光纖陀螺測(cè)斜儀原理及其應(yīng)用分析

陀螺鉆孔測(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)量，當(dāng)然也可在其他不受磁干擾的鉆孔中進(jìn)行軌跡測(cè)量。

測(cè)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(shí)從鉆桿投入；其次，是較強(qiáng)的抗振性，測(cè)鉆開天窗或投入井底時(shí)，不會(huì)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(shí)且在環(huán)境溫度-10-125°范圍內(nèi)儀器總體精度滿足設(shè)計(jì)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(dòng)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(jià)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(gè)國(guó)家中，故短期內(nèi)不會(huì)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(dòng)態(tài)攝像等反饋回路檢測(cè)，相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，不會(huì)有理想的測(cè)井產(chǎn)品出現(xiàn)。

目前所見到的測(cè)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(dòng)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(jià)格低廉，有較好的抗振性能?？蚣芡勇堇碚撛诿绹?guó)、俄羅斯等國(guó)家十分成熟，國(guó)外一些品牌的陀螺測(cè)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(cè)量，但它在工作時(shí)干抗力矩因素較多，它主要有以下缺點(diǎn)：

? 測(cè)量過程繁瑣，在下孔測(cè)量之前要進(jìn)行地面定向，測(cè)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(dòng)力調(diào)諧陀螺

動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)時(shí)間短，精度較框架陀螺有很大改善。但動(dòng)力調(diào)諧陀螺造價(jià)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(dòng)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(guó)內(nèi)有采用動(dòng)力調(diào)諧陀螺開發(fā)陀螺測(cè)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(shí)間長(zhǎng)、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(duì)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(cè)斜儀上。因?yàn)橛袘腋∫旱拇嬖?，則因工作環(huán)境溫差過大，會(huì)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(huì)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(shí)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(cè)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(cè)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(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)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(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(jià)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(duì)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(cè)量需求。對(duì)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(cè)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(shí)，在運(yùn)輸和使用過程中對(duì)環(huán)境沒有特殊要求，非常適宜在測(cè)斜儀中使用。

陀螺測(cè)斜儀組成和原理

測(cè)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(cè)井電纜相連。

地面部分

地面部分主要包括信號(hào)接收和解碼電路、深度顯示、地面電源和計(jì)算機(jī)。

? 信號(hào)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(hào)，解碼后再轉(zhuǎn)發(fā)到地面計(jì)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(hào)，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(hào)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(jì)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(jì)信號(hào)值，計(jì)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(shí)通過其發(fā)出控制指令對(duì)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(jì)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(jì)二次電路等。

? 慣性體是整個(gè)儀器的核心部件，它由2個(gè)石英撓性加速度計(jì)和1個(gè)單軸光纖陀螺構(gòu)成(也可以采用雙軸陀螺，但成本和價(jià)格將增加一倍，那樣電機(jī)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)一次180°，使用單軸陀螺需要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)四次，每次旋轉(zhuǎn)90°)。陀螺與加速度計(jì)采用捷聯(lián)式機(jī)械編排，將陀螺與加速度計(jì)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(gè)加速度計(jì)固定在慣性體的2個(gè)正交平面上，加速度計(jì)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(cè)量時(shí)作相差90°的四次測(cè)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(jì)的二次電路等。

? 信號(hào)采集與編碼電路完成對(duì)陀螺和加速度計(jì)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(duì)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(cè)量原理

光纖陀螺鉆孔測(cè)斜儀的測(cè)量模式是將測(cè)斜儀下放到某一預(yù)定位置，使測(cè)斜儀保持穩(wěn)定，測(cè)斜儀的光纖陀螺、加速度計(jì)分別感應(yīng)和地球重力加速度，根據(jù)陀螺和加速度計(jì)的輸出值計(jì)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(gè)點(diǎn)的測(cè)量，再把測(cè)斜儀移動(dòng)到另一位置，重復(fù)上述動(dòng)作，再進(jìn)行該點(diǎn)的測(cè)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(jì)的輸出值有關(guān)，而方位角力與陀螺和加速度計(jì)的輸出值都有關(guān)。

結(jié)論

陀螺測(cè)斜儀是利用慣性導(dǎo)航技術(shù)來進(jìn)行鉆孔測(cè)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(jì)傳感器組成的捷聯(lián)式尋北系統(tǒng)，通過陀螺測(cè)量出地球自轉(zhuǎn)角速率的分量、通過加速度計(jì)測(cè)量地球重力加速度分量，再通過相關(guān)公式計(jì)算出鉆孔頂角、方位角和工具面角。陀螺測(cè)斜儀具有以下特點(diǎn)：

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

? 工作過程自動(dòng)尋北，不需要地面初始定向，測(cè)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(cè)斜儀克服了以往陀螺測(cè)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(cè)斜儀定制，性價(jià)比高，使用方便，質(zhì)量可靠，經(jīng)多家使用單位測(cè)試，性能完全滿足要求，是廣大測(cè)斜儀廠家的理想選擇。

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