基于重力加速度传感器与磁通门的测井测斜仪

曾自强 王玉菡 高建华

(1.川庆钻探测井公司 重庆) (2.重庆理工大学 重庆)

基于重力加速度传感器与磁通门的测井测斜仪

曾自强1王玉菡2高建华1

(1.川庆钻探测井公司 重庆) (2.重庆理工大学 重庆)

文章介绍了测井测斜仪中的重力加速度传感器与磁通门的测量原理及测斜仪的结构设计,在此基础上推导出了井斜角、方位角、相对方位角的数学模型,并给出了信号处理电路。

重力加速度;磁通门;井斜;方位;相对方位

0 引 言

测斜技术是一种确定物体在空间的倾斜和倾向的专门技术,广泛应用于各种工程,而在实际工程中应用最多的是地球重力加速度计传感器。这种方法以地球重力场为垂直方向,磁北为北,水平东为东来确立一个大地三维空间坐标,在这个坐标中,利用传感器可以确立物体的倾角及方位。现代测井中也是利用这个原理来实现对下井仪器倾角的实时测量。测井仪器中通常采用的是3+3组合,即三个加速度计和三个磁通门磁力计。

1 测量原理

1.1 重力加速度计传感器测量原理[1、2]

石英挠性重力加速度计传感器构造如图1所示。

图1 石英加速度传感器构造图

传感器由表头和伺服电路组成。表头由敏感加速度质量组件、绕性梁、电容传感器和壳体组成。伺服电路由前置放大器和功率放大器组成。敏感加速度的质量组件由石英动极板及力发生器线圈组成,并由石英挠性梁弹性支承,其稳定性极高。固定于壳体的两个石英定极板与动极板构成差动结构,两极面均镀金属膜形成电极。由两组对称E形磁路与线圈构成的永磁动圈式力发生器,互为推挽结构,大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。当有加速度作用于其轴向时,质量组件敏感被测加速度,使电容传感器产生相应输出,经测量电路转换成比例电流输入力发生器,使其产生一电磁力与质量组件的惯性力精确平衡,迫使质量组件随被加速的载体而运动,此时,流过力发生器的电流,即精确反映了被测加速度值。

1.2 磁通门传感器测量原理[3、4]

图2 磁通门传感器构造图

磁通门传感器的基本原理服从法拉第电磁感应定律,其结构如图2所示。它由激励线圈、高导磁率铁芯和感应线圈组成。激励电流I(t)产生激励磁场,铁心处于周期性饱和状态。铁心处于饱和状态时磁导率下降,在低频或不变的弱磁场环境下,感应线圈上的输出感应电动势V(t)中只包含电流频率的奇次倍谐波;当有个与铁心轴向平行的环境磁场时,由于磁导率变化使输出中含有电流频率偶次倍的谐波,且这个偶次谐波的幅值正比于轴向上的磁场分量。为了提高精度,常常采用差分输出,使激励电流产生的奇次谐波分量被抵消掉,而偶次谐波则被叠加。

1.3 测斜仪构造

测斜仪是测井仪器串中专门用于测量仪器井斜和方位的仪器。它由传感器、电子线路和仪器外壳组成。传感器中包含3个相互正交的加速度传感器、磁力计和一个温度传感器。加速度传感器和磁力计用来计算井斜和方位,温度传感器用来实时监控仪器内的温度。传感器的放置如图3所示。

图3 测斜仪构造图

2 数学模型[5～8]

为了获取仪器的井斜和方位,我们需要建立两个坐标系:仪器坐标系和地理坐标系,如图4所示。仪器坐标系以仪器轴向为Z′,仪器一号极板为X′,仪器二号极板为Z轴,三者之间相互垂直。重力加速度G在3个方向上的分量为gx,gy,gz;地磁场M在3个磁通门传感器上的分量为mx,my,mz。向量G和M在仪器坐标系中是变化的。地理坐标系由磁北为X正向、水平东向的Y正向和G的反方向Z组成,它们之间彼此正交。倾角θ为仪器轴线与垂向的夹角,图中为OZ与OZ′所成的夹角。方位角α为仪器的轴线在水平面上的投影与正北方向的顺时针夹角,图中为平面OZZ′与水平面OXY的交线OO1和地理坐标系中的正北方向OX的夹角。β为相对方位,反映的是仪器自身的旋转程度,在图中为平面OZZ′与平面OX′Y′的交线OO2顺时针和OX′所成的夹角。

图4 坐标图

2.1 倾角计算方法

重力g在地理坐标系中的坐标为(0,0,-g),g根据空间坐标的转换规则,我们可以把地理坐标变到仪器坐标,可得如下变换:

根据上面的式子我们可以得到关于gx,gy,gz的3个式子:

2.2 方位计算方法

令磁场H在OX上的分量为h,在OZ轴上的分量为h,则有H(h,0,h),同理可得到方位角。

若H1＜0,H2＞0,则270°＜α＜360°

象限图如图5所示。

图5 象限图

3 信号处理电路

测井井斜仪器中包含4个电路部分,如图 6所示。

电源板 电源部分给仪器提供+5 V和±12 V电压;

控制板 控制板是整个仪器的核心部分,起着控制作用,控制着仪器与地面系统的通讯、模拟信号的获取和地址编码;

图6 信号处理电路框图

模拟板 模拟板对传感器传来的信号进行滤波、多路选择和A/D转换,主要包括6道滤波电路,1个多路开关电路,1个采样保持电路,1个数据采集电路和一些辅助电路;

遥测板 该电路负责与地面系统的通讯。

4 结束语

基于地球重力场和磁力场的测斜技术具有简单、实时、精度高、易维修的特点。在实际测井应用中与其它仪器组合取得了很好的效果。但是这种仪器由于传感器精密度高,所以不能剧烈震动和碰撞,也不能与强磁性物质放在一起,以免影响传感器精度,尤其是在仪器进行调校时,周围严禁强磁场的存在。而且这种传感器是整体器件,如果出现问题只能返厂维修。这种测斜仪还需定期在特制的校验台上进行校验,以确定仪器的工作状态,将误差控制在一定范围内,如果超出范围,将需要对仪器进行调整。

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Orientation tool for well logging based on gravity acceleration sensor and fluxgate.

Zeng Ziqiang,Wang Yuhan and Gao Jianhua.

In this paper,the measurement principle of gravity acceleration sensor and fluxgate in well logging are introduced,and structure design are elaborated.The mathematical formula of computing well deviation,azimuth,relative bearing are deduced.At the same time,the circuit of singal process is introduced.

Gravity acceleration;Fluxgate;Deviation;Azimuth;Relative bearng

P631.8+1

B

1004-9134(2011)04-0038-03

曾自强,男,1979年生,工程师,2002年毕业于西安石油大学测控技术及仪器专业,现在川庆钻探测井公司从事仪器维修工作。邮编:400020

2011-03-01编辑姜 婷)

PI,2011,25(4):38～40