陀螺测斜仪故障诊断与应用实例分析

陈振涛

摘 要：陀螺仪最早应用于航空航天领域的飞行器导航，是以惯性器件为核心的定位定向系统。经过改进用于钻井的陀螺仪称为陀螺测斜仪，它可以满足油田钻探的耐高温（125 ℃）、可靠、小口径等一些特殊的要求。陀螺测斜仪于上世纪90年代开始用于定向钻井中，因为其可感应地球自转速度，不受磁干扰，在强磁环境和油套管或钻杆中准确测量井斜、方位，磁重力高边而得到迅速的推广与应用，尤其在丛式井、老井、开窗井等测量施工中是必需仪器。

关键词：自寻北；陀螺侧量仪器；结构原理；故障解决方案

陀螺是目前国内外应用最多的一种先进的惯导级自寻北陀螺侧量仪器， 其原理是以地球的自转角速度方向和重力为参考， 应用速率陀螺和加速度计构成捷联式数学平台进行定向参数的测量，具有自动寻北的功能。陀螺采用挠性轴代替原有的转子框架， 转子由挠性接头支撑， 是一种无摩擦的弹性支撑。加速度计选用的是微机械加速度计，温漂很小，因为仪器是在保温筒中使用， 所以在设计工作时间内一般不需要做温度校正。可在有磁环境下进行井斜角、方位角、工具面角等定向参数的测量。传感器进动漂移量小，不需要在地面校北，而是在井下直接寻北。具有杭磁干扰、侧量精度高、实时获取数据、维修成本低、适用范围广等优点， 在丛式井、老井、套管开窗等侧量施工中是必需的仪器。本文详细介绍陀螺的基本结构、工作原理和应用情况， 根据多口井施工经验， 总结常见故障并提出解决方案。

1 GYRO一43 型陀螺测斜仪简介

GYRO一43 型陀螺可以分为井下仪器， 地面系统和数据处理终端三个部分。井下仪器

又由三部分组成， 分别是电源短节、测量短节和引鞋。地面系统是Uinlog2000 便携数控测井系统。数据处理终端是Uinlog2000测井软件， 内嵌了数据解码模块、陀螺方位算法、倾角算法、误差修正算法和数据输出模块等代码。

2 GYRO 陀螺自寻北原理

2.1 陀螺特性

（ l ） 定轴性： 当陀螺转子以高速旋转时， 在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向； 同时反抗任何改变转子轴向的力量。

（ 2 ） 进动性： 当转子高速旋转时， 若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动； 若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。2.2 挠性陀螺传感器是测量真北方向的核心部件， 能够确定地球自转角速度的水平投影在探管坐标系内的位置关系

（ l ） 地球上所有物体都绕地轴进行周期为24 h 的自转， 所有地球上的质点具有相同的角速度， 角速度的方向满足右手定则， 方向指向地轴的北极星方向，即真北方向。

（ 2 ） 根据定轴性，陀螺转子跟随地球自转产生角速度，而转子又要维持转轴的方向不变，因此转子受到了地轴自转产生的作用力，它的方向是不变的， 大小与转子所处的纬度、自转轴的倾角和转轴的方位角有关。

（ 3 ） 根据进动性， 上述作用力可被反向中和， 并把维持转子转轴不变的“ 反作用力” 经量化后输出，该作用力与转子受到的地球自转的作用力大小相等， 方向相反。

（ 4 ） 在二维平面内，可检测“ 反作用力” 的大小和方向， 如果纬度、倾角确定，就可以计算出方位角。

2.3 工作原理简介

地面系统负责为陀螺仪提供直流100 v（ 以实际送到缆头的电压为准）的电源， 并给陀螺仪下发指令， 解码陀螺仪上传的数据并传输给数据处理终端（ 即计算机中的Uinlog2000程序）。电源短节的作用是提供+15 V， -15 V， +12 V， -12V， +5V，GND，曼码通讯线和缆头电压测试线等。通过12芯插头和陀螺仪测量短节对接。测量短节的作用是采集传感器数据并完成与外部通讯。

3 现场常见故障分析

3.1 地面系统故障

故障實例：A井陀螺施工， 地面测试正常，中途测试时缓慢加载电压，Uinlog2000便携数控测井仪显示的电流增加幅度过大，电压加载至10V时，电流已经超过200mA， 处于短路状态。仪器取出后地面测试显示正常。但在A陀螺测斜过程中，又出现上述现象， 更换便携数控测井仪后通讯正常， 判断为Uinlog2000便携数控测井仪短路。分析阴雨天气较多，Uinlog2000便携数控测井仪长期处于潮湿环境中， 内部线路板易受潮短路。建议： 仪器处于待命状态时， 必须放人专用仪器箱内， 且放至于干燥的地方，防止受潮产生线路板短路现象。

3.2 井下仪器故障

3 2.1 故障实例

B井身轨迹测量过程中，陀螺仪数据表中所采集数据大部分显示为红色，数据精确度差，可采用度低，但陀螺通讯正常， 各参数和特征值显示正常， 判断为探管故障。分析： 由于探管在运输或测量过程中受到剧烈震动或碰撞， 导致陀螺加速度计和传感器的测量精度下降，测量值失真。建议： 运输过程中陀螺要放在专用运输箱内并固定好， 操作时严格控制起下速度，尽量避免剧烈震动和碰撞， 延长使用寿命。

3.2.2 故障实例

在EDC批式井陀螺施工中， 服务曲线一直不稳定。各参数和特征值显示正常， 几次坐键测量的工具面值之间相差8o左右。分析： 一开（井深200米左右） 测量， 未下隔水管，平台作业产生的震动及水流对探管产生的影响较大。且钻杆内径较大， 仪器在不加扶正器的情况下稳定性较差。建议： 在外界温度非常低的情况下，仪器要放人包装箱内， 且至于室内。对于震动比较大， 钻杆或套管内径较大的井，可考虑加扶正器，增强仪器的稳定性。

3.2.3 故障现象

采集过程中，通讯正常，但无加速度计数据、无陀螺传感器数据。原因可能是供电短节的采样板A/D故障、信号板故障， 此时可更换探管或供电短节加以确认。

4 GYRO一43 型陀螺测斜仪使用注意事项

陀螺测斜仪属于精密测量仪器，使用中的任何操作失误都可能造成陀螺永久性损坏。为保证陀螺测斜仪的测量精度和寿命，使用中务必注意做到以下几点：（l） 运输时陀螺一定要放在固定的专用包装箱内， 并作适当保护；（2） 任何时候移动陀螺都要轻拿轻放，不可以有刚性碰撞；（3） 装配陀螺测斜仪， 不得使用管钳，使用专用勾扳手， 手感上紧即可，不可脚踩， 上扣过程中，装有陀螺仪的高压外壳不可有跳动和碰撞；（4） 使用拖撬起、下仪器时，每次电缆从静止到运动或反向，必须缓慢加减速；（5） 定向开窗侧钻过程中， 仪器坐键的下放速度不可以过快， 应控制在巧米汾钟以内，在保证坐键的基础上尽量减小仪器的撞击。

随着陆上油田开发中后期侧（水平）钻井以及海洋平台加密井和从式井数量的增多，不受磁干扰的陀螺测斜仪得到了广泛的应用，但目前国内应用的主要是有线陀螺测斜仪。本文简要介绍了随钻陀螺测斜仪的结构特点，测量原理，技术指标，以及应用。通过与有线陀螺测斜仪对比，说明无线随钻陀螺仪在钻井过程中的优越性，以及其应用的广阔前景。

参考文献：

[1]采用旋转调制技术的高精度陀螺寻北方案[J]. 白云超，李学琴，马小辉，田育民.中国惯性技术学报. 2010（04）