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光纖陀螺儀在鉆孔、鉆井測斜儀中應用

        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°環境中正常工作至少2小時且在環境溫度-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才有采用,技術僅掌握在世界上少數一兩個國家中,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,但受其本身技術發展水平的限制,現在多應用于動態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。

   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最早發展、最成熟的經典一種,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?、俄羅斯等國家十分成熟,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

框架陀螺它的主要優點是抗沖擊能力較強,可以實現連續測量,但它在工作時干抗力矩因素較多,它主要有以下缺點:

1.測量過程繁瑣,在下孔測量之前要進行地面定向,測量完成后,儀器還要在地面重新進行校準,以補償誤差數據;    

2.結構上的內外框架支承的摩擦力造成陀螺漂移較大,且無法補償消除,使其不僅精度低而且外徑較大。

由于以上原因,目前在精確導航領域已經很少使用框架陀螺。

   

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,轉子與殼體之間以彈性游絲相連接。其優點是抗振性較好,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。盡管液浮陀螺具有相對優良的抗振性能指標,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,則因工作環境溫差過大,會使懸浮液的密度和粘度發生很大變化,甚至會喪失阻尼作用,直接導致陀螺精度發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

   現代光纖陀螺儀是根據sagnac理論發展起來的。sagnac理論的要點是:當光束在一個環形的通道中前進時,如果環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。也就是說當光學環路轉動時,在不同的前進方向上,光學環路的光程相對于環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,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,使光纖陀螺儀最高工作環境溫度保證在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境沒有特殊要求,非常適宜在測斜儀中使用。

 

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。

   1.信號接收和解碼電路的作用是接收從井下發送到地面的信號,解碼后再轉發到地面計算機進行處理。

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

   3.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。

   4.地面計算機的功能是根據井下發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,同時通過其發出控制指令對井下儀器進行不同的操作。

 

   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、井下二次電源、數據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,那樣電機只需要轉動一次180°,使用單軸陀螺需要電機轉動四次,每次旋轉90°)。陀螺與加速度計采用捷聯式機械編排,將陀螺與加速度計直接安裝在具有精確定位基準的慣性體上,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據采集、控制及井下系統與地面系統之間的通訊等。它接收到地面發來的命令后,對其進 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行變換,得到低壓直流電源,為井下系統提供工作電壓。

     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定位置,使測斜儀保持穩定,測斜儀的光纖陀螺、加速度計分別感應和地球重力加速度,根據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,至此完成一個點的測量,再把測斜儀移動到另一位置,重復上述動作,再進行該點的測量。

     頂角I、方位角A和工具面角T的解算過程如下:以陀螺鉆孔測斜儀坐標系、即測量裝置坐標系為參考坐標系,逆時針方向轉動為正向,并設陀螺測斜儀所在的緯度為坐標變換情況如下:地理系東北天,先繞正向轉動角A到,再繞正向轉動角I到達,最后繞轉動角T到達,即為陀螺孔測斜儀坐標系。其中角A為方位角,角I為頂角,角T為工具面角,如圖4 所示。

 

圖 4. 測斜儀坐標變換示意圖

地理坐標系與儀器坐標系間的方向余弦陣(坐標變換關系)為:

方向余弦陣使得如下關系成立:

只要測得沿探管坐標軸上的地球角速度和重力加速度這4個參數,并由當地的緯度得到,可求得探管的方位角、頂角和工具面角,其計算公式為:頂角、工具面角、方位角、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,而方位角力與陀螺和加速度計的輸出值都有關。

 

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式尋北系統,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、各測點之間的數據沒有關聯,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。

不受地質和周圍環境影響,抗磁性干擾,可在鉆桿、磁性套管及磁性礦區使用。

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