为提高光纤陀螺随钻测斜仪的井眼轨迹的测量精度, 采用卡尔曼滤波组合的测量方法, 对井斜、方位和工具面失准角进行估计。由于姿态失准角的估计精度与其可观测性密切相关, 为了提高估计精度, 文章分别在匀速、匀加速和匀速转动三种钻进运动状态下, 采用分段线性定常系统(PWCS)和奇异值分解(SVD)的方法分析了姿态失准角的可观测性, 并分析了钻进中井斜角和转动速率对姿态失准角估计精度的影响。由仿真结果可知, 匀速钻进时, 方位失准角不可观测; 匀加速钻进时, 方位失准角可观测且在水平井中可观测性最强, 随着井斜角度增大, 方位角、井斜角的测量精度逐渐提高; 绕轴向匀速转动钻进时, 方位失准角的可观测性和估计精度均优于匀速、匀加速钻进状态; 角速率由0°/s增加到5°/s时, 三个姿态失准角的估计精度均增大并逐渐趋于稳定。文中提出的轴向转动钻进运动可有效提高井眼轨迹的测量精度。

针对井下近钻头处随钻测斜仪内径受限、井下环境温度梯度大等特殊恶劣环境,设计了一种用于测量石油井眼轨迹惯性的椭圆柱形光纤陀螺。由于光纤环存在热致非互易相移问题,以光纤环的Shupe误差为基础,采用4极对称绕法,建立了椭圆柱形光纤环的三维温度瞬态响应数学模型。结合光纤陀螺实际的工作环境,利用有限元法对椭圆柱形光纤环进行了数值仿真,定量分析其工作温度梯度下光纤环的Shupe误差,实验验证了模型的正确性。在光纤长度、光纤环层数和光纤环半径一定的条件下分别对圆柱形光纤环和椭圆柱形光纤环施加相同的温度激励,比较两种光纤环的热致误差速率。结果表明:椭圆柱形光纤环热致误差速率比圆柱形光纤环小35%~39%,在满足井下测量仪器体积受限的同时,可提高井眼轨迹惯性测量的精度。