基于LVDT傳感器的過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器研制*

童茂松，曹宇欣，史金安，歷程軍，孫旭光，顧鵬程

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

油田開發(fā)后期，勘探開發(fā)對(duì)象越來越復(fù)雜，水平井、三維繞障井以及大位移井逐年增多，水平位移長(zhǎng)，技術(shù)套管淺，井況復(fù)雜、惡劣，常規(guī)的水平井與大斜度井測(cè)井工藝不能滿足要求。過鉆桿測(cè)井系統(tǒng)為大斜度井、大位移水平井、復(fù)雜井的測(cè)井資料采集提供了有力的手段。過鉆桿測(cè)井工藝屬于存儲(chǔ)式測(cè)井工藝，采用鉆井液泵送方法，電纜帶著測(cè)井儀器在鉆具水眼內(nèi)穿行，直至釋放到裸眼段；依靠吊掛系統(tǒng)在鉆具內(nèi)著陸后，吊掛系統(tǒng)分離；起鉆測(cè)井，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在井下存儲(chǔ)短節(jié)內(nèi)；目的層測(cè)井結(jié)束后，將儀器收回至地面，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與處理。采用該工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)“鉆具到哪里就能測(cè)到哪里的目標(biāo)”[1]。

與常規(guī)電纜測(cè)井工藝相比，過鉆桿測(cè)井工藝對(duì)儀器的要求非常嚴(yán)格[2-4]：一方面要求過鉆桿測(cè)井儀器的外徑要足夠小，以便穿過鉆具內(nèi)部的水眼；第二方面要求過鉆桿測(cè)井儀器要具有相應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度，因?yàn)閮x器輸送過程中的振動(dòng)以及過鉆桿測(cè)井系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜井況下，鉆井卡鉆時(shí)需要上下活動(dòng)鉆具；第三方面，要求測(cè)井儀器要具有充分的可靠性，因?yàn)檫^鉆桿存儲(chǔ)測(cè)井時(shí)間單井次24h左右，測(cè)井儀器在井下工作時(shí)間長(zhǎng)(常常達(dá)到18h)，遠(yuǎn)大于電纜測(cè)井時(shí)間，而且如果一次測(cè)井不成功，第二次測(cè)井的工作量幾乎與第一次測(cè)井相同。

為了滿足以上要求，過鉆桿測(cè)井儀器的外徑設(shè)計(jì)為57mm。由于其內(nèi)部空間狹小，增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的難度，而且在傳感器選型方面要充分考慮小型化、高可靠、高精度[3]。

過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器采用4個(gè)獨(dú)立井徑支臂，分別實(shí)時(shí)測(cè)量4個(gè)方位的井徑，計(jì)算井眼的橢圓度，進(jìn)而計(jì)算井眼體積，為固井提供精確的水泥量數(shù)據(jù)。當(dāng)在大斜度井中測(cè)井儀器串較長(zhǎng)時(shí)，四臂井徑可用于儀器的偏心校正。該儀器主要由推靠傳動(dòng)部分和井徑測(cè)量部分組成，推靠傳動(dòng)部分在地面儀的控制下完成測(cè)量臂的收放功能。井徑測(cè)量由放開的四個(gè)測(cè)量臂各自獨(dú)立隨被測(cè)井眼的大小自由運(yùn)動(dòng)，每個(gè)測(cè)量臂帶動(dòng)一個(gè)位移傳感器，其變量正比于井徑測(cè)量臂收放程度，進(jìn)而得到井徑值。常規(guī)的井徑測(cè)井儀器的位移傳感器采用拉桿電位器，使用中故障率偏高，尤其嚴(yán)重的是，隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，該電位器會(huì)出現(xiàn)老化、疲勞，發(fā)生溫度漂移、非線性、磨損損壞等現(xiàn)象[5]，不能滿足過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器的可靠性要求，為此，在過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器中，采用線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT，Variable Differential Transformer)，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，進(jìn)而得到井徑值。

1 LVDT傳感器基本原理

LVDT傳感器屬于非接觸電感式傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、線性度好、測(cè)量靈敏度與精度高，溫度能夠達(dá)到220℃，且體積可以足夠小[6-7]，能夠滿足過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器的要求。

過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器采用定制的LVDT傳感器，為三段式結(jié)構(gòu)，主要由移動(dòng)鐵芯、初級(jí)線圈(1個(gè))、次級(jí)線圈(2個(gè))、導(dǎo)磁外殼、骨架等組成，如圖 1所示。其中將兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接，使得次級(jí)線圈為差動(dòng)輸出，這樣可以消除部分高次諧波分量，從而使零點(diǎn)殘余電壓較小，線性度較高。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈纏繞在骨架上，線圈內(nèi)有一個(gè)可以隨意移動(dòng)的鐵芯。當(dāng)鐵芯處于平衡狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等，方向相反，輸出電壓為零。當(dāng)鐵芯移動(dòng)偏離平衡位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不等，輸出電壓不為零，其大小為兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出電壓之差，電壓大小取決于位移量的大小，它們成線性關(guān)系[7]。

圖1 LVDT結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際使用中，為了精確測(cè)量外部位移的變化，LVDT直接安裝于連桿上，該連桿與支臂連接，將支臂的張開與收攏轉(zhuǎn)換為連桿的伸縮，帶動(dòng)傳感器內(nèi)部鐵芯移動(dòng)，兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出電壓(VA、VB)發(fā)生變化。過鉆桿測(cè)井系統(tǒng)的耐溫達(dá)到175℃，其工作溫度變化范圍較大，由于磁芯的磁通量與線圈特性的溫漂、激勵(lì)信號(hào)幅度波動(dòng)等因素，差分輸出(VA-VB)對(duì)井徑測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，降低了測(cè)量精度。而采用輸出信號(hào)幅度的差和之比(VA-VB)/(VA+VB)，該比值與鐵芯位移成正比，能有效降低溫漂與激勵(lì)信號(hào)波動(dòng)的影響[8]。

2 基于LVDT的井徑測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.1 井徑測(cè)量電路構(gòu)成

圖2所示為過鉆桿四臂井徑測(cè)量的電路框圖，主要由通信與管理模塊(TCC)、激勵(lì)單元、四路LVDT傳感器、多路選擇開關(guān)、兩路信號(hào)測(cè)量單元(VA測(cè)量單元、VB測(cè)量單元)等構(gòu)成。

TCC模塊是過鉆桿測(cè)井系統(tǒng)的通用模塊，其構(gòu)成如圖3所示，由電源轉(zhuǎn)換單元、主控單元(CPU)、存儲(chǔ)單元、ADC單元、DAC單元、通訊接口單元(外部通信接口單元、內(nèi)部通信接口單元)組成。主要負(fù)責(zé)儀器管理(監(jiān)控、模擬量采集、數(shù)據(jù)整理)、與外部的通信(上傳測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、接受命令)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適度冗余，調(diào)整內(nèi)部程序以及端口配置，可以滿足所有測(cè)井儀器的需要。

圖2 井徑測(cè)量電路框圖

圖3 通信與管理模塊構(gòu)成示意圖

在四臂井徑測(cè)井過程中，由TCC的一個(gè)IO端口產(chǎn)生2.5kHz的類正弦波，經(jīng)過激勵(lì)單元后，同時(shí)加在四路LVDT的初級(jí)線圈上，測(cè)量四路LVDT的VA和VB信號(hào)，通過兩個(gè)多路選擇開關(guān)，分時(shí)選擇某一個(gè)LVDT的VA和VB，送入TCC模塊的ADC單元的一個(gè)端口，該ADC單元是TCC中的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，負(fù)責(zé)對(duì)四臂井徑測(cè)井儀器測(cè)量的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，送至CPU處理。其原理框圖如圖4所示。

圖4 ADC單元原理框圖

由圖4可見，ADC單元電路主要由電壓跟隨電路、反相電路以及AD轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。模擬信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨、放大(放大倍數(shù)可調(diào))得到Vin+，同時(shí)Vin經(jīng)過一級(jí)反相電路，得到一路幅度相反的電壓Vin-；將Vin+與Vin-分別接到AD采樣的差分輸入端口IN+和IN-，經(jīng)過AD變換后，得到數(shù)字信號(hào)，送至CPU進(jìn)行處理。

2.2 井徑測(cè)量單元電路設(shè)計(jì)

2.2.1 激勵(lì)單元設(shè)計(jì)

如圖5所示，由TCC的IO端口產(chǎn)生的類正弦波(DAC-SIN)，經(jīng)過帶通濾波、功率放大后，達(dá)到2.5kHz的正弦波，作為激勵(lì)源，加在4個(gè)LVDT傳感器的初級(jí)線圈上。

圖5 LVDT激勵(lì)電路框圖

2.2.2 多路選擇開關(guān)

采用AD公司的ADG1409芯片，該芯片為一款單芯片 iCMOS模擬多路復(fù)用器。iCMOS (工業(yè)CMOS)工藝，是一種模塊式制造工藝，集高電壓CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)與雙極性技術(shù)于一體。利用這種工藝，實(shí)現(xiàn)以往的高壓器件所無法實(shí)現(xiàn)的尺寸。與采用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同， iCMOS 器件不但可以承受高電源電壓，同時(shí)還能提升性能、大幅降低功耗并減小封裝尺寸。該開關(guān)具有超低導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電阻平坦度，對(duì)于低失真性能至關(guān)重要的數(shù)據(jù)采集和增益切換應(yīng)用堪稱理想解決方案?；趇CMOS結(jié)構(gòu)的ADG1409可確保功耗極低，尺寸小，因而非常適合于外徑小57mm的過鉆桿測(cè)井儀器，尤其是在存儲(chǔ)式測(cè)井工藝所需要的儀器中。

ADG1409的原理框圖如圖6所示，內(nèi)置4個(gè)差分通道，根據(jù)兩位二進(jìn)制地址線A0和A1所確定的地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。均提供EN輸入，用來使能或禁用器件。禁用時(shí)，所有通道均關(guān)斷。ADG1409的導(dǎo)通電阻4.7 Ω(最大值，25°C)，連續(xù)電流最高達(dá)190 mA，3 V邏輯兼容輸入，軌到軌工作，先開后合式開關(guān)動(dòng)作。

圖6 ADG1409多路復(fù)用器原理框圖

ADG1409真值表如表1所示[9]。在使用過程中EN置于高電平，通道選擇信號(hào)(A0、A1)來自于TCC的兩個(gè)IO口。按照真值表依次改變A1和A0，同步選通4路LVDT中某一個(gè)傳感器的輸出SA和SB。

表1 ADG1409真值表

2.2.3 VA、VB測(cè)量單元設(shè)計(jì)

圖7為VA與VB測(cè)量單元。如圖7所示，經(jīng)過選擇的某一個(gè)LVDT傳感器的兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)信號(hào)SA和SB，經(jīng)過電壓跟隨、放大、整流、濾波和跟隨后，得到VA和VB信號(hào)，分別送入TCC的兩個(gè)ADC端口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，送入TCC的CPU進(jìn)行處理。

圖7 VA與VB測(cè)量單元框圖

2.3 井徑計(jì)算

通過測(cè)量得到4個(gè)LVDT傳感器測(cè)量信號(hào)VA和VB，每個(gè)LVDT傳感器的 (VA-VB)/(VA+VB)分別與對(duì)應(yīng)支臂張開程度CAL(支臂頂端與儀器軸的垂直距離)成正比，實(shí)現(xiàn)了通過LVDT測(cè)量井徑的目的。井徑測(cè)量示意圖如圖8所示。

圖8 井徑測(cè)量示意圖(垂直剖面圖)

通過4支獨(dú)立支臂刻度，分別建立CAL與(VA-VB)/(VA+VB)的線性關(guān)系：

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

(1)

式(1)中，n=1，2，3，4，分別代表4個(gè)支臂；kn為刻度系數(shù)。

實(shí)際測(cè)量每個(gè)支臂的(VA-VB)/(VA+VB)，代入該關(guān)系式即可求得每個(gè)支臂的張開程度CAL。

由4個(gè)獨(dú)立井徑臂測(cè)量得到4個(gè)值(CAL1、CAL2、CAL3、CAL4)，通過CALX=(CAL1+CAL3)，CALY=(CAL2+CAL4)，分別得到X、Y井徑，可以得到井眼的橢圓度。另外通過(CALX+CALY)/2即可得到井徑的平均值CALB，也就是四臂井徑測(cè)井的成果輸出。

3 室內(nèi)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 室內(nèi)測(cè)試

在室溫下進(jìn)行刻度，然后儀器在不同溫度下恒溫2 h，測(cè)量井徑環(huán)的值。結(jié)果表明，過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器耐溫指標(biāo)達(dá)到175℃，井徑測(cè)量范圍為57.3～500 mm，相對(duì)誤差小于±3%，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

過鉆桿測(cè)井系統(tǒng)采用存儲(chǔ)式測(cè)井模式，在大慶油田、吉林油田和新疆油田的大斜度井、水平井與復(fù)雜井中施工48口井。由于四臂井徑測(cè)井儀器工作時(shí)需要打開支臂，在過鉆桿存儲(chǔ)測(cè)井施工中風(fēng)險(xiǎn)極大，因此僅有12口進(jìn)行了四臂井徑測(cè)井。井底溫度最高達(dá)到148℃，最長(zhǎng)井下工作時(shí)間23 h，均取得了合格的測(cè)井資料。在大慶油田的一口復(fù)雜情況大斜度井中進(jìn)行四臂井徑測(cè)井，其主要目的是錄取井下復(fù)雜井段的井徑信息，為鉆井隨后的施工提供資料。在施工中，多次出現(xiàn)起鉆遇卡的情況，鉆井隊(duì)上下活動(dòng)鉆具(范圍3m)，四臂井徑測(cè)井儀器起到井口后，一切正常，成功錄取合格資料。

采用電纜模式進(jìn)行小井眼測(cè)井施工25口井，其中13口井采用3in(76m)鉆頭鉆井，12口井采用4in(101.6mm)鉆頭鉆井。測(cè)井項(xiàng)目包括：雙側(cè)向、聲波、巖性密度、補(bǔ)償中子、自然電位、四臂井徑、井溫、鉆井液電阻率、張力，測(cè)井成功率100%，資料合格率100%。四臂井徑測(cè)井儀器為安全測(cè)井施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在測(cè)井施工中，分三串下井，第一串采用四臂井徑與自然電位測(cè)井，通過對(duì)井況進(jìn)行探測(cè)，為隨后的電阻率串和放射性串下井提供準(zhǔn)確的井徑資料。

4 結(jié)束語

基于LVDT傳感器的過鉆桿四臂井徑測(cè)井儀器具有存儲(chǔ)式測(cè)井模式和電纜測(cè)井模式，穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高，能夠滿足大位移水平井、大斜度井、復(fù)雜井以及小井眼井的測(cè)井需求，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，取得了較好的效果。