自主式光纤陀螺油井测斜仪

　　0　引言

　　随着世界石油资源的日益紧张,石油油井井眼轨迹的精确测量越来越显示出其重要性,这就需要有高精度的油井测斜仪器。一些发达国家已经投入相当多的人力、物力用于这方面技术的研究,其研究重点就在于如何将惯性测量技术应用于井眼轨迹测量,从而获得精度高,操作简单的测量仪器。目前国内各油田广泛使用的测斜仪器均采用磁通门技术或机械陀螺技术。由于这两种技术原理上的缺陷,导致现有仪器有精度不足、使用范围受限和寿命短等弊病。光纤陀螺轻型的固态结构使其具有可靠性高、寿命长、能够耐冲击和振动、瞬时启动、功耗低以及有很宽的动态范围等优点[1],从原理上分析,光纤陀螺用于油井测斜几乎可以克服现有测斜仪器的所有缺点,是十分适用于油井测斜仪的角度传感器。

　　因此光纤陀螺油井测斜仪具有体积小、寿命长、零点漂移小、精度高、价格低等优点。由于国外的高精度陀螺测斜技术又对我国施行技术封锁,只提供测量服务,不提供产品和相关技术,所以光纤陀螺油井测斜仪的开发成功,可以较大幅度地提高井眼轨迹的测量精度,为油田开发提供强有力的技术支持,减少和避免油田开发过程中的经济损失,具有良好的经济效益和社会效益。

　　1　光纤陀螺原理

　　光纤陀螺基于萨格奈克(Sagnac)效应[1],在惯性空间通常萨格奈克效应可以描述如下:在同一闭合回路中,沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束光,围绕垂直于回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化,该相位差Δφ的大小与光回路旋转速率Ω成比例关系。Sagnac效应数学表达式如下:

式中:L为光纤长度;D为光纤环直径;c为光在真空中的传播速度;γ为入射光的波长。由此可见,光纤陀螺尺寸越大其性能越好。干涉式光纤陀螺(I-FOG)通过采用多匝光纤线圈来增强相对线性空间的旋转引起的萨格奈克效应。从光纤陀螺的诞生起至今,国际上绝大多数公司和科研院所研制的光纤陀螺都是这种类型的陀螺,现已有各种精度的干涉式光纤陀螺面世。I-FOG的基本光学器件有光源、耦合器、光纤环、探测器和Y波导等,I-FOG闭环方案原理如图1所示。

　　受到井下空间、温度等诸多因素的限制,测井用光纤陀螺应具有尺寸小、功耗低,耐高温的特性。为了适应油井测斜仪的特殊结构要求,系统中的光纤陀螺采用一体化设计,将光路和电路集中安装在直径Φ为54mm的金属圆柱骨架上,在有限空间下设计光纤陀螺组件光路及电路结构,使光纤陀螺满足系统精度所需,系统所用光纤陀螺设计指标如表1所示。