光纖陀螺測斜儀的研制及應用

（上海地學儀器研究所 技術部，上海 200233）

1 引言

上世紀70年代，當時的地質礦產部指示上海地質儀器廠從匈牙利和捷克分別引進了陀螺測斜儀技術，這是我國最早引進并生產的陀螺測斜儀。當時引進的是國際上較好水平的陀螺測斜儀技術，同時也是我國唯一能引進這類技術的渠道，西方其它國家不對我們輸出這類技術。上海地質儀器廠和改制后的上海地學儀器研究所從1976年到2006年共生產了近千臺（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的陀螺轉子所具有的定軸特性和進動特性相對測量鉆孔的方位角。高速旋轉的陀螺轉子在下井測量之前，在地面對準一個參考方向啟動，儀器下井后鉆孔的方位變化引起了儀器軸向和陀螺轉軸間的夾角變化，記錄這個夾角的大小并進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構復雜，加工和調試非常困難，全國只有一兩家廠商能夠生產。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狀態下，使得其機械壽命短（只有200小時）、陀螺漂移大、抗震差，儀器在運輸時必須鎖緊各靈敏系統，所以這類陀螺測斜儀使用和維護都很困難。

2000年以后隨著微電子技術的發展，市場出現了一種硅微機械陀螺元件（電子陀螺），這種元件沒有機械活動部件，體積小，有數字接口，應用簡單。過去不能生產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所發生的自轉和公轉角速度變化，目前還不能實際應用在測斜儀中。

2003年前后，上海地學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。經過幾年研究和國內外關鍵技術的配套協作，在2006年試制成功具有領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設計方式，可靠性和可操作性大大提高。高新技術的采用還使得儀器測量精度大幅度提高。

2 關鍵技術

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。在地面對準一個已知方向，然后記錄儀器下井過程中，儀器自轉和沿著鉆孔軌跡運動發生的所謂公轉所轉過的角度。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、陀螺質心偏離支撐中心后受重力作用產生的轉動力矩及地球自轉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漂移和時間漂移。二是直接測量地球的自轉角速度。地球自轉角速度是方向和大小非常穩定的量，如果能測量出這個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鍵技術在于能檢測地球自轉角速度，地球自轉角速度是一個非常小的矢量，它比時鐘的時針運動的角速度還要小一倍（地球自轉一周24小時，時針轉一周12小時）。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首先研制出光纖陀螺元件的試驗裝置。但適用的光纖陀螺卻是在近些年才迅速發展起來，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。Sagnac效應是指相對慣性空間轉動的閉環光路中所傳播光的一種普遍效應，即在同一閉合光路中從同一光源發出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點，當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動角速度Ω，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產生光程差，其光程差與旋轉的角速度Ω成正比。光纖陀螺儀可以做到非常高的角速度靈敏度，在慣性導航等軍事領域有廣泛的用途，所以歷來是西方國家對華限制輸出的技術。我國光纖陀螺儀的研制起步比較晚，技術相對落后，市場可提供的產品非常少。改革開放后，俄羅斯的產品和技術開始流入我國，促進了我國光纖陀螺產品技術的發展。

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確的構建儀器的三維直角坐標及儀器坐標和大地坐標的相互關系。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數據測量與處理的軟件方法是光纖陀螺測斜儀的三大關鍵技術。

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品能替換原來生產的JTL-50陀螺測斜儀。JTL-50陀螺測斜儀外徑是50mm，是采用上世紀70年代框架式陀螺元件的測斜儀方案。雖然80年代幾經改進，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，制造維修復雜，使用不方便的缺點。研制開始，首先確定的目標是①小直徑；②井下儀器數字化；③便于操作和維護；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驗轉臺上試驗，得到基本實驗數據后，針對性的開發了數據處理軟件。同期向霍尼韋爾等公司進口了一些關鍵部件，在國內各廠商間展開技術協作，主要是為解決光纖陀螺元件小尺寸化的技術問題。重力加速度傳感器技術相對光纖陀螺儀技術要成熟得多，可采用的商品也不少。但為了確保設計余量，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樣機試制成功，經轉臺試驗效果比較理想。存在的問題是裝配工藝復雜，陀螺元件成本過高，訂貨麻煩，周期長，協作困難。這期間與北京大學，北京航空航天大學等院校和研制單位合作，幾經改進到2007年，基本解決了所有大的技術問題和關鍵件進口渠道問題。同年JTL-40GX野外試驗樣機試制成功，并在浙江、山東等地鉆孔中試驗。試驗取得了大量的改進信息。

4 JTL- 40GX光纖陀螺測斜儀原理

在光纖陀螺測斜儀（井下儀）中，嚴格正交的方式安裝了3個重力加速度傳感器和光纖陀螺儀。測得的信號經過放大和模數轉換送到CPU進行處理。當儀器軸向在大地空間座標的取向不同，3個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角速度矢量在相應軸的分量。這些傳感器是事先經過標準刻度的，所以用這些分量信息通過復雜的數學計算就得到了儀器坐標與大地坐標的相互關系。從而能計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換為儀器所需要的直流電源。CPU系統把測量的重力矢量分量和地球自轉角速度矢量分量進行計算、處理、計算，并把結果數據經過編碼和長線驅動發送到地面儀器或PC機里記錄。

5 JTL -40GX光纖陀螺測斜儀的應用

JTL-40GX光纖陀螺測斜儀使用非常方便，主要技術指標如下。

（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°，測量精度優于±2°（地理緯度0°～45°）；

（3）測量方式：點測（推薦），連續測；

（4）尋北時間：≤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鉆孔測斜儀其應用范圍很廣。比如可以在強磁性礦區和在鉆桿中、套管中、鉆具中使用。它是對地球自轉角速率直接測量并計算鉆孔的方位，這個方位就是真北方位。測量是在各測點獨立進行，測量結果沒有累計誤差和漂移。所以有測量準確、使用方便、可靠性高等特點。另外，JTL-40GX光纖陀螺測斜儀可以直接指導鉆進。在定向鉆進的情況下，JTL-40GX陀螺測斜儀可以裝上引鞋，在鉆孔中連續指示出定向鉆具的鉆進工具面方向和方位。

圖3是安徽渦陽華信煤礦主井工地灌漿孔定向測量實例。設計井筒底深為890m，灌漿孔深900m。上圖是導入螺桿鉆后陀螺儀沿鉆桿測量的鉆孔平面投影圖，右面兩個小圖表示陀螺引鞋入鍵時，鉆具工具面的方位和方向（圖中箭頭方向）。由于該孔設計水平位移不允許超過10m，必須連續減小斜度鉆進，這時地面要轉動鉆具，JTL-40GX儀器會連續指示轉動后的鉆具工具面位置，當轉到下圖右面小圖所示位置時，螺桿鉆具是朝著繼續減小斜度方向鉆進。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，可以看到鉆具實際方位、方向，需要轉動鉆具的角度大小很明確，轉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用，這時由于破碎和掉塊，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。由于直徑小，又因為是自尋北工作方式，不依賴大地磁場測方位，JTL-40GX陀螺測斜儀可以在不提鉆時，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 結束語

JTL-40GX光纖陀螺測斜儀經過幾年實際應用和不斷技術改進，目前是最受歡迎的儀器。在地球南、北半球都能應用，指標內可應用的最高緯度為60°。儀器采用的一系列先進技術處于領先水平，是一款具有自主知識產權的儀器。是我國幾十年來，幾代人研究陀螺測斜儀的技術結晶，它標志著我國測斜儀技術真正走到了世界技術的前列。

［1］GJB 2863－97.陀螺尋北儀通用規范.

［2］姬玉平.定向鉆進技術在煤層氣勘探中的應用［J］.中國煤田地質，2006（5）.

［3］潘軍.閉環光纖陀螺的死區現象及克服死區實驗［J］.航空學報，2001（3）.

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