陀螺測斜儀故障診斷與應用實例分析

陳振濤

摘 要：陀螺儀最早應用于航空航天領域的飛行器導航，是以慣性器件為核心的定位定向系統。經過改進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90年代開始用于定向鉆井中，因為其可感應地球自轉速度，不受磁干擾，在強磁環境和油套管或鉆桿中準確測量井斜、方位，磁重力高邊而得到迅速的推廣與應用，尤其在叢式井、老井、開窗井等測量施工中是必需儀器。

關鍵詞：自尋北；陀螺側量儀器；結構原理；故障解決方案

陀螺是目前國內外應用最多的一種先進的慣導級自尋北陀螺側量儀器， 其原理是以地球的自轉角速度方向和重力為參考， 應用速率陀螺和加速度計構成捷聯式數學平臺進行定向參數的測量，具有自動尋北的功能。陀螺采用撓性軸代替原有的轉子框架， 轉子由撓性接頭支撐， 是一種無摩擦的彈性支撐。加速度計選用的是微機械加速度計，溫漂很小，因為儀器是在保溫筒中使用， 所以在設計工作時間內一般不需要做溫度校正。可在有磁環境下進行井斜角、方位角、工具面角等定向參數的測量。傳感器進動漂移量小，不需要在地面校北，而是在井下直接尋北。具有杭磁干擾、側量精度高、實時獲取數據、維修成本低、適用范圍廣等優點， 在叢式井、老井、套管開窗等側量施工中是必需的儀器。本文詳細介紹陀螺的基本結構、工作原理和應用情況， 根據多口井施工經驗， 總結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， 地面系統和數據處理終端三個部分。井下儀器

又由三部分組成， 分別是電源短節、測量短節和引鞋。地面系統是Uinlog2000 便攜數控測井系統。數據處理終端是Uinlog2000測井軟件， 內嵌了數據解碼模塊、陀螺方位算法、傾角算法、誤差修正算法和數據輸出模塊等代碼。

2 GYRO 陀螺自尋北原理

2.1 陀螺特性

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

（ 2 ） 進動性： 當轉子高速旋轉時， 若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動； 若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉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， 能夠確定地球自轉角速度的水平投影在探管坐標系內的位置關系

（ l ） 地球上所有物體都繞地軸進行周期為24 h 的自轉， 所有地球上的質點具有相同的角速度， 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 ） 根據定軸性，陀螺轉子跟隨地球自轉產生角速度，而轉子又要維持轉軸的方向不變，因此轉子受到了地軸自轉產生的作用力，它的方向是不變的， 大小與轉子所處的緯度、自轉軸的傾角和轉軸的方位角有關。

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

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

2.3 工作原理簡介

地面系統負責為陀螺儀提供直流100 v（ 以實際送到纜頭的電壓為準）的電源， 并給陀螺儀下發指令， 解碼陀螺儀上傳的數據并傳輸給數據處理終端（ 即計算機中的Uinlog2000程序）。電源短節的作用是提供+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對接。測量短節的作用是采集傳感器數據并完成與外部通訊。

3 現場常見故障分析

3.1 地面系統故障

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

3.2 井下儀器故障

3 2.1 故障實例

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

3.2.2 故障實例

在EDC批式井陀螺施工中， 服務曲線一直不穩定。各參數和特征值顯示正常， 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，平臺作業產生的震動及水流對探管產生的影響較大。且鉆桿內徑較大， 儀器在不加扶正器的情況下穩定性較差。建議： 在外界溫度非常低的情況下，儀器要放人包裝箱內， 且至于室內。對于震動比較大， 鉆桿或套管內徑較大的井，可考慮加扶正器，增強儀器的穩定性。

3.2.3 故障現象

采集過程中，通訊正常，但無加速度計數據、無陀螺傳感器數據。原因可能是供電短節的采樣板A/D故障、信號板故障， 此時可更換探管或供電短節加以確認。

4 GYRO一43 型陀螺測斜儀使用注意事項

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，使用中務必注意做到以下幾點：（l） 運輸時陀螺一定要放在固定的專用包裝箱內， 并作適當保護；（2） 任何時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，每次電纜從靜止到運動或反向，必須緩慢加減速；（5） 定向開窗側鉆過程中， 儀器坐鍵的下放速度不可以過快， 應控制在巧米汾鐘以內，在保證坐鍵的基礎上盡量減小儀器的撞擊。

隨著陸上油田開發中后期側（水平）鉆井以及海洋平臺加密井和從式井數量的增多，不受磁干擾的陀螺測斜儀得到了廣泛的應用，但目前國內應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構特點，測量原理，技術指標，以及應用。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越性，以及其應用的廣闊前景。

參考文獻：

[1]采用旋轉調制技術的高精度陀螺尋北方案[J]. 白云超，李學琴，馬小輝，田育民.中國慣性技術學報. 2010（04）