陀螺测斜仪在定方位射孔中的应用
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陀螺测斜仪在定方位射孔中的应用
作者：刘俊
来源：《中国化工贸易·上旬刊》2018年第05期
摘要：随着陆上油田开发中后期侧（水平）钻井以及海洋平台加密井和从式井数量的增多，不受磁干扰的陀螺测斜仪得到了广泛的应用，但目前国内应用的主要是有线陀螺测斜仪。本文简要介绍TLX50-100D陀螺测斜仪的在定方位射孔中的应用进行详细论述。
关键词：定方位射孔；陀螺测斜仪射孔；管柱方位角
陀螺仪最早应用于航空航天领域的飞行器导航，是以惯性器件为核心的定位定向系统。经过改进用于钻井的陀螺仪称为陀螺测斜仪，它可以满足油田钻探的耐高温（125℃）、可靠、小口径等一些特殊的要求。陀螺测斜仪于上世纪90年代开始用于定向钻井中，因为其可感应地球自转速度，不受磁干扰，在强磁环境和油套管或钻杆中准确测量井斜、方位，磁重力高边而得到迅速的推广与应用。陀螺测斜仪自动寻北，无需校北，测量数据为井眼轨迹的真实数据，无需校正就可直接使用。
常规射孔孔眼的方向是随机的，因此无法满足一些特殊情况对射孔施工的要求，而定方位射孔技术是一种可以进行井下有方向性射孔的射孔工艺技术，其利用油管输送射孔管柱的方式，在油管与射孔管柱之间接人一定方位短节，通过测量定方位短节上方位键的方位来确定射孔弹穿孔的方位。
陀螺测斜仪下端的导向装置与定方位短节内的定方位键吻合对接，测量定方位键的方位角（射孔弹穿孔的方向），若测量定方位键的方位角与目标方位角不一致时，则需在井口转动油管调整射孔管柱的方向，直至测量的方位角与目标方位角的误差在允许误差范围内后，测斜仪器进行射孔作业。起出陀螺测斜仪器进行射孔作业。
1 TLX50-1000陀螺测斜仪工作原理
TLX50-100D陀螺测斜仪采用抗冲击、抗震动能力强的双轴动力调谐陀螺和三个石英加速度计作为核心传感器。具有高精度高可靠性体积小重量轻等特点。
以北东地为基准建立一个参考坐标系即大地坐标系，以三维正交安装的加速度计和陀螺建立测量坐标系即仪器坐标系。
在大地坐标系中X指向水平东Y指向水平北oZ垂直地面向上，在仪器坐标系中，由仪器轴线方向定义为Z轴，将与仪器轴线垂直的截面上一对正交的方向定义为x，Y轴。如果人为地将两个坐标系重合，则xo对应X，Yo对应Y，oZ对应z。仪器坐标系x、Y、z的任何位置可以认为相对于大地坐标系XYoZ经过三次旋转。仪器在井眼中静止时，利用仪器三维坐标轴
3500m深井定方位射孔施工实例
3500m深井定方位射孔施工实例 摘要：定方位射孔技术是使射孔弹的穿孔方向得到准确的控制，满足特殊地层的工程施工要求。该项技术成熟，主要在井斜≤15°、井深在2000m以浅的井中应用。本文介绍的是定方位射孔技术首次在3500m深井的成功实例。利用陀螺定方位技术和射孔技术结合，通过陀螺仪定方位测量、旋转油管调整方位、绳套投棒等3个施工重点工序，实现了定方位射孔技术在深井NP X -X井的成功应用。 关键字：3500m深井陀螺仪定向定方位射孔 一、背景 1.1井况介绍 NP X -X井位于NP油田4号人工岛，是该区块4口压裂增油项目中的1口井。甲方要求利用定方位射孔技术完成这口井的射孔施工。射孔枪穿孔的准确定位成为整个增油项目的关键。在此之前，只完成过井深在1000m以浅的直井定向射孔，在3500m深井的定向射孔还是一项空白。 NP X -X井况：射孔井段3535.6m-3543.0m；射孔方位220°；单相位；最大井斜32.83°/1933.00m； 102枪1m（高温）弹油管输送；井温126℃。 1.2存在的问题（风险） 针对本井的特殊井况，辨识出施工中存在以下问题（风险）。 问题1、目前现有的方位测量仪为机械陀螺仪，自身测量方位误差在±15°/h。随着时间的增长漂移更大，预计井下工作时间在3小时以上。根据井况（井斜大、井深）、施工时间（旋转油管调整方位的时间不确定）等因素影响，存在射孔定方位偏差过大的风险。机械陀螺仪需要在地面井口处进行人工目测定标，夜间不能进行定方位作业。 问题2、该井射孔底界3543.0m，井斜32.83°，井深、井斜大增加了射孔方位调整的难度。定方位射孔没有在深井施工过，以往定方位射孔都在1000m以浅、井斜≤15°的直井完成的。井深造成井内油管悬重大；井斜造成油管与套管的磨阻值高，这2个现实因素对在井口旋转油管调整井下射孔枪方位影响很大，调整时非常困难，方位不好保证精确。 问题3、针对本井的井况，起爆方式受限于只能采用投棒方式起爆（不采用加压方式的原因：1、井深超过3500m，如采用油管加压，压力作用在油管上使
单点测斜仪的使用方法
实验5.1 单点测斜仪使用操作方法 一、目的与要求 1. 熟悉和了解JXY—2型单点测斜仪的结构、工作原理和使用条件。 2. 掌握JZY—2型测斜仪操作方法。 二、实验内容 1. 测量钻孔5m、20m、30m处的顶角和方位角； 2. 作出钻孔顶角和方位角的变化曲线。 三、实验设备、仪器及辅助工具 1. XY—4型钻机，ф50mm钻杆； 2. JXY—2型测斜仪一套2台，井下钢绳吊装护筒一套； 3. 拧卸钻杆工具、管钳等。 四、实验步骤 1. 从保护简内取出测斜仪，旋动定时装置的旋钮，分别将两台仪器的机械钟启动到仪器卡所需要的时间（根据所测点的深度，下钻所需要的时间和组装仪器所需要的时间以及仪器在测点稳定所需时间的总和）。记下时间。 2. 将两台仪器分别装入保护筒内，盖紧密封盖。 3. 将两台仪器分上、下位装入井下钢绳吊装护筒里，拧紧护筒堵头。 4. 将井下钢绳吊装护筒连接在钻杆上。 5. 开动钻机，利用升降机，使用钻杆将测斜仪下到测点。 6. 仪器在测点稳定后，超过仪器锁卡所需时间，待仪器锁卡后，提出井下钢绳吊装护筒，取出测斜仪，分别直接读出两台仪器所测顶角和方位角。作好第一测点记录。 7. 重复上述操作步骤，测量钻孔的下一个测点。 五、实验数据整理（填入表中） 六、实验报告要求 1. 每人交一份实验报告。 2. 简述JXY—2型单点测斜仪结构特点及工作原理。
3. 分析测量结果，简析钻孔弯曲原因。 实验5.2多点测斜仪操作方法 一、目的与要求 1. 熟悉和了解JJX—3型多点测斜仪的结构、工作原理和使用条件。 2. 掌握JJX—3型测斜仪操作方法。 二、实验内容 1. 测量钻孔5m、10m、20m、30m、40m处的顶角和方位角； 2. 作出钻孔顶角和方位角的变化曲线。 三、实验设备、仪器及辅助工具 1. 升降绞车，钢丝绳，三芯电缆线。 2. JJX—3测斜仪。 3. JJG—1型测斜校验台。 4 拧卸工具，常用小工具。 四、实验步骤及操作注意事项 1. 仪器接线与调试 将JJX—3型井下仪器固定在校验台上，把井下仪器顶端三芯线与电缆三芯线按相同颜色联拉起来，用橡胶皮或不透水材料扎紧密封。把电缆线的三个接头（一般红色“+”、灰色“—”，黑色“地”）分别接到面板上的三个接线柱上（“+”、“—”、“╧”）。 将90V直流电源（或90V干电池）接在仪器面板电源接线柱“+”、“—”上（图5-1）。 按下“电源检查”按钮，这时“状态指示”mA表指针应指在两红线之间“V”内。 按下“状态转换”按钮，识别四个状态位置（见表5—1）。
陀螺测斜仪定向操作规程
SinoGyro陀螺测斜仪定向操作规程 一、检查仪器密封圈是否都已上好并完好无缺，仪器连接丝扣处用丝扣油涂抹，连接好仪器 并打紧。 二、在井上将井下仪放置在井斜20—30度之间。 三、转动井下仪，使定向引鞋的定键槽垂直向上并保持稳定。 四、开机，待仪器运转稳定后开始测量；连续测量三次以上，取最后三次稳定重力高边数值 的平均值（重复性误差≤+10）作为“高边初始角”的值输入计算机。 五、重测，确认此时重力高边实测数值为零（误差≤+10）；仪器断电。 六、为了确保仪器井下顺利入键，定向接头下井之前必须与仪器引鞋进行地面入键测试，一 切顺利后，定向接头方可下井。 七、仪器下井时，在定向键槽涂上铅油。下放时下放速度≤2000米/小时；上提时≤1800 米/小时。当井下仪下放距离定向接头50米时，控制下放速度在1200-1500米/小时之间；仪器入键后，待地滑轮落地时，方可停绞车。 八、绞车停稳2分钟后，开机测量，连续测量2次，检查仪器稳定性和重复性并记录测量数 据；一切正常后仪器断电，待陀螺停稳后上提30米以上，开始第二次坐键并测量；连续坐键三次，三次高边测量值误差≤+50时即可确认仪器入键。 九、仪器入键后不动，地面转动钻杆或油管至所需位置，然后上提下放钻杆或油管各三次， 每次活动范围3—5米，待活动完成后开机测量定向键的位置，如果达不到要求，继续转动和活动井下工具，至定向键位置达到工艺要求为止，至此陀螺定向结束。 十、陀螺测斜仪高边转换角默认值为3度，测量过程中如果想同时观察陀螺高边和重力高边 时，可在同一位置改变高边转换角的数值来实现。 十一、定向测量结束后，数据存盘，起出井下仪，进行现场资料交接。
测斜仪
CX―6型陀螺测斜仪外经40mm,进口传感器,电子陀螺,可测定强磁性地区及有铁套管的钻孔中方位角及顶角，精度:顶角：0.1度，范围:0-60度,方位角2度。0-360度,（适合于各类钻孔）新产品:CX-6B:无线自动存储式陀螺测斜仪.无需电缆,由钢绳将探头放入孔中,定时采样,存储,回到地面直接传入计算机.技术参数优于CX-6A. 一、概述 CX―6型陀螺测斜仪主要针对磁性矿地区及在铁套管中测量钻孔斜度及方位而设计。普通测斜仪钻孔方位角主要依靠指南针或磁敏元件定向，在磁性矿地区或在铁管中，由于指南针或磁敏元件的磁感应受到磁性体的影响，钻孔的方位角难以确定。因此，在磁性较强的环境中测量方位角最有效的办法是采用不受磁性体干扰的陀螺仪定向。陀螺仪有机械式和电子式两大类。机械式陀螺仪零点漂移较大、使用寿命较短、价格高。GX―6型陀螺测斜仪采用电子式陀螺仪，它具有体积小、寿命长、零点漂移小、价格较低等优点，是磁性矿地区及在铁套管中测量钻孔方位角较理想的传感器。 CX―6型陀螺测斜仪测量钻孔顶角（钻孔轴线与纵垂线间夹角）的传感器采用高性能的SMR元件作为敏感元件，可无触点的对倾斜角度进行测量，具有测量角度范围大、精度高、分辨率可达千分之一度、灵敏度高、寿命长、耐环境污染、抗振动等特点。钻孔测斜仪测量顶角主要采用进口伺服加速度传感器，钻孔测斜仪是在野外环境中使用的仪器，在运输及使用过程中振动是难以避免的。SMR是一种新型的传感元件，它除了有伺服加速度传感器的优良性能外，最主要的优点是抗振动5000g，特别适合野外使用。 CX―6型陀螺测斜仪整个测试过程由单片机及一台笔记本电脑控制，全部采样过程的分析计算、曲线及成果表的显示及打印均由软件自动完成。工作界面采用VB语言编制，中文菜单、操作简便。 二、基本工作原理 仪器工作原理： X方向SMR传感器是用于测量钻孔在X方向的倾斜偏移量，Y方向SMR传感器是用于测量钻孔在Y方向的倾斜偏移量。 当钻孔在X轴方向倾斜偏移为X′，在Y轴方向倾斜偏移为Y′时，其平行四边形的对角线长度R即是该点的顶角水平投影偏移量R= X′2 + Y′2 。方位角的测量原理如图五所示。仪器放入钻孔之前，在孔口上做一个标记，作为方位角起始点。将仪器测管外的起始标记对准孔口标记，假设测斜仪放入孔中无自转，只有倾斜，则图四中的α即是钻孔方位角，但实际中测斜仪放入孔内后不可避免地会任意转动，此时经陀螺仪测出其旋转角度，剔除无效转
【CN109826619A】一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910169320.2 (22)申请日 2019.03.06 (71)申请人 北京华瑞九州能源科技有限公司 地址 101101 北京市通州区永顺镇杨庄村 委会西50米 (72)发明人 张国芳 高宇泽 杨斌 魏建宝 李卫强 赵勇 张海华 鲍杰 霍华伟 (74)专利代理机构 北京知呱呱知识产权代理有 限公司 11577 代理人 赵白 杨乐 (51)Int.Cl. E21B 47/022(2012.01) E21B 47/024(2012.01) E21B 47/07(2012.01) E21B 47/12(2012.01) (54)发明名称 一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统 (57)摘要 本发明实施例公开了一种三轴光纤陀螺测 斜仪的控制系统，所述控制系统包括惯性测量单 元、温度测量单元、集成微控制电路、AD模数转换 电路、DSP解算电路和电源电路，惯性测量单元采 集的光纤陀螺信号通过集成微控制电路中进行 处理，加速度计测得的加表信号经AD模数转换电 路处理，最后将处理后的光纤陀螺信号和加表信 号直接传输至DSP解算电路的高效数字DSP处理 器进行实时解算，解算高效快速，无需上传至地 面解算平台，大大提高了数据解算速度和精度， 同时具有较好的温度适应性，整体体积小、集成 化设计， 适用于井下狭窄空间。权利要求书1页 说明书7页 附图9页CN 109826619 A 2019.05.31 C N 109826619 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109826619 A 1.一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括惯性测量单元、温度测量单元、集成微控制电路、AD模数转换电路、DSP解算电路和电源电路； 所述惯性测量单元包括依次设置在三轴光纤陀螺测斜仪骨架中的三组相互正交设置的光纤陀螺和三组相互正交设置的加速度计； 所述温度测量单元包括分别用于测量光纤陀螺工作温度、加速度计工作温度以及电路板温度的多组温度传感器； 所述集成微控制电路包括集成ARM微控制器，所述集成ARM微控制器用于实时采集光纤陀螺输出的角速率信息和温度测量单元输出的温度信息，并将所述角速率信息和温度信息传输至DSP解算单元； 所述AD模数转换电路包括与加速度计连接的AD模数转换器，所述AD模数转换器用于实时采集加速度计输出的比力信息并进行模数转换为数字信号，并将所述数字信号传输至DSP解算单元； 所述DSP解算电路包括DSP处理器，所述DSP处理器用于对接收到的实时惯性测量数据信息根据航迹推算法进行实时解算，获得表征油井井眼轨迹的参数信息； 所述电源电路用于为所述控制系统的各单元提供所需的电源。 2.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述集成微控制电路还包括通讯电路，所述通讯电路用于光纤陀螺与集成ARM微控制器之间的数据传输。 3.根据权利要求2所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述通讯电路包括分别与三组光纤陀螺连接的三组RS-422接口芯片，所述RS-422接口芯片采用MAX491EESD型接口芯片。 4.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述AD模数转换电路还包括与AD模数转换器连接的三组仪表放大器，所述仪表放大器用于接收加速度计输出的比力信息并放大调制后再传输至AD模数转换器进行模数转换。 5.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括步进电机驱动电路，所述三轴光纤陀螺测斜仪上设置有用于驱动惯性测量单元旋转的步进电机，所述DSP处理器通过步进电机驱动电路驱动和控制步进电机的旋转。 6.根据权利要求5所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述步进电机驱动电路包括L293DD型双H桥驱动芯片。 7.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述温度传感器采用DS18B20型数字温度传感器。 8.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述集成ARM微控制器采用STM32F103RCT7型芯片。 9.根据权利要求4所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述AD模数转换器采用AD7656型芯片，所述仪表放大器采用1NA128型仪表放大器。 10.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪的控制系统，其特征在于，所述DSP 处理器采用TMS320F28335型芯片，通过频率30MHz的外部晶振电路将芯片工作时钟倍频至150MHz。 2
定向限流法射孔压裂技术及发展方向
定向限流法射孔压裂技术及发展方向 摘要：研究了射孔方位角、地应力和岩石力学性质与射孔方位相关关系，为射孔方位确定和压裂施工效果提供坚实基础和可靠保障。应用表明，定向射孔压裂可以有效减小近井摩阻，增加地层中流体的渗流能力，提高低渗油田的产能，并提出了低孔低渗储层射孔工艺发展方向及改进的建议。 关键词：定向射孔；井筒崩落；横波异性 水力压裂技术是某油田绝大多数油层进行良好改造措施的有效方法。但是有些井在压裂施工过程中由于近井筒处高摩阻，造成油层改造失败。针对这一问题，结合地应力方向的研究，探索出了定向射孔压裂技术，这项技术解决了由于螺旋射孔形成的复杂近井筒裂缝几何形状导致高摩阻造成施工失败的问题。定向射孔是解决近井筒处较高的摩阻一种有效途经，施工安全，针对性强。 1 理论研究 定向射孔压裂技术是在与水平最小主应力方向成某一角度定向射孔，通过水力压裂造缝，使裂缝沿射孔孔眼方向起裂，然后重新定向到垂直于最小主应力方向，在同一压裂层内形成二条裂缝。研究表明，射孔方位角对裂缝起裂方位有重要影响，裂缝的起裂位置与射孔方向一致。地应力是压裂工程中的重要参数，其方向解释有井筒崩落地应力方向分析方法和横波各向异性地应力方向分析方法。 1.1 井筒崩落地应力 1.1.1 基本原理 油井钻井过程是在地应力作用下进行的。钻井井孔的形成导致地应力在钻孔井壁上产生应力集中，当应力集中超过井孔周围岩石的破坏强度时，岩石便出现破坏而产生井孔崩落现象。因此，井孔崩落与地应力状态即地应力大小和方向)存在内在的必然联系。分析表明，水平最小主应力方向出现最大的应力集中，因此最容易发生井孔崩落。也就是说，井孔崩落方向代表着水平最小主应力方向。当考虑井孔中流体压力和岩石中孔隙流体压力时，水平最小主应力方向上最容易发生井孔崩落，即井孔崩落方向反映水平最小主应力方向。 1.1.2 基本方法 井孔崩落导致崩落处的的井径增大，利用四臂、六臂地层倾角井径测井仪或FMI成像测井可以直接测定井孔井径变化特征，便可确定井径增大方向，即最小主应力方向。 1.2 横波各向异性地应力 横波各向异性地应力方向分析是应用交叉多极阵列声波测井（或偶极声波测
陀螺仪的基本特性
3.2 陀螺仪的基本特性 双自由度陀螺的两个基本特性是：进动性和定轴性。 3.2.1 陀螺仪的进动性 简单的说陀螺的进动性是指当陀螺受到外力矩的作用时，所产生的一种复合扭摆运动，其进动角速度的方向垂直于外力矩的方向，其进动角速度的大小正比与外力矩，或者说，陀螺进动的方向为角动量以最短距离导向外力矩的方向。 为了便于理解，我们以二自由度的框架陀螺为例，其进动表现为：外力矩如沿着内框轴作用时，则陀螺仪绕外框转动；若外力矩沿外框轴作用时，则陀螺绕内框转动。 3.2.2 陀螺仪的定轴性 陀螺的定轴性是指转子绕自转轴高速旋转时，如果不受外力矩的作用，自转轴将相对于惯性空间保持方向不变。换言之，双自由度陀螺具有抵抗干扰力矩，力图保持转子轴相对惯性空间的方位稳定的特性。 在实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不尽完善，总是不可避免的存在干扰力矩，因此，考查陀螺仪的定轴性，更有实际意义的是考查有干扰情况下，在有限的时间内，自转轴保持方位稳定的能力。由陀螺仪的进动性可以知道，在干扰力矩的作用下，陀螺将产生进动，使得自转轴偏离原有的方位，这种方位偏差就称为漂移。
一般说来，框架陀螺仪的漂移较大，从几度每小时到几十度每小时不等，这就是为什么框架式陀螺测斜仪在测量前要求标桩对北，测量结束后还必须校北的原因。 3.3 陀螺仪的表观进动 由于陀螺仪自转轴相对于惯性空间保持方位不变（当陀螺仪的漂移足够小；同地球自转引起的地球相对惯性空间方位变化比较，可近似的认为陀螺仪相对惯性空间的方位不变），而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动，所示观察者若以地球为参考基准，将会看到陀螺仪自转轴相对地球转动，这种相对运动称为陀螺仪的表观运动。 表观运动的实质是陀螺仪可以跟踪测量地球自转角速度。例如在地球任意纬度处，放置一个高精度的二自由度陀螺仪，并使其自转轴处于当地垂线位置，如图所示，可以看到陀螺的自转轴将逐渐偏离当地的地垂线，而相对地球作圆锥面轨迹的表观进动，每24小时进动一周。若使得自转轴处于当地子午线位置，此时将看到陀螺仪自转轴逐渐偏离当地子午线，也相对地球作圆锥面轨迹的表观进动，每24小时一周。 3.4 坐标系
定向射孔方位测量及现场应用
定向射孔方位测量及现场应用 孙鹏 （大庆油田有限责任公司试油试采分公司） 摘要：定向射孔技术是近几年出现的新型射孔完井技术，它通过专用的方位测量系统测量射孔孔眼方位。测量系统包括井下测量仪器和地面控制仪器，井下测量仪器主要由陀螺仪和加速度计构成。详细介绍了方位测量系统的基本原理和实现过程，通过测量地球自转角速度在仪器坐标系上的分量，计算得出工具面角，进而得到射孔孔眼方向，并以实例阐述了这项技术的应用情况，根据油水井的地应力分布状况来设计射孔孔眼方向，实现不同的完井目的。该技术具有重要的实用价值。 关键词：定向射孔；陀螺；坐标变换；地应力 The orientation measurement and application of oriented perforation SUN Peng (Well-testing & Perforating Services, Daqing Oilfield Ltd. Co., Daqing 163412, China) Abstract: Oriented perforation is a new technique emerged in recent few years. It measures the orientation of perforation holes using particular system, which includes underground instrument and controlling instrument on the ground. The underground instrument includes gyroscope and accelerometer. The orientation of perforation hole is obtained by tool face angle, which is calculated from measuring the fraction of earth self rotation angular velocity on the coordinate. This paper introduced the principle and realization of orientation measurement system in details and application of this technique. Achieve different effect by design the orientation of perforating beforehand, according to the stress distribution of wells. Keywords: oriented perforation, gyroscope, coordinate transformation, ground stress 0 引言 大庆油田拥有十分丰富的低渗透油藏，随着油田勘探开发工作的不断发展，优质储量增速逐渐放缓，低渗透油田已经成为当前和今后相当长时期勘探开发的重点。这些油藏地质条件复杂，储层物性差，自然产能低，开采难度大。为了有效开发这些低渗透储层，经常采用压裂方法压开地层，形成人工裂缝，增大地层导流能力，而且这样的井数正逐年增多。随着人们对这些区块地层应力分布状况认识程度和预测水平的提高，希望在射孔完井工艺上有所改变，即射孔孔眼方向能够根据地应力和后续压裂改造的具体要求而改变，最终实现定向射孔。因此开发新型射孔完井工艺技术，对提高低渗透油田勘探开发效果具有重要意义。 在20世纪90年代初期，Abass, Hazim H等人从岩石力学的观点提出定向射孔完井概念[1]，认为选择合适的射孔方向可以控制水力压裂裂缝形态，降低破裂压力。在九十年代后期
光纤陀螺测斜仪技术
光纤陀螺测斜仪技术综述 北京航空航天大学光纤传感器研究所刘晓(lx760506@https://www.360docs.net/doc/8418251561.html,) 光纤陀螺测斜仪的核心传感器是光纤陀螺元件和重力加速度元件。重力加速度元件的技术和产品工艺在上世纪80年代已经非常成熟。所以当时用于地质钻井测量的测斜仪都应用这种元件作顶角测量传感器，加上磁通门元件作方位测量传感器。这种方法制造的测斜仪具有精度高，性能可靠的特点。美中不足的是，这种测斜仪不能在磁性矿区应用，也不可以在钻杆中、套管中应用。相比磁通门式测斜仪，光纤陀螺测斜仪就更具有广泛的应用范围，光纤陀螺测斜仪不依靠大地磁场来确定方位，这种测斜仪确定钻孔方位的原理是检测地球自转角速度在仪器坐标和钻孔方向上的分量，再经过复杂的计算得到钻孔的方位角。地球自转的角速度非常小，平时我们看到的钟的时针运动的角速度已经很小了，但时针运动的角速度比地球自转的角速度却还快两倍。可见要测量地球自转的角速度，要求光纤陀螺仪的精度会是多么高。 光纤陀螺仪的技术发展 自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年历史。在这些年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都取得了很大的突破。光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，美、俄、日、法等国的光纤陀螺仪研究工作取得很大的进展。各国光纤陀螺仪研究工作大都集中在干涉式，少数公司却仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才开始，中低精度的光纤陀螺（特别是干涉式光纤陀螺）己经商品化，并在多领域内应用。高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。国外，1°/h至0.01°/h的商用产品已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了1°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS。美国光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h，2001年达到0.001°/h。2006年达到0.0001°/h，很多场合都已经取代传统的机械陀螺仪。 美国的光纤陀螺研制公司有利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技术公司等。利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经量产化。1988年研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF论证系统飞行试验装置。1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。采用的其它器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。为了满足惯导级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔式光纤陀螺，研制了9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施：a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块。b.光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径。 c.多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。德雷珀实验室的研究人员认为：目前0.01°/h 的干涉仪式光纤陀螺成本较高，需要研制自动生产线，降低成本，保证质量。对于今后的发展问题，德雷珀实验室的研究人员认为：a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪，可以取代动力调谐陀螺仪,并逐渐取代激光陀螺仪。b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的
定向工程师习题DOC
初级施工员习题 2009年5月16日
一、填空题： 1、在钻台上听到异常的声音，你的第一反应应该是———。（向安全的地方“逃跑”） 2、钻井队普遍使用的四级净化设备指：、、、。 （振动筛、除砂器、除泥器、离心机） 3、水基钻井液主要由: 、、三大部分组成。 （水、粘土、化学处理剂） 4、常见的钻机驱动方式可分为：和。（机械驱动、电力驱动） 5、常见的钻头种类有：、、、、、、等。 （刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC钻头、取芯钻头、特种钻头） 6、常用的钻井液参数包括：、、、、 、、、。 （密度、粘度、切力、动塑比、泥饼、失水、含砂量、PH值） 7、钻井参数通常指：、、、。 （钻压、转速、泵压、排量） 8、写出三种常用的泥浆体系：、、。 （不分散泥浆体系、聚合物泥浆体系、细分散泥浆体系） 9、常用的钻具扣型有：、、。英文符号分别为：、、。（内平扣、贯眼扣、正规扣、IF、FH、REG） 11、牙轮钻头的结构包括：、、。 （牙爪、牙轮、轴承和喷嘴） 12、常用的防喷器种类有：、。 （万能防喷器、闸板防喷器） 13、钻柱的基本组成元素有：、、和。 （方钻杆、钻杆、钻铤、接头） 14、指重表指示的参数有：、。（钻压、悬重） 15、普通钻杆的扣型一般为：。（内平扣） 16、测量钻具扣型最常用的工具是：。（钻具接头尺） 17、静平衡钻井指与基本相等。 （钻井液液柱压力、地层静压力） 18、离钻台较近的泥浆泵通常称作号泵。（1） 19、钻铤包括：、、等许多种类型。 （普通钻铤、螺旋钻铤、无磁钻铤） 20、震击器以上的钻具外径不得震击器的外径。（大于） 21、最常见的定向井剖面类型有：、、等种。 （三段制剖面、四段制剖面、五段制剖面） 22、控制定向井斜井段井眼轨道，常用的钻具组合类型有：、 、、、。 （定向钻具、增斜钻具、稳斜钻具、降斜钻具、导向钻具） 23、定向井井眼轨道常用的三种图示法指：、 、。（三维坐标图示法、投影图示法、柱面图示法） 24、用于描述井眼轨道空间形态的参数包括：、、 、、。 （基本参数、坐标参数、挠曲参数、施工参数、井间关系参数）
陀螺测斜仪在定方位射孔中的应用
陀螺测斜仪在定方位射孔中的应用 随着陆上油田开发中后期侧（水平）钻井以及海洋平台加密井和从式井数量的增多，不受磁干扰的陀螺测斜仪得到了广泛的应用，但目前国内应用的主要是有线陀螺测斜仪。本文简要介绍TLX50-100D陀螺测斜仪的在定方位射孔中的应用进行详细论述。 标签：定方位射孔；陀螺测斜仪射孔；管柱方位角 陀螺仪最早应用于航空航天领域的飞行器导航，是以惯性器件为核心的定位定向系统。经过改进用于钻井的陀螺仪称为陀螺测斜仪，它可以满足油田钻探的耐高温（125℃）、可靠、小口径等一些特殊的要求。陀螺测斜仪于上世纪90年代开始用于定向钻井中，因为其可感应地球自转速度，不受磁干扰，在强磁环境和油套管或钻杆中准确测量井斜、方位，磁重力高边而得到迅速的推广与应用。陀螺测斜仪自动寻北，无需校北，测量数据为井眼轨迹的真实数据，无需校正就可直接使用。 常规射孔孔眼的方向是随机的，因此无法满足一些特殊情况对射孔施工的要求，而定方位射孔技术是一种可以进行井下有方向性射孔的射孔工艺技术，其利用油管输送射孔管柱的方式，在油管与射孔管柱之间接人一定方位短节，通过测量定方位短节上方位键的方位来确定射孔弹穿孔的方位。 陀螺测斜仪下端的导向装置与定方位短节内的定方位键吻合对接，测量定方位键的方位角（射孔弹穿孔的方向），若测量定方位键的方位角与目标方位角不一致时，则需在井口转动油管调整射孔管柱的方向，直至测量的方位角与目标方位角的误差在允许误差范围内后，测斜仪器进行射孔作业。起出陀螺测斜仪器进行射孔作业。 1 TLX50-1000陀螺测斜仪工作原理 TLX50-100D陀螺测斜仪采用抗冲击、抗震动能力强的双轴动力调谐陀螺和三个石英加速度计作为核心传感器。具有高精度高可靠性体积小重量轻等特点。 以北东地为基准建立一个参考坐标系即大地坐标系，以三维正交安装的加速度计和陀螺建立测量坐标系即仪器坐标系。 在大地坐标系中X指向水平东Y指向水平北oZ垂直地面向上，在仪器坐标系中，由仪器轴线方向定义为Z轴，将与仪器轴线垂直的截面上一对正交的方向定义为x，Y轴。如果人为地将两个坐标系重合，则xo对应X，Yo对应Y，oZ对应z。仪器坐标系x、Y、z的任何位置可以认为相对于大地坐标系XYoZ 经过三次旋转。仪器在井眼中静止时，利用仪器三維坐标轴上分别安装的三个加速度计和一个二自由度的动调陀螺的测量数值，采用罗盘算法，计算出仪器在井中的任意姿态，进而可以得到仪器的方位角和倾斜角，工具面角等参数。
陀螺测斜技术的应用
1．陀螺测井原理 动力调谐陀螺测井技术的核心部件是惯性测量组件，包括一个动力调谐速率陀螺和两个石英加速度计。动力调谐速率陀螺测量地球自转角速率分量；石英加速度计测量地球重力加速度分量。所测信号经采集编码通过单芯电缆送至地面测井系统，经计算机解编可得出井筒的倾斜角、方位角、工具面角等参数，进一步计算可得出垂深、南北偏移、东西偏移、闭合方位等参数。通过对井筒不同深度的测量，即可得出井身轨迹。 2．陀螺测井的应用 国内油区的油藏类型多、地质条件复杂、储层横向变化大、剩余油高度分散。在勘探难度加大，综合调整余地变小的情况下，全面推广应用动力调谐陀螺测井技术，重新标定油井在油藏中的准确位置，研究油藏的微构造，分析油水动态分布，从而设计侧钻井位，控制油藏剩余储量，对挖掘高含水期复杂断块油藏潜力，提高储量动用程度都起到较大作用。油田开发后期，在没有重大勘探突破的前提下，主要依靠打定向井、加密井或老井侧钻来稳产增效。老井侧钻以其少投入、多产出、见效快成为油田老区块挖潜增效的一个重要方式。其一般的程序为：陀螺校测、工程设计、陀螺定向、开窗、裸眼钻进和完井。 （1）井身轨迹复测：老井测试数据由于测试技术原因存在一定可疑性，而侧钻井、开发调整井的设计大多依据老井数据，很多油田的经验表明，按照原始设计进行施工往往见不到理想的油气
显示，分析原因是没有达到设计的目的层。而随着现代测试技 术的发展，陀螺测试数据能真实反映井眼轨迹，在钻井施工前，进行陀螺测井，依据陀螺数据，新井井位和侧钻施工方案能得 到及时变更或取消，真正起到挖潜目的。 （2）侧钻开窗：陀螺定向用于老井开窗侧钻，减少定向时间。相对于钻盘钻进，螺杆钻井速度更慢，加上有线随钻的使用，更增 加了井下复杂情况和井下事故的可能性，因此陀螺定向所节约 的费用可归结为：螺杆及随钻费用、节约周期费用、潜在复杂 情况及事故费用。 （3）钻井定向：陀螺单点定向进行定向井施工，实现磁性环境成功绕障。在几口老井之间加密一口新井，一般的定向仪器（如磁 性单、多点、随钻测斜仪等）由于磁性干扰，无法定向施工， 这是必须使用陀螺测斜仪。 3．陀螺测井的指导意义 通过陀螺测井，真实反应老井井眼的真实轨迹，描述出真实井位，其意义在于：1）重新认识区块，为注采井网重新调整提供可靠依据。2）帮助油藏挖掘剩余油潜力，为实施增产措施提供参考依据。如校正井位，落实剩余油分布、重新落实油砂体边界、重新认识油藏构造等。3）减少无效投资，降低油田开发成本。4）指导油田地质增产措施的调整，推动油田增产、稳产战略。5）陀螺定向推动了侧钻工作的开展，解决了钻井绕缠问题。侧钻过程对斜向器进行陀螺定向，可以提高中靶成功率，减少定向时间，减少建井时间，节约周期和费用。
初级定向工程师习题
初级施工员习题
填空题： 1、在钻台上听到异常的声音，你的第一反应应该是———。（向安全的地方“逃跑”） 2、钻井队普遍使用的四级净化设备指：、、、。 （振动筛、除砂器、除泥器、离心机） 3、水基钻井液主要由: 、、三大部分组成。 （水、粘土、化学处理剂） 4、常见的钻机驱动方式可分为：和。（机械驱动、电力驱动） 5、常见的钻头种类有：、、、、、、等。 （刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC钻头、取芯钻头、特种钻头） 6、常用的钻井液参数包括：、、、、 、、、。 （密度、粘度、切力、动塑比、泥饼、失水、含砂量、PH值） 7、钻井参数通常指：、、、。 （钻压、转速、泵压、排量） 8、写出三种常用的泥浆体系：、、。 （不分散泥浆体系、聚合物泥浆体系、细分散泥浆体系） 9、常用的钻具扣型有：、、。英文符号分别为：、、。（内平扣、贯眼扣、正规扣、IF、FH、REG） 10、大港地区的主要地质分层为：、、、、。（平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组） 11、牙轮钻头的结构包括：、、。 （牙爪、牙轮、轴承和喷嘴） 12、常用的防喷器种类有：、。 （万能防喷器、闸板防喷器） 13、钻柱的基本组成元素有：、、和。 （方钻杆、钻杆、钻铤、接头） 14、指重表指示的参数有：、。（钻压、悬重） 15、普通钻杆的扣型一般为：。（内平扣） 16、测量钻具扣型最常用的工具是：。（钻具接头尺） 17、静平衡钻井指与基本相等。 （钻井液液柱压力、地层静压力） 18、离钻台较近的泥浆泵通常称作号泵。（1） 19、钻铤包括：、、等许多种类型。 （普通钻铤、螺旋钻铤、无磁钻铤） 20、震击器以上的钻具外径不得震击器的外径。（大于） 21、最常见的定向井剖面类型有：、、等种。 （三段制剖面、四段制剖面、五段制剖面） 22、控制定向井斜井段井眼轨道，常用的钻具组合类型有：、 、、、。 （定向钻具、增斜钻具、稳斜钻具、降斜钻具、导向钻具） 23、定向井井眼轨道常用的三种图示法指：、 、。（三维坐标图示法、投影图示法、柱面图示法） 24、用于描述井眼轨道空间形态的参数包括：、、
陀螺
陀螺 陀螺是中国最早的娱乐工具，也作陀罗，闽南语称作“干乐”，北方叫做“冰尜”或“打老牛”英文称之为“spinning top”。玩具，形状略像海螺，多用于木头制成，下面有铁尖，玩时用绳子缠绕，用力抽绳，使直立旋转。有的用铁皮制成，利用发条的弹力旋转。 陀螺原理 陀螺在旋转的时候，不但围绕本身的轴线转动，而且还围绕一个垂直轴作锥形运动。也就是说，陀螺一面围绕本身的轴线作“自转”，一面围绕垂直轴作“进动”。也即陀螺并非垂直立于地面之上，而是对地面法线有一定的偏离，向地面有一些倾斜。所以重力对陀螺的力矩不为零，而陀螺的进动角动量可以平衡重力矩的作用，所以陀螺在旋转时不会倒向地面。陀螺围绕自身轴线作“自转”的快慢，决定着陀螺摆动角的大小。转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，因而稳定性也就越好。而且陀螺的外形也对陀螺的进动有影响。这和人们骑自行车的道理差不多，其中不同的是，一个是作直线运动，一个是作圆锥形的曲线运动。 现实作用 ◆休闲娱乐 新式激光陀螺 ◆智力开发：德国等国家将陀螺设计成教育用品，图卡置于陀螺上，透过转陀螺的游戏，辨认图卡上的图案、颜色或数字以训练眼力及专注力。 ◆民俗体育 ◆艺术创作：运用不同的彩绘颜料与方式，呈现不同的乡土民情，旋转时混合的美感，可成为典藏的珍品。 ◆科学研究 现实应用 陀螺以其多变的玩法，依然受到广大朋友的喜欢。陀螺已经不单单是作为玩具这么简单了，它的重要性在于：科学家根据陀螺的力学特性研发了一种科学仪器-陀螺仪，广泛运用
于科研、军事技术等领域中。而且陀螺仪的种类也相当多。下面介绍几种常见的陀螺仪。 激光陀螺：是一种较为先进的陀螺仪，其原理是利用旋转时环型激光器发出的两道光束之间的频率差来测定角度、方位等。激光陀螺仪被用于舰船、飞机等的[1] 导航和跟踪。 光纤陀螺仪:光纤陀螺是继激光陀螺后的新一代陀螺仪，其原理类似于激光陀螺仪，但与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出激光，成本较低。各国都在努力研发光纤陀螺仪。 陀螺主要运用于测定角度（倾斜度），速度，方位等。根据其用处不同，陀螺仪又可分为速率陀螺和陀螺测斜仪。速率陀螺仪主要用来测量被测物体转动的速度以此推算出相应的数据，来达到测量的目的。陀螺测斜仪是用来测量钻孔斜度和方位，主要运用于矿区、油田等。
陀螺测斜仪在定方位射孔中的应用
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/8418251561.html, 陀螺测斜仪在定方位射孔中的应用 作者：刘俊 来源：《中国化工贸易·上旬刊》2018年第05期 摘要：随着陆上油田开发中后期侧（水平）钻井以及海洋平台加密井和从式井数量的增多，不受磁干扰的陀螺测斜仪得到了广泛的应用，但目前国内应用的主要是有线陀螺测斜仪。本文简要介绍TLX50-100D陀螺测斜仪的在定方位射孔中的应用进行详细论述。 关键词：定方位射孔；陀螺测斜仪射孔；管柱方位角 陀螺仪最早应用于航空航天领域的飞行器导航，是以惯性器件为核心的定位定向系统。经过改进用于钻井的陀螺仪称为陀螺测斜仪，它可以满足油田钻探的耐高温（125℃）、可靠、小口径等一些特殊的要求。陀螺测斜仪于上世纪90年代开始用于定向钻井中，因为其可感应地球自转速度，不受磁干扰，在强磁环境和油套管或钻杆中准确测量井斜、方位，磁重力高边而得到迅速的推广与应用。陀螺测斜仪自动寻北，无需校北，测量数据为井眼轨迹的真实数据，无需校正就可直接使用。 常规射孔孔眼的方向是随机的，因此无法满足一些特殊情况对射孔施工的要求，而定方位射孔技术是一种可以进行井下有方向性射孔的射孔工艺技术，其利用油管输送射孔管柱的方式，在油管与射孔管柱之间接人一定方位短节，通过测量定方位短节上方位键的方位来确定射孔弹穿孔的方位。 陀螺测斜仪下端的导向装置与定方位短节内的定方位键吻合对接，测量定方位键的方位角（射孔弹穿孔的方向），若测量定方位键的方位角与目标方位角不一致时，则需在井口转动油管调整射孔管柱的方向，直至测量的方位角与目标方位角的误差在允许误差范围内后，测斜仪器进行射孔作业。起出陀螺测斜仪器进行射孔作业。 1 TLX50-1000陀螺测斜仪工作原理 TLX50-100D陀螺测斜仪采用抗冲击、抗震动能力强的双轴动力调谐陀螺和三个石英加速度计作为核心传感器。具有高精度高可靠性体积小重量轻等特点。 以北东地为基准建立一个参考坐标系即大地坐标系，以三维正交安装的加速度计和陀螺建立测量坐标系即仪器坐标系。 在大地坐标系中X指向水平东Y指向水平北oZ垂直地面向上，在仪器坐标系中，由仪器轴线方向定义为Z轴，将与仪器轴线垂直的截面上一对正交的方向定义为x，Y轴。如果人为地将两个坐标系重合，则xo对应X，Yo对应Y，oZ对应z。仪器坐标系x、Y、z的任何位置可以认为相对于大地坐标系XYoZ经过三次旋转。仪器在井眼中静止时，利用仪器三维坐标轴
岩土钻掘工程学
岩土钻掘工程学总复习题 （1）、名词解释： 1、磨锐式硬质合金钻头 2、自磨式硬质合金钻头 3、钻进规程 4、优质钻进规程 5、强力钻进规程 6、孕镶金刚石钻头的100%浓度 7、阀式正作用液动冲击器8、阀式反作用液动冲击器9、最优冲击间隔 10、钻孔轨迹11、顶角12、方位角 13、岩石的各向异性14、钻孔遇层角15、测斜 16、均角全距法17、钻孔弯曲18、冲击钻的悬距 19、圆孔了滤水管的孔隙率20、沉没比21、岩石的研磨性 22、回次钻速23、岩石的塑性24、硬质合金钻头的前角 25、金刚石浓度26、切削－剪切型碎岩27、阀式正作用液动冲击器 28、凿碎－剪切型碎岩29、钻孔测量环测定向法30、初级定向孔 31、钻孔空间弯曲32、岩矿心采取率33、机械钻速 34、技术钻速35、经济钻速36、循环钻速 37、切削－剪切型碎岩38、凿碎型碎岩39、凿碎－剪切型碎岩 40、钻孔测量环测定向法41、初级定向孔42．钻孔空间弯曲 43．岩矿心采取率44、岩石的硬度45、钻孔的方位角 46、均角全距法47、受控定向钻孔48、最优冲击间距 49、岩石破碎的三种方式50、金刚石浓度51、硬质合金钻头镶焊角 52、岩石的研磨性53、金刚石体积浓度54、钻孔的顶角 55、止水56、圆孔过滤器的孔隙率57、岩石的强度 58、钻孔遇层角59、单动双管钻具 （2）、填空题 1、金刚石单动双管所用取芯方法是()，喷射式反循环钻具所用卡取岩心的方法是()。投卡料、卡簧卡取、爪簧取芯、干钻取芯、沉淀取芯、静压入取芯。 2、硬质合金钻头钻进4~5级以下岩石时以()为主、钻进6级以上岩石时应以()为主。 大压力、高转速、大泵量。 3、钢粒钻头的硬度应()小于钢粒的硬度，用一次投砂法钻进时，水量应()。 大于、小于、等于、保持均匀、逐渐增大、逐渐减小。 4、随着合金中钴含量的增加，硬度()，而抗弯强度()。
光纤陀螺测斜仪
光纤陀螺测斜仪 上海地学仪器研究所 陀螺测斜仪是一种不依赖地球磁场确定钻孔方位的测斜仪器。由于不需要靠地球磁场来确定方位，这使得陀螺测斜仪有更广的应用范围。比如陀螺测斜仪可以用在强磁性矿区和在钻杆中、套管中、钻具中使用。陀螺测斜仪按测量方位的方式大致可分为两类，一类是采用相对方位测量方法。其原理是利用陀螺元件可以敏感和记录角速率的特性，在进行钻孔测量前，先在地面对准一个起始方位位置，并记录陀螺元件的初始输出值。当把仪器下到钻孔的过程中，仪器会随钻孔的轨迹发生自转和公转。这些转动角速率都会引起陀螺元件的输出变化，积分记录这些变化量并和初始值进行对比，就可以确定钻孔轨迹的空间转向，即钻孔的方位变化。这类仪器最早是使用三度平衡框架转子式陀螺元件。高速旋转的转子总是趋于保持在一个空间方向上旋转，比如指向水平面上的正北。理想情况下，仪器的自转和公转不会引起陀螺转子轴向改变，而仪器相对陀螺转子转过的角度就会被连续地记录，结果就可以计算出钻孔的方位信息。显然，除了用框架式陀螺仪元件外，还可以用其它测量角速率的陀螺元件来得到仪器自转和公转的角度，只要对陀螺输出的角速率量积分，就得到仪器转过的角度。测量角速率的陀螺元件种类很多，但因为受到体积、温度、震动等因素限制，能用到测斜仪中的却并不多。影响因素还包括产品精度不高、有噪声和漂移。普通框架式陀螺和其它陀螺元件一样，在使用中会产生输出漂移和噪声，对陀螺输出的角速率量积分过程同时就会把漂移和噪声一同积分进去，漂移和噪声积分的结果将带来方位测量误差，并且误差会随积分时间增大。这是这类陀螺测斜仪最大的缺点。另一类采用自寻北方式工作测量方位，用高灵敏角速率陀螺，直接测量地球自转角速率矢量及地球自转角速率矢量在仪器各坐标轴上的分量，通过复杂的矢量投影计算，就可以得到仪器指向（钻孔方位）的角速率分量大小，再和地球自转角速率矢量相比就知道钻孔的方位。从测量原理上看，这类陀螺测斜仪有很大优势，它是对地球自转角速率直接测量并计算钻孔的方位，这个方位就是真北方位。测量是在各测点独立进行，测量结果没有累计误差。所以有测量准确、使用方便、可靠性高等特点。自寻北方式要求陀螺元件的灵敏度很高，要能敏感到地球自转角速率（15.042°/H ）及其分量值。对元件有体积限制的情况下，已制造出的这样高精度的陀螺产品现在只有极少几种。当然，已制造出的自寻北陀螺测斜仪产品也只有JTL ‐40GX 、JTL ‐40DT 、JTL ‐40D 等几种产品。 陀螺仪元件作为一种角速率敏感器件有很多种。能观测到的陀螺效应非常多（估计有几百种），由于受到各种因素限制，能制成的陀螺仪元件并没有那么多种。能用于测斜仪的陀螺仪元件就更少。采用不同的陀螺仪元件制成的陀螺测斜仪性能差别很大，这可以从现代陀螺仪元件的性能分析看出。 现代陀螺仪是航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性器件。它的发展对一个国家的工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。早期的惯性陀螺仪主要是指机械式陀螺仪，比如框架式陀螺仪。机械式陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。其中机械陀螺仪的漂移是影响精度的最大因数。后来高精度机械式陀螺仪漂移和灵敏度指标提高了很多，框架式支撑陀螺仪改进为静电、气浮、液浮等类型陀螺仪，其中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/H ，甚至更高，能够满足惯导级的精度要求。但是无论是早期的滚珠轴承框架式陀螺仪，还是后来发展起来的液浮陀螺仪、挠性陀螺仪和静电陀螺仪，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到载体加速度的影响，使用前需要一段预热时间，转速才能达到稳定。高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。机械陀螺全都存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。