光纖陀螺測斜儀原理及其應(yīng)用分析

陀螺鉆孔測斜儀是一種不受地磁干擾和周圍境磁性影響的鉆孔軌跡測量儀器，主要用于磁性礦 區(qū)鉆孔、套管、鉆桿等進(jìn)行鉆孔軌跡測量，當(dāng)然也可在其他不受磁干擾的鉆孔中進(jìn)行軌跡測量。

測井用陀螺儀較之航空器用陀螺儀，受其使用環(huán)境的影響具有以下特點(diǎn)。 首先，是體積要求嚴(yán)格，尤其直徑要小，要求形成儀器后適應(yīng)套管井井徑要求，甚至能在開天窗時從鉆桿投入；其次，是較強(qiáng)的抗振性，測鉆開天窗或投入井底時，不會損壞陀螺本體;還有寬溫要求，即儀器能在125°環(huán)境中正常工作至少2小時且在環(huán)境溫度-10-125°范圍內(nèi)儀器總體精度滿足設(shè)計要求。

從結(jié)構(gòu)和制造工藝上陀螺儀可以分為機(jī)械陀螺、光學(xué)陀螺、半導(dǎo)體陀螺。其中機(jī)械陀螺又有框架陀螺、動力調(diào)諧陀螺、液浮速率積分陀螺、靜電陀螺。光學(xué)陀螺主要有激光和光纖陀螺2種。半導(dǎo)體陀螺中最常見的是硅微陀螺。

這些陀螺中，靜電陀螺制造難度極大，造價昂貴，只有最尖端武器系統(tǒng)才有采用，技術(shù)僅掌握在世界上少數(shù)一兩個國家中，故短期內(nèi)不會應(yīng)用于其它領(lǐng)域。硅微陀螺精度低、溫漂大，雖然有良好的抗振性和理想的體積，也有人在做形成儀器的探討，但受其本身技術(shù)發(fā)展水平的限制，現(xiàn)在多應(yīng)用于動態(tài)攝像等反饋回路檢測，相當(dāng)一段時期內(nèi)，不會有理想的測井產(chǎn)品出現(xiàn)。

目前所見到的測井用陀螺幾乎涵蓋了機(jī)械式陀螺儀的所有品種，包括框架陀螺、動力調(diào)諧陀螵、液浮速率積分陀螺等。

框架陀螺

框架陀螺是陀螺儀中最早發(fā)展、最成熟的經(jīng)典一種，它制造容易，價格低廉，有較好的抗振性能?？蚣芡勇堇碚撛诿绹⒍砹_斯等國家十分成熟，國外一些品牌的陀螺測斜儀如“哈瑞斯”等品牌采用的即是框架陀螺。 其結(jié)構(gòu)見圖1。

框架陀螺它的主要優(yōu)點(diǎn)是抗沖擊能力較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，但它在工作時干抗力矩因素較多，它主要有以下缺點(diǎn)：

? 測量過程繁瑣，在下孔測量之前要進(jìn)行地面定向，測量完成后，儀器還要在地面重新進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償誤差數(shù)據(jù)；

? 結(jié)構(gòu)上的內(nèi)外框架支承的摩擦力造成陀螺漂移較大，且無法補(bǔ)償消除，使其不僅精度低而且外徑較大。

由于以上原因，目前在精確導(dǎo)航領(lǐng)域已經(jīng)很少使用框架陀螺。

動力調(diào)諧陀螺

動力調(diào)諧陀螺的轉(zhuǎn)子支撐元件采用撓性支撐來代替框架陀螺中的滾珠支撐，陀螺本體由轉(zhuǎn)子、撓性接頭、傳感器、力矩器、驅(qū)動電路構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中撓性接頭由上、中、下3個環(huán)構(gòu)成，是決定其工作品質(zhì)的關(guān)鍵部件。與框架陀螺相比，由于改進(jìn)了轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)，采用剛性及靈敏度好的撓性接頭做支承，減小了干擾力矩，故該種陀螺體積小，啟動時間短，精度較框架陀螺有很大改善。但動力調(diào)諧陀螺造價昂貴、制造復(fù)雜是其缺點(diǎn)，尤其是撓性接頭十分脆弱，在振動過程中極易斷裂，導(dǎo)致陀螺損毀；若加大撓性接頭剛度，則精度將大大下降。這是限制其在石油儀器上推廣應(yīng)用的致命弱點(diǎn)。在國內(nèi)有采用動力調(diào)諧陀螺開發(fā)陀螺測斜儀的廠，從目前應(yīng)用情況看，效果都不甚理想，主要原因即是陀螺易損問題沒有得到解決。

液浮速率積分陀螺的轉(zhuǎn)子與殼體之間充以髙密度，高粘度的懸浮液，并在適當(dāng)工作溫度下使轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，轉(zhuǎn)子與殼體之間以彈性游絲相連接。其優(yōu)點(diǎn)是抗振性較好，體積小，但受其懸浮液的限制，工作準(zhǔn)備時間長、溫漂大，一般應(yīng)工作在恒溫狀態(tài)。盡管液浮陀螺具有相對優(yōu)良的抗振性能指標(biāo)，但嚴(yán)格說來，該類陀螺并不適宜應(yīng)用于陀螺測斜儀上。因?yàn)橛袘腋∫旱拇嬖?，則因工作環(huán)境溫差過大，會使懸浮液的密度和粘度發(fā)生很大變化，甚至?xí)适ё枘嶙饔?，直接?dǎo)致陀螺精度發(fā)生不可預(yù)見性的大幅變化，甚至失效。如果加裝精確溫控電路，則會增大儀器體積，而且也不適用于井下高溫、高壓環(huán)境。

以上所述3種機(jī)械式陀螺儀應(yīng)用于石油儀器，在綜合考慮精度、抗振、環(huán)境溫度三大選型指標(biāo)要求時受其原理限制，各自都具有很大缺陷。光學(xué)陀螺儀可應(yīng)用于陀螺測斜。光學(xué)陀螺常見的有光纖陀螺和激光陀螺。 但激光陀螺儀因體積過于龐大，現(xiàn)階段不予考慮。以下著重介紹光纖陀螺儀在測斜儀中的應(yīng)用。

光纖陀螺儀

現(xiàn)代光纖陀螺儀是根據(jù)sagnac理論發(fā)展起來的。sagnac理論的要點(diǎn)是：當(dāng)光束在一個環(huán)形的通道中前進(jìn)時，如果環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進(jìn)所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進(jìn)所需要的時間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀。

光纖陀螺儀的基本光學(xué)器件有光源、耦合器、起偏器，光纖線圈、檢測器等。光纖陀螺組件多為半導(dǎo)體器件，相互之間靠接插連接，并直接焊接在印刷電路板上。光纖陀螺使用在石油儀器上克服了機(jī)械式陀螺的幾乎所有缺點(diǎn)，諸如抗振性差、磁場變化、漂移力矩因素多、工作受環(huán)境溫度影響大等。光纖陀螺是十分適用于陀螺測斜儀的方位傳感器。 光纖陀螺的重要本體缺陷是組成器件造價昂貴，抗 高溫能力較差。且為了保證精度，采用越來越多的光纖 匝數(shù)，因而導(dǎo)致體積相對較大。解決的方法是通過外加裝高效保溫瓶，使光纖陀螺儀最高工作環(huán)境溫度保證在80°以下，這樣可以基本滿足4000米以內(nèi)井深的測量需求。對應(yīng)于油井井徑限制，通過改變光纖纏繞方式， 可以使其直徑得到有效縮小，滿足放置在鉆桿中的要求。

由無錫慧聯(lián)科技有限公司和北京大學(xué)合作研制的AgileLight-IM系列光纖陀螺是專門為油井測斜所定制的光纖陀螺，該陀螺外徑只有32mm， 量程±4°，零偏0.5°/hr(熱平衡下0.2°/hr)， 比例因子0.000125， 帶寬10Hz?？箾_擊100g，使用溫度范圍-40°～+75°，壽命55000小時，在運(yùn)輸和使用過程中對環(huán)境沒有特殊要求，非常適宜在測斜儀中使用。

陀螺測斜儀組成和原理

測斜儀主要包括地面部分和井下部分，如圖3所示，地面部分和井下部分通過測井電纜相連。

地面部分

地面部分主要包括信號接收和解碼電路、深度顯示、地面電源和計算機(jī)。

? 信號接收和解碼電路的作用是接收從井下發(fā)送到地面的信號，解碼后再轉(zhuǎn)發(fā)到地面計算機(jī)進(jìn)行處理。

? 深度顯示部分是接收絞車控制系統(tǒng)的光電脈沖信號，將其轉(zhuǎn)變成深度值并顯示。

? 地面電源的功能是將交流電源轉(zhuǎn)變成直流電源，供井下傳感器和電路部分使用，與信號接收和解碼電路以及深度顯示等組裝在一起，成為地面控制箱。

地面計算機(jī)的功能是根據(jù)井下發(fā)送到地面的陀螺和加速度計信號值，計算出儀器所在鉆孔位置的空間方位，即頂角、方位角和工具面角，同時通過其發(fā)出控制指令對井下儀器進(jìn)行不同的操作。

井下部分

井下部分包括光纖陀螺和加速度計傳感器組成的慣性體組件、電機(jī)、井下二次電源、數(shù)據(jù)采集及編碼電路和陀螺、加速度計二次電路等。

? 慣性體是整個儀器的核心部件，它由2個石英撓性加速度計和1個單軸光纖陀螺構(gòu)成(也可以采用雙軸陀螺，但成本和價格將增加一倍，那樣電機(jī)只需要轉(zhuǎn)動一次180°，使用單軸陀螺需要電機(jī)轉(zhuǎn)動四次，每次旋轉(zhuǎn)90°)。陀螺與加速度計采用捷聯(lián)式機(jī)械編排，將陀螺與加速度計直接安裝在具有精確定位基準(zhǔn)的慣性體上，組成慣性體組件，即2個加速度計固定在慣性體的2個正交平面上，加速度計和陀螺的輸出軸與慣性體組件的軸線垂直。

? 電機(jī)的作用是使慣性組件在測量時作相差90°的四次測量，得到和，并且消除慣性組件的固定零偏誤差。

? 傳感器二次電路包括陀螺系統(tǒng)以及加速度計的二次電路等。

? 信號采集與編碼電路完成對陀螺和加速度計的數(shù)據(jù)采集、控制及井下系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的通訊等。它接收到地面發(fā)來的命令后，對其進(jìn) 行解碼后完成各自的功能。

? 井下二次電源的作用是將從井上供給的高壓直流電源進(jìn)行變換，得到低壓直流電源，為井下系統(tǒng)提供工作電壓。

測量原理

光纖陀螺鉆孔測斜儀的測量模式是將測斜儀下放到某一預(yù)定位置，使測斜儀保持穩(wěn)定，測斜儀的光纖陀螺、加速度計分別感應(yīng)和地球重力加速度，根據(jù)陀螺和加速度計的輸出值計算出該位置處鉆孔的方位角A、頂角I和儀器的工具面角T，至此完成一個點(diǎn)的測量，再把測斜儀移動到另一位置，重復(fù)上述動作，再進(jìn)行該點(diǎn)的測量。

地理坐標(biāo)系與儀器坐標(biāo)系間的方向余弦陣（坐標(biāo)變換關(guān)系）為：

方向余弦陣使得如下關(guān)系成立：

由此可知頂角I和工具面角T只與加速度計的輸出值有關(guān)，而方位角力與陀螺和加速度計的輸出值都有關(guān)。

結(jié)論

陀螺測斜儀是利用慣性導(dǎo)航技術(shù)來進(jìn)行鉆孔測量，它利用了慣性導(dǎo)航裝置自主性強(qiáng)、導(dǎo)航精度高、可靠性好的特點(diǎn)，采用光纖陀螺和加速度計傳感器組成的捷聯(lián)式尋北系統(tǒng)，通過陀螺測量出地球自轉(zhuǎn)角速率的分量、通過加速度計測量地球重力加速度分量，再通過相關(guān)公式計算出鉆孔頂角、方位角和工具面角。陀螺測斜儀具有以下特點(diǎn)：

? 漂移小、精度高、各測點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)沒有關(guān)聯(lián)，消除了以往陀螺測斜儀的累計誤差，有效地提高 了鉆孔軌跡測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

? 工作過程自動尋北，不需要地面初始定向，測量前后均無需校北，消除了人為誤差。

? 不受地質(zhì)和周圍環(huán)境影響，抗磁性干擾，可在鉆桿、磁性套管及磁性礦區(qū)使用。

光纖陀螺測斜儀克服了以往陀螺測斜儀的所有不足，無錫慧聯(lián)生產(chǎn)的AgileLight-IM系列陀螺儀專門為測斜儀定制，性價比高，使用方便，質(zhì)量可靠，經(jīng)多家使用單位測試，性能完全滿足要求，是廣大測斜儀廠家的理想選擇。

技術(shù)咨詢：慧聯(lián)科技