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光纖陀螺測斜儀原理和應用分析

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更新時間：2023-01-07 12:30:54瀏覽次數(shù)：987次

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光纖陀螺測斜儀原理和應用分析

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概述

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、鉆桿等進行鉆孔軌跡測量，當然也可在其他不受磁干擾的鉆孔中進行軌跡測量。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。首先，是體積要求嚴格，尤其直徑要小，要求形成儀器后適應套管井井徑要求，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°范圍內儀器總體精度滿足設計要求。從結構和制造工藝上陀螺儀可以分為機械陀螺、光學陀螺、半導體陀螺。其中機械陀螺又有框架陀螺、動力調諧陀螺、液浮速率積分陀螺、靜電陀螺。光學陀螺主要有激光和光纖陀螺2種。半導體陀螺中見的是硅微陀螺。這些陀螺中，靜電陀螺制造難度極大，造價昂貴，只有系統(tǒng)才有采用，技術僅掌握在世界上少數(shù)一兩個國家中，故短期內不會應用于其它領域。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，但受其本身技術發(fā)展水平的限制，現(xiàn)在多應用于動態(tài)攝像等反饋回路檢測，相當一段時期內，不會有理想的測井產品出現(xiàn)。目前所見到的測井用陀螺幾乎涵蓋了機械式陀螺儀的所有品種，包括框架陀螺、動力調諧陀螵、液浮速率積分陀螺等。

框架陀螺

框架陀螺是陀螺儀中發(fā)展、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。其結構見圖1。

圖 1. 框架陀螺結構圖

動力調諧陀螺動力調諧陀螺的轉子支撐元件采用撓性支撐來代替框架陀螺中的滾珠支撐，陀螺本體由轉子、撓性接頭、傳感器、力矩器、驅動電路構成。結構如圖2所示。其中撓性接頭由上、中、下3個環(huán)構成，是決定其工作品質的關鍵部件。與框架陀螺相比，由于改進了轉子部分的結構，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。但動力調諧陀螺造價昂貴、制造復雜是其缺點，尤其是撓性接頭十分脆弱，在振動過程中極易斷裂，導致陀螺損毀；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用的致命弱點。在國內有采用動力調諧陀螺開發(fā)陀螺測斜儀的廠，從目前應用情況看，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。動力調諧陀螺的轉子支撐元件采用撓性支撐來代替框架陀螺中的滾珠支撐，陀螺本體由轉子、撓性接頭、傳感器、力矩器、驅動電路構成。結構如圖2所示。其中撓性接頭由上、中、下3個環(huán)構成，是決定其工作品質的關鍵部件。與框架陀螺相比，由于改進了轉子部分的結構，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。但動力調諧陀螺造價昂貴、制造復雜是其缺點，尤其是撓性接頭十分脆弱，在振動過程中極易斷裂，導致陀螺損毀；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用的致命弱點。在國內有采用動力調諧陀螺開發(fā)陀螺測斜儀的廠，從目前應用情況看，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。

圖 2. 動力調諧陀螺結構

液浮速率積分陀螺的轉子與殼體之間充以髙密度，高粘度的懸浮液，并在適當工作溫度下使轉子處于懸浮狀態(tài)，轉子與殼體之間以彈性游絲相連接。其優(yōu)點是抗振性較好，體積小，但受其懸浮液的限制，工作準備時間長、溫漂大，一般應工作在恒溫狀態(tài)。盡管液浮陀螺具有相對優(yōu)良的抗振性能指標，但嚴格說來，該類陀螺并不適宜應用于陀螺測斜儀上。因為有懸浮液的存在，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，甚至會喪失阻尼作用，直接導致陀螺精度發(fā)生不可預見性的大幅變化，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種機械式陀螺儀應用于石油儀器，在綜合考慮精度、抗振、環(huán)境溫度三大選型指標要求時受其原理限制，各自都具有很大缺陷。光學陀螺儀可應用于陀螺測斜。光學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理論的要點是：當光束在一個環(huán)形的通道中前進時，如果環(huán)形通道本身具有一個轉動速度，那么光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環(huán)路轉動時，在不同的前進方向上，光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環(huán)路的轉動速度，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械式陀螺的幾乎所有缺點，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米以內井深的測量需求。對應于油井井徑限制，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。

圖 3. 測斜儀結構圖

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。

◆ 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，解碼后再轉發(fā)到地面計算機進行處理。

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

◆ 地面電源的功能是將交流電源轉變成直流電源，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行不同的操作。

結論：

陀螺測斜儀是利用慣性導航技術來進行鉆孔測量，它利用了慣性導航裝置自主性強、導航精度高、可靠性好的特點，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：

◆ 漂移小、精度高、各測點之間的數(shù)據(jù)沒有關聯(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果的準確性。

◆ 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，質量可靠，經(jīng)多家使用單位測試，性能滿足要求，是廣大測斜儀廠家的理想選擇。

光纖陀螺在陀螺測斜儀中的應用

在套管井開天窗、老井復測中，通常需要利用陀螺測斜儀對井斜方位值進行測量，在磁場異常地區(qū)和井段，由于磁通門測量值的誤差較大，也需要利用陀螺測斜儀進行方位測量。此外,在某些特定環(huán)境下，例如太陽磁暴高發(fā)期，或需要第3種儀器進行驗證的場合，陀螺測斜儀也有其獨到的作用。

陀螺測斜儀中的方位測量傳感器就是陀螺儀，應用在油井測量中的陀螺儀是從航空器中的陀螺儀移植發(fā)展而來的。目前的陀螺測斜儀生產廠大都本身就是空間導航設備的專業(yè)生產廠。陀螺儀不僅結構精密，工藝要求高，測試復雜，更重要的是要對陀螺儀輸出信號建立矩陣方程進行專業(yè)性很強的復雜解算，同時要對其干擾力距、溫度漂移、沖擊振動產生的漂移進行補償，對其原理誤差進行多級修正等，這也是一般非專業(yè)廠在短時期內幾乎不可能做到的。

無錫慧聯(lián)信息科技有限公司和北京大學合作研制的IM100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±30°，零偏0.02°/hr，可自主尋北。壽命55000小時，在運輸和使用過程中對環(huán)境沒有特殊要求，性價比高，使用方便，質量可靠，經(jīng)多家使用單位測試，性能滿足要求，是廣大測斜儀廠家的理想選擇。