磁阻傳感器在六臂井徑測井儀中的應(yīng)用

陳國棟, 王 祥, 王建紅, 王佰仲, 石 權(quán)

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201；2.中國石油 冀東油田公司，河北 唐山 063004)

應(yīng)用技術(shù)

磁阻傳感器在六臂井徑測井儀中的應(yīng)用

陳國棟1, 王 祥1, 王建紅1, 王佰仲2, 石 權(quán)2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201；2.中國石油 冀東油田公司，河北 唐山 063004)

磁阻傳感器具有體積小、易安裝，可以不直接接觸被測物等優(yōu)點，介紹了一種基于磁阻傳感器用于測量裸眼井井徑的六臂井徑測井儀實現(xiàn)原理,分析了誤差影響因素。經(jīng)實驗測試，結(jié)果表明：基于磁阻傳感器的六臂井徑測井儀在測量精度可以達(dá)到2.5 mm，其分辨率以及儀器的可靠性與保養(yǎng)性等相對于傳統(tǒng)測井儀優(yōu)勢明顯，具有很高的應(yīng)用推廣價值。

磁阻效應(yīng)； 六臂井徑測井儀； 角度傳感器

0 引 言

在石油測井中，目前裸眼井的井眼直徑測量常使用的傳統(tǒng)井徑測井儀最多只能提供兩條直徑曲線，對于井眼的分辨率不夠高，沒有辦法實現(xiàn)井眼的曲面擬合，而且它們基本都是利用電位器式位移傳感器來測量，由于電位器內(nèi)部有機械觸點，會產(chǎn)生摩擦損耗，而且井下所用位移式電位器通常都需要皮囊注油密封，這就導(dǎo)致儀器的穩(wěn)定性能和保養(yǎng)性能以及酸堿環(huán)境下的測井作業(yè)適應(yīng)性存在一定問題。

本文利用磁阻傳感器體積小、易安裝以及不與被測物直接接觸的特點，研制出一種六臂井徑測井儀，可以提供獨立的6條井眼半徑曲線提高了井徑測量分辨率，從而可以實現(xiàn)對井眼的擬合成像。由于傳感器不與被測物接觸，顯著提高了儀器的可靠性與工作環(huán)境適應(yīng)性，使儀器極具推廣價值。

1 磁阻傳感器的角度測量原理

磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)，即當(dāng)外部磁場平行于傳感器內(nèi)部電流所形成的磁場時，傳感器內(nèi)部電阻不發(fā)生變化；當(dāng)外部磁場與內(nèi)部磁化方向不一致時，電阻大小發(fā)生變化。磁阻傳感器可以反映外部磁場方向的變化，從而實現(xiàn)角度的測量[1～6]。它的優(yōu)點是被測對象與傳感器非接觸，無機械摩擦和腐蝕等，因此，傳感器可以長時間穩(wěn)定可靠的工作。

本儀器所用磁阻傳感器有2組雙臂電橋，每組電橋由4只薄膜合金電阻器構(gòu)成，如圖1所示。每個薄膜合金電阻根據(jù)各向異性磁阻效應(yīng)，受外部磁場影響電阻會發(fā)生變化，其計算的經(jīng)驗公式可以由式(1)來表述

(1)

式中 R為內(nèi)部電流與磁化方向夾角為θ時的電阻，R0為電流垂直于磁化方向(θ=90°)時的電阻率[7]。從圖1中可以看出，兩兩相對的電阻方向平行，因此施加外部磁場對它們電阻變化的影響是一致的，從而使電橋兩臂中點電壓不平衡形成電勢差，而且這個電勢差與磁場方向的變化從式(1)可以看出存在正弦相關(guān)性，見圖1(b)，可以看到外部磁場周期變化時傳感器電勢差的輸出呈正弦曲線變化。

如圖1(a)所示，傳感器內(nèi)部的橋A和橋B在同一平面上且嚴(yán)格相差45°，當(dāng)有一外部磁場平行于電橋所在的平面施加到橋A和橋B上時，則兩個橋都會形成電勢差，設(shè)為Ua與Ub，如電橋外加電源電壓為US，則可得

(2)

同理,可得

(3)

圖1 磁阻雙橋示意圖Fig 1 Double bridge diagram of magnetoresistive sensor

由于磁阻傳感器在外部磁場變化時本身輸出信號的幅度較小不利于高精度的采集與處理，因此需要對信號進行前端放大處理，見圖1(a)。同時由于輸出信號存在負(fù)半周，可以在前端放大電路對信號提供一個正電壓偏置將信號全部變?yōu)檎盘?從而方便儀器對信號的處理。本文六臂井徑測井儀將傳感器與信號前端處理電路集成在一起,密封裝入耐壓殼體內(nèi)，可以不直接接觸被測物進行信號測量。

2 六臂井徑測井儀的實現(xiàn)原理

基于磁阻傳感器的六臂井徑測井儀采用單獨的6個臂設(shè)計，如圖2所示，每個臂由上、下2個半臂組成，每個半臂采用可伸縮結(jié)構(gòu)，由安裝的彈簧進行驅(qū)動，無需設(shè)計電機或液壓進行推靠。由于每個半臂都可以獨立伸縮，所以,該儀器既可以上提測量又可以下放測量。

圖2 六臂井徑測井儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of six-arm caliper logging tool

由圖2所示，儀器的每個臂的上、下兩個半臂底部分別用銷軸固定連接在儀器的機體上，每個半臂可以沿儀器機體徑向以銷軸為圓心進行一個自由度的轉(zhuǎn)動，且每個半臂與機體連接的根部裝有磁環(huán)，作為磁阻傳感器的測量對象。上、下兩個半臂通過一個耐磨滑塊連接，使得兩個半臂形成固定的三角幾何關(guān)系。儀器在井下拖動的過程中，由于兩個半臂彈簧的壓力，耐磨塊與井壁緊密接觸并且隨著井眼直徑的大小使兩個半臂發(fā)生壓縮或者拉伸，同時也使得兩個半臂與機體軸線之間的角度發(fā)生變化，磁阻傳感器可以通過每半臂根部安裝的磁環(huán)精確的測量出這個角度從而可以算出將井眼呈60°劃分的六個臂所測半徑，從而最終得到三條直徑。

由于上、下兩個半臂與機體的連接位置是固定的，即圖1中兩個被測磁環(huán)中心位置之間的距離固定不變，設(shè)其距離為L。當(dāng)連接兩個半臂的耐磨塊緊貼井壁隨井眼大小移動時，每個臂的內(nèi)部彈簧發(fā)生形變壓縮或拉伸，上、下的兩個半臂只能在徑向轉(zhuǎn)動，設(shè)上臂與機體中心軸線的夾角為θ，下臂與機體中心軸線的夾角為β。耐磨塊與機體軸線之間的距離設(shè)為R，實際上當(dāng)儀器在井眼中如果處于居中位置，則此時R就是井眼的半徑，但通常井下儀器所處姿態(tài)都不在理想狀況，因此需要根據(jù)相對的兩條算出井眼的直徑。根據(jù)每條臂所構(gòu)成的三角幾何關(guān)系，由如下公式(4)和式(5)就可以求得井眼的直徑D

(4)

(5)

(6)

式中 x如圖1所示，為上、下兩個半臂構(gòu)成三角幾何關(guān)系中上臂在機體軸線上的投影長度，其中θ與β可以由磁阻傳感器通過測量上、下兩個半臂根部的磁環(huán)所得，因此聯(lián)立式(4)與式(5)，即可算出R。即可得到兩兩對稱臂的耐磨塊距離機體軸線的距離也就是井壁距離儀器機體中心的距離分別為R1和R2，則可如式(6)所示算出井眼直徑D。最后六臂井徑測井儀的六條臂可以測得三條獨立的井眼直徑曲線。

3 儀器的刻度方法與精度影響因素分析

通過與方位儀器的組合，六臂井徑測井儀可以對井眼進行三維立體擬合成像，從而可以更直觀真實地反映井眼情況，為后期的處理解釋提供更有力的依據(jù)(見圖3)。理論上來說，六臂井徑測井儀可以不需要刻度，但由于磁阻傳感器的制作工藝限制，零位存在一定的偏移電壓，因此，在使用前都需要對儀器進行刻度。與傳統(tǒng)的井徑儀器刻度不同，本文的六臂井徑測井儀采兩點刻度法。利用兩個大小不同尺寸的刻度環(huán)進行刻度，并且刻度時要求刻度環(huán)處于兩臂正中間。其原理如下：

設(shè)大小環(huán)的半徑尺寸分別為R1與R2，當(dāng)環(huán)處于正中間位置時，根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)可知各組上下兩臂張開的角度都一致，則對應(yīng)大小環(huán)的角度分別為α1與α2。從圖2中儀器的結(jié)構(gòu)可以看出

本文采用的磁阻傳感器的角度分辨率可以達(dá)到0.05°，根據(jù)式(6)，可以算出本文六臂井徑測井儀的直徑測量最高分辯精度為ΔD=2·ΔR=2·x·tan0.05°=L·tan0.05°，其中，L是上、下兩個半臂末端測量點之間的距離，本文設(shè)計數(shù)據(jù)為L=1 120mm，因此可得最高分辨精度ΔD≈0.977mm。但實際上由于機械部件的加工與裝配誤差，以及刻度時很難達(dá)到最理想的刻度狀態(tài)也會造成誤差，同時由于耐磨塊在測井時一直與井壁接觸產(chǎn)生摩擦損耗在測井過程也會帶來一定的誤差。此外磁阻傳感器對磁場非常敏感，在井下也會受外部磁場的影響造成一定偏差。本文設(shè)計的六臂井徑測井儀的最終精度可以達(dá)到2.5mm，遠(yuǎn)高于目前傳統(tǒng)裸眼井井徑測量儀器12mm的測量精度。

4 實驗驗證與應(yīng)用

基于磁阻傳感器的六臂井徑測井儀，由于磁阻傳感器沒有機械觸點，與被測對象不發(fā)生機械接觸與摩擦，因此，可以在最大耐溫175 ℃下連續(xù)工作10h，其最大耐壓為140MPa，井徑測量精度可達(dá)2.5mm，并且可用于含硫化氫等腐蝕性惡劣井況。 為了驗證儀器測量精度，分別利用直徑不同的套管進行了驗證，得到六臂井徑測井儀在不同直徑下的三組直徑實驗數(shù)據(jù)見表1。

本文的六臂井徑測井儀現(xiàn)已經(jīng)過大量的實井測試并且已經(jīng)投入使用。圖3是此儀器在中海油燕郊科索—1井實際測試的井徑曲線數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，三條井徑曲線擬合后的三維井徑模型真實直觀地反映了井眼形態(tài)。此儀器

表1 六臂井徑測井儀測量誤差(mm) Tab 1 Measurement error of six-arm caliper logging tool

先后投入南海西部油田的探井作業(yè)和中海油東方區(qū)塊某高溫高壓井多次作業(yè)中，獲得的測井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié) 論

從實驗數(shù)據(jù)與應(yīng)用效果可以看出：基于磁阻傳感器的六臂井徑測井儀無論從井眼分辨率、井徑測量精度，還是井況適應(yīng)性以及保養(yǎng)便捷性上，相對于傳統(tǒng)裸眼井井徑測量儀器優(yōu)勢明顯，具有廣闊的市場前景與應(yīng)用價值。

[1] Freitas P P,Ferreira R,Cardoso S,et al.Magnetoresistive sensor[J].Journal of Physics Condensed Matter,2007,19(1):9-19.

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[7] Freitas P P,Ferreira R,Cardoso S,et al.Magnetoresistive sensor-s[J].Journal of Physics Condensed Matter,2007,19(1):9-19.

王 祥,通訊作者,E—mail:wangxiang4@cosl.com.cn。

Application of magnetoresistive sensors in six-arm caliper logging tool

CHEN Guo-dong1, WANG Xiang1, WANG Jian-hong1, WANG Bai-zhong2, SHI Quan2

(1.China Oilfield Services Co Limited,Sanhe 065201,China;2.Jidong Oilfield Company，Petro China,Tangshan 063004,China)

Magnetroresistive sensor has advantages that it can be easily installed,small volume and non-contact with measured objects directly.A new type of six-arm caliper logging tool based on magnetroresistive sensors which can measure diameters of open hole is introduced,and effect factor of measurement error has been analyzed.Through experimental test,results show that measurement precision of six-arm caliper logging tool can reach 2.5 mm,it has some obvious advantages on resolution and reliability and maintenance,compared with traditional logging tool,thus it has a broad prospect of popularization and application.

magnetoresistive effects; six-arm caliper logging tool; angular sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0150—04

2015—10—12

TP 212

A

1000—9787(2016)07—0150—04

陳國棟(1963-)，男，山東煙臺人，高級工程師，從事測井儀器的研制工作。