固态谐振式陀螺仪、惯性导航系统及钻井测量系统技术方案

本实用新型专利技术提供了固态谐振式陀螺仪、惯性导航系统及钻井测量系统，所述陀螺仪包括谐振子、电路板、压电元件、支撑基座、外壳、接线柱，谐振子置于外壳内，包括支撑柱以及全对称外壳，并与下部的支撑基座固联；支撑基座包括底部和环状支撑部，谐振子的支撑柱位于所述环状支撑部内部，且谐振子的全对称外壳位于所述环状支撑部外部；压电元件固联在谐振子的全对称外壳上，并通过导电金属丝与接线柱固联；电路板位于支撑基座的下方，并与接线柱固联。该系统具备耐受高温、强振动与大冲击下的环境适应性能力，并具备钻井测量的小体积优势。并具备钻井测量的小体积优势。并具备钻井测量的小体积优势。

【技术实现步骤摘要】
固态谐振式陀螺仪、惯性导航系统及钻井测量系统


[0001]本技术涉及地下方位随钻测量
，具体涉及一种固态谐振式陀螺仪、惯性导航系统及钻井测量系统。

技术介绍

[0002]MWD(随钻测量)工具作为最为核心的导向钻井仪器之一，在过去的三十年中快速发展并成功应用，得益于石英挠性加速度计与磁通门的组合在油气资源开发应用领域的技术突破，尤其是对于井下高温和振动恶劣环境的适应性以及在此恶劣环境下的精度保证，使得石英挠性加速度计和磁通门成为导向钻井的标准配置，其使用范围涵盖了垂直井、大倾斜角和水平井。通过磁通门测量去测量地磁
[0003]北向，实现了井轨迹方位的测量，并通过磁通门与石英挠性加速度计的组合实现了井轨迹上任何点的井斜角与工具面角的度量，从而实现了定点与连续工作状态下对钻铤的姿态与方位的度量，这两种传感器的组合，在某种程度上定义了 MWD的规格要求，尤其是在保证精度的前提下，兼顾了在振动与冲击下的可靠性与寿命。
[0004]在美国专利US 6,453,239 B1中，Schlumberger公司详细介绍了基于半球陀螺仪(随钻)测量系统设计方案，该测量系统由三轴半球陀螺仪与三轴石英挠性加速度计组成，其中，陀螺仪采用了“二部件”结构方案(参见图2(b))，谐振子采用42
°
的倾斜安装方式，三轴陀螺仪采用120度倾角安装方式，保证了陀螺仪的轴向外径尺寸，该专利充分利用半球陀螺仪的高精度、环境适应性强等优点，设计了多种应用场景，包含多点陀螺罗盘随钻测量、多点陀螺罗盘有缆测量、具有零速修正能力的连续导航测量、基于电缆长度修正的连续有缆测量等，该专利将哥氏振动陀螺仪应用到随钻测量系统中。但在该专利中，存在的问题包括但不限于：
[0005]采用熔融石英半球陀螺仪的价格昂贵，加工难度大；采用电容检测与反馈方式，需要很大电压(如报道的300V电压)才能实现力平衡模式；高温应用环境下的稳定性与环境适应性实现；功耗较大。
[0006]当前随着世界勘探领域逐步向复杂地区和特殊环境延伸，开发难度和开发成本将大大增加，勘探开发形势推动着井型的演变与发展，大位移井、超薄油层水平井、多分支井等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大。随着旋转导向技术为代表的导向钻井技术的发展，尤其是在深层与超深层导向钻井应用中，对井眼轨迹控制精度的要求不断提高，而现有姿态测量技术手段面临如下问题与挑战：
[0007]1)磁场干扰问题：基于磁传感器的MWD系统是利用磁传感器测量地球磁场来计算方位角，测量过程中来自地层矿体的磁干扰、钻杆磁干扰、以及太阳风和磁暴等都会对地磁场的测量产生影响；
[0008]2)近钻头测量问题：受钻头磁干扰和无磁钻铤长度的限制，现有MWD姿态测量系统不能直接安装在近钻头位置，一般距离钻头至少10～15m以上，这就意味着，钻进10～15m后才能获得钻头当前的姿态以及换算得到的位置信息，如果井眼轨迹已经偏离了原来的设
计，发现后进行修正的代价是非常大的，尤其是对于钻进速度很慢的硬地层轨迹修正；
[0009]3)旋转导向工具方位测量的问题：旋转导向的近钻头方位测量一直是目前该领域研发的一个重要方向，相对而言，由于直接固联到近钻头位置，高温、大冲击、强振动等恶劣环境，使得此类应用对于陀螺仪的综合性能要求最具挑战性。
[0010]4)有缆测量模式套管开窗问题：套管中定位开窗是陀螺仪在石油钻井领域较早的应用，主要是针对丛式井，水平井定向钻进过程中，通常采用有缆陀螺仪测斜仪，完成开窗定位，避免了“试错式”开窗，节约了时间成本，但有缆测量的时间成本仍然是不容忽视的；此外，在套管开窗之后，仍然有一段时间处于磁干扰环境下，此时的方位测量仍然处于磁通门的“盲区”，需要陀螺仪在磁通门有效工作之前，实现准确的方位测量，有缆测量模式无法高效地解决此类应用。
[0011]5)石油勘探开发对于高端陀螺仪的需求：能够满足高温、强振动且具备小体积和高精度的陀螺仪，能够在由磁测MWD构建的标准下正常工作。

技术实现思路

[0012]本技术将HT-CVG(高温哥氏振动陀螺)的固态陀螺仪技术与深层-超深层导向钻井应用相结合，提出一种随钻测量陀螺仪及其测量系统(GyroMeasurement while Drilling，本文简称为GMD)实现了系统级、传感器级、元件级的一体化设计，满足定向井测量、旋转导向系统等应用需要。
[0013]根据本技术的第一方面，提供一种固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括谐振子、电路板、压电元件、支撑基座、外壳、接线柱，其中，
[0014]谐振子置于外壳内，包括支撑柱以及全对称外壳，并与下部的支撑基座固联；
[0015]支撑基座包括底部和环状支撑部，谐振子的支撑柱位于所述环状支撑部内部，且谐振子的全对称外壳位于所述环状支撑部外部；
[0016]压电元件固联在谐振子的全对称外壳上，并通过导电金属丝与接线柱固联；
[0017]电路板位于支撑基座的下方，并与接线柱固联。
[0018]进一步的，所述陀螺仪是能够在125℃以上的高温下工作的小尺寸陀螺。
[0019]进一步的，所述陀螺仪能够在185℃的高温下工作。
[0020]进一步的，所述陀螺仪的直径不大于30mm。
[0021]进一步的，所述谐振子的外壳顶部设置有焊接点，采用耐高温材料实现封焊。
[0022]进一步的，所述支撑基座底部采用圆锥形设计，并通过压块与外部结构固联。
[0023]进一步的，所述谐振子还包括一个过渡电路板，谐振子顶部设置有多个圆孔，导电金属丝通过所述圆孔与接线柱固联。
[0024]进一步的，所述陀螺仪外围设置有高温减振器。
[0025]进一步的，所述支撑基座与高温减振器固联到IMU中。
[0026]根据本技术的第二方面，提供一种惯性导航系统，所述系统包括三轴陀螺仪及三轴加速度计、减振器，所述陀螺仪与减振器固联，其特征在于，所述陀螺仪采用根据本技术第一方面所述的固态谐振式陀螺仪。
[0027]进一步的，所述三轴陀螺仪互相呈90度设置。
[0028]进一步的，所述加速度计为高温石英挠性加速度计或高温MEMS加速度计。
[0029]进一步的，所述惯性导航系统还包括敏感地磁的传感器。
[0030]根据本技术的第三方面，提供一种钻井测量系统，所述测量系统包括根据本技术第二方面所述的惯性导航系统，所述测量系统还包括：
[0031]其他传感器单元组合，所述其他传感器单元组合包括温度传感器、测角传感器；
[0032]信号采集与处理单元，所述信号采集与处理单元与惯性导航系统、其他传感器单元组合以及控制与校准单元连接；
[0033]控制与校准单元，包括但不限于陀螺闭环控制与校准电路、旋转调制的控制电路；
[0034]状态监控单元与GMD输出单元，所述状态监控单元与惯性导航系统连接，所述GMD输出单元与信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括谐振子、电路板、压电元件、支撑基座、外壳、接线柱，其中：谐振子置于外壳内，包括支撑柱以及全对称外壳，并与下部的支撑基座固联；支撑基座包括底部和环状支撑部，谐振子的支撑柱位于所述环状支撑部内部，且谐振子的全对称外壳位于所述环状支撑部外部；压电元件固联在谐振子的全对称外壳上，并通过导电金属丝与接线柱固联；电路板位于支撑基座的下方，并与接线柱固联。2.根据权利要求1所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪能够在125℃以上的高温下工作的小尺寸陀螺。3.根据权利要求2所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪能够在185℃的高温下工作。4.根据权利要求1所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪的直径不大于30mm。5.根据权利要求1所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述谐振子的外壳顶部设置有焊接点，采用高温材料实现封焊。6.根据权利要求1所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述支撑基座底部采用圆锥形设计，并通过压块与外部结构固联。7.根据权利要求1所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述谐振子还包括一个过渡电路板，谐振子顶部设置有多个圆孔，导电金属丝通过所述圆孔与接线柱固联。8.根据权利要求1所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪外围设置有高温减振器。9.根据权利要求7所述的固态谐振式陀螺仪，其特征在于，所述支撑基座与高温减振器固联到IMU中。10.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛旭，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：新型
国别省市：