陀螺测斜仪简介

陀螺测斜仪

英文：gyro inclinometer；gyro wellbore survey meter；gyrolevel

释文：是对采用陀螺元件确定钻孔倾斜方位角的测斜仪统称。最经典的是采用机械框架式陀螺元件的测斜仪，在过去的几十年里几乎全都是在用这类陀螺测斜仪。这种陀螺测斜仪测量的方位是相对的。仪器下到钻孔中去之前，需要在地面确定对准一个方向，然后启动机械陀螺，这个陀螺是安装在有三自由度的万向框架上，让它达到稳定的高速旋转状态。这时陀螺就有了定向性。下井测量时，仪器自转和钻孔倾斜方向的偏转在理想情况下都不能改变陀螺转子的起始指向，测量和记录仪器相对起始指向所转过的角度，就能计算出钻孔的倾向。显然，钻孔的倾向是在陀螺起始方向上起算的，测量结果称作相对方位。上世纪90年代后期出现了硅微机械陀螺元件，这种元件没有传统机械陀螺那种保持定向性的高速转子，实际上是一种角速度敏感元件。把它装在测斜仪上，对角速度信号进行积分，理论上就可以计算出仪器在钻孔中运动时，相对起始方向所转过的角度。进一步也就可以计算出钻孔相对起始方向的倾斜角度变化。但实际上由于灵敏度、噪声、漂移等因素影响，还不能做到实用水平。对角速度测量有更高灵敏度和精度的光纤陀螺、动力调谐陀螺近些年来被成功应用到测斜仪中。虽然这些元件也称为陀螺仪，但和硅微机械陀螺仪一样，都是角速度敏感元件。与硅微机械陀螺不同的是，它们对角速度的灵敏度高了好几个数量级。利用它们对角速度的高灵敏度特性，我们可以用它来直接测量地球自转的角速度矢量，再进行计算处理就能确定钻孔的倾斜方位。这个方位是相对地球北极方向的方位，有人称作真北方位角。这种陀螺测斜仪称为自寻北陀螺仪，是最好水平，用途最广的测斜仪。2100433B

利用陀螺的惯性原理来定向的测斜仪。其定向部件是方位陀螺仪，它是利用修正装置、消除地球自转影响的三自由度陀螺仪。自由陀螺仪相对固定坐标系的稳定性（又叫定轴性）和进动规律，是陀螺测斜仪的工作基础。因方位陀螺仪的主轴能保持在水平和初始给定的方位上，所以，可作为钻孔方位角测量的基准。钻孔方位角(α)的测量是由钻孔测量起点平面Q（陀螺仪地面定向方位）与钻孔终点平面(Z) (钻孔倾斜方向)间的终点角(φ)，根据钻孔顶角数值换算而得（见图）。

光纤陀螺测斜仪

英文：optical fiber gyro inclinometer；optical fiber gyro wellbore survey meter

释文：光纤陀螺仪虽然称为陀螺仪，元件里却没有机械陀螺转子。光纤陀螺仪实际是一种基于萨格奈克（Sagnac）效应的角速度敏感元件。萨格奈克效应是：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度（角速度），那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间比逆着这个通道转动方向前进所需要的时间要多。也就是说，这两个前进方向上，两光束的光程相对于通道在静止时的光程都发生了变化。如果用不同方向上前进的两光束产生干涉来测量环路的转动速度，就能制造出干涉型光纤陀螺仪。如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就能制造出谐振式光纤陀螺仪。光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在比较先进的光纤陀螺仪已经达到0.01度/小时的灵敏度。与硅微机械陀螺相比，角速度的灵敏度高了好几个数量级。利用它对角速度的高灵敏度特点，我们可以用它来测量地球自转的角速度矢量，再进行计算处理就能确定钻孔的倾斜方位。这个方位是相对地球北极方向的方位，有人称作真北方位角。这种陀螺测斜仪称为自寻北陀螺测斜仪，是目前最好水平、用途最广的测斜仪（地学仪器）。2100433B