陀螺测斜仪技术手册
第二章陀螺测斜仪结构与测量原理
2.1 前言
定向钻井是油气田开发的重大技术之一，在国外一些发达国家已经得到应用。定向钻井所用的测斜定向仪，有各种的磁仪表和框架式陀螺仪表。这两种常规测量技术经过数十年的考验和改进已经取得了一定的效果，但对小口径钻井测量已经不能满足要求。尤其在我国仍大量使用的磁仪表（如磁通门）由于本身受地质和周围铁磁物质环境的影响，测量精度很低，甚至不能使用，一般的框架式陀螺仪表不仅精度低，而且口径小不下来，使用前后的对准、校准也相当繁琐。因此我国石油工业的开发急需一种小口径，使用方便，不受周围环境影响甚至可以在完井后的套管内或钻杆内进行测量的新型的陀螺测斜定向仪，以满足老油田的再开发，丛式井和加密井钻探的测量。国外一些发达国家的有关部门也在致力于这方面的研究，而其中一个共同点是探讨如何将军用飞机、导弹上已经广泛应用的以惯性器件为核心的定位定向系统用于钻探的测量，而且精度得到了明显的提高。我国军用惯性定位定向技术的研究已有近二十多年的历史。新型陀螺和加速度计的研制与生产已具一定规模。在这基础上，考虑到油田钻探的耐高温（１２５℃）、可靠、小口径等一些特殊的要求，我们研制了陀螺测斜仪。
2.2惯性测量组件的结构
陀螺测斜仪的核心部件就是惯性测量组，它包括一个双轴动力调谐陀螺和两个石英加速度计，它们在设计上采用捷联式机械编排，因此必须设计具有精密定位基准的惯性体，陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯
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性体上，组成惯性测量组件，该组件通过一对轴承被支撑在外壳上。惯性体组件由对转控制机构在测量点上的０°和１８０°上定位。惯性体组件的旋转轴与井下探管轴重和，通过探管扶正器又可认为与井筒轴线平行。动力调谐陀螺和石英加速度计都工作在力反馈状态，陀螺测量地球自转角速率分量，加速度计测量重力加速度分量。所测信号经采集编码通过单芯电缆送至地面仪器，经计算机解算可得出井筒的倾斜角、方位角和工具面角等参数。
2.3惯性体的设计与要求
惯性体的设计必须同惯性测量的原理、结构、与工艺等综合一起考虑，才能设计出符合要求的测斜仪井下探管。
惯性体是探管坐标系Ｏｘｙｚ的实体。一个陀螺和两个加速度计通过
各自的定位面用螺钉固定在惯性体上，使陀螺的两个测量轴分别对准ｘ、ｙ轴；两个加速度计的测量轴分别对准ｘ和ｙ轴。它们测得的分量ＩＸ（?x）、ＩＹ（?y） 、ＡＸ、ＡＹ用来计算方位、倾斜和工具面角。可见惯性体在惯性测量组件中起着非常重要的定位基准作用。在设计制造上必须考虑以下几个方面∶
1. 精度是惯性体设计与制造的关键
这里所说的精度包括设计精度、加工精度、装配精度、与量测精度等。精度和误差是一对矛盾的两个方面，要提高精度，必须减小误差。因此必须考虑误差的规律、误差的来源、误差的分配、误差的概率、误差的处理、消除和补偿。
惯性体是一定位的基准，其主要特征是一块整体材料上加工出来有关的轴、孔和平面，精度主要反应在轴、孔、面之间的同轴度上，一般要求
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达到微米或亚微米的精度。
2. 惯性体的变形是影响探管精度与性能的重要因素
从航空类似产品故障分析来看，许多与惯性体变形有关，特别是性能的稳定性好坏有着密切的关系。惯性体的变形，不外乎弹性变形、塑性变形和微塑变形。对于加工和装配过程中产生的塑性变形来说，一般采用热循环处理和稳定处理的办法来减小或消除其残余应力。惯性体一旦加工好装配好就不应该再受到塑性变形，但由于受到温度、环境等影响会发生弹性变形和微塑变形，而且难以捉模其规律和影响，特别是微塑变形的问题更为复杂，它不仅与环境、结构、受力状态有关，而且与材料本身的特性与稳定性、残余应力、金相组织及其变化情况有密切关系，因此在设计上必须考虑材料的选择与匹配、结构上的对称性。结构的刚性及其不等刚性、零部件的连接方法、配合面的间隙与过盈选择等多种因素，它们之间有着千丝万缕的联系，必须充分运用先验的知识和经验来综合考虑。正如国际著名惯性技术学者德雷伯所说∶“惯性导航的原理比较简单，但形成高精度而实用的系统，则是一个工程技术难题，要取得提高其性能的成果，并非靠某些革命性的措施，或靠理论上的突破，也不是靠某些数学方法而取得的，它是要靠深入细致的工作，积累千百项微小的改进而取得实用的成果。”具体的说，某些影响产品的因素，在设计阶段无法根据假设的条件进行理论计算，有些计算即繁琐又难以至信，因为实际因素和条件千变万化与错综复杂，是设计过程所不能估计和模拟的，只有利用先验的知识与经验，并配以必要的工艺研究和采取相应工艺途径来解决和补偿
3. 精密测量技术是惯性体制造技术的重要手段
这里所说的精密量测技术是指精密检测技术（精密计量学）。惯性体在制造过程中需要有完善的计量与测试条件才行，没有必要的在线计量手段，惯性体的制造也很难进行，因此在选择加工地点时要特别注意。当前
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精密计量技术多采用机械、电子和光学三者结合的测量方法，有的采用计算机辅助计量，这些都加速了测量自动化和在线检测的步伐，不仅提高了精密计量的水平而且也使精密加工得到更加可靠的保证。
2.4陀螺测斜仪的三个坐标系
测斜对象系统主要是根据各测量点的方位、倾斜角来确定井筒轴线空间位置。要进行定向钻井，又需随时测得工具面角。我们选取如下两个坐标系∶地球坐标系（北西天）ＸＹＺ和探管坐标系ｘｙｚ。两组坐标系的关系如图所示。最初两坐标系各相应轴彼此重合。首先ＸＹＺ系绕ＯＺ轴负向转一方位角Ａ，得到x1y1z1系。其次x1y1z1绕Y1的负向转一倾斜角Ｉ得到x2y2z2系。最后x2y2z2绕z2的负向转一工具面角Ｔ得到x3y3z3系。为书写的方便令x3y3z3系为ｘｙｚ系。
图2－1 地球坐标系(北西天)XYZ和探管坐标系xyz的关系
Z z1 z2z3 x3 x2 x1 T I A X(N) 13 Y(W) y1y2 y3 陀螺测斜仪技术手册
只要测得沿探管坐标轴上的地球角速度?x、?y和重力加速度ax、ay这四个参数和给定当地的纬度即可求得探管的方位、倾斜和工具面角。
2.5石英加速度计测量ax、ay
用二个石英加速度计沿探测器的x、y二轴安装。用来测量重力在x、
y二轴上的分量。加速度计接成力反馈。通过反馈电流在采样电阻形成的电压变化来敏感加速度，加速度计静态输出电压与加速度有如下关系，即加速度计的静态数学模型方程为∶
E?K0?K1Ai?K2Ai?K3Ai?K4AiAO?K5AiAP 式中∶
E — 加速度计输出；
23K0— 偏值； K1— 刻度因数； K2— 二阶非线性系数；
K3— 三阶非线性系数；
K4— 输入轴和输出轴交叉藕合系数；
K5— 输入轴和摆轴的交叉藕合系数；
Ai— 输入轴加速度分量； AO— 输出轴加速度分量； AP— 摆轴加速度分量。
为了确定加速度计输出模型方程中的系数也需专门的实验室进行各种
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