陀螺测斜仪中的陀螺设计选型

第28卷　第3期2004年6月测　井　技　术WELLLOGGINGTECHNOLOGYVol.28　No.3

Jun2004

文章编号:1004-1338(2004)03-0234-03

陀螺测斜仪中的陀螺设计选型

王宇飞,陈　俊,孙　芳(中国航天三十三研究所北京航天万新科技有限公司,北京100074)

摘要:简要介绍了陀螺仪的种类和原理。分析了框架式陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺等测井用陀螺在测斜测井仪器方面的应用及各自的优劣,尤其介绍了光学陀螺仪在陀螺测斜仪器上的应用;分析了具有自主知识产权的国产陀螺测斜仪在研究、开发方面的现状,以及油田在使用方面对陀螺测斜仪技术上的要求,肯定了光纤陀螺技术在油田应用上的未来前景。关键词:陀螺;测斜仪器;种类;应用;设计选型中图分类号:V24115 文献标识码:A

GyroDesignandTypeSelectionofGyroClinographWANGYu2fei,CHENJun,SUNFang(BeijingWonewTechnologyCo.,No.33ResearchInstituteofTheThirdAcademyofCASIC,Beijing100074,China)

Abstract:Introducestypesandoperatingprinciplesofgyrometers.Analyzesapplicationsofframegyro2scope,dynamicaltunedgyroscopeandliquidrateintegratinggyroscope,etc.ininclinometersandeachgy2rocope’sadvantagesanddisadvantages.Especiallydescribestheopticalgyrometerusedingyroscopicincli2nometer.OutlinesthecurrentdevelopmentsandtechnicalrequirementsofChina2madegyroscopicincli2nometerswithownintellectualpropertyright.Surely,theopticalgyroscopictechnologywillbebetterusedinlogginganddrillingoperations.Keywords:gyro;inclinometer;type;application;designandtypeselection

0　引　言在套管井开天窗、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。

1　陀螺仪原理及概述传统意义上的陀螺仪是指机械陀螺,它由高速旋转的转子和框架组成,它的作用是测量载体的偏移角度和角速度。1.1陀螺具有的特性一个正在工作中的理想陀螺仪,在没有任何外力作用在转子上时是一个自由转子陀螺仪,其动量力矩H

轴将在惯性空间中保持不变,其壳体相对惯性空间的转角由陀螺转子相对壳体的转角来测量,如果对陀螺转子施加外力矩,即其载体发生了移动,则陀螺转子将绕与外力矩作用轴相垂直的正交轴作进动运动,这一过程的表达式为

D(x)=My

H(1)

D(y)=Mx

H(2)

式中　D(x),D(y)———陀螺仪绕X转、Y轴的漂移速率;Mx,My

———作用在X轴、Y轴上的外力矩;

H———动量矩。如果Mx,My是干扰力矩,则式(1)、(2)是陀螺仪漂移误差的表达式。实际上,以上陀螺仪工作的理想状态是不可能实现的。由于机械式陀螺仪的内耗阻尼、转子周围的气体阻力、电磁阻尼和转子不调谐等因素,当转子相对于壳体有偏转角时,将引起弹性约束力矩。此外,陀螺仪的使用环境存在着线加速度、线振动和角振动,这种动态环境与转子、平衡环的某些机械参数相互作用可产生整流力矩。这些因素联合作用,使陀螺仪产生漂移误差。陀螺仪在井下工作时更有温度、电磁场等变化量的影响,会使陀螺仪产生温度漂移和磁场漂移。1.2测井用陀螺仪的特点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,侧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2h,且在环境温度-10℃～125℃范围内仪器总体精度满足设计要求。1.3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,我们认为不会有理想的测井产品出现。

2　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、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺等。2.1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,成本低廉,有较好的抗振性能。框架陀

图1　框架陀螺结构图螺理论在美国、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。框架陀螺在工作时干抗力矩因素较多,且转子在转动时形成的累积误差明显。此外,为提高精度须加大转子质量,故其缺点是其精度低,体积大,稳定时间长,补偿十分繁琐,精度在10°/h以上,故目前在精确导航领域已经很少使用。2.2动力调谐陀螺该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。2.3液浮速率积分陀螺液浮速率积分陀螺的转子与壳体之间充以高密度、

图2　动力调谐陀螺结构图

・532・　第28卷　第3期 王宇飞,等:陀螺测斜仪中的陀螺设计选型高粘度的悬浮液,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。2.4模拟再平衡回路因陀螺仪的数据解算采用模拟加矩法,故要求对陀螺的输出信号进行V/F转换或I/F转换,变成增量脉冲送往计算机解算,故陀螺再平衡回路十分复杂,模拟再平衡回路的参数需要随不同温度变化。其功能框图见图3[1]。

图3　模拟再平衡回路原理框图3　光学陀螺仪在陀螺测斜仪上的应用以上所述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。3.1光纤陀螺仪的工作原理和组成宽频光源发出的光经第1个分光镜分成2个光束,

分别沿相反方向在由光纤组成的线圈中传播。2个光束在第2个分光镜上形成干涉条纹。干涉仪静止时,正反传播的2个光束的光差程相同,不存在相位差。但当光纤线圈(相当机械陀螺转子)

垂直于自身的轴旋转时,与旋转方向相同的光程要比逆旋转方向传播的光束走过的光程大一些。当2个光束汇合时,由此引起的相位差将导致干涉条纹的幅值发生变化,通过光电耦合器可以检测出合成光强。通过提取光电耦合器输出的电流信号,可以知道壳体当前转移的角速度[2]。

图4　光纤陀螺仪基本组成示意图光纤陀螺仪的基本光学器件有光源、耦合器、光纤线圈、检测器等,其基本组成见图4所示。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4000m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,形成仪器后直径在90mm

以内,普通标准套管井完全可以下去,但要满足投入钻杆中还有一定困难。

4　结　论拥有自主知识产权的国产陀螺测斜仪研究、开发课题的提出已经有近10年的时间了,有不少厂都在投入力量进行研发,但大都还未形成成熟的产品。究其关键原因不外乎两方面,一是对陀螺原理不清,盲目而上;二是国产机械陀螺技术特性确实与油田的使用要求还有相当的差距。

参考文献:

[1]　飞航导弹惯性器件[S].北京:宇航出版社,1990.[2]　LefeverH.TheFibre2opticGyroscope[M].ArtecHouse,1993.