陈国栋, 王 祥, 王建红, 王佰仲, 石 权

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201；2.中国石油 冀东油田公司，河北 唐山 063004)

应用技术

磁阻传感器在六臂井径测井仪中的应用

陈国栋1, 王 祥1, 王建红1, 王佰仲2, 石 权2

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201；2.中国石油 冀东油田公司，河北 唐山 063004)

磁阻传感器具有体积小、易安装，可以不直接接触被测物等优点，介绍了一种基于磁阻传感器用于测量裸眼井井径的六臂井径测井仪实现原理,分析了误差影响因素。经实验测试，结果表明：基于磁阻传感器的六臂井径测井仪在测量精度可以达到2.5 mm，其分辨率以及仪器的可靠性与保养性等相对于传统测井仪优势明显，具有很高的应用推广价值。

磁阻效应； 六臂井径测井仪； 角度传感器

0 引 言

在石油测井中，目前裸眼井的井眼直径测量常使用的传统井径测井仪最多只能提供两条直径曲线，对于井眼的分辨率不够高，没有办法实现井眼的曲面拟合，而且它们基本都是利用电位器式位移传感器来测量，由于电位器内部有机械触点，会产生摩擦损耗，而且井下所用位移式电位器通常都需要皮囊注油密封，这就导致仪器的稳定性能和保养性能以及酸碱环境下的测井作业适应性存在一定问题。

本文利用磁阻传感器体积小、易安装以及不与被测物直接接触的特点，研制出一种六臂井径测井仪，可以提供独立的6条井眼半径曲线提高了井径测量分辨率，从而可以实现对井眼的拟合成像。由于传感器不与被测物接触，显著提高了仪器的可靠性与工作环境适应性，使仪器极具推广价值。

1 磁阻传感器的角度测量原理

磁阻传感器利用磁阻效应，即当外部磁场平行于传感器内部电流所形成的磁场时，传感器内部电阻不发生变化；当外部磁场与内部磁化方向不一致时，电阻大小发生变化。磁阻传感器可以反映外部磁场方向的变化，从而实现角度的测量[1～6]。它的优点是被测对象与传感器非接触，无机械摩擦和腐蚀等，因此，传感器可以长时间稳定可靠的工作。

本仪器所用磁阻传感器有2组双臂电桥，每组电桥由4只薄膜合金电阻器构成，如图1所示。每个薄膜合金电阻根据各向异性磁阻效应，受外部磁场影响电阻会发生变化，其计算的经验公式可以由式(1)来表述

(1)

式中 R为内部电流与磁化方向夹角为θ时的电阻，R0为电流垂直于磁化方向(θ=90°)时的电阻率[7]。从图1中可以看出，两两相对的电阻方向平行，因此施加外部磁场对它们电阻变化的影响是一致的，从而使电桥两臂中点电压不平衡形成电势差，而且这个电势差与磁场方向的变化从式(1)可以看出存在正弦相关性，见图1(b)，可以看到外部磁场周期变化时传感器电势差的输出呈正弦曲线变化。

如图1(a)所示，传感器内部的桥A和桥B在同一平面上且严格相差45°，当有一外部磁场平行于电桥所在的平面施加到桥A和桥B上时，则两个桥都会形成电势差，设为Ua与Ub，如电桥外加电源电压为US，则可得

(2)

同理,可得

(3)

图1 磁阻双桥示意图Fig 1 Double bridge diagram of magnetoresistive sensor

由于磁阻传感器在外部磁场变化时本身输出信号的幅度较小不利于高精度的采集与处理，因此需要对信号进行前端放大处理，见图1(a)。同时由于输出信号存在负半周，可以在前端放大电路对信号提供一个正电压偏置将信号全部变为正信号,从而方便仪器对信号的处理。本文六臂井径测井仪将传感器与信号前端处理电路集成在一起,密封装入耐压壳体内，可以不直接接触被测物进行信号测量。

2 六臂井径测井仪的实现原理

基于磁阻传感器的六臂井径测井仪采用单独的6个臂设计，如图2所示，每个臂由上、下2个半臂组成，每个半臂采用可伸缩结构，由安装的弹簧进行驱动，无需设计电机或液压进行推靠。由于每个半臂都可以独立伸缩，所以,该仪器既可以上提测量又可以下放测量。

图2 六臂井径测井仪结构示意图Fig 2 Structure diagram of six-arm caliper logging tool

由图2所示，仪器的每个臂的上、下两个半臂底部分别用销轴固定连接在仪器的机体上，每个半臂可以沿仪器机体径向以销轴为圆心进行一个自由度的转动，且每个半臂与机体连接的根部装有磁环，作为磁阻传感器的测量对象。上、下两个半臂通过一个耐磨滑块连接，使得两个半臂形成固定的三角几何关系。仪器在井下拖动的过程中，由于两个半臂弹簧的压力，耐磨块与井壁紧密接触并且随着井眼直径的大小使两个半臂发生压缩或者拉伸，同时也使得两个半臂与机体轴线之间的角度发生变化，磁阻传感器可以通过每半臂根部安装的磁环精确的测量出这个角度从而可以算出将井眼呈60°划分的六个臂所测半径，从而最终得到三条直径。

由于上、下两个半臂与机体的连接位置是固定的，即图1中两个被测磁环中心位置之间的距离固定不变，设其距离为L。当连接两个半臂的耐磨块紧贴井壁随井眼大小移动时，每个臂的内部弹簧发生形变压缩或拉伸，上、下的两个半臂只能在径向转动，设上臂与机体中心轴线的夹角为θ，下臂与机体中心轴线的夹角为β。耐磨块与机体轴线之间的距离设为R，实际上当仪器在井眼中如果处于居中位置，则此时R就是井眼的半径，但通常井下仪器所处姿态都不在理想状况，因此需要根据相对的两条算出井眼的直径。根据每条臂所构成的三角几何关系，由如下公式(4)和式(5)就可以求得井眼的直径D

(4)

(5)

(6)

式中 x如图1所示，为上、下两个半臂构成三角几何关系中上臂在机体轴线上的投影长度，其中θ与β可以由磁阻传感器通过测量上、下两个半臂根部的磁环所得，因此联立式(4)与式(5)，即可算出R。即可得到两两对称臂的耐磨块距离机体轴线的距离也就是井壁距离仪器机体中心的距离分别为R1和R2，则可如式(6)所示算出井眼直径D。最后六臂井径测井仪的六条臂可以测得三条独立的井眼直径曲线。

3 仪器的刻度方法与精度影响因素分析

通过与方位仪器的组合，六臂井径测井仪可以对井眼进行三维立体拟合成像，从而可以更直观真实地反映井眼情况，为后期的处理解释提供更有力的依据(见图3)。理论上来说，六臂井径测井仪可以不需要刻度，但由于磁阻传感器的制作工艺限制，零位存在一定的偏移电压，因此，在使用前都需要对仪器进行刻度。与传统的井径仪器刻度不同，本文的六臂井径测井仪采两点刻度法。利用两个大小不同尺寸的刻度环进行刻度，并且刻度时要求刻度环处于两臂正中间。其原理如下：

设大小环的半径尺寸分别为R1与R2，当环处于正中间位置时，根据仪器结构可知各组上下两臂张开的角度都一致，则对应大小环的角度分别为α1与α2。从图2中仪器的结构可以看出

本文采用的磁阻传感器的角度分辨率可以达到0.05°，根据式(6)，可以算出本文六臂井径测井仪的直径测量最高分辩精度为ΔD=2·ΔR=2·x·tan0.05°=L·tan0.05°，其中，L是上、下两个半臂末端测量点之间的距离，本文设计数据为L=1 120mm，因此可得最高分辨精度ΔD≈0.977mm。但实际上由于机械部件的加工与装配误差，以及刻度时很难达到最理想的刻度状态也会造成误差，同时由于耐磨块在测井时一直与井壁接触产生摩擦损耗在测井过程也会带来一定的误差。此外磁阻传感器对磁场非常敏感，在井下也会受外部磁场的影响造成一定偏差。本文设计的六臂井径测井仪的最终精度可以达到2.5mm，远高于目前传统裸眼井井径测量仪器12mm的测量精度。

4 实验验证与应用

基于磁阻传感器的六臂井径测井仪，由于磁阻传感器没有机械触点，与被测对象不发生机械接触与摩擦，因此，可以在最大耐温175 ℃下连续工作10h，其最大耐压为140MPa，井径测量精度可达2.5mm，并且可用于含硫化氢等腐蚀性恶劣井况。 为了验证仪器测量精度，分别利用直径不同的套管进行了验证，得到六臂井径测井仪在不同直径下的三组直径实验数据见表1。

本文的六臂井径测井仪现已经过大量的实井测试并且已经投入使用。图3是此仪器在中海油燕郊科索—1井实际测试的井径曲线数据，从图中可以看出，三条井径曲线拟合后的三维井径模型真实直观地反映了井眼形态。此仪器

表1 六臂井径测井仪测量误差(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业和中海油东方区块某高温高压井多次作业中，获得的测井数据准确可靠。

5 结 论

从实验数据与应用效果可以看出：基于磁阻传感器的六臂井径测井仪无论从井眼分辨率、井径测量精度，还是井况适应性以及保养便捷性上，相对于传统裸眼井井径测量仪器优势明显，具有广阔的市场前景与应用价值。

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

[2] 秦玉伟.磁阻式角度传感器在电子油门系统的应用[J].仪表技术，2007(4):57-58.

[3] 梁长垠.磁阻式传感器在角度测量中的应用[J].传感器技术，2005，24(4)，79.

[4] 王国余,张 欣,景 亮.新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用[J].传感器与微系统,2002,21(10):43-45.

[5] 郭庆伟.磁阻传感器应用误差分析及补偿方法研究[J].价值工程,2013(1):309-310.

[6] 吴欢荣,马 俊,陆申龙.利用玻莫合金磁阻传感器测量弱磁场[J].大学物理实验,2003(2):1-5.

[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,通讯作者,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

陈国栋(1963-)，男，山东烟台人，高级工程师，从事测井仪器的研制工作。