基于LVDT传感器的过钻杆四臂井径测井仪器研制*

童茂松，曹宇欣，史金安，历程军，孙旭光，顾鹏程

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

油田开发后期，勘探开发对象越来越复杂，水平井、三维绕障井以及大位移井逐年增多，水平位移长，技术套管浅，井况复杂、恶劣，常规的水平井与大斜度井测井工艺不能满足要求。过钻杆测井系统为大斜度井、大位移水平井、复杂井的测井资料采集提供了有力的手段。过钻杆测井工艺属于存储式测井工艺，采用钻井液泵送方法，电缆带着测井仪器在钻具水眼内穿行，直至释放到裸眼段；依靠吊挂系统在钻具内着陆后，吊挂系统分离；起钻测井，数据存储在井下存储短节内；目的层测井结束后，将仪器收回至地面，进行数据读取与处理。采用该工艺，能够实现“钻具到哪里就能测到哪里的目标”[1]。

与常规电缆测井工艺相比，过钻杆测井工艺对仪器的要求非常严格[2-4]：一方面要求过钻杆测井仪器的外径要足够小，以便穿过钻具内部的水眼；第二方面要求过钻杆测井仪器要具有相应的机械强度，因为仪器输送过程中的振动以及过钻杆测井系统应用于复杂井况下，钻井卡钻时需要上下活动钻具；第三方面，要求测井仪器要具有充分的可靠性，因为过钻杆存储测井时间单井次24h左右，测井仪器在井下工作时间长(常常达到18h)，远大于电缆测井时间，而且如果一次测井不成功，第二次测井的工作量几乎与第一次测井相同。

为了满足以上要求，过钻杆测井仪器的外径设计为57mm。由于其内部空间狭小，增加了机械设计的难度，而且在传感器选型方面要充分考虑小型化、高可靠、高精度[3]。

过钻杆四臂井径测井仪器采用4个独立井径支臂，分别实时测量4个方位的井径，计算井眼的椭圆度，进而计算井眼体积，为固井提供精确的水泥量数据。当在大斜度井中测井仪器串较长时，四臂井径可用于仪器的偏心校正。该仪器主要由推靠传动部分和井径测量部分组成，推靠传动部分在地面仪的控制下完成测量臂的收放功能。井径测量由放开的四个测量臂各自独立随被测井眼的大小自由运动，每个测量臂带动一个位移传感器，其变量正比于井径测量臂收放程度，进而得到井径值。常规的井径测井仪器的位移传感器采用拉杆电位器，使用中故障率偏高，尤其严重的是，随着使用时间的加长，该电位器会出现老化、疲劳，发生温度漂移、非线性、磨损损坏等现象[5]，不能满足过钻杆四臂井径测井仪器的可靠性要求，为此，在过钻杆四臂井径测井仪器中，采用线性可变差动变压器(LVDT，Variable Differential Transformer)，实现位移测量，进而得到井径值。

1 LVDT传感器基本原理

LVDT传感器属于非接触电感式传感器，结构简单、工作可靠、线性度好、测量灵敏度与精度高，温度能够达到220℃，且体积可以足够小[6-7]，能够满足过钻杆四臂井径测井仪器的要求。

过钻杆四臂井径测井仪器采用定制的LVDT传感器，为三段式结构，主要由移动铁芯、初级线圈(1个)、次级线圈(2个)、导磁外壳、骨架等组成，如图 1所示。其中将两个次级线圈反向串接，使得次级线圈为差动输出，这样可以消除部分高次谐波分量，从而使零点残余电压较小，线性度较高。初级线圈和次级线圈缠绕在骨架上，线圈内有一个可以随意移动的铁芯。当铁芯处于平衡状态时，两个次级线圈产生的感应电动势大小相等，方向相反，输出电压为零。当铁芯移动偏离平衡位置时，两个次级线圈产生的感应电动势大小不等，输出电压不为零，其大小为两个次级线圈的输出电压之差，电压大小取决于位移量的大小，它们成线性关系[7]。

图1 LVDT结构示意图

实际使用中，为了精确测量外部位移的变化，LVDT直接安装于连杆上，该连杆与支臂连接，将支臂的张开与收拢转换为连杆的伸缩，带动传感器内部铁芯移动，两个次级线圈的输出电压(VA、VB)发生变化。过钻杆测井系统的耐温达到175℃，其工作温度变化范围较大，由于磁芯的磁通量与线圈特性的温漂、激励信号幅度波动等因素，差分输出(VA-VB)对井径测量结果产生影响，降低了测量精度。而采用输出信号幅度的差和之比(VA-VB)/(VA+VB)，该比值与铁芯位移成正比，能有效降低温漂与激励信号波动的影响[8]。

2 基于LVDT的井径测量电路设计

2.1 井径测量电路构成

图2所示为过钻杆四臂井径测量的电路框图，主要由通信与管理模块(TCC)、激励单元、四路LVDT传感器、多路选择开关、两路信号测量单元(VA测量单元、VB测量单元)等构成。

TCC模块是过钻杆测井系统的通用模块，其构成如图3所示，由电源转换单元、主控单元(CPU)、存储单元、ADC单元、DAC单元、通讯接口单元(外部通信接口单元、内部通信接口单元)组成。主要负责仪器管理(监控、模拟量采集、数据整理)、与外部的通信(上传测井数据、接受命令)以及数据存储。该模块采用标准化设计，适度冗余，调整内部程序以及端口配置，可以满足所有测井仪器的需要。

图2 井径测量电路框图

图3 通信与管理模块构成示意图

在四臂井径测井过程中，由TCC的一个IO端口产生2.5kHz的类正弦波，经过激励单元后，同时加在四路LVDT的初级线圈上，测量四路LVDT的VA和VB信号，通过两个多路选择开关，分时选择某一个LVDT的VA和VB，送入TCC模块的ADC单元的一个端口，该ADC单元是TCC中的模数转换单元，负责对四臂井径测井仪器测量的模拟信号进行转换，送至CPU处理。其原理框图如图4所示。

图4 ADC单元原理框图

由图4可见，ADC单元电路主要由电压跟随电路、反相电路以及AD转换芯片构成。模拟信号经过电压跟随、放大(放大倍数可调)得到Vin+，同时Vin经过一级反相电路，得到一路幅度相反的电压Vin-；将Vin+与Vin-分别接到AD采样的差分输入端口IN+和IN-，经过AD变换后，得到数字信号，送至CPU进行处理。

2.2 井径测量单元电路设计

2.2.1 激励单元设计

如图5所示，由TCC的IO端口产生的类正弦波(DAC-SIN)，经过带通滤波、功率放大后，达到2.5kHz的正弦波，作为激励源，加在4个LVDT传感器的初级线圈上。

图5 LVDT激励电路框图

2.2.2 多路选择开关

采用AD公司的ADG1409芯片，该芯片为一款单芯片 iCMOS模拟多路复用器。iCMOS (工业CMOS)工艺，是一种模块式制造工艺，集高电压CMOS(互补金属氧化物半导体)与双极性技术于一体。利用这种工艺，实现以往的高压器件所无法实现的尺寸。与采用传统CMOS工艺的模拟IC不同， iCMOS 器件不但可以承受高电源电压，同时还能提升性能、大幅降低功耗并减小封装尺寸。该开关具有超低导通电阻和导通电阻平坦度，对于低失真性能至关重要的数据采集和增益切换应用堪称理想解决方案。基于iCMOS结构的ADG1409可确保功耗极低，尺寸小，因而非常适合于外径小57mm的过钻杆测井仪器，尤其是在存储式测井工艺所需要的仪器中。

ADG1409的原理框图如图6所示，内置4个差分通道，根据两位二进制地址线A0和A1所确定的地址，将4路差分输入之一切换至公共差分输出。均提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断。ADG1409的导通电阻4.7 Ω(最大值，25°C)，连续电流最高达190 mA，3 V逻辑兼容输入，轨到轨工作，先开后合式开关动作。

图6 ADG1409多路复用器原理框图

ADG1409真值表如表1所示[9]。在使用过程中EN置于高电平，通道选择信号(A0、A1)来自于TCC的两个IO口。按照真值表依次改变A1和A0，同步选通4路LVDT中某一个传感器的输出SA和SB。

表1 ADG1409真值表

2.2.3 VA、VB测量单元设计

图7为VA与VB测量单元。如图7所示，经过选择的某一个LVDT传感器的两个次级线圈的感应信号SA和SB，经过电压跟随、放大、整流、滤波和跟随后，得到VA和VB信号，分别送入TCC的两个ADC端口，进行模数转换，得到数字信号，送入TCC的CPU进行处理。

图7 VA与VB测量单元框图

2.3 井径计算

通过测量得到4个LVDT传感器测量信号VA和VB，每个LVDT传感器的 (VA-VB)/(VA+VB)分别与对应支臂张开程度CAL(支臂顶端与仪器轴的垂直距离)成正比，实现了通过LVDT测量井径的目的。井径测量示意图如图8所示。

图8 井径测量示意图(垂直剖面图)

通过4支独立支臂刻度，分别建立CAL与(VA-VB)/(VA+VB)的线性关系：

CALn=kn(VAn-VBn)/(VAn+VBn)

(1)

式(1)中，n=1，2，3，4，分别代表4个支臂；kn为刻度系数。

实际测量每个支臂的(VA-VB)/(VA+VB)，代入该关系式即可求得每个支臂的张开程度CAL。

由4个独立井径臂测量得到4个值(CAL1、CAL2、CAL3、CAL4)，通过CALX=(CAL1+CAL3)，CALY=(CAL2+CAL4)，分别得到X、Y井径，可以得到井眼的椭圆度。另外通过(CALX+CALY)/2即可得到井径的平均值CALB，也就是四臂井径测井的成果输出。

3 室内测试与现场应用

3.1 室内测试

在室温下进行刻度，然后仪器在不同温度下恒温2 h，测量井径环的值。结果表明，过钻杆四臂井径测井仪器耐温指标达到175℃，井径测量范围为57.3～500 mm，相对误差小于±3%，满足现场需求。

3.2 现场应用

过钻杆测井系统采用存储式测井模式，在大庆油田、吉林油田和新疆油田的大斜度井、水平井与复杂井中施工48口井。由于四臂井径测井仪器工作时需要打开支臂，在过钻杆存储测井施工中风险极大，因此仅有12口进行了四臂井径测井。井底温度最高达到148℃，最长井下工作时间23 h，均取得了合格的测井资料。在大庆油田的一口复杂情况大斜度井中进行四臂井径测井，其主要目的是录取井下复杂井段的井径信息，为钻井随后的施工提供资料。在施工中，多次出现起钻遇卡的情况，钻井队上下活动钻具(范围3m)，四臂井径测井仪器起到井口后，一切正常，成功录取合格资料。

采用电缆模式进行小井眼测井施工25口井，其中13口井采用3in(76m)钻头钻井，12口井采用4in(101.6mm)钻头钻井。测井项目包括：双侧向、声波、岩性密度、补偿中子、自然电位、四臂井径、井温、钻井液电阻率、张力，测井成功率100%，资料合格率100%。四臂井径测井仪器为安全测井施工奠定了坚实的基础。在测井施工中，分三串下井，第一串采用四臂井径与自然电位测井，通过对井况进行探测，为随后的电阻率串和放射性串下井提供准确的井径资料。

4 结束语

基于LVDT传感器的过钻杆四臂井径测井仪器具有存储式测井模式和电缆测井模式，稳定可靠，测量精度高，能够满足大位移水平井、大斜度井、复杂井以及小井眼井的测井需求，已经在现场得到应用，取得了较好的效果。