方位角是在水平面内从北极按顺时针旋转到z轴的夹角。为计算井方位角，必须将磁力仪和加速度计的读数分解到两个轴上(图7—21)。轴V1是井眼方向在水平面内的投影。轴Vl与V2轴垂直，所以，方位角β可由下式求得：
将Hx，Hy和Hz换算式Vl和V2，可得到下列方程：
图7-31 方位角β=arctgV2/ V1
将Vl、V2代入前面的公式得：
?Gsin??2x?GyGZ21/2? （7-30）
（7-31） （7-32） （7-33） （7-34）
这里
g =（Gx2+ Gy2+ Gz2）1/2
，方位角表达式里包括加速度计和磁力仪的测量结果。
二、地层参数测量传感器
1、伽马射线传感器
伽马射线是由放射性元素如钾、钍和铀的同位素发射出来的。这些元素在页岩中比在其
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它岩石中更普遍地存在。因此通过测量一岩石序列的伽马射线发射量，就能确定页岩区。装在MWD仪器中的伽马射线传感器可在钻头钻过地层时检测到放射量。为了尽快地检测到岩性的变化，伽马射线传感器应尽可能地装在靠近钻头的位置，以便在仪器有反应之前只钻过很少的新地层。实际上，钻头与伽马射线传感器之间的距离大约为6ft。由于在钻井液中和在钻铤中的衰减作用，实际上，地层所发射的伽马射线只有其中很小的比率被检测出来。
现在使用的有两种传感器：
（1）盖革-米勒管(Geiger-MullerTube)：这种类型的传感器由一个充着相当低压力的惰性气体的圆筒组成。在筒腔的中心穿过一个高压电极(±1000V)。当伽马射线进入筒腔时，引起气体电离，产生向着电极中心的高速运动的电子流(图8-12)。因此，这个电子流就可用来检测地层所释放的伽马射线量。
图7-32 盖革 —米勒管
(2)闪烁计数器(Scintillation Counter)：地层发射的自然伽马射线能通过碘化钠晶体。射线激发晶体，产生闪光。晶体发射的光撞击光电阴极并释放电子。电子经过一系列阳极后引起更多的电子放射。这样就产生一个与原闪光成正比的电压脉冲(图8—13)。通过记录给定时间段内的脉冲数，就可以测量进入传感器内的放射量。这与用在电缆测井仪器中的伽马传感器基本上是同一原理。
图7-33 闪烁记数器
盖革-米勒管不如闪烁记数器那样准确，因为它只能检测到放射的射线总量中很小的一部分。然而它也确有优点，它很坚固可靠，并且比闪烁记数器便宜。
MWD的控制系统将传感器的测量结果换化为数字码，并储存起来准备传递。同定向测量一样，数据作为一系列钻井液脉冲传送到地面。最终结果是以连续测井形式沿井深画出的伽马射线响应图(以每秒冲数测量)。
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2、电阻率传感器
电阻率是地层对电流阻抗的度量。地层的响应取决于孔隙空间的流体含量(油和气为绝缘体，而盐水为导体)。MWD仪器上的电阻率传感器是由等效的电缆测井仪器(406.4mm，电位电极系)改装的。两个电极安在MWD仪器外侧的两个绝缘橡胶套上(图8-14)。上面的电极发出电流，流过地层并由下面电极检测出来。实际结果是受井眼直径，钻井液浸蚀和地层厚度影响的。这些影响必须采用某些修正系数来补偿。这种类型的传感器对使用油基钻井
图7-34 电阻率传感器（406.4mm，短电位装置） 液的井眼是无效的。已经研制成功的电感
式传感器可以装在MWD仪器里。如同伽马射线传感器的情况一样，电阻率装备也需尽量安在靠近钻头的位置以便对地层变化很快作出反应。
三、钻进参数传感器
1、温度传感器
温度传感器通常装在钻铤的外壁，用来监测环空中的钻井液温度。传感元件可以是电阻随温度变化的金属片(如铂)。传感器的温度测量范围一般调在50°F～350°F之间。
2、井底钻压／扭矩传感器 这些是由装在靠近钻头的特制的特殊接头上的灵敏应变仪系统来测量的。应变仪能测钻压的轴向力和扭矩的扭力。将成对的应变片贴在接头的对边，会消除弯曲应力产生的影响。接头的设计必须可以补偿温度和压力的影响。
3、涡轮转速传感器
用井下涡轮钻井时，在地面上并不知道钻头转动的实际速度。监视转速的唯一有效方法是用连接到MWD仪器上的涡轮转速计来提供实时数据。井下传感器是由一个非常靠近旋转的涡轮轴顶部的探测器组成。在轴的顶部装两个成180°的
图7-35 涡轮转速传感器
磁铁。当轴转动时，探测器内的线圈采集由磁铁
引起的电压脉冲(图7-35)。计量某一时间内的脉冲数就可以计算出以 转每分钟(每分钟转数)为单位的涡轮速度。将这些信息编码为一系列钻井液脉冲，每隔一段时间就传送到地面，使司钻知道转数是在如何变化。
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第六节 使用MWD系统的钻井作业
一、地面系统
大多数MWD系统都用相当相似的地面设备来解释、记录和显示井下传感器测量的数据。地面设备的数量取决于各类型仪器及所测量的各种参数。如果只要求定向数据，对于钻井液压力脉冲式MWD可只需要一个立管压力传感器和一套可安装在司钻值班房中的接收、处理系统。如果还要测量地层评价数据和钻井数据，那么将所有电子仪器和绘图设备装在钻井液录井室或钻台上特制的房子内是很实用的。地面系统的基本部件如图7-36所示，下面分别说明。
图7-36 地面系统的主要部件
1、立管压力传感器
在大多数钻机上，立管管汇有许多可装仪表的测压接头。卸掉一个仪表，传感器就可以安在这一便于装卸的点上。传感器内有个敏感的膜片可以检测压力的变化，并将液压脉冲转
化为电压脉冲。其电压输出通过电缆传给其余的地面设备。
2、电子滤波器——放大器——地面计算机
如同检测MWD的脉冲一样，传感器也要响应由钻井泵或井下马达引起的压力变化。这种背景噪音使它很难解识别MWD的脉冲，有时变换钻井泵速度可能减少这种干扰。钻井泵上的压力缓冲器可以防止任何出口压力的大的波动。
从传感器中传出的信号可以通过滤掉不需要的压力变化而得到改善。因为需要的MWD的信号频率是已知的，所以就可以设置电子滤波器消除任何高或低于预先设定范围的其他频率。然后，信号经过放大可以进一步增强，以显示明显的波峰和波谷。增强后的脉冲顺序送入已编程的地面计算机，以识别出参考脉冲然后对数据脉冲译码。最终结果在计算机终端的打印机上列出并记录在磁带中。
定向测量结果(方位角、工具面角和井斜角)传到钻台上后，为方便定向井司钻，将数据显示在一个表盘上。地层评价数据是随着钻进过程连续地打印出来。另外还要用一个深度跟踪系统来画出相对于深度的伽马射线或电阻率的响应值。
定向数据、地层数据和井下钻井参数是按预先确定的顺序传送的。测量结果的传送顺序和频率随制造厂家的不同而变化，它还取决于仪器目前在如何操作。例如，在定向作业时可能只传送测量数据，而在旋转钻进时就可以传送伽马射线和电阻率。
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二、MWD系统的使用
1、施工前的要求
在使用MWD系统的作业以前，必须预先确定以下内容： (1)需要的基本数据是什么；
(2)目前现有的哪种系统可以满足这些要求；
(3)所考虑系统的局限性和技术规范在这项使用中是否可以接受(如精度、数据传送速度、温度等等)。
在有几种仪器都能满足所有作业要求的地方，有些作业者采用试验所有的不同系统的谨慎策略来评价其可靠性和成本—效益情况。被选来提供服务的MWD公司要从作业者处得到这些信息：
(1)作业者预计何时使用MWD仪器(要有足够的时间来进行车间试验，设备和人员运送，井场上的安装时间)；
(2)预期的流速、泵压、钻头水眼直径、泥钻井液密度和其它BHA组件(这将影响装在仪器内MWD部件的选择)。
仪器离开车间之前，所有构件都要进行彻底检查。定向传感器要在能模拟预计方位角和井斜角的校准架上试验。有些公司能够在出厂前将所有必需的井下部件装在无磁钻磁内。提供一套以上的仪器是必要的，以便在一套损坏时，另一套仪器已在井场上作为备用。
2、组装及地面检验 所有MWD系统都是设计成便于组装的，以求不会严重妨碍正常钻进过程。服务公司提供所有必要的井下和地面设备。安装和操作一套MWD系统通常需要服务公司的两个工程师。
对地面系统，要求将降压力传感器装在立管管汇上的方便位置。然后将电缆连到位于钻工房或管台上的MWD设备上。地面系统的安装需要井场电工或安全人员的帮助。其中钻台显示器是为了让定向井司钻监视所测角度的变化。
如果井下仪器的构件已装在钻铤中，组装就很简便，只要小心地吊装钻铤就行了。如果井下仪器要在井场上组装，就要分别检查每个组件。在连接钻铤时，须十分注意确保施加合适的扭矩。操作大钳和卡瓦可能会损坏钻铤内的灵敏器件。 如果MWD仪器是同井下动力马达和弯接头一起使用的，就要测量工具面偏差角，这是实际工具面(由弯接头的刻线确定的)和MWD仪器的工具面(由B轴位置确定的)之间的角差。这可以在钻台上用量尺或特制的量规测得(图7-37)。工具面偏差角要存贮在地面计算机中，以便自动地将MWD的工具面转化成实际工具面。同样，磁偏角也要存贮在计算机中以便将磁方位角转化为真实
的方位角。 图7-37 测量工具面偏差角（OTF） 当仪器悬挂在钻台上时，应该进行功能测试， 以确保所有元件工作正常，有关仪器可靠性的试验是每次下钻时都在一个特定的深度进行测量。这就是所谓的基准点测量，并且所有的结果应十分相符。基准点测量通常在套管鞋下部
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