交轴的布置图 图7-27 交变磁场中绕线环产生的电流 到以较小的面积暴露在磁场中时，电流就会减少。因此，线圈中获得的电流大小可以用作测量磁场和线圈之间角度的一种方法。但是，这个电流只在磁场交变时才产生。地磁场是恒定的。移动线圈来产生电流是不可行的，因为这样会降低方向测量的精度，线圈环应当对准测量仪的一个参照轴并保持固定。
为说明饱和式磁力仪的原理，可参照图7-28所示的两个相同的磁心。磁心具有相等的高导磁率，并有相反绕向的主线圈和次线圈，在主线圈上通过一个交变电流，产生磁场，磁
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心饱和。因为次线圈的绕向相反，如果没有外部磁场，总的输出电压为零。如果存在外部磁场，会使其中一个线圈比另一个先饱合，输出电压出现不相同，引起电压脉冲。将耦合线圈与外磁场形成某个角度，会产生一个与线圈环内磁通变化率相交的电压，电压大小也对应于外部磁场强度。所以，三轴饱和式磁力仪可以用来测量地磁场沿三个正交轴的分量。
3、 井斜角、方位角和工具面角的推导
加速度计输出的电压对应于三个正交轴分别记为Gx、Gy、和Gz(图7-25)，同样，磁力仪的输出记为Hx、Hv和Hz。注意，z轴是仪器轴，方向向下，y轴被规定为与工具面一致。它可作为弯接头刻度线参照的基准线。
图7-28 饱和磁力仪，合成电压的峰值与平行于线圈轴的磁场强度成正比 （1）井斜角
如图7-29，在铅垂面内的直角三角形中，井斜角是从铅垂线到z轴(加速度计轴)的夹角，井斜角α可由下式求出：
图7-29 井斜角α=arctg [（Gx+ Gy）/ Gz2] 22图7-30 GTF=arctg （Gx/ Gy） （7-27）
（2）工具面角
重力工具面角(GTF)是沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的高边和y轴(加速度计轴)之间的夹角(如图7-30)。此角可由下式求得：
（7-28） 磁工具面角(MTF)是磁北极与y轴之间的夹角。这时：
（7-29） （3）方位角
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