基于LVDT傳感器的過鉆桿四臂井徑測井儀器研制*

童茂松，曹宇欣，史金安，歷程軍，孫旭光，顧鵬程

(中國石油集團測井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

油田開發后期，勘探開發對象越來越復雜，水平井、三維繞障井以及大位移井逐年增多，水平位移長，技術套管淺，井況復雜、惡劣，常規的水平井與大斜度井測井工藝不能滿足要求。過鉆桿測井系統為大斜度井、大位移水平井、復雜井的測井資料采集提供了有力的手段。過鉆桿測井工藝屬于存儲式測井工藝，采用鉆井液泵送方法，電纜帶著測井儀器在鉆具水眼內穿行，直至釋放到裸眼段；依靠吊掛系統在鉆具內著陸后，吊掛系統分離；起鉆測井，數據存儲在井下存儲短節內；目的層測井結束后，將儀器收回至地面，進行數據讀取與處理。采用該工藝，能夠實現“鉆具到哪里就能測到哪里的目標”[1]。

與常規電纜測井工藝相比，過鉆桿測井工藝對儀器的要求非常嚴格[2-4]：一方面要求過鉆桿測井儀器的外徑要足夠小，以便穿過鉆具內部的水眼；第二方面要求過鉆桿測井儀器要具有相應的機械強度，因為儀器輸送過程中的振動以及過鉆桿測井系統應用于復雜井況下，鉆井卡鉆時需要上下活動鉆具；第三方面，要求測井儀器要具有充分的可靠性，因為過鉆桿存儲測井時間單井次24h左右，測井儀器在井下工作時間長(常常達到18h)，遠大于電纜測井時間，而且如果一次測井不成功，第二次測井的工作量幾乎與第一次測井相同。

為了滿足以上要求，過鉆桿測井儀器的外徑設計為57mm。由于其內部空間狹小，增加了機械設計的難度，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]。

過鉆桿四臂井徑測井儀器采用4個獨立井徑支臂，分別實時測量4個方位的井徑，計算井眼的橢圓度，進而計算井眼體積，為固井提供精確的水泥量數據。當在大斜度井中測井儀器串較長時，四臂井徑可用于儀器的偏心校正。該儀器主要由推靠傳動部分和井徑測量部分組成，推靠傳動部分在地面儀的控制下完成測量臂的收放功能。井徑測量由放開的四個測量臂各自獨立隨被測井眼的大小自由運動，每個測量臂帶動一個位移傳感器，其變量正比于井徑測量臂收放程度，進而得到井徑值。常規的井徑測井儀器的位移傳感器采用拉桿電位器，使用中故障率偏高，尤其嚴重的是，隨著使用時間的加長，該電位器會出現老化、疲勞，發生溫度漂移、非線性、磨損損壞等現象[5]，不能滿足過鉆桿四臂井徑測井儀器的可靠性要求，為此，在過鉆桿四臂井徑測井儀器中，采用線性可變差動變壓器(LVDT，Variable Differential Transformer)，實現位移測量，進而得到井徑值。

1 LVDT傳感器基本原理

LVDT傳感器屬于非接觸電感式傳感器，結構簡單、工作可靠、線性度好、測量靈敏度與精度高，溫度能夠達到220℃，且體積可以足夠小[6-7]，能夠滿足過鉆桿四臂井徑測井儀器的要求。

過鉆桿四臂井徑測井儀器采用定制的LVDT傳感器，為三段式結構，主要由移動鐵芯、初級線圈(1個)、次級線圈(2個)、導磁外殼、骨架等組成，如圖 1所示。其中將兩個次級線圈反向串接，使得次級線圈為差動輸出，這樣可以消除部分高次諧波分量，從而使零點殘余電壓較小，線性度較高。初級線圈和次級線圈纏繞在骨架上，線圈內有一個可以隨意移動的鐵芯。當鐵芯處于平衡狀態時，兩個次級線圈產生的感應電動勢大小相等，方向相反，輸出電壓為零。當鐵芯移動偏離平衡位置時，兩個次級線圈產生的感應電動勢大小不等，輸出電壓不為零，其大小為兩個次級線圈的輸出電壓之差，電壓大小取決于位移量的大小，它們成線性關系[7]。

圖1 LVDT結構示意圖

實際使用中，為了精確測量外部位移的變化，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換為連桿的伸縮，帶動傳感器內部鐵芯移動，兩個次級線圈的輸出電壓(VA、VB)發生變化。過鉆桿測井系統的耐溫達到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、激勵信號幅度波動等因素，差分輸出(VA-VB)對井徑測量結果產生影響，降低了測量精度。而采用輸出信號幅度的差和之比(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信號波動的影響[8]。

2 基于LVDT的井徑測量電路設計

2.1 井徑測量電路構成

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

TCC模塊是過鉆桿測井系統的通用模塊，其構成如圖3所示，由電源轉換單元、主控單元(CPU)、存儲單元、ADC單元、DAC單元、通訊接口單元(外部通信接口單元、內部通信接口單元)組成。主要負責儀器管理(監控、模擬量采集、數據整理)、與外部的通信(上傳測井數據、接受命令)以及數據存儲。該模塊采用標準化設計，適度冗余，調整內部程序以及端口配置，可以滿足所有測井儀器的需要。

圖2 井徑測量電路框圖

圖3 通信與管理模塊構成示意圖

在四臂井徑測井過程中，由TCC的一個IO端口產生2.5kHz的類正弦波，經過激勵單元后，同時加在四路LVDT的初級線圈上，測量四路LVDT的VA和VB信號，通過兩個多路選擇開關，分時選擇某一個LVDT的VA和VB，送入TCC模塊的ADC單元的一個端口，該ADC單元是TCC中的模數轉換單元，負責對四臂井徑測井儀器測量的模擬信號進行轉換，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轉換芯片構成。模擬信號經過電壓跟隨、放大(放大倍數可調)得到Vin+，同時Vin經過一級反相電路，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-，經過AD變換后，得到數字信號，送至CPU進行處理。

2.2 井徑測量單元電路設計

2.2.1 激勵單元設計

如圖5所示，由TCC的IO端口產生的類正弦波(DAC-SIN)，經過帶通濾波、功率放大后，達到2.5kHz的正弦波，作為激勵源，加在4個LVDT傳感器的初級線圈上。

圖5 LVDT激勵電路框圖

2.2.2 多路選擇開關

采用AD公司的ADG1409芯片，該芯片為一款單芯片 iCMOS模擬多路復用器。iCMOS (工業CMOS)工藝，是一種模塊式制造工藝，集高電壓CMOS(互補金屬氧化物半導體)與雙極性技術于一體。利用這種工藝，實現以往的高壓器件所無法實現的尺寸。與采用傳統CMOS工藝的模擬IC不同， iCMOS 器件不但可以承受高電源電壓，同時還能提升性能、大幅降低功耗并減小封裝尺寸。該開關具有超低導通電阻和導通電阻平坦度，對于低失真性能至關重要的數據采集和增益切換應用堪稱理想解決方案。基于iCMOS結構的ADG1409可確保功耗極低，尺寸小，因而非常適合于外徑小57mm的過鉆桿測井儀器，尤其是在存儲式測井工藝所需要的儀器中。

ADG1409的原理框圖如圖6所示，內置4個差分通道，根據兩位二進制地址線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，所有通道均關斷。ADG1409的導通電阻4.7 Ω(最大值，25°C)，連續電流最高達190 mA，3 V邏輯兼容輸入，軌到軌工作，先開后合式開關動作。

圖6 ADG1409多路復用器原理框圖

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(A0、A1)來自于TCC的兩個IO口。按照真值表依次改變A1和A0，同步選通4路LVDT中某一個傳感器的輸出SA和SB。

表1 ADG1409真值表

2.2.3 VA、VB測量單元設計

圖7為VA與VB測量單元。如圖7所示，經過選擇的某一個LVDT傳感器的兩個次級線圈的感應信號SA和SB，經過電壓跟隨、放大、整流、濾波和跟隨后，得到VA和VB信號，分別送入TCC的兩個ADC端口，進行模數轉換，得到數字信號，送入TCC的CPU進行處理。

圖7 VA與VB測量單元框圖

2.3 井徑計算

通過測量得到4個LVDT傳感器測量信號VA和VB，每個LVDT傳感器的 (VA-VB)/(VA+VB)分別與對應支臂張開程度CAL(支臂頂端與儀器軸的垂直距離)成正比，實現了通過LVDT測量井徑的目的。井徑測量示意圖如圖8所示。

圖8 井徑測量示意圖(垂直剖面圖)

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

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

(1)

式(1)中，n=1，2，3，4，分別代表4個支臂；kn為刻度系數。

實際測量每個支臂的(VA-VB)/(VA+VB)，代入該關系式即可求得每個支臂的張開程度CAL。

由4個獨立井徑臂測量得到4個值(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，也就是四臂井徑測井的成果輸出。

3 室內測試與現場應用

3.1 室內測試

在室溫下進行刻度，然后儀器在不同溫度下恒溫2 h，測量井徑環的值。結果表明，過鉆桿四臂井徑測井儀器耐溫指標達到175℃，井徑測量范圍為57.3～500 mm，相對誤差小于±3%，滿足現場需求。

3.2 現場應用

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

采用電纜模式進行小井眼測井施工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。測井項目包括：雙側向、聲波、巖性密度、補償中子、自然電位、四臂井徑、井溫、鉆井液電阻率、張力，測井成功率100%，資料合格率100%。四臂井徑測井儀器為安全測井施工奠定了堅實的基礎。在測井施工中，分三串下井，第一串采用四臂井徑與自然電位測井，通過對井況進行探測，為隨后的電阻率串和放射性串下井提供準確的井徑資料。

4 結束語

基于LVDT傳感器的過鉆桿四臂井徑測井儀器具有存儲式測井模式和電纜測井模式，穩定可靠，測量精度高，能夠滿足大位移水平井、大斜度井、復雜井以及小井眼井的測井需求，已經在現場得到應用，取得了較好的效果。