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)計油層施工，隨鉆測量儀器的重要性就日益凸顯。基于石英撓性加速度計傳感器和磁通門傳感器的定向探管利用單片機的數(shù)據(jù)補償能力及數(shù)據(jù)存儲能力的優(yōu)勢,可以使定向探管測量精度及應(yīng)用范圍進一步得到提高,它不但可進行單點測量與多點測量,而且在增加不同的數(shù)據(jù)傳輸模塊后還可進行無線測量，提供有關(guān)鉆頭前進方向的數(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傳感器和磁通門傳感器連續(xù)測量井下儀器所處狀態(tài)下的重力場和磁力場參數(shù)，從而計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,地面儀器實時地連續(xù)記錄被測井井深對應(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個部分：電源電子電路模塊、主控電子電路模塊、信號電子電路模塊、振動電子電路模塊。

傳感器模塊主要分為：加速度計傳感器和磁通門傳感器。見圖1。

圖1 定向探管的組成部分

定向探管作為一個提供定向井工程參數(shù)的測量短節(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 加速度計傳感器

2.1 加速度計傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

石英撓性加速度計是一種擺式加速度計，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在輸入軸方向的剛度極小。石英撓性加速度計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個撓性平橋以及固定在中心盤上的2個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)補償放大器、差動電容檢測器、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的工作原理。

圖2 石英腦性加速度計的工作原理

2.2 由加速度計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，但往往測量與垂直面的夾角λ，再通過互余（U=90°-λ）計算來確定與垂直面的夾角（圖3），即重力方向。因此通過測量實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。重力加速度計測量的分量G與角λ同實際重力加速度g的關(guān)系為：

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

圖3 定向探管軸向與測量系統(tǒng)坐標(biāo)系

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

式中：g——重力加速度值；α——加速度計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，k0對應(yīng)的就是一個電壓值或電流值。加速度計輸出信號的大小正比于輸出軸與重力加速度計方向間的夾角。根據(jù)這一原理，將3個加速度計按正交方式沿儀器軸線安裝，分別感應(yīng)3個方向上的重力加速度分量，Gx、Gy、Gz。

井斜角：經(jīng)沿軸線上任一點的井眼切線方向線，與通過該點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量微弱磁場(如地磁場)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)動線圈和感應(yīng)線圈。將交變電流加載到驅(qū)動線圈上，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，可以產(chǎn)生與驅(qū)動線圈一致的驅(qū)動磁場。當(dāng)外界磁場對與輸入軸方向垂直時，磁通門輸出為0；當(dāng)外界磁場與磁通門的輸入軸方向不垂直時，磁芯的狀態(tài)就會發(fā)生變化，磁芯的一側(cè)外磁會與激磁相疊加，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。在激磁磁場交變的同時，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

地球本身是一個帶有N、S兩個磁極的大球體，使得直流磁場在地球表面上大體比較均勻，在地球表面的任意一點都將磁場的強度分解為水平和垂直2個分量，設(shè)地球磁場的水平分量為H0，那么H0在2個正交的探頭上的投影分別為H1和H2，可得φ為地球磁場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，φ即被測方位角[3]。圖5為磁通門傳感器測量坐標(biāo)系。

圖5 磁通門傳感器測量坐標(biāo)系

3個正交的磁通門傳感器獲得三路磁場分量Bx、By、Bz。磁通門傳感器的輸出信號為：

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

f——激勵電流頻率；H0——被測磁場場強；

Hm——激勵電流產(chǎn)生的激勵磁場。

方位角：在以井眼軌跡上任一點為原點的平面坐標(biāo)系中，以通過該點的正北方向線為始邊，按順時針方向旋轉(zhuǎn)至該點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。在實際的應(yīng)用中，加速度計的安裝誤差是影響系統(tǒng)測量精度的一個重要因素，雖然可以通過補償?shù)姆椒▽Π惭b誤差進行校正，但其補償精度又主要取決于安裝精度本身，而且大多數(shù)加速度計傳感器和磁通門傳感器被封裝，這就無法用機械或光學(xué)的方法進行坐標(biāo)系匹配[4]。

定向探管要做到3個加速度計和3個磁通門三軸正交，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，連接定向探管到計算機，打開計算機，執(zhí)行程序；最后在固定角度將加速度計傳感器和磁通門傳感器逐個安裝調(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傳感器和磁通門傳感器固定在測點。

經(jīng)安裝校正后的定向探管重新測量，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 傳感器的溫度補償校正

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

加速度計傳感器溫度誤差產(chǎn)生的原因主要有：（1）由于溫度升高，會使力矩器線圈變大而包圍更多的磁通，這將使加速度計傳感器的非線性誤差增大；（2）石英撓性加速度計的熱不平衡會使支臂產(chǎn)生微小形變，引起信號零位漂移，使零偏值改變；（3）加速度計封裝殼體內(nèi)部的溫度梯度會改變空氣粘度，使加速度計的零偏值發(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]。

溫度補償是將定向探管放置在不同溫度條件下，記錄3個加速度計傳感器和3個磁通門傳感器輸出的信號，利用單片機的數(shù)據(jù)補償和數(shù)據(jù)存儲能力，將輸出信號補償為常溫下輸出信號。進而提高定向探管的測量精度。

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和磁通門傳感器，經(jīng)過嚴(yán)格的安裝校正和溫度補償校正，能夠適應(yīng)井下的惡劣環(huán)境，實時傳送測量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)鉆進。降低鉆井成本，提高鉆井效率。