王志偉

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

隨著石油開采的難度越來越大，定向井成為一種必不可少的石油開采鉆井方法。為了保證鉆具能夠在井下按照設(shè)計(jì)油層施工，隨鉆測(cè)量?jī)x器的重要性就日益凸顯。基于石英撓性加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器的定向探管利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償能力及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的優(yōu)勢(shì),可以使定向探管測(cè)量精度及應(yīng)用范圍進(jìn)一步得到提高,它不但可進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量與多點(diǎn)測(cè)量,而且在增加不同的數(shù)據(jù)傳輸模塊后還可進(jìn)行無線測(cè)量，提供有關(guān)鉆頭前進(jìn)方向的數(shù)據(jù)。利用這些由定向探管采集的數(shù)據(jù)，可以保證高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)好的井身軌跡的定向井和水平井。

1 定向探管的基本結(jié)構(gòu)

定向探管利用重力加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器連續(xù)測(cè)量井下儀器所處狀態(tài)下的重力場(chǎng)和磁力場(chǎng)參數(shù)，從而計(jì)算出井身的井斜角和方位角等工程參數(shù)并通過泥漿脈沖器傳輸?shù)降孛鎯x器中,地面儀器實(shí)時(shí)地連續(xù)記錄被測(cè)井井深對(duì)應(yīng)的井斜、方位、井溫等工程參數(shù)。

定向探管主要由2部分組成：電子電路模塊和傳感器模塊。

電子電路模塊主要分為4個(gè)部分：電源電子電路模塊、主控電子電路模塊、信號(hào)電子電路模塊、振動(dòng)電子電路模塊。

傳感器模塊主要分為：加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器。見圖1。

圖1 定向探管的組成部分

定向探管作為一個(gè)提供定向井工程參數(shù)的測(cè)量短節(jié)，主要提供井斜角、方位角、高邊工具面、磁性工具面和溫度等工程參數(shù)，這些參數(shù)能夠保證不論定向探管處于哪種狀態(tài)，都能夠通過加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器確定井下儀器在空間中的唯一狀態(tài)[1]。

2 加速度計(jì)傳感器

2.1 加速度計(jì)傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

石英撓性加速度計(jì)是一種擺式加速度計(jì)，通過在某種類型的撓性支撐上彈性的聯(lián)結(jié)它的擺組件，使得石英撓性加速度計(jì)在輸入軸方向的剛度極小。石英撓性加速度計(jì)是由表頭和伺服電路組成的。石英撓性表頭主要由整體石英撓性擺組件、差動(dòng)電容傳感器、力矩器、殼體等部分組成，整體石英撓性擺組件由中心盤、安裝環(huán)、連接中心盤和安裝環(huán)的2個(gè)撓性平橋以及固定在中心盤上的2個(gè)鋁制骨架力矩線圈組成。伺服電路的主要組成部分是基準(zhǔn)三角波發(fā)生器、跨導(dǎo)補(bǔ)償放大器、差動(dòng)電容檢測(cè)器、電壓調(diào)節(jié)器和電流積分器等。圖2為石英撓性加速度計(jì)的工作原理。

圖2 石英腦性加速度計(jì)的工作原理

2.2 由加速度計(jì)傳感器獲得工程參數(shù)

定向的傾斜度可以用定向探管與水平面的夾角U來表示，但往往測(cè)量與垂直面的夾角λ，再通過互余（U=90°-λ）計(jì)算來確定與垂直面的夾角（圖3），即重力方向。因此通過測(cè)量實(shí)際重力在井下儀器軸向的分量值，便可確定定向探管的傾斜度。重力加速度計(jì)測(cè)量的分量G與角λ同實(shí)際重力加速度g的關(guān)系為：

上式中重力加速度信號(hào)梯度的絕對(duì)誤差將導(dǎo)致傾斜度的計(jì)算誤差，尤其在傾斜度接近±90°時(shí)，測(cè)量值的微小誤差通過上式的計(jì)算將導(dǎo)致極大的誤差。因此建立以定向探管軸向?yàn)榛鶞?zhǔn)的三維正交重力加速度計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系，便可通過3個(gè)分量Gx、Gy、Gz的合成計(jì)算，準(zhǔn)確地計(jì)算出井斜。

圖3 定向探管軸向與測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系

三分量合成計(jì)算主要是由3個(gè)加速度計(jì)傳感器三軸正交測(cè)量數(shù)據(jù)完成的，3個(gè)正交安裝的加速度計(jì)，可準(zhǔn)確測(cè)量出重力加速度在3個(gè)方向上分量，通過矢量合成計(jì)算出重力加速度g，并轉(zhuǎn)換成對(duì)用的電壓或電流信號(hào)輸出。加速度計(jì)輸出信號(hào)u為：

式中：g——重力加速度值；α——加速度計(jì)輸出軸與重力方向之間的夾角；

k0——最大零偏值。

當(dāng)標(biāo)度因素k1一定時(shí)，k0對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)電壓值或電流值。加速度計(jì)輸出信號(hào)的大小正比于輸出軸與重力加速度計(jì)方向間的夾角。根據(jù)這一原理，將3個(gè)加速度計(jì)按正交方式沿儀器軸線安裝，分別感應(yīng)3個(gè)方向上的重力加速度分量，Gx、Gy、Gz。

井斜角：經(jīng)沿軸線上任一點(diǎn)的井眼切線方向線，與通過該點(diǎn)的重力線之間的夾角。以度為單位。井斜角INC公式：

重力參考值：是用來衡量三路加速度計(jì)傳感器所輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否的標(biāo)準(zhǔn)，理論數(shù)值為1。重力參考值Gtotal公式：

3 磁通門傳感器

3.1 磁通門的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

磁通門是一種用于測(cè)量微弱磁場(chǎng)(如地磁場(chǎng))的傳感器。磁通門傳感器的品種很多,但工作原理基本一樣。磁通門傳感器的磁芯材料多數(shù)選用一些軟磁材料，這些軟磁材料一般具有導(dǎo)磁率高、矯頑力低的特性。在磁芯上繞有驅(qū)動(dòng)線圈和感應(yīng)線圈。將交變電流加載到驅(qū)動(dòng)線圈上，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，可以產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)線圈一致的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)。當(dāng)外界磁場(chǎng)對(duì)與輸入軸方向垂直時(shí)，磁通門輸出為0；當(dāng)外界磁場(chǎng)與磁通門的輸入軸方向不垂直時(shí)，磁芯的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，磁芯的一側(cè)外磁會(huì)與激磁相疊加，使得電磁飽和度增加，磁芯的另一側(cè)外磁與激磁相削減,電磁飽和度減小。在激磁磁場(chǎng)交變的同時(shí)，磁芯從飽和區(qū)發(fā)生線性變化，兩繞組上感應(yīng)大小不同的脈沖電壓，電壓幅值受外界磁場(chǎng)的大小的影響且頻率為激磁頻率的2倍[2]。圖4為磁通門工作原理圖。

3.2 由磁通門傳感器獲得工程參數(shù)

圖4 磁通門工作原理圖

地球本身是一個(gè)帶有N、S兩個(gè)磁極的大球體，使得直流磁場(chǎng)在地球表面上大體比較均勻，在地球表面的任意一點(diǎn)都將磁場(chǎng)的強(qiáng)度分解為水平和垂直2個(gè)分量，設(shè)地球磁場(chǎng)的水平分量為H0，那么H0在2個(gè)正交的探頭上的投影分別為H1和H2，可得φ為地球磁場(chǎng)北極方向與正交分量H1的夾角，當(dāng)H1與聲納基準(zhǔn)重合時(shí)，φ即被測(cè)方位角[3]。圖5為磁通門傳感器測(cè)量坐標(biāo)系。

圖5 磁通門傳感器測(cè)量坐標(biāo)系

3個(gè)正交的磁通門傳感器獲得三路磁場(chǎng)分量Bx、By、Bz。磁通門傳感器的輸出信號(hào)為：

式中：k——常數(shù)，取決于傳感器的結(jié)構(gòu)材料因素；

f——激勵(lì)電流頻率；H0——被測(cè)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)；

Hm——激勵(lì)電流產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)。

方位角：在以井眼軌跡上任一點(diǎn)為原點(diǎn)的平面坐標(biāo)系中，以通過該點(diǎn)的正北方向線為始邊，按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)至該點(diǎn)處井眼方向線在水平面上的投影線為終邊，其所轉(zhuǎn)過的角度稱為該點(diǎn)的方向角，以度為單位。方位角Az公式：

磁力參考值：是用來衡量三路磁通門傳感器所輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否的標(biāo)準(zhǔn)，理論數(shù)值為55。磁力參考值Btotal公式：

4 傳感器的校正

4.1 傳感器的安裝校正

加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器都是探管提供工程參數(shù)必不可少的敏感器件。在實(shí)際的應(yīng)用中，加速度計(jì)的安裝誤差是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要因素，雖然可以通過補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)安裝誤差進(jìn)行校正，但其補(bǔ)償精度又主要取決于安裝精度本身，而且大多數(shù)加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器被封裝，這就無法用機(jī)械或光學(xué)的方法進(jìn)行坐標(biāo)系匹配[4]。

定向探管要做到3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)磁通門三軸正交，一般分為如下步驟：首先用水準(zhǔn)儀調(diào)整標(biāo)定架至水平狀態(tài)，固定標(biāo)定架；其次將定向探管固定在標(biāo)定架上，連接定向探管到計(jì)算機(jī)，打開計(jì)算機(jī)，執(zhí)行程序；最后在固定角度將加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器逐個(gè)安裝調(diào)試，直至做到傳感器三軸正交，采用方法一用鋼螺栓將加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器固定在測(cè)點(diǎn)。

經(jīng)安裝校正后的定向探管重新測(cè)量，保證井斜角的標(biāo)準(zhǔn)值與探管輸出值的最大誤差為±0.1°。

4.2 傳感器的溫度補(bǔ)償校正

加速度計(jì)傳感器和磁通門傳感器作為敏感測(cè)量器件，溫度與傳感器輸出信號(hào)呈良好的線性變化。

加速度計(jì)傳感器溫度誤差產(chǎn)生的原因主要有：（1）由于溫度升高，會(huì)使力矩器線圈變大而包圍更多的磁通，這將使加速度計(jì)傳感器的非線性誤差增大；（2）石英撓性加速度計(jì)的熱不平衡會(huì)使支臂產(chǎn)生微小形變，引起信號(hào)零位漂移，使零偏值改變；（3）加速度計(jì)封裝殼體內(nèi)部的溫度梯度會(huì)改變空氣粘度，使加速度計(jì)的零偏值發(fā)生微小改變。

磁通門傳感器溫度誤差產(chǎn)生的原因主要由：（1）由于溫度升高，會(huì)使磁芯材料磁通發(fā)生微小改變，使磁通門傳感器的非線性誤差增大；（2）磁通門傳感器內(nèi)部熱補(bǔ)平衡有可能導(dǎo)致外磁和激磁飽和度發(fā)生微小改變[5]。

溫度補(bǔ)償是將定向探管放置在不同溫度條件下，記錄3個(gè)加速度計(jì)傳感器和3個(gè)磁通門傳感器輸出的信號(hào)，利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，將輸出信號(hào)補(bǔ)償為常溫下輸出信號(hào)。進(jìn)而提高定向探管的測(cè)量精度。

5 結(jié)論

隨著定向井、水平井的日益增多以及要求精度的提高，定向探管的重要性越來越突出。降低鉆井成本的持續(xù)需求,促使了定向探管等新技術(shù)的產(chǎn)生。定向探管采用高精度的石英撓性加速度計(jì)和磁通門傳感器，經(jīng)過嚴(yán)格的安裝校正和溫度補(bǔ)償校正，能夠適應(yīng)井下的惡劣環(huán)境，實(shí)時(shí)傳送測(cè)量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)鉆進(jìn)。降低鉆井成本，提高鉆井效率。