加速度计与磁通门在定向探管中的应用

王志伟

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

随着石油开采的难度越来越大，定向井成为一种必不可少的石油开采钻井方法。为了保证钻具能够在井下按照设计油层施工，随钻测量仪器的重要性就日益凸显。基于石英挠性加速度计传感器和磁通门传感器的定向探管利用单片机的数据补偿能力及数据存储能力的优势,可以使定向探管测量精度及应用范围进一步得到提高,它不但可进行单点测量与多点测量,而且在增加不同的数据传输模块后还可进行无线测量，提供有关钻头前进方向的数据。利用这些由定向探管采集的数据，可以保证高质量地完成设计好的井身轨迹的定向井和水平井。

1 定向探管的基本结构

定向探管利用重力加速度计传感器和磁通门传感器连续测量井下仪器所处状态下的重力场和磁力场参数，从而计算出井身的井斜角和方位角等工程参数并通过泥浆脉冲器传输到地面仪器中,地面仪器实时地连续记录被测井井深对应的井斜、方位、井温等工程参数。

定向探管主要由2部分组成：电子电路模块和传感器模块。

电子电路模块主要分为4个部分：电源电子电路模块、主控电子电路模块、信号电子电路模块、振动电子电路模块。

传感器模块主要分为：加速度计传感器和磁通门传感器。见图1。

图1 定向探管的组成部分

定向探管作为一个提供定向井工程参数的测量短节，主要提供井斜角、方位角、高边工具面、磁性工具面和温度等工程参数，这些参数能够保证不论定向探管处于哪种状态，都能够通过加速度计传感器和磁通门传感器确定井下仪器在空间中的唯一状态[1]。

2 加速度计传感器

2.1 加速度计传感器的基本结构及工作原理

石英挠性加速度计是一种摆式加速度计，通过在某种类型的挠性支撑上弹性的联结它的摆组件，使得石英挠性加速度计在输入轴方向的刚度极小。石英挠性加速度计是由表头和伺服电路组成的。石英挠性表头主要由整体石英挠性摆组件、差动电容传感器、力矩器、壳体等部分组成，整体石英挠性摆组件由中心盘、安装环、连接中心盘和安装环的2个挠性平桥以及固定在中心盘上的2个铝制骨架力矩线圈组成。伺服电路的主要组成部分是基准三角波发生器、跨导补偿放大器、差动电容检测器、电压调节器和电流积分器等。图2为石英挠性加速度计的工作原理。

图2 石英脑性加速度计的工作原理

2.2 由加速度计传感器获得工程参数

定向的倾斜度可以用定向探管与水平面的夹角U来表示，但往往测量与垂直面的夹角λ，再通过互余（U=90°-λ）计算来确定与垂直面的夹角（图3），即重力方向。因此通过测量实际重力在井下仪器轴向的分量值，便可确定定向探管的倾斜度。重力加速度计测量的分量G与角λ同实际重力加速度g的关系为：

上式中重力加速度信号梯度的绝对误差将导致倾斜度的计算误差，尤其在倾斜度接近±90°时，测量值的微小误差通过上式的计算将导致极大的误差。因此建立以定向探管轴向为基准的三维正交重力加速度计的测量系统坐标系，便可通过3个分量Gx、Gy、Gz的合成计算，准确地计算出井斜。

图3 定向探管轴向与测量系统坐标系

三分量合成计算主要是由3个加速度计传感器三轴正交测量数据完成的，3个正交安装的加速度计，可准确测量出重力加速度在3个方向上分量，通过矢量合成计算出重力加速度g，并转换成对用的电压或电流信号输出。加速度计输出信号u为：

式中：g——重力加速度值；α——加速度计输出轴与重力方向之间的夹角；

k0——最大零偏值。

当标度因素k1一定时，k0对应的就是一个电压值或电流值。加速度计输出信号的大小正比于输出轴与重力加速度计方向间的夹角。根据这一原理，将3个加速度计按正交方式沿仪器轴线安装，分别感应3个方向上的重力加速度分量，Gx、Gy、Gz。

井斜角：经沿轴线上任一点的井眼切线方向线，与通过该点的重力线之间的夹角。以度为单位。井斜角INC公式：

重力参考值：是用来衡量三路加速度计传感器所输出的数据准确与否的标准，理论数值为1。重力参考值Gtotal公式：

3 磁通门传感器

3.1 磁通门的基本结构及工作原理

磁通门是一种用于测量微弱磁场(如地磁场)的传感器。磁通门传感器的品种很多,但工作原理基本一样。磁通门传感器的磁芯材料多数选用一些软磁材料，这些软磁材料一般具有导磁率高、矫顽力低的特性。在磁芯上绕有驱动线圈和感应线圈。将交变电流加载到驱动线圈上，根据电磁感应原理，可以产生与驱动线圈一致的驱动磁场。当外界磁场对与输入轴方向垂直时，磁通门输出为0；当外界磁场与磁通门的输入轴方向不垂直时，磁芯的状态就会发生变化，磁芯的一侧外磁会与激磁相叠加，使得电磁饱和度增加，磁芯的另一侧外磁与激磁相削减,电磁饱和度减小。在激磁磁场交变的同时，磁芯从饱和区发生线性变化，两绕组上感应大小不同的脉冲电压，电压幅值受外界磁场的大小的影响且频率为激磁频率的2倍[2]。图4为磁通门工作原理图。

3.2 由磁通门传感器获得工程参数

图4 磁通门工作原理图

地球本身是一个带有N、S两个磁极的大球体，使得直流磁场在地球表面上大体比较均匀，在地球表面的任意一点都将磁场的强度分解为水平和垂直2个分量，设地球磁场的水平分量为H0，那么H0在2个正交的探头上的投影分别为H1和H2，可得φ为地球磁场北极方向与正交分量H1的夹角，当H1与声纳基准重合时，φ即被测方位角[3]。图5为磁通门传感器测量坐标系。

图5 磁通门传感器测量坐标系

3个正交的磁通门传感器获得三路磁场分量Bx、By、Bz。磁通门传感器的输出信号为：

式中：k——常数，取决于传感器的结构材料因素；

f——激励电流频率；H0——被测磁场场强；

Hm——激励电流产生的激励磁场。

方位角：在以井眼轨迹上任一点为原点的平面坐标系中，以通过该点的正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点处井眼方向线在水平面上的投影线为终边，其所转过的角度称为该点的方向角，以度为单位。方位角Az公式：

磁力参考值：是用来衡量三路磁通门传感器所输出的数据准确与否的标准，理论数值为55。磁力参考值Btotal公式：

4 传感器的校正

4.1 传感器的安装校正

加速度计传感器和磁通门传感器都是探管提供工程参数必不可少的敏感器件。在实际的应用中，加速度计的安装误差是影响系统测量精度的一个重要因素，虽然可以通过补偿的方法对安装误差进行校正，但其补偿精度又主要取决于安装精度本身，而且大多数加速度计传感器和磁通门传感器被封装，这就无法用机械或光学的方法进行坐标系匹配[4]。

定向探管要做到3个加速度计和3个磁通门三轴正交，一般分为如下步骤：首先用水准仪调整标定架至水平状态，固定标定架；其次将定向探管固定在标定架上，连接定向探管到计算机，打开计算机，执行程序；最后在固定角度将加速度计传感器和磁通门传感器逐个安装调试，直至做到传感器三轴正交，采用方法一用钢螺栓将加速度计传感器和磁通门传感器固定在测点。

经安装校正后的定向探管重新测量，保证井斜角的标准值与探管输出值的最大误差为±0.1°。

4.2 传感器的温度补偿校正

加速度计传感器和磁通门传感器作为敏感测量器件，温度与传感器输出信号呈良好的线性变化。

加速度计传感器温度误差产生的原因主要有：（1）由于温度升高，会使力矩器线圈变大而包围更多的磁通，这将使加速度计传感器的非线性误差增大；（2）石英挠性加速度计的热不平衡会使支臂产生微小形变，引起信号零位漂移，使零偏值改变；（3）加速度计封装壳体内部的温度梯度会改变空气粘度，使加速度计的零偏值发生微小改变。

磁通门传感器温度误差产生的原因主要由：（1）由于温度升高，会使磁芯材料磁通发生微小改变，使磁通门传感器的非线性误差增大；（2）磁通门传感器内部热补平衡有可能导致外磁和激磁饱和度发生微小改变[5]。

温度补偿是将定向探管放置在不同温度条件下，记录3个加速度计传感器和3个磁通门传感器输出的信号，利用单片机的数据补偿和数据存储能力，将输出信号补偿为常温下输出信号。进而提高定向探管的测量精度。

5 结论

随着定向井、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来越突出。降低钻井成本的持续需求,促使了定向探管等新技术的产生。定向探管采用高精度的石英挠性加速度计和磁通门传感器，经过严格的安装校正和温度补偿校正，能够适应井下的恶劣环境，实时传送测量数据，指导钻进。降低钻井成本，提高钻井效率。