在套管井開天窗、老井復(fù)測中,通常需要利用陀螺測斜儀對井身方位值進(jìn)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(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證的場合,陀螺測斜儀也有其獨(dú)到的作用。

陀螺測斜儀中的方位測量傳感器就是陀螺儀,應(yīng)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(chǎn)廠大都本身就是空間導(dǎo)航設(shè)備的專業(yè)生產(chǎn)廠。陀螺儀不僅結(jié)構(gòu)精密,工藝要求高,測試復(fù)雜,更重要的是要對陀螺儀輸出信號建立矩陣方程進(jìn)行專業(yè)性很強(qiáng)的復(fù)雜解算,同時要對其干擾力距、溫度漂移、沖擊振動產(chǎn)生的漂移進(jìn)行補(bǔ)償,對其原理誤差進(jìn)行多級修正等,這也是一般非專業(yè)廠在短時期內(nèi)幾乎不可能做到的。

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(diǎn)。 首先，是體積要求嚴(yán)格，尤其直徑要小，要求形成儀器后適應(yīng)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(qiáng)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(nèi)儀器總體精度滿足設(shè)計(jì)要求。

常見陀螺儀的種類

從結(jié)構(gòu)和制造工藝上陀螺儀可以分為機(jī)械陀螺、光學(xué)陀螺、半導(dǎo)體陀螺。其中機(jī)械陀螺又有框架陀螺、動力調(diào)諧陀螺、液浮速率積分陀螺、靜電陀螺。光學(xué)陀螺主要有激光和光纖陀螺2種。半導(dǎo)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(tǒng)才有采用，技術(shù)僅掌握在世界上少數(shù)一兩個國家中，故短期內(nèi)不會應(yīng)用于其它領(lǐng)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(shù)發(fā)展水平的限制，現(xiàn)在多應(yīng)用于動態(tài)攝像等反饋回路檢測，相當(dāng)一段時期內(nèi)，不會有理想的測井產(chǎn)品出現(xiàn)。

常用測井用陀螺儀介紹

目前所見到的測井用陀螺幾乎涵蓋了機(jī)械式陀螺儀的所有品種，包括框架陀螺、動力調(diào)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(fā)展、最成熟的經(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?、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(jié)構(gòu)圖。

框架陀螺它的主要優(yōu)點(diǎn)是抗沖擊能力較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，但它在工作時干抗力矩因素較多，它主要有以下缺點(diǎn)：

? 測量過程繁瑣，在下孔測量之前要進(jìn)行地面定向，測量完成后，儀器還要在地面重新進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償誤差數(shù)據(jù)；

? 結(jié)構(gòu)上的內(nèi)外框架支承的摩擦力造成陀螺漂移較大，且無法補(bǔ)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(dǎo)航領(lǐng)域已經(jīng)很少使用框架陀螺。

動力調(diào)諧陀螺

動力調(diào)諧陀螺的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子、撓性接頭、傳感器、力矩器、驅(qū)動電路構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中撓性接頭由上、中、下3個環(huán)構(gòu)成，是決定其工作品質(zhì)的關(guān)鍵部件。與框架陀螺相比，由于改進(jìn)了轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)，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(diào)諧陀螺造價昂貴、制造復(fù)雜是其缺點(diǎn)，尤其是撓性接頭十分脆弱，在振動過程中極易斷裂，導(dǎo)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(yīng)用的致命弱點(diǎn)。在國內(nèi)有采用動力調(diào)諧陀螺開發(fā)陀螺測斜儀的廠，從目前應(yīng)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。

液浮速率積分陀螺的轉(zhuǎn)子與殼體之間充以髙密度，高粘度的懸浮液，并在適當(dāng)工作溫度下使轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，轉(zhuǎn)子與殼體之間以彈性游絲相連接。其優(yōu)點(diǎn)是抗振性較好，體積小，但受其懸浮液的限制，工作準(zhǔn)備時間長、溫漂大，一般應(yīng)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(biāo)，但嚴(yán)格說來，該類陀螺并不適宜應(yīng)用于陀螺測斜儀上。因?yàn)橛袘腋∫旱拇嬖冢瑒t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?xí)适ё枘嶙饔茫苯訉?dǎo)致陀螺精度發(fā)生不可預(yù)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(jī)械式陀螺儀應(yīng)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(biāo)要求時受其原理限制，各自都具有很大缺陷。光學(xué)陀螺儀可應(yīng)用于陀螺測斜。光學(xué)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。

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