光纖陀螺測斜儀的研制及應(yīng)用

（上海地學(xué)儀器研究所 技術(shù)部，上海 200233）

1 引言

上世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)的地質(zhì)礦產(chǎn)部指示上海地質(zhì)儀器廠從匈牙利和捷克分別引進(jìn)了陀螺測斜儀技術(shù)，這是我國最早引進(jìn)并生產(chǎn)的陀螺測斜儀。當(dāng)時(shí)引進(jìn)的是國際上較好水平的陀螺測斜儀技術(shù)，同時(shí)也是我國唯一能引進(jìn)這類技術(shù)的渠道，西方其它國家不對我們輸出這類技術(shù)。上海地質(zhì)儀器廠和改制后的上海地學(xué)儀器研究所從1976年到2006年共生產(chǎn)了近千臺（套）這類陀螺測斜儀。這類陀螺測斜儀測量方位的原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子所具有的定軸特性和進(jìn)動特性相對測量鉆孔的方位角。高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子在下井測量之前，在地面對準(zhǔn)一個(gè)參考方向啟動，儀器下井后鉆孔的方位變化引起了儀器軸向和陀螺轉(zhuǎn)軸間的夾角變化，記錄這個(gè)夾角的大小并進(jìn)行校正就可以指示出鉆孔的方位大小。由于這類陀螺測斜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和調(diào)試非常困難，全國只有一兩家廠商能夠生產(chǎn)。在使用性能方面，這類陀螺測斜儀采用的陀螺元件使用過程中一直是在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，使得其機(jī)械壽命短（只有200小時(shí)）、陀螺漂移大、抗震差，儀器在運(yùn)輸時(shí)必須鎖緊各靈敏系統(tǒng)，所以這類陀螺測斜儀使用和維護(hù)都很困難。

2000年以后隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場出現(xiàn)了一種硅微機(jī)械陀螺元件（電子陀螺），這種元件沒有機(jī)械活動部件，體積小，有數(shù)字接口，應(yīng)用簡單。過去不能生產(chǎn)陀螺測斜儀的眾多廠家紛紛采用這類元件作為方位測量，研制陀螺測斜儀。殊不知這種元件僅僅是一種中低精度的角速度傳感器，不能全范圍記錄測斜儀器在鉆孔里上提和下放時(shí)所發(fā)生的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)角速度變化，目前還不能實(shí)際應(yīng)用在測斜儀中。

2003年前后，上海地學(xué)儀器研究所開始采用光纖陀螺元件試制新一代陀螺測斜儀。經(jīng)過幾年研究和國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)的配套協(xié)作，在2006年試制成功具有領(lǐng)先水平的光纖陀螺測斜儀。新一代的光纖陀螺測斜儀采用光陀螺元件作方位測量，重力加速度元件作井斜測量。該儀器采用了沒有活動部件的全固態(tài)設(shè)計(jì)方式，可靠性和可操作性大大提高。高新技術(shù)的采用還使得儀器測量精度大幅度提高。

2 關(guān)鍵技術(shù)

光纖陀螺測斜儀是一種不依賴地球磁場確定鉆孔方位的測斜儀器。要做到不靠地球磁場來確定方位，只有兩種辦法，一是采用相對測量方位的原理。在地面對準(zhǔn)一個(gè)已知方向，然后記錄儀器下井過程中，儀器自轉(zhuǎn)和沿著鉆孔軌跡運(yùn)動發(fā)生的所謂公轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的角度。老式的陀螺測斜儀和所謂的電子陀螺測斜儀采用的就是這種方法。儀器下井過程中所受到的震動、陀螺質(zhì)心偏離支撐中心后受重力作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩及地球自轉(zhuǎn)等因素都會造成儀器方位測量的誤差，一般稱作方位的隨機(jī)漂移和時(shí)間漂移。二是直接測量地球的自轉(zhuǎn)角速度。地球自轉(zhuǎn)角速度是方向和大小非常穩(wěn)定的量，如果能測量出這個(gè)角速度和鉆孔走向的夾角就直接得到了鉆孔的方位角。采用這種辦法確定鉆孔方位的測斜儀有時(shí)稱為自尋北陀螺測斜儀，我們研制的JTL－40GX系列光纖陀螺測斜儀就是這類儀器。由于測量得到的是相對地球自轉(zhuǎn)角速度方向的鉆孔方位，又稱作為真北方位。

自尋北陀螺測斜儀的關(guān)鍵技術(shù)在于能檢測地球自轉(zhuǎn)角速度，地球自轉(zhuǎn)角速度是一個(gè)非常小的矢量，它比時(shí)鐘的時(shí)針運(yùn)動的角速度還要小一倍（地球自轉(zhuǎn)一周24小時(shí)，時(shí)針轉(zhuǎn)一周12小時(shí)）。可見這對陀螺元件的測量靈敏度和精度要求非常高。1976年在美國猶他州立大學(xué)首先研制出光纖陀螺元件的試驗(yàn)裝置。但適用的光纖陀螺卻是在近些年才迅速發(fā)展起來，它是一類高精度角速度測量元件。它的基本原理是光的Sagnac效應(yīng)。Sagnac效應(yīng)是指相對慣性空間轉(zhuǎn)動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測點(diǎn)，當(dāng)繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動角速度Ω，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度Ω成正比。光纖陀螺儀可以做到非常高的角速度靈敏度，在慣性導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域有廣泛的用途，所以歷來是西方國家對華限制輸出的技術(shù)。我國光纖陀螺儀的研制起步比較晚，技術(shù)相對落后，市場可提供的產(chǎn)品非常少。改革開放后，俄羅斯的產(chǎn)品和技術(shù)開始流入我國，促進(jìn)了我國光纖陀螺產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展。

除了光纖陀螺儀元件以外，新一代的光纖陀螺測斜儀的研制還必須采用高精度的重力加速度傳感器。采用重力加速度傳感器可以準(zhǔn)確的構(gòu)建儀器的三維直角坐標(biāo)及儀器坐標(biāo)和大地坐標(biāo)的相互關(guān)系。重力加速度傳感器的采用還大大提高了井斜角的測量精度。采用高精度光纖陀螺儀和三維重力加速度傳感器再加上單片機(jī)數(shù)據(jù)測量與處理的軟件方法是光纖陀螺測斜儀的三大關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 光纖陀螺元件原理

3 研制過程

2005年開始JTL-40系列小直徑陀螺儀的研制。研制目的是為了讓新一代產(chǎn)品能替換原來生產(chǎn)的JTL-50陀螺測斜儀。JTL-50陀螺測斜儀外徑是50mm，是采用上世紀(jì)70年代框架式陀螺元件的測斜儀方案。雖然80年代幾經(jīng)改進(jìn)，仍然存在外徑大，不能適用南方小口徑繩索取芯鉆桿中。另外，這類框架式陀螺還存在漂移大，故障率高，制造維修復(fù)雜，使用不方便的缺點(diǎn)。研制開始，首先確定的目標(biāo)是①小直徑；②井下儀器數(shù)字化；③便于操作和維護(hù)；④采用無漂移的直接尋北方案。開始研制階段我們采用大尺寸光纖陀螺和重力加速度傳感器在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺上試驗(yàn)，得到基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，針對性的開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件。同期向霍尼韋爾等公司進(jìn)口了一些關(guān)鍵部件，在國內(nèi)各廠商間展開技術(shù)協(xié)作，主要是為解決光纖陀螺元件小尺寸化的技術(shù)問題。重力加速度傳感器技術(shù)相對光纖陀螺儀技術(shù)要成熟得多，可采用的商品也不少。但為了確保設(shè)計(jì)余量，我們還是試制了一款重力加速度傳感器。這款傳感器對重力及分量的敏感度可達(dá)10－5，但溫度特性不夠理想。

2006年底JTL-40GX光纖陀螺測斜儀試驗(yàn)樣機(jī)試制成功，經(jīng)轉(zhuǎn)臺試驗(yàn)效果比較理想。存在的問題是裝配工藝復(fù)雜，陀螺元件成本過高，訂貨麻煩，周期長，協(xié)作困難。這期間與北京大學(xué)，北京航空航天大學(xué)等院校和研制單位合作，幾經(jīng)改進(jìn)到2007年，基本解決了所有大的技術(shù)問題和關(guān)鍵件進(jìn)口渠道問題。同年JTL-40GX野外試驗(yàn)樣機(jī)試制成功，并在浙江、山東等地鉆孔中試驗(yàn)。試驗(yàn)取得了大量的改進(jìn)信息。

4 JTL- 40GX光纖陀螺測斜儀原理

在光纖陀螺測斜儀（井下儀）中，嚴(yán)格正交的方式安裝了3個(gè)重力加速度傳感器和光纖陀螺儀。測得的信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換送到CPU進(jìn)行處理。當(dāng)儀器軸向在大地空間座標(biāo)的取向不同，3個(gè)方向上的重力加速度傳感器得到不同的重力分量。光纖陀螺儀測得地球自轉(zhuǎn)角速度矢量在相應(yīng)軸的分量。這些傳感器是事先經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)刻度的，所以用這些分量信息通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算就得到了儀器坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的相互關(guān)系。從而能計(jì)算出鉆孔的頂角和方位角。圖2中DC／DC是直流電源變換器，把地面供給的直流電轉(zhuǎn)換為儀器所需要的直流電源。CPU系統(tǒng)把測量的重力矢量分量和地球自轉(zhuǎn)角速度矢量分量進(jìn)行計(jì)算、處理、計(jì)算，并把結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼和長線驅(qū)動發(fā)送到地面儀器或PC機(jī)里記錄。

5 JTL -40GX光纖陀螺測斜儀的應(yīng)用

JTL-40GX光纖陀螺測斜儀使用非常方便，主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）頂角測量范圍：0°～45°／60°，測量精度為±0.1°（45°），分辨率：0.01°；

（2）方位測量范圍：0°～360°，測量精度優(yōu)于±2°（地理緯度0°～45°）；

（3）測量方式：點(diǎn)測（推薦），連續(xù)測；

（4）尋北時(shí)間：≤2min；

（5）鉆具工具面定向精度：垂向±0.1°；方位±2°；

（6）測量深度：2000m。

JTL-40GX光纖陀螺測斜儀作為一種最新的地質(zhì)鉆孔測斜儀其應(yīng)用范圍很廣。比如可以在強(qiáng)磁性礦區(qū)和在鉆桿中、套管中、鉆具中使用。它是對地球自轉(zhuǎn)角速率直接測量并計(jì)算鉆孔的方位，這個(gè)方位就是真北方位。測量是在各測點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行，測量結(jié)果沒有累計(jì)誤差和漂移。所以有測量準(zhǔn)確、使用方便、可靠性高等特點(diǎn)。另外，JTL-40GX光纖陀螺測斜儀可以直接指導(dǎo)鉆進(jìn)。在定向鉆進(jìn)的情況下，JTL-40GX陀螺測斜儀可以裝上引鞋，在鉆孔中連續(xù)指示出定向鉆具的鉆進(jìn)工具面方向和方位。

圖3是安徽渦陽華信煤礦主井工地灌漿孔定向測量實(shí)例。設(shè)計(jì)井筒底深為890m，灌漿孔深900m。上圖是導(dǎo)入螺桿鉆后陀螺儀沿鉆桿測量的鉆孔平面投影圖，右面兩個(gè)小圖表示陀螺引鞋入鍵時(shí)，鉆具工具面的方位和方向（圖中箭頭方向）。由于該孔設(shè)計(jì)水平位移不允許超過10m，必須連續(xù)減小斜度鉆進(jìn)，這時(shí)地面要轉(zhuǎn)動鉆具，JTL-40GX儀器會連續(xù)指示轉(zhuǎn)動后的鉆具工具面位置，當(dāng)轉(zhuǎn)到下圖右面小圖所示位置時(shí)，螺桿鉆具是朝著繼續(xù)減小斜度方向鉆進(jìn)。由于測量和定向是一次下井完成的，大大提高了效率。定向指示非常直觀，可以看到鉆具實(shí)際方位、方向，需要轉(zhuǎn)動鉆具的角度大小很明確，轉(zhuǎn)動操作成功率非常高。

在大斜度鉆探孔，尤其是在破碎帶鉆孔中，以往的各類測斜儀應(yīng)用都很困難。靠大地磁場確定方位的測斜儀必須在裸眼井中應(yīng)用，這時(shí)由于破碎和掉塊，或斜度太大測斜過程非常困難。這種情況下JTL-40GX陀螺測斜儀就能很好應(yīng)。由于直徑小，又因?yàn)槭亲詫け惫ぷ鞣绞?，不依賴大地磁場測方位，JTL-40GX陀螺測斜儀可以在不提鉆時(shí)，下入鉆桿中直接測量。測量效率高，儀器安全，使用方便。圖4是在安徽霍邱劉寺鐵礦實(shí)測的例子。鉆孔為儲量鉆探孔，開孔頂角10°，方位角120°，鉆桿中測斜，整個(gè)測量過程非常順利。圖4是鉆孔軌跡在傾斜、南北、東西、和給定方向的剖面投影圖，圖5是鉆孔軌跡的平面投影圖。

圖2 JTL-40GX陀螺測斜儀井下儀原理

圖3 安徽渦陽華信煤礦灌漿孔定向鉆進(jìn)測量

圖4 鉆孔軌跡傾斜剖面投影

圖5 安徽霍邱劉寺鐵礦儲量鉆探孔測斜成果

6 結(jié)束語

JTL-40GX光纖陀螺測斜儀經(jīng)過幾年實(shí)際應(yīng)用和不斷技術(shù)改進(jìn)，目前是最受歡迎的儀器。在地球南、北半球都能應(yīng)用，指標(biāo)內(nèi)可應(yīng)用的最高緯度為60°。儀器采用的一系列先進(jìn)技術(shù)處于領(lǐng)先水平，是一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器。是我國幾十年來，幾代人研究陀螺測斜儀的技術(shù)結(jié)晶，它標(biāo)志著我國測斜儀技術(shù)真正走到了世界技術(shù)的前列。

［1］GJB 2863－97.陀螺尋北儀通用規(guī)范.

［2］姬玉平.定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤層氣勘探中的應(yīng)用［J］.中國煤田地質(zhì)，2006（5）.

［3］潘軍.閉環(huán)光纖陀螺的死區(qū)現(xiàn)象及克服死區(qū)實(shí)驗(yàn)［J］.航空學(xué)報(bào)，2001（3）.

［4］張春熹等.自主式光纖陀螺油井測斜儀［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（11）.