CN212645728U - 固态谐振式陀螺仪、惯性导航系统及钻井测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型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。

Description

固态谐振式陀螺仪、惯性导航系统及钻井测量系统

技术领域

本实用新型涉及地下方位随钻测量技术领域，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。

背景技术

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

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。

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：

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。

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：

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；

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；

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。

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。

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。

实用新型内容

本实用新型将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(Gyro Measurement whileDrilling，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。

根据本实用新型的第一方面，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，

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。

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。

进一步的，所述陀螺仪能够在185℃的高温下工作。

进一步的，所述陀螺仪的直径不大于30mm。

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。

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。

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。

进一步的，所述陀螺仪外围设置有高温减振器。

进一步的，所述支撑基座与高温减振器固联到IMU中。

根据本实用新型的第二方面，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实用新型第一方面所述的固态谐振式陀螺仪。

进一步的，所述三轴陀螺仪互相呈90度设置。

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。

进一步的，所述惯性导航系统还包括敏感地磁的传感器。

根据本实用新型的第三方面，提供一种钻井测量系统，所述测量系统包括根据本实用新型第二方面所述的惯性导航系统，所述测量系统还包括：

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；

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；

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；

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输出单元与信号采集与处理单元连接；

供电单元，用于为上述惯性导航系统、其他传感器单元组合、信号采集与处理单元、控制与校准单元、状态监控单元与GMD输出单元供电；

外壳结构，用于容纳所述惯性导航系统及前述各单元。

进一步的，所述旋转调制单元与控制与校准单元和信号采集与处理单元连接。

本实用新型的有益效果：

根据本实用新型提供固态谐振式陀螺仪，在现有金属谐振陀螺仪基础上，通过研究优选其核心部件的材料特性、装配工艺、结构设计、集成减振工艺等，实现其在强振动环境下的应用能够承受高温环境(125℃)以上的工作；

本发明提供的固态谐振式陀螺仪，设计类似圆锥形的外形设计，可以直接用外部压块方式固联，避免了法兰盘或者螺钉安装，节省了安装空间，可以极大地缩小体积。

根据本实用新型提供的惯性导航系统，能够满足高温、强振动且具备小体积。

根据本实用新型提供的钻井测量系统，具备耐受高温、强振动与大冲击下的环境适应性能力，此外，保证在上述环境下的精度；石油钻探的趋势是小井眼井，因此，本实用新型中提供的陀螺仪的尺寸也能满足其苛刻要求。

根据本实用新型提供的钻井测量方法，所述方法用于该测量系统中，能够精确进行方位的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中可靠性设计的“浴盘”曲线；

图2为现有技术半球陀螺仪的结构示意图，其中：图2(a)为“三部件”半球陀螺仪结构示意图，图2(b)为“二部件”半球陀螺仪结构示意图；

图3为本实用新型实施例一HT-CVG的结构示意图；

图4为本实用新型实施例二HT-CVG的结构示意图；

图5为本实用新型实施例三HT-CVG的结构示意图；

图6为本实用新型实施例四HT-CVG的结构示意图；

图7为本实用新型实施例五HT-CVG的结构示意图；

图8为本实用新型谐振子结构示意图一；

图9为本实用新型谐振子结构示意图二；

图10为本实用新型谐振子结构示意图三；

图11为本实用新型谐振子结构示意图四；

图12为室温加热到150℃的原始零偏输出曲线；

图13为高温陀螺仪(编号为022215A)的Allan方差测试曲线；

图14为高温陀螺仪(编号为022269B)的Allan方差测试曲线；

图15为三轴陀螺仪敏感单元的安装示意图；

图16为高温敏感单元与减振器的安装关系示意图；

图17为本实用新型的定向井水平井示意图；

图18为本实用新型的系统结构框图；

图19为本实用新型钻井惯导测量方法流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为可靠性设计的经典浴盆曲线，该曲线是基于指数函数建立的数学模型，将故障发生的时间分为早期故障期、偶发故障期和磨损故障期，早期故障期是指产品在早期失效，主要是由于诸如工艺缺陷等因素造成的失效，产品出厂之前所开展的一系列试验，如振动、冲击、温度循环、多次通断电等等，都是为了尽快剔除陀螺仪的早期失效，使得交付用户的产品都已经进入了稳定的偶发故障期区段。对于GMD(Gyro Measurement whileDrilling随钻陀螺测量)陀螺仪的寿命或者MTBF，指的是偶发故障期，也就是曲线的斜率固定的区域，产品在偶发故障期的MTBF可以定义为：

MTBF＝T/R (1)

其中T是指总工作时间，R是指失效的部件数目。那么在工作时间段t内，特定产品存活的概率是：

P(t)＝e^-t/MTBF (2)

陀螺仪的发展历程来看，从最初的浮子式陀螺仪再到动力调谐陀螺仪、以及后来发展的光学陀螺仪(激光陀螺仪与光纤陀螺仪)，发展到现今的哥氏振动陀螺仪，陀螺仪的部件数目越来越少，一方面降低了陀螺仪的制造成本，另一方面极大的提高了陀螺仪的MTBF，这对于GMD应用来说，是非常重要的。小体积、高精度、高可靠性和低成本，正是GMD应用的基本需求，从这一角度来说，以固态谐振陀螺仪为代表的哥氏振动陀螺仪是现阶段GMD应用最为优选的技术方案。

在前述美国专利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，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。

其中，谐振式陀螺仪谐振子常用的材料包含各向同性熔融石英、弹性合金、硅(MEMS)等，常用的形状有：半球形、圆柱形、环形、碟形等，薄壳谐振子壁薄、容易变形，且由其材料和形状决定的谐振子的谐振频率是重复和稳定的。谐振子最为常见的是三种工作模式：n＝0模式，在该模式下谐振子做拉压振动， n＝1模式，此时谐振子的振形做位移平动，n＝2的弯曲振动模式，其中，n＝2 的工作模式最为稳定，一般将n＝2工作模式选取为谐振子振型模态。

谐振子被激励时的振型为驻波形式，当谐振子无角速度输入时，波腹位于对称谐振子的四个轴上，当谐振子以角速率Ω绕对称轴旋转时，波腹轴在哥氏惯性力的作用下，会引起波腹轴(驻波)相对谐振子在惯性空间的旋转(进动)。

在惯性力的作用下，谐振子振动的四波腹进动角Φ₁与谐振子物理转角Φ₀存在一个固定的滞后，即Φ₁＝κΦ₀，κ称之为布莱恩因子，其值只与谐振子的材料与形状相关，通过拾取电极实时检测四波腹振型方位角的位置，进而根据振型进动角计算出陀螺仪的旋转角度，该模式称之为全角工作模式。通过施加反馈控制抑制谐振子的进动，使得四波腹振型能够克服哥氏力而时刻与壳体保持抑制，通过施加反馈力计算输入角速率，称之为深度负反馈模式或者速率模式。

如图2所示，为常用的半球陀螺仪结构形式，图2(a)为“三部件”半球陀螺仪结构示意图，核心部件为驱动电极、谐振子、测量电极；图2(b)为“二部件”半球陀螺仪结构示意图，即核心部件为驱动及检测复用电极与谐振子。

本实用新型采用的高温HT-CVG(高温哥氏振动陀螺仪)，也是基于哥氏效应的振动陀螺，采用了“接触式”的电极配置方案，不同于球形电极或者平板电极的非接触式电极配置，压电陶瓷(PZT)激励效率更高、对准与装配的要求降低。如图3所示，为HT-CVG的结构示意图，所述高温CVG(简称HT-CVG)主要包含：谐振子1、压电陶瓷(PZT)2、支撑基座3、外壳4、电路板5，接线柱6、导电金属丝7以及封焊材料8。其中，接线柱6，分为内部接线柱与外部接线柱，内部接线柱，是指通过金丝与压电陶瓷固联的接线柱，外部接线柱，是指与电路板进行电气连接，并引出到外部的接线柱。

其中，谐振子可以采用全对称结构，如圆柱形、半球形、以及相关对称结构的组合，如不等直径的圆柱体等；全对称形状的谐振子包括支撑柱以及全对称外壳，所述支撑柱位于支撑基座3的环状支撑部内部，且所述全对称外壳位于支撑基座3的环状支撑部外部，全对称外壳可采用等内径、不等外径的结构形式；参见图8-图11，为各种谐振子的结构，其中图8谐振子的全对称外壳为不等直径的圆柱形，支撑柱在圆柱形全对称外壳内部；图9谐振子的全对称外壳为不等直径的圆柱形，支撑柱在不等直径的圆柱形全对称外壳顶部；图10谐振子的全对称外壳为变直径的圆柱形，支撑柱在变直径的圆柱形全对称外壳顶部；图11谐振子支撑柱在圆柱形芯部的内部，谐振子上设有多个引线孔。

其中压电陶瓷2可以设置在全对称外壳的侧壁或者底部(谐振子倒置时，称之为“顶部”，这里是一致的，不影响特征说明)，支撑基座3包括底部和支撑部。

在实施例一至四中(参见图3-图6)，支撑部为环状并设置在底部之上；在实施例五中(参见图7)，环状支撑部顶部设有环形的过渡电路板；全对称形状的谐振子结构固定于支撑基座上部且与其相匹配，所述全对称形状的谐振子包括全对称外壳和支撑柱，作为一种实施例，导电金属丝(线)通过谐振子顶部的圆孔，与接线柱固联，此实施例中，在谐振子与支撑基座中间增加了一个过渡电路板；该过渡电路板内部可以设计丝印层，实现内部信号的互联，优选地，将8 个压电陶瓷的电极进行内部电连接整合，从而引出四个或者其中的几个，不必要引出8个，降低了工艺难度。

在实施例一和二中，压电陶瓷2固定在谐振子1的全对称外壳的底部，与不等外径圆柱壳构成了杠杆效应，提升了驱动灵敏度；谐振子外部为外壳4，外壳 4与支撑基座3之间进行密封，作为一种实施例，可采用激光焊接密封。在实施例三和四中，压电陶瓷2位于谐振子1的全对称外壳的侧壁上；其中实施例四和五中为变直径谐振子外壳。

在实施例一至四中，导电金属丝7连接压电陶瓷2与接线柱6。电路板5位于支撑基座3的下方，外壳4的顶部用封焊材料8进行密封。

另外，在实施例一中，支撑基座3的底部采用的是螺钉或者法兰盘固定的方式；

而在实施例二至五中，支撑基座的底部采用了圆锥形设计(图中示出支撑基座底部为带有倾斜边圆锥形)，当前，小尺寸井眼成为趋势，要求测量仪器必须具有很小的尺寸，如，作为MWD的尺寸，当前的规格有Φ48mm、Φ36mm，对于传统的通过定位孔或者法兰盘安装来说，由于尺寸限制，因此设计类似圆锥形的外形设计，可以直接用外部压块方式固联，避免了法兰盘或者螺钉安装，节省了安装空间，可以极大地缩小体积。

其中，HT-CVG的谐振子采用高Q值合金材料，相较于采用熔融石英材料作为谐振子材料的石英CVG，成本更低；谐振子加工工艺为圆柱形结构，工艺较为简单，而石英CVG都采用半球形结构，操作复杂并导致一定加工成本。

HT-CVG采用压电(低电压5V)激励与检测方式，与石英CVG采用电容 (高电压300V)激励与检测方式相比，电压更低。

HT-CVG的真空封装方式为中等真空度，不需要吸气剂，而石英CVG采用极高真空度，需要吸气剂。

在HT-CVG的静/动平衡通过磨削去质量(传统工艺)实现，而石英CVG 通过等离子(复杂工艺)实现，操作复杂且成本更高。

如表1所示，给出了HT-CVG与石英HRG的典型特征比对，可以看出， HT-CVG在低成本、高可靠性上更具潜力。

表1 HT-CVG与石英HRG的特征比对

由于谐振子材料不均匀以及加工误差带来质量非平衡误差，是影响谐振子Q 值的重要因素，非均衡质量dm带来的能量损耗为：

质量不平衡引起的寄生品质因子表达式为：

其中，ω_dm不平衡质量的自振频率，Q_dm是其品质因子，ω_x是指谐振子的固有频率，E′是指不平衡质量的能量泄漏，现有技术认为dm/m＝10^-3的质量不平衡可以导致谐振子的综合品质因子降低一个数量级，从而维持谐振子的驱动能量提高了一个量级，也导致产生的控制误差增加了一个数量级。

由材料本身非理想性以及加工误差带来的能量耗散是双向的，一方面能量本身及通过基座向外传递耗散，另一方面，外部的能量容易通过基座传递到谐振子，对于理想的谐振子，波腹与波节全对称特征抵消和隔离了外部的能量干扰，在一个振荡周期内，作用于支撑体的力或者力矩是零，当存在质量不平衡等非理想因素时，导致谐振子的能量泄漏，同时也使得支撑体不能完全隔离外部振动。当有外部的输入振动干扰时，由不平衡质量耦合产生了额外的力f_dm，f_dm是由于外部振动传递到谐振子的力：

其中γ_a是指外部的振动加速度，因此非平衡质量dm是陀螺仪振动整流误差的主要来源。作为GMD应用的惯性器件，在井下的高温振动环境，由于质量不平衡导致的能量耗散容易从外部干扰谐振子，这也是制约GMD测量精度尤其是连续测量模式下的精度的一个重要因素。

因此要实现较高的Q值，需要从上述的四个方面的因素去考虑，其中，谐振子本身的材料特性以及本身的稳定性是决定品质因子的内在基本因素，而谐振子的加工精度是决定其能量损耗的决定性因素。谐振子的能量损耗，一方面带来了零偏误差(Bias)，另一方面，能量损耗的稳定度是决定零偏的稳定性(Bias Drift) 的关键，降低能量损耗，提高谐振子的综合品质因子，从而降低了对于维持谐振子稳定幅度振动的外部控制能量要求，降低了控制器带来的误差。

除了结构设计外，本实用新型旨在还提供一种小型化的高温哥氏振动陀螺 (HT-CVG)，能够承受高温环境(125℃)以上的工作。

具体地，本实用新型在现有金属谐振陀螺仪基础上，通过研究优选其核心部件的材料特性、装配工艺、集成减振工艺等，实现其在高温化下的应用。

本实用新型实现了HT-CVG的高温化陀螺仪样机研制，并针对GMD的全井斜测量应用，研究了相关的自校准方法。

本实施例中，对HT-CVG的工艺进行改造，特别是在HT-CVG内的关键工艺点的改进，以及HT-CVG与耐高温减振器之间的工艺点的改进。

其中关键工艺点包括但不限于：谐振子与支撑基座之间设有焊点实现固联；压电陶瓷与圆柱形谐振子之间设有焊点实现固联；内部接线柱与内部电路基板之间设有焊点实现固联；支撑基座与内部电路基板之间设有焊点实现固联；内部接线柱与电路板之间设有焊点实现固联；外部接线柱与电路板之间设有焊点实现固联；在另一实施例中，上述固联的方式可以不采用焊点，而是采用胶接的方式进行固联。

在本实用新型中实现的一种固态谐振式陀螺仪中，采用的固联是在压电元件与谐振子之间、接线柱与压电元件之间、接线柱与电路板之间、支撑基座与谐振子之间、外壳与支撑基座之间设有耐高温固联点，从而实现部件之间的固联。

进一步地，外壳顶部设有焊接点，在真空的环境下通过密封焊料实现焊接。具体如表2所示：

表2高温表头关键工艺点互联的部件描述

在本实施例中通过优选高温胶或者高温焊料等工艺参数，保证谐振子的各个部件以及它们组成的HT-CVG能够在高温环境下正常工作。

本实用新型的实施例中采用了采用接触式压电陶瓷驱动与测量的方案，提升了驱动效率与检测灵敏度；不同于球形电极或者平板电极的非接触式电极配置，压电陶瓷(PZT)激励效率更高、对准与装配的要求降低。

全对称型(如杯型、圆柱形)谐振子质量块，固联到支撑基座上，在一种实施例中，通过压电陶瓷激励质量块谐振，并通过控制电路实现谐振子按照稳定的幅度与稳定的频率谐振，当有外界输入角速率时，谐振子的振动幅度产生的哥氏力，使得谐振子的驻波进动，从而激发了沿着45°方向的模态，通过检测该方向的振动幅度，可以获取外部的输入角速率。为了降低谐振子的能耗，谐振子通过外壳密封在真空腔体中。

为了满足固态陀螺仪在高温环境下的可靠性与精度，上述压电陶瓷需要采用高温焊接胶或者高温键合到谐振子表面，谐振子与基座采用耐高温的工艺加工与装配，内部接线电路板采用耐高温的PCB或者陶瓷基板；外壳与基座的密封采用耐高温的焊接工艺，如激光焊接工艺。

试验中将陀螺仪放置在加热装置中，从室温加热到150℃，后自然冷却，此过程下陀螺仪零偏曲线原始输出如图12所示，18小时的采样过程中，陀螺仪工作正常。

在此试验基础上，分别在：室温、90℃、125℃和150℃开展了定点温度试验，并在各个温度点下保温1h，温度稳定后在每个恒定温度点下采集数据并计算Allan方差；并测试了185℃的陀螺仪性能试验。图13给出了编号为022215A 的高温陀螺仪测试数据，该陀螺仪在室温到150℃高温环境下，角度随机游走基本保持不变，零偏不稳定性参数随温度升高增加，在常温下是0.04deg/h，在150℃高温下是0.09deg/h。

随后对另外一只编号为022269B的陀螺仪开展了更高温度的试验，在定点温度测试试验中，增加了185℃的高温试验，各个温度点下的Allan方差曲线如图 7所示。

从图14可以看出，编号为022269B的高温陀螺仪在各个温度点下的角度随机游走值基本不变，此外，零偏不稳定性的参数分布相对集中，从室温到高温 185℃，零偏不稳定性由0.03deg/h变化到约0.05deg/h，并且趋势项漂移得到了较好的抑制。

试验开展了多个高温陀螺仪的样本测试，从测试数据可知，从低温到高温不同的温度下，角度随机游走值没有明改变，各个温度点下的ARW值均小于

零偏不稳定性指标是随着温度的升高而变差，总的来说，各个温度点下均小于0.1deg/h。

如图15所示，为本实用新型中GMD中的陀螺设置方式，其中带有高温减振器的三轴陀螺仪在GMD骨架中的安装采用三轴独立可拆卸设计，优选地，该三轴陀螺仪互相呈90度设置，综合考虑了散热性设计、振动特性与方便测试与维修性。在其他实施例中如若三轴陀螺仪为非90度设置可以通过标定的方式去解算坐标系。

图16则显示了减振器与陀螺仪的相互位置关系，在本实施例中陀螺仪基座的外形采用圆锥形，通过减振器固联到IMU中，在一实施例中，所述减振器为耐高温减振器。

参见图16，在探管14中设置谐振子15、压块11，其中谐振子15的外围设置有减振器12，其中，减振器12与陀螺仪的支撑基座的圆锥形外部固联，可以全部包围陀螺仪，也可以部分包围；压块11通过压块螺钉13与探管14相接。

对哥氏振动陀螺仪来说，高温和强振动下的陀螺仪的零偏稳定性与重复性，是影响GMD方位测量精度的核心因素，而谐振子的非严格各项同性(产生不平衡质量)，是产生振动整流误差的主要因素。由于谐振子的质量不平衡会导致能量的泄漏，一方面使得维持谐振子能量的振幅增大，带来了控制误差，另一方面，使得外部的振动干扰会影响谐振子的正常工作，从而带来了振动整流误差。通过设计GMD的耐高温减振器，减小外部与谐振子的振动能量交换，从而实现减小陀螺仪的振动整流误差的目的。减振器和HT-CVG通过压块的方式，减振器是承力部件，从而衰减外部的振动能量。

在石油钻探、定向钻井测量应用领域，从工作原理分，陀螺仪的应用主要是两大类，一类是静态点测，主要是通过陀螺仪敏感地速水平分量，从而实现地理北向的测量，称之为寻北陀螺仪(True North Finder)或者陀螺罗盘 (Gyro-Compass)模式；另一类是连续测量，根据初始对准(寻北)的结果，采用标准的惯性导航算法，实时测量姿态方位信息，从而拟合井轨迹。

从实现的方式划分，主要分为随钻模式与有缆模式，随钻模式下，陀螺仪组合与钻具固联，当钻具处于静态位置时(如旋转导向工具开始换杆时)，陀螺仪组合开始工作，一般采用寻北模式，实现快速北向方位测量，当钻具钻进工作时，此时陀螺仪组合处于休眠状态，随着钻具一起钻进，因此，陀螺仪保证在高温、强振动和大冲击下存活，其在开启工作模式后能保证测量精度；在有缆测井模式下，一般是独立工作，主要是针对有缆测井应用，对井轨迹进行测量，效率较低，但此时陀螺仪的工作环境相对随钻而言是缓和的。

此外，从陀螺仪的固联方式划分，分为平台式和捷联式，在平台式的工作方式下，陀螺仪处于速率稳定环中的一个测量元件，速率稳定回路建立惯性空间，据此，加速度计或者其他传感器相对惯性空间完成姿态方位的的测量，捷联方式下，陀螺仪与加速度计直接固联到测量工具，通过寻北算法或者捷联算法，实现方位姿态信息的测量。

上述各种应用模式，除了陀螺仪作为核心的传感器以外，都需要加速度计组件，通过敏感地球重力分量，去计算工具面角与井斜角，这两项关键钻井参数是计算方位角的前提，因此加速度计和陀螺仪是同等重要的，目前常用的是石英挠性加速度计，其在基于磁测的MWD中广泛应用，此外，随着MEMS加速度计精度的不断提高，近期高温MEMS加速度计也逐步在低精度、强振动冲击领域中得到了应用。

对于定向井测量，尤其是对于图17所示的水平井开发，需要陀螺仪不但具有高精度，更为重要的是，具备耐受高温、强振动与大冲击下的环境适应性能力，此外，保证在上述环境下的精度。再加上石油钻探的趋势是小井眼井，因此，对于陀螺仪的尺寸要求也尤为苛刻。

如图18所示，为本实用新型的一个实施例，用于定向井钻进方位测量系统的结构。其中惯导单元包括三轴高温陀螺仪和三轴高温加速度计，分别采用正交安装(或者非正交，需要标定初始安装角与相对应的转换坐标系)的方式，通过捷联的方式固联到GMD的骨架结构内部，其中，高温加速度计可选择高温石英挠性加速度计和高温MEMS加速度计两种方案；在另一实施例中，所述惯导单元还包括三轴高温陀螺仪、三轴高温加速度计和磁通门。

如图18所示，探头结构除了上述的惯导单元之外，还包括外壳结构、其他传感器单元组合、信号采集与处理单元、控制与校准单元、供电单元、状态监控单元与GMD输出单元。

所述外壳结构包括旋转调制单元、骨架与抗压管；在一种实施例中，旋转调制单元在固定两位置转动，也可以在更多位置(四位置)间转动。

其他传感器单元组合包括但不限于：温度传感器、测角传感器等。

所述信号采集与处理单元采集来自控制与校准单元中的中间控制变量(如，作为一种实施例，如陀螺仪的振动幅度、陀螺仪的相位、温度等)，并在处理单元中完成校准与参数补偿。

具体包括：

信号采集单元：包括陀螺信号、加速度计信号、敏感地磁的传感器信号、振动监测信号、温度信号、角度信号等的采集；还包括信号处理单元：所述信号处理单元在ARM核处理器或其它内核处理器中进行，包括但不限于全参量补偿模块、自校准与自标定模块、初始对准模块以及连续随钻测量模块、滤波(如抗混叠滤波器)模块等。

所述全参量补偿模块，是指通过采集陀螺仪与加速度计内部多个观测点，通过误差建模与相关算法，实现补偿温度、振动等带来的陀螺仪或者加速度计漂移误差。

所述自校准与自标定模块，充分利用高温陀螺仪的全对称特性，通过外部馈入激励信号，实时采集陀螺仪内部的关键监测点，在处理器中通过算法去校准陀螺仪的零偏漂移误差，并标定陀螺仪的标度因子误差。

所述初始对准模块，实现GMD在静基座下，通过陀螺仪与加速度计分别敏感地球自转角速率信息与重力加速度信息，通常通过粗对准算法，计算出方位角、井斜角、工具面角的初值，然后结合外部辅助信息，如零速修正信息等，采用卡尔曼最优估计算法，计算出GMD的方位角、井斜角与工具面角。

所述连续随钻测量模块，是指在初始对准计算得到的初始方位角、井斜角与工具面角的基础上，通过相关算法，实时输出GMD连续工作时的方位信息、井斜角信息与工具面角信息，进而计算出井轨迹信息。

所述滤波模块，是指将实时采集的多维传感器信号(加速度计、陀螺仪、磁传感器及其他传感器信号)，经过滤波器，通常是抗混叠滤波器，然后输出给信号采集与处理单元中的ADC模块，实现模数转换。

控制与校准单元包括但不限于：陀螺控制与校准电路、旋转调制的控制电路。其中包括对陀螺仪进行闭环控制；此外，控制与校准单元与所述信号采集与处理单元共同控制旋转调制单元以驱动由三轴加速度计与三轴陀螺仪组成惯导系统进行旋转调制(或者转动位置)从而实现加速度计与陀螺仪的零偏误差消除或者抑制。

旋转调制单元包括转位置驱动机构。

其中，滤波模块还包括振动监测滤波器电路。

在一种实施例中，振动监测滤波器电路是一个带通电路，-3dB的截止频率分别是8Hz和15KHz，由于GMD正常时，工作频带是低频并接近直流，因此振动监测频带不敏感8Hz以下的信号；陀螺仪的自振频率接近8KHz，石英挠性加速度计的带宽为100Hz，设置了高频段的截止频率15KHz，在GMD工作过程中，由于可能承受的冲击量级很大，并且采集的频率范围很宽，可以优选开环式硅基 MEMS或者压电式加速度计，兼顾大量程与大带宽。

供电单元包括为上述惯导单元、信号采集与处理单元、控制与校准单元、旋转调制单元、状态监控单元与GMD输出单元、其他传感器组合单元提供电源。

状态监控单元与GMD输出单元中，状态监控单元包括振动监测传感器，并对振动监测传感器或者加速度计信号进行相关的算法处理；GMD输出单元包括MWD 标准接口，所述信号采集与处理单元将结果输出给所述GMD输出单元。

所述测量系统用于如图17所示钻井工程中，用于定向井的定向钻进，井轨迹的测量等，可采用随钻(MWD)的方式，安装到钻铤中，也可以采用有缆测井的方式。

作为一种实施例，在随钻测量系统(MWD)应用环境中，该系统的测量方法如图19所示。包括以下步骤：

1)所述测量系统(探头)接收到地面停钻指令，传感器判读钻铤是否静态，以避免泥浆泵等干扰因素影响测量精度。若是，在该位置上(即第一位置)开始粗对准，若不是，继续等待。

当有外部指令，得到停钻指令后，首先通过状态监控单元对来自的振动监测传感器、或者“惯导系统”中的加速度计经过采集与滤波处理后的信号进行相关算法运算，判断泥浆振动的大小，通过设置的阈值，判断，是否开始执行粗对准、以及判断是否可以开始执行卡尔曼最优估计。

外部(如，施工现场)的初始对准指令，主要是来着GMD系统级的指令命令，此时，施工现场明确了钻铤处于停钻状态。

加速度计或者振动监测传感器的指令判读，即，接收到外部指令后，还要经过状态监控单元进行判读，判读井下是否存在干扰因素，如泥浆等比较大的晃动，通过传感器的滤波器输出，状态监控单元设定阈值判定程序，当晃动值小于设定值时，执行粗对准。

所述粗对准，是指直接利用安装在载体上的陀螺仪输出信息、加速度计输出信息，通过解析的方法，求取载体的方位角、井斜角、工具面角信息；

2)完成粗对准，将粗对准结束时的系统输出的方位角、井斜角、工具面角信息作为新的坐标矢量。

所述系统输出粗对准计算到的输出。

3)进入精对准流程，根据外部观测矢量如速度观测量、地球自转角速率观测量，根据最优估计算法，如卡尔曼算法，估计数据融合后的方位角、井斜角、工具面角信息。

4)开始转位置，并实时采集测角传感器的输出。

5)在该第二个位置，进入精对准流程，估计新的方位角、井斜角、工具面角信息。

6)根据第一个位置与第二个位置的方位角、井斜角、工具面角信息，最终计算出采用最优估计后的精确的方位角、井斜角、工具面角，并估计出陀螺仪与加速度计的零偏误差，反馈到惯性仪表的输出模型中，进行修正。

7)对准结束，更新误差并存储数据。

以上对本申请实施例进行了详细介绍。如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (15)

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。

10.一种惯性导航系统，其特征在于，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，所述陀螺仪采用权利要求1-9中任一项所述的固态谐振式陀螺仪。

11.根据权利要求10所述的惯性导航系统，其特征在于，所述三轴陀螺仪互相呈90度设置。

12.根据权利要求10所述的惯性导航系统，其特征在于，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。

13.根据权利要求10所述的惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统还包括敏感地磁的传感器。

14.一种钻井测量系统，其特征在于，所述测量系统包括根据权利要求10至13中任一项所述的惯性导航系统，所述测量系统还包括：

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；

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；

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；

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输出单元与信号采集与处理单元连接；

供电单元，用于为上述惯性导航系统、其他传感器单元组合、信号采集与处理单元、控制与校准单元、状态监控单元与GMD输出单元供电；

外壳结构，用于容纳所述惯性导航系统及前述各单元。

15.根据权利要求14所述的钻井测量系统，其特征在于，所述旋转调制单元与所述控制与校准单元和所述信号采集与处理单元连接。

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