綜合錄井扭矩傳感器影響因素及檢測(cè)方法探討

孫明明

（大慶油田鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

錄井在油氣勘探中發(fā)揮重要作用，綜合錄井儀是錄井最重要的設(shè)備之一，通過(guò)實(shí)時(shí)采集工程、氣測(cè)、鉆井液參數(shù)，預(yù)報(bào)井下鉆具異常，監(jiān)測(cè)氣測(cè)顯示情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆工工程狀況及油氣顯示的監(jiān)測(cè)。傳感器系統(tǒng)是綜合錄井儀的重要組成部分，常用的傳感器有扭矩傳感器、流量傳感器、套壓傳感器、力壓傳感器、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器、絞車傳感器、泵沖傳感器、大鉤負(fù)荷傳感器、密度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、溫度傳感器等，能夠采集各種信息，將電信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工程參數(shù)的定量測(cè)量。在鉆井施工過(guò)程中，受到地層復(fù)雜情況、鉆頭長(zhǎng)時(shí)間使用壽命終結(jié)、鉆具斷折、鉆井深度等情況影響，鉆井扭矩會(huì)發(fā)生變化，在斷鉆具、掉鉆具等異常情況出現(xiàn)時(shí)，扭矩參數(shù)會(huì)發(fā)生突變，通過(guò)觀察扭矩參數(shù)的變化，就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井工程異常[1-2]，采取有效的措施，避免出現(xiàn)鉆井工程事故，耽誤鉆井施工進(jìn)度。因此，加強(qiáng)對(duì)扭矩參數(shù)的監(jiān)測(cè)，定期對(duì)扭矩傳感器進(jìn)行檢定檢測(cè)，確保測(cè)得參數(shù)的準(zhǔn)確性，為鉆井工程監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確信息，對(duì)于安全高效鉆井具有重要意義。

2 扭矩傳感器簡(jiǎn)介

扭矩傳感器根據(jù)原理不同，分為壓力檢測(cè)傳感器和電流檢測(cè)傳感器兩種，壓力扭矩傳感器通過(guò)檢測(cè)壓力的方式測(cè)量扭矩。電扭矩傳感器采用的是霍爾效應(yīng)原理，通過(guò)檢測(cè)電流信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的測(cè)量。錄井常用扭矩傳感器多為霍爾效應(yīng)傳感器，屬于非接觸式傳感器，通過(guò)安裝在鉆井井架子上部位，測(cè)定轉(zhuǎn)盤的扭矩參數(shù)?；魻栃?yīng)扭矩傳感器利用霍爾效應(yīng)，將傳感器安裝在鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電纜上，能夠檢測(cè)電纜中驅(qū)動(dòng)電流的大小，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流大小與轉(zhuǎn)盤扭矩的正比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤扭矩的測(cè)量[3]?；魻栃?yīng)傳感器安裝方便，在電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)上應(yīng)用較為普遍。

在鉆井施工過(guò)程中，在鉆井液性能不變、鉆井工程參數(shù)穩(wěn)定的條件下，不同地層巖性存在差別，不同地層硬度存在差異，鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)受到的阻力存在差異，鉆頭破巖難易程度不同，鉆具扭矩也發(fā)生變化。當(dāng)由砂巖地層鉆進(jìn)到泥巖地層中時(shí)，鉆頭受到的阻力變大，驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)的扭矩變大，當(dāng)鉆頭由泥巖地層進(jìn)入砂巖地層時(shí)，鉆頭受到的阻力變小，驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)的扭矩變小。

3 霍爾效應(yīng)扭矩傳感器測(cè)量原理

電扭矩傳感器測(cè)量依據(jù)霍爾效應(yīng)，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電纜置于均勻的磁場(chǎng)中，假設(shè)電場(chǎng)方向?yàn)閤方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度為εx，電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，沿著z方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bz，那么在垂直于電場(chǎng)的方向或產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)εy，這就是霍爾效應(yīng)的基本原理?；魻栯妶?chǎng)的強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度成正比例關(guān)系。根據(jù)電場(chǎng)與磁場(chǎng)關(guān)系，研制的霍爾元件，采用電阻率較高的半導(dǎo)體材料，形狀為矩形，矩形板上四個(gè)角裝有歐姆接觸電極，當(dāng)通過(guò)電流時(shí)，與電極板垂直的方向上存在磁場(chǎng)，此時(shí)在電接觸電極上產(chǎn)生霍爾電壓。

霍爾效應(yīng)扭矩傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理研制成的，屬于非接觸式傳感器，安裝在鉆臺(tái)上，傳感器采用直流電供電，供電電壓為24V，測(cè)量的電信號(hào)輸出4～20mA，后端連接綜合錄井儀，信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到綜合錄井儀中。

扭矩傳感器安裝在鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤電纜線外圍，電纜中有電流加載時(shí)，會(huì)在電纜周圍形成磁場(chǎng)，電纜中電流強(qiáng)度與產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得霍爾元件產(chǎn)生電壓，即為霍爾電壓，當(dāng)傳感器供電電壓穩(wěn)定時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與霍爾元件輸出的電壓成正比。將電壓信號(hào)進(jìn)行處理，能夠得到4～20mA的電流信號(hào)，將電流信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即得到扭矩參數(shù)。

4 扭矩傳感器檢測(cè)方法

對(duì)于扭矩傳感器來(lái)說(shuō)，輸出電流的大小、測(cè)量精度是扭矩傳感器的重要指標(biāo)，為準(zhǔn)確對(duì)傳感器進(jìn)行檢定檢測(cè)，要求輸入傳感器的信號(hào)穩(wěn)定。檢定檢測(cè)傳感器的關(guān)鍵是保證輸入信號(hào)的穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上對(duì)扭矩傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，為了準(zhǔn)確對(duì)扭矩傳感器進(jìn)行檢定檢測(cè)，關(guān)鍵要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是傳感器信號(hào)的輸入技術(shù)；一個(gè)是對(duì)傳感器信號(hào)的處理[4]。扭矩傳感器檢測(cè)裝置如圖1所示，主要有信號(hào)輸入源、傳感器模塊、信號(hào)采集處理模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、穩(wěn)壓電源及萬(wàn)用表等組成。

（1）電流輸入模塊。扭矩傳感器檢定檢測(cè)需要較大的電流范圍（0～1000mA），通常難以直接輸入較大電源，需要設(shè)計(jì)一個(gè)線圈對(duì)電流進(jìn)行放大，放大后的電流能夠符合傳感器檢測(cè)量程的需求，同時(shí)保證輸入電源的安全。線圈的設(shè)計(jì)越長(zhǎng)，圈數(shù)越多，相應(yīng)產(chǎn)生的電阻也越大，當(dāng)通過(guò)的電流較大時(shí)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生電壓，當(dāng)產(chǎn)生的電壓超過(guò)能夠承載的最大電壓時(shí)，線圈可能會(huì)燒毀，為此，要對(duì)線圈進(jìn)行特殊處理，采用特殊材料、控制線圈的直徑等，確保線圈性能能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

（2）信號(hào)采集和處理模塊。信號(hào)采集和處理模塊，主要負(fù)責(zé)采集輸出的電流信號(hào)，裝換為4～20mA 的電流，然后將信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。

（3）數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)模塊。信號(hào)采集及存儲(chǔ)模塊需要將數(shù)字信號(hào)采集進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行存儲(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)起來(lái)，方便對(duì)數(shù)據(jù)的查看及調(diào)用。

具體檢測(cè)時(shí)，將待檢扭矩傳感器接入檢測(cè)裝置中，分別設(shè)置不同的輸入電流，檢測(cè)傳感器的測(cè)量精度，對(duì)不滿足測(cè)量精度的傳感器，需要進(jìn)行校準(zhǔn)。由于傳感器故障導(dǎo)致不能正常測(cè)量的情況，需要對(duì)傳感器進(jìn)行維修或者更換相應(yīng)配件，保證傳感器測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合錄井儀是錄井最重要的裝置之一，在油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要的作用，對(duì)于監(jiān)測(cè)油氣顯示、判斷鉆井工程異常、提高鉆井效率等意義重大。傳感器作為綜合錄井儀重要的組成部分，是各種工程信息采集及處理的前端設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性對(duì)于采集信息的準(zhǔn)確性意義重大。扭矩傳感器能夠?qū)嵤┍O(jiān)測(cè)扭矩變化情況，對(duì)于反映鉆進(jìn)效率、鉆頭使用壽命、鉆具斷脫、地層變化等方面起到關(guān)鍵作用，為了確保扭矩參數(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性，必須加強(qiáng)對(duì)扭矩傳感器的檢定檢測(cè)，提升扭矩傳感器工作的穩(wěn)定性，保證測(cè)量的精度，發(fā)揮綜合錄井參數(shù)在隨鉆監(jiān)測(cè)中的重要作用，為安全高效鉆井提供有利技術(shù)保障。