基于光纤陀螺的无线随钻测斜仪探管软件设计
李尚泽1,2，杨 明1,2，袁 辉1,2
【摘 要】矿山工程中，因受到多种因素影响，水平孔注浆、斜井冻结、穿越对接孔等特殊施工中，必须采用定向钻进技术。而定向钻进技术的核心，即是无线随钻测斜仪。在煤矿井筒冻结群孔施工和金属矿山钻孔施工中，传统测斜仪探管中用于测量方位角的磁通门元件，当外界有磁场干扰时，其正常工作会受到影响，最终造成测量误差，限制了传统测斜仪在许多场合的应用。利用光纤陀螺代替磁通门元件技术研发的测斜仪探管，不受磁场干扰，显著增强了测斜仪的适应性，使其应用更为广泛。扼要介绍了新研发的测斜仪探管工作流程、参数计算方法、数据编码方法和程序设计要点。 【期刊名称】建井技术 【年(卷),期】2015(000)001 【总页数】6
【关键词】无线随钻测斜仪；探管；光纤陀螺；坐标系变换；组合码
矿山工程中，因受到地形条件、施工环境和施工成本等因素的影响，水平孔注浆、斜井冻结、穿越对接孔等特殊施工中，必须采用定向钻进技术[1]。而定向钻进技术的核心，即是无线随钻测斜仪[2-6]，它是钻进和测斜工作中的“眼睛”。此外，在对孔斜有严格要求，需要精确中靶的立井钻孔施工中，无线随钻测斜仪也有大量应用。
探管是无线随钻测斜仪中用于测量计算角度并驱动脉冲发生器发射泥浆脉冲的重要组成部分。传统测斜仪探管大多采用磁通门元件测量方位角，其原理服从于法拉第电磁感应定律，当外界有电磁场干扰(如冻结孔内的套管)时，会对磁
通门元件的正常工作产生影响，最终造成测量误差，限制了无线随钻测斜仪在许多场合的应用。我们研发了一种新型无线随钻测斜仪探管，其中的磁通门元件由光纤陀螺代替。与磁通门感受磁场强度的原理不同，光纤陀螺感受的是地球自转角速度，因此不会受到磁场干扰。如果能控制光纤陀螺无线随钻测斜仪探管的精度，使其达到现有无线随钻测斜仪探管的测量精度水平，就可以应用在有铁磁物体的钻进环境中，大大改善无线随钻测斜仪的适应性，使其应用更为广泛。尤其是在煤矿井筒冻结群孔施工和金属矿山钻孔施工中，能够完全代替目前使用的传统有线测斜仪和无线随钻测斜仪。
1 探管工作流程
探管工作流程如图1所示。探管单片机的停泵判断程序，判断当前探管是否处于停泵状态。如果不是处于停泵状态，就继续判断。若判断为停泵状态，则开始执行加速度计采样程序，采集重力加速度在探管3个正交轴上的分量；采集完毕，执行光纤陀螺旋转定位程序，确定当前光纤陀螺的敏感轴方位，并利用步进电机，精确控制，将光纤陀螺旋转到初始方位。光纤陀螺复位后，执行光纤陀螺采样程序，使光纤陀螺旋转90°，采集地球自转角速度在探管两个正交轴上的分量。至此，所有数据采集完毕。接着根据探管参数计算方法，程序计算出测斜参数；然后运行开泵判断程序，判断当前探管是否处于开泵状态。如果不是处于开泵状态，就继续判断；若判断为开泵状态，则根据探管数据编码方法，程序将测斜参数编码，形成完整的脉冲序列，驱动脉冲发生器，将数据发送至地面。
2 探管参数计算方法
探管参数计算方法与捷联惯导计算方法类似，参数的推导公式都是通过坐标系
变换求得；不同之处在于测斜参数的计算要比捷联惯导简单，只需计算出表示静态特征的井斜角、方位角、工具面角即可。而捷联惯导不仅要求出静态参数，还要通过一次积分和二次积分，计算出速度、距离等动态参数，计算更为复杂。 坐标系变换中，要用到两个坐标系，即地理坐标系和钻具坐标系。地理坐标系l(即东北天坐标系ENU)：X轴沿经线指向正东E，Y轴沿子午线指向正北N，Z轴沿法线指向天U。钻具坐标系b(即载体坐标系XYZ)：Y轴为钻具轴线方向；Z轴为造斜方向；X轴与两者垂直，构成右手直角坐标系[7-9]。
探管计算的测斜参数有：井斜角、方位角、高边工具面角。井斜角是井眼方向线与铅垂线之间的夹角，α=90°-θ；方位角是以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，φ=360°-Ψ；高边工具面角是沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的井眼高边和造斜方向之间的夹角，GTF=φ。 地理坐标系与钻具坐标系是可以相互变换的。即前者可以通过3次绕不同坐标轴的旋转，成为后者。初始时，XYZ坐标系与ENU坐标系重合，X′=E，Y′=N，Z′=U；绕U轴旋转Ψ角后，成为X1Y1U坐标系；接着绕X1轴旋转θ角后，成为X1YZ1坐标系；最后绕Y轴旋转φ角，得到钻具坐标系XYZ，如图2(a)所示。
图2(b)是第1次绕U轴旋转Ψ角后，从U轴看去的俯视图。根据向量运算法则，有以下关系式成立：
图2(c)是第2次绕X1轴旋转θ角后，从X1轴看去的俯视图。根据向量运算法则，有以下关系式成立：
图2(d)是第3次绕Y轴旋转φ角后，从Y轴看去的俯视图。根据向量运算法则，有以下关系式成立：
基于光纤陀螺的无线随钻测斜仪探管软件设计
