陀螺測斜儀故障診斷與應(yīng)用實(shí)例分析

陳振濤

摘 要：陀螺儀最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的飛行器導(dǎo)航，是以慣性器件為核心的定位定向系統(tǒng)。經(jīng)過改進(jìn)用于鉆井的陀螺儀稱為陀螺測斜儀，它可以滿足油田鉆探的耐高溫（125 ℃）、可靠、小口徑等一些特殊的要求。陀螺測斜儀于上世紀(jì)90年代開始用于定向鉆井中，因?yàn)槠淇筛袘?yīng)地球自轉(zhuǎn)速度，不受磁干擾，在強(qiáng)磁環(huán)境和油套管或鉆桿中準(zhǔn)確測量井斜、方位，磁重力高邊而得到迅速的推廣與應(yīng)用，尤其在叢式井、老井、開窗井等測量施工中是必需儀器。

關(guān)鍵詞：自尋北；陀螺側(cè)量儀器；結(jié)構(gòu)原理；故障解決方案

陀螺是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的一種先進(jìn)的慣導(dǎo)級自尋北陀螺側(cè)量儀器， 其原理是以地球的自轉(zhuǎn)角速度方向和重力為參考， 應(yīng)用速率陀螺和加速度計(jì)構(gòu)成捷聯(lián)式數(shù)學(xué)平臺進(jìn)行定向參數(shù)的測量，具有自動尋北的功能。陀螺采用撓性軸代替原有的轉(zhuǎn)子框架， 轉(zhuǎn)子由撓性接頭支撐， 是一種無摩擦的彈性支撐。加速度計(jì)選用的是微機(jī)械加速度計(jì)，溫漂很小，因?yàn)閮x器是在保溫筒中使用， 所以在設(shè)計(jì)工作時(shí)間內(nèi)一般不需要做溫度校正?？稍谟写怒h(huán)境下進(jìn)行井斜角、方位角、工具面角等定向參數(shù)的測量。傳感器進(jìn)動漂移量小，不需要在地面校北，而是在井下直接尋北。具有杭磁干擾、側(cè)量精度高、實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)、維修成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)， 在叢式井、老井、套管開窗等側(cè)量施工中是必需的儀器。本文詳細(xì)介紹陀螺的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用情況， 根據(jù)多口井施工經(jīng)驗(yàn)， 總結(jié)常見故障并提出解決方案。

1 GYRO一43 型陀螺測斜儀簡介

GYRO一43 型陀螺可以分為井下儀器， 地面系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理終端三個(gè)部分。井下儀器

又由三部分組成， 分別是電源短節(jié)、測量短節(jié)和引鞋。地面系統(tǒng)是Uinlog2000 便攜數(shù)控測井系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理終端是Uinlog2000測井軟件， 內(nèi)嵌了數(shù)據(jù)解碼模塊、陀螺方位算法、傾角算法、誤差修正算法和數(shù)據(jù)輸出模塊等代碼。

2 GYRO 陀螺自尋北原理

2.1 陀螺特性

（ l ） 定軸性： 當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向； 同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。

（ 2 ） 進(jìn)動性： 當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動； 若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。2.2 撓性陀螺傳感器是測量真北方向的核心部件， 能夠確定地球自轉(zhuǎn)角速度的水平投影在探管坐標(biāo)系內(nèi)的位置關(guān)系

（ l ） 地球上所有物體都繞地軸進(jìn)行周期為24 h 的自轉(zhuǎn)， 所有地球上的質(zhì)點(diǎn)具有相同的角速度， 角速度的方向滿足右手定則， 方向指向地軸的北極星方向，即真北方向。

（ 2 ） 根據(jù)定軸性，陀螺轉(zhuǎn)子跟隨地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生角速度，而轉(zhuǎn)子又要維持轉(zhuǎn)軸的方向不變，因此轉(zhuǎn)子受到了地軸自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用力，它的方向是不變的， 大小與轉(zhuǎn)子所處的緯度、自轉(zhuǎn)軸的傾角和轉(zhuǎn)軸的方位角有關(guān)。

（ 3 ） 根據(jù)進(jìn)動性， 上述作用力可被反向中和， 并把維持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸不變的“ 反作用力” 經(jīng)量化后輸出，該作用力與轉(zhuǎn)子受到的地球自轉(zhuǎn)的作用力大小相等， 方向相反。

（ 4 ） 在二維平面內(nèi)，可檢測“ 反作用力” 的大小和方向， 如果緯度、傾角確定，就可以計(jì)算出方位角。

2.3 工作原理簡介

地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)為陀螺儀提供直流100 v（ 以實(shí)際送到纜頭的電壓為準(zhǔn)）的電源， 并給陀螺儀下發(fā)指令， 解碼陀螺儀上傳的數(shù)據(jù)并傳輸給數(shù)據(jù)處理終端（ 即計(jì)算機(jī)中的Uinlog2000程序）。電源短節(jié)的作用是提供+15 V， -15 V， +12 V， -12V， +5V，GND，曼碼通訊線和纜頭電壓測試線等。通過12芯插頭和陀螺儀測量短節(jié)對接。測量短節(jié)的作用是采集傳感器數(shù)據(jù)并完成與外部通訊。

3 現(xiàn)場常見故障分析

3.1 地面系統(tǒng)故障

故障實(shí)例：A井陀螺施工， 地面測試正常，中途測試時(shí)緩慢加載電壓，Uinlog2000便攜數(shù)控測井儀顯示的電流增加幅度過大，電壓加載至10V時(shí)，電流已經(jīng)超過200mA， 處于短路狀態(tài)。儀器取出后地面測試顯示正常。但在A陀螺測斜過程中，又出現(xiàn)上述現(xiàn)象， 更換便攜數(shù)控測井儀后通訊正常， 判斷為Uinlog2000便攜數(shù)控測井儀短路。分析陰雨天氣較多，Uinlog2000便攜數(shù)控測井儀長期處于潮濕環(huán)境中， 內(nèi)部線路板易受潮短路。建議： 儀器處于待命狀態(tài)時(shí)， 必須放人專用儀器箱內(nèi)， 且放至于干燥的地方，防止受潮產(chǎn)生線路板短路現(xiàn)象。

3.2 井下儀器故障

3 2.1 故障實(shí)例

B井身軌跡測量過程中，陀螺儀數(shù)據(jù)表中所采集數(shù)據(jù)大部分顯示為紅色，數(shù)據(jù)精確度差，可采用度低，但陀螺通訊正常， 各參數(shù)和特征值顯示正常， 判斷為探管故障。分析： 由于探管在運(yùn)輸或測量過程中受到劇烈震動或碰撞， 導(dǎo)致陀螺加速度計(jì)和傳感器的測量精度下降，測量值失真。建議： 運(yùn)輸過程中陀螺要放在專用運(yùn)輸箱內(nèi)并固定好， 操作時(shí)嚴(yán)格控制起下速度，盡量避免劇烈震動和碰撞， 延長使用壽命。

3.2.2 故障實(shí)例

在EDC批式井陀螺施工中， 服務(wù)曲線一直不穩(wěn)定。各參數(shù)和特征值顯示正常， 幾次坐鍵測量的工具面值之間相差8o左右。分析： 一開（井深200米左右） 測量， 未下隔水管，平臺作業(yè)產(chǎn)生的震動及水流對探管產(chǎn)生的影響較大。且鉆桿內(nèi)徑較大， 儀器在不加扶正器的情況下穩(wěn)定性較差。建議： 在外界溫度非常低的情況下，儀器要放人包裝箱內(nèi)， 且至于室內(nèi)。對于震動比較大， 鉆桿或套管內(nèi)徑較大的井，可考慮加扶正器，增強(qiáng)儀器的穩(wěn)定性。

3.2.3 故障現(xiàn)象

采集過程中，通訊正常，但無加速度計(jì)數(shù)據(jù)、無陀螺傳感器數(shù)據(jù)。原因可能是供電短節(jié)的采樣板A/D故障、信號板故障， 此時(shí)可更換探管或供電短節(jié)加以確認(rèn)。

4 GYRO一43 型陀螺測斜儀使用注意事項(xiàng)

陀螺測斜儀屬于精密測量儀器，使用中的任何操作失誤都可能造成陀螺永久性損壞。為保證陀螺測斜儀的測量精度和壽命，使用中務(wù)必注意做到以下幾點(diǎn)：（l） 運(yùn)輸時(shí)陀螺一定要放在固定的專用包裝箱內(nèi)， 并作適當(dāng)保護(hù)；（2） 任何時(shí)候移動陀螺都要輕拿輕放，不可以有剛性碰撞；（3） 裝配陀螺測斜儀， 不得使用管鉗，使用專用勾扳手， 手感上緊即可，不可腳踩， 上扣過程中，裝有陀螺儀的高壓外殼不可有跳動和碰撞；（4） 使用拖撬起、下儀器時(shí)，每次電纜從靜止到運(yùn)動或反向，必須緩慢加減速；（5） 定向開窗側(cè)鉆過程中， 儀器坐鍵的下放速度不可以過快， 應(yīng)控制在巧米汾鐘以內(nèi)，在保證坐鍵的基礎(chǔ)上盡量減小儀器的撞擊。

隨著陸上油田開發(fā)中后期側(cè)（水平）鉆井以及海洋平臺加密井和從式井?dāng)?shù)量的增多，不受磁干擾的陀螺測斜儀得到了廣泛的應(yīng)用，但目前國內(nèi)應(yīng)用的主要是有線陀螺測斜儀。本文簡要介紹了隨鉆陀螺測斜儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測量原理，技術(shù)指標(biāo)，以及應(yīng)用。通過與有線陀螺測斜儀對比，說明無線隨鉆陀螺儀在鉆井過程中的優(yōu)越性，以及其應(yīng)用的廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的高精度陀螺尋北方案[J]. 白云超，李學(xué)琴，馬小輝，田育民.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào). 2010（04）