陀螺测斜仪中的陀螺设计选型分析-慧联科技

在套管井开天窗、老井复测中,通常需要利用陀螺测斜仪对井身方位值进行测量;在磁场异常地区和井段,由于磁通门测量值的误差较大,也需要利用陀螺测斜仪进行方位测量。此外,在某些特定环境下,例如太阳磁暴高发期,或需要第3 种仪器进行验证的场合,陀螺测斜仪也有其独到的作用。

陀螺测斜仪中的方位测量传感器就是陀螺仪,应用在油井测量中的陀螺仪是从航空器中的陀螺仪移植发展而来的。目前的陀螺测斜仪生产厂大都本身就是空间导航设备的专业生产厂。陀螺仪不仅结构精密,工艺要求高,测试复杂,更重要的是要对陀螺仪输出信号建立矩阵方程进行专业性很强的复杂解算,同时要对其干扰力距、温度漂移、冲击振动产生的漂移进行补偿,对其原理误差进行多级修正等,这也是一般非专业厂在短时期内几乎不可能做到的。

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。

常见陀螺仪的种类

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。

常用测井用陀螺仪介绍

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：

Ÿ 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；

Ÿ 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。

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。

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