解决方案

光纤陀螺测斜仪原理和应用分析

概述

    陀螺钻孔测斜仪是一种不受地磁干扰和周围境磁性影响的钻孔轨迹测量仪器,主要用于磁性矿区钻孔、套管、钻杆等进行钻孔轨迹测量,当然也可在其他不受磁干扰的钻孔中进行轨迹测量。测井用陀螺仪较之航空器用陀螺仪,受其使用环境的影响具有以下特点。 首先,是体积要求严格,尤其直径要小,要求形成仪器后适应套管井井径要求,甚至能在开天窗时从钻杆投入;其次,是较强的抗振性,测钻开天窗或投入井底时,不会损坏陀螺本体;还有宽温要求,即仪器能在125°环境中正常工作至少2小时且在环境温度-10-125°范围内仪器总体精度满足设计要求。从结构和制造工艺上陀螺仪可以分为机械陀螺、光学陀螺、半导体陀螺。其中机械陀螺又有框架陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺、静电陀螺。光学陀螺主要有激光和光纤陀螺2种。半导体陀螺中最常见的是硅微陀螺。这些陀螺中,静电陀螺制造难度极大,造价昂贵,只有最尖端武器系统才有采用,技术仅掌握在世界上少数一两个国家中,故短期内不会应用于其它领域。硅微陀螺精度低、温漂大,虽然有良好的抗振性和理想的体积,也有人在做形成仪器的探讨,但受其本身技术发展水平的限制,现在多应用于动态摄像等反馈回路检测,相当一段时期内,不会有理想的测井产品出现。目前所见到的测井用陀螺几乎涵盖了机械式陀螺仪的所有品种,包括框架陀螺、动力调谐陀螵、液浮速率积分陀螺等。框架陀螺框架陀螺是陀螺仪中最早发展、最成熟的经典一种,它制造容易,价格低廉,有较好的抗振性能。框架陀螺理论在美国、俄罗斯等国家十分成熟,国外一些品牌的陀螺测斜仪如“哈瑞斯”等品牌采用的即是框架陀螺。 其结构见图1。


               图1.

1. 框架陀螺结构图框架陀螺它的主要优点是抗冲击能力较强,可以实现连续测量,但它在工作时干抗力矩因素较多,它主要有以下缺点:

  1. 测量过程繁琐,在下孔测量之前要进行地面定向,测量完成后,仪器还要在地面重新进行校准,以补偿误差数据;

  2. 结构上的内外框架支承的摩擦力造成陀螺漂移较大,且无法补偿消除,使其不仅精度低而且外径较大。

由于以上原因,目前在精确导航领域已经很少使用框架陀螺。动力调谐陀螺动力调谐陀螺的转子支撑元件采用挠性支撑来代替框架陀螺中的滚珠支撑,陀螺本体由转子、挠性接头、传感器、力矩器、驱动电路构成。结构如图2所示。其中挠性接头由上、中、下3个环构成,是决定其工作品质的关键部件。与框架陀螺相比,由于改进了转子部分的结构,采用刚性及灵敏度好的挠性接头做支承,减小了干扰力矩,故该种陀螺体积小,启动时间短,精度较框架陀螺有很大改善。但动力调谐陀螺造价昂贵、制造复杂是其缺点,尤其是挠性接头十分脆弱,在振动过程中极易断裂,导致陀螺损毁;若加大挠性接头刚度,则精度将大大下降。这是限制其在石油仪器上推广应用的致命弱点。在国内有采用动力调谐陀螺开发陀螺测斜仪的厂,从目前应用情况看,效果都不甚理想,主要原因即是陀螺易损问题没有得到解决。

                   图 2.

 动力调谐陀螺结构液浮速率积分陀螺的转子与壳体之间充以髙密度,高粘度的悬浮液,并在适当工作温度下使转子处于悬浮状态,转子与壳体之间以弹性游丝相连接。其优点是抗振性较好,体积小,但受其悬浮液的限制,工作准备时间长、温漂大,一般应工作在恒温状态。尽管液浮陀螺具有相对优良的抗振性能指标,但严格说来,该类陀螺并不适宜应用于陀螺测斜仪上。因为有悬浮液的存在,则因工作环境温差过大,会使悬浮液的密度和粘度发生很大变化,甚至会丧失阻尼作用,直接导致陀螺精度发生不可预见性的大幅变化,甚至失效。如果加装精确温控电路,则会增大仪器体积,而且也不适用于井下高温、高压环境。以上所述3种机械式陀螺仪应用于石油仪器,在综合考虑精度、抗振、环境温度三大选型指标要求时受其原理限制,各自都具有很大缺陷。光学陀螺仪可应用于陀螺测斜。光学陀螺常见的有光纤陀螺和激光陀螺。 但激光陀螺仪因体积过于庞大,现阶段不予考虑。以下着重介绍光纤陀螺仪在测斜仪中的应用。光纤陀螺仪现代光纤陀螺仪是根据sagnac理论发展起来的。sagnac理论的要点是:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪。光纤陀螺仪的基本光学器件有光源、耦合器、起偏器,光纤线圈、检测器等。光纤陀螺组件多为半导体器件,相互之间靠接插连接,并直接焊接在印刷电路板上。光纤陀螺使用在石油仪器上克服了机械式陀螺的几乎所有缺点,诸如抗振性差、磁场变化、漂移力矩因素多、工作受环境温度影响大等。光纤陀螺是十分适用于陀螺测斜仪的方位传感器。 光纤陀螺的重要本体缺陷是组成器件造价昂贵,抗 高温能力较差。且为了保证精度,采用越来越多的光纤 匝数,因而导致体积相对较大。解决的方法是通过外加装高效保温瓶,使光纤陀螺仪最高工作环境温度保证在80°以下,这样可以基本满足4000米以内井深的测量需求。对应于油井井径限制,通过改变光纤缠绕方式, 可以使其直径得到有效缩小,满足放置在钻杆中的要求。由无锡慧联科技有限公司和北京大学合作研制的AgileLight-IM系列光纤陀螺是专门为油井测斜所定制的光纤陀螺,该陀螺外径只有32mm, 量程±4°,零偏0.5°/hr(热平衡下0.2°/hr), 比例因子0.000125, 带宽10Hz。抗冲击100g,使用温度范围-40°~+75°,寿命55000小时,在运输和使用过程中对环境没有特殊要求,非常适宜在测斜仪中使用。测斜仪组成和原理


测斜仪主要包括地面部分和井下部分,如图3所示,地面部分和井下部分通过测井电缆相连。

   图3. 

测斜仪结构图地面部分地面部分主要包括信号接收和解码电路、深度显示、地面电源和计算机。

  1. 信号接收和解码电路的作用是接收从井下发送到地面的信号,解码后再转发到地面计算机进行处理。

  2. 深度显示部分是接收绞车控制系统的光电脉冲信号,将其转变成深度值并显示。

  3. 地面电源的功能是将交流电源转变成直流电源,供井下传感器和电路部分使用,与信号接收和解码电路以及深度显示等组装在一起,成为地面控制箱。

  4. 地面计算机的功能是根据井下发送到地面的陀螺和加速度计信号值,计算出仪器所在钻孔位置的空间方位,即顶角、方位角和工具面角,同时通过其发出控制指令对井下仪器进行不同的操作。

井下部分井下部分包括光纤陀螺和加速度计传感器组成的惯性体组件、电机、井下二次电源、数据采集及编码电路和陀螺、加速度计二次电路等。

  1. 惯性体是整个仪器的核心部件,它由2个石英挠性加速度计和1个单轴光纤陀螺构成(也可以采用双轴陀螺,但成本和价格将增加一倍,那样电机只需要转动一次180°,使用单轴陀螺需要电机转动四次,每次旋转90°)。陀螺与加速度计采用捷联式机械编排,将陀螺与加速度计直接安装在具有精确定位基准的惯性体上,组成惯性体组件,即2个加速度计固定在惯性体的2个正交平面上,加速度计和陀螺的输出轴与惯性体组件的轴线垂直。

  2. 电机的作用是使惯性组件在测量时作相差90°的四次测得到ωxωy,并且消除惯性组件的固定零偏误差。

  3. 传感器二次电路包括陀螺系统以及加速度计的二次电路等。

  4. 信号采集与编码电路完成对陀螺和加速度计的数据采集、控制及ω井下系统与地面系统之间的通讯等。它接收到地面发来的命令后,对其进 行解码后完成各自的功能。

  5. 井下二次电源的作用是将从井上供给的高压直流电源进行变换,得到低压直流电源,为井下系统提供工作电压。

测量原理光纤陀螺钻孔测斜仪的测量模式是将测斜仪下放到某一预定位置,使测斜仪保持稳定,测斜仪的光纤陀螺、加速度计分别感应和地球重力加速度,根据陀螺和加速度计的输出值计算出该位置处钻孔的方位角A、顶角I和仪器的工具面角T,至此完成一个点的测量,再把测斜仪移动到另一位置,重复上述动作,再进行该点的测量。顶角I、方位角A和工具面角T的解算过程如下:以陀螺钻孔测斜仪坐标系、即测量装置坐标系为参考坐标系,逆时针方向转动为正向,并设陀螺测斜仪所在的纬度为ψ。坐标变换情况如下:地理系东北天OX0Y0Z0,先绕OZ0正向转动角A到OX1Y1Z1,再绕OY1正向转动角I到达OX2Y2Z2,最后绕OZ2转动角T到达OX3Y3Z3,即为陀螺孔测斜仪坐标系。其中角A为方位角,角I为顶角,角T为工具面角,如图4 所示。

                  

                                图 4.

 测斜仪坐标变换示意图地理坐标系与仪器坐标系间的方向余弦阵(坐标变换关系)为:



方向余弦阵使得如下关系成立:





只要测得沿探管坐标轴上的地球角速度ωxωy和重力加速度axay这4个参数,并由当地的纬度ψ得到ωeVωeH,可求得探管的方位角、顶角和工具面角,其计算公式为:

顶角:  




工具面角:



方位角:



由此可知顶角I和工具面角T只与加速度计的输出值有关,而方位角力与陀螺和加速度计的输出值都有关。结论


    陀螺测斜仪是利用惯性导航技术来进行钻孔测量,它利用了惯性导航装置自主性强、导航精度高、可靠性好的特点,采用光纤陀螺和加速度计传感器组成的捷联式寻北系统,通过陀螺测量出地球自转角速率的分量、通过加速度计测量地球重力加速度分量,再通过相关公式计算出钻孔顶角、方位角和工具面角。陀螺测斜仪具有以下特点:

漂移小、精度高、各测点之间的数据没有关联,消除了以往陀螺测斜仪的累计误差,有效地提高 了钻孔轨迹测量结果的准确性。

  1. 工作过程自动寻北,不需要地面初始定向,测量前后均无需校北,消除了人为误差。

  2. 不受地质和周围环境影响,抗磁性干扰,可在钻杆、磁性套管及磁性矿区使用。

光纤陀螺测斜仪克服了以往陀螺测斜仪的所有不足,无锡慧联生产的AgileLight-IM系列陀螺仪专门为测斜仪定制,性价比高,使用方便,质量可靠,经多家使用单位测试,性能完全满足要求,是广大测斜仪厂家的理想选择。