磁通门定向组件是由加速度计和磁通门传感器组成。随着定向井、水平井的日益增多以及要求精度的提高，同时降低钻井成本的需求，促使了磁通门定向组件等新技术的产生。磁通门定向组件利用重力加速度计和磁通门连续测量井下仪器所处状态下的重力场和磁场参数，通过温度补偿、数值计算和误差校正，计算出井身的倾斜角和方位角并传输到地面仪器中，进而判断钻具的空间位置，保证钻孔能准确地按设计轨迹延伸，避免造成事故的发生和对地下原有公共设施的破坏。
由于加速度计和磁通门传感器是其中的重要组成部分，本文将介绍他们的结构及工程参数。
加速度计传感器的基本结构及工作原理
石英挠性加速度计是一种摆式加速度计，通过在某种类型的挠性支撑上弹性的联结它的摆组件，使得石英挠性加速度计在输入轴方向的刚度极小。石英挠性加速度计是由表头和伺服电路组成的。石英挠性表头主要由整体石英挠性摆组件、差动电容传感器、力矩器、壳体等部分组成，整体石英挠性摆组件由中心盘、安装环、连接中心盘和安装环的2个挠性平桥以及固定在中心盘上的2个铝制骨架力矩线圈组成。伺服电路的主要组成部分是基准三角波发生器、跨导补偿放大器、差动电容检测器、电压调节器和电流积分器等。图1为石英挠性加速度计的工作原理。
Figure 1 The working principle of quartz flexible accelerometer
由加速度计传感器获得工程参数
定向的倾斜度可以用定向探管与水平面的夹角U来表示，但往往测量与垂直面的夹角λ，再通过互余（U=90°-λ）计算来确定与垂直面的夹角（图2），即重力方向。因此通过测量实际重力在井下仪器轴向的分量值，便可确定定向探管的倾斜度。重力加速度计测量的分量G与角λ同实际重力加速度g的关系为：
G = g· sinλ
上式中重力加速度信号梯度的绝对误差将导致倾斜度的计算误差，尤其在倾斜度接近±90°时，测量值的微小误差通过上式的计算将导致极大的误差。因此建立以定向探管轴向为基准的三维正交重力加速度计的测量系统坐标系，便可通过3个分量Gx、Gy、Gz的合成计算，准确地计算出井斜。
Figure 2 Fluxgate directional assembly axis and measuring system coordinate
（大地坐标为O-xyz；测量坐标系为O-XYZ）
三分量合成计算主要是由3个加速度计传感器三轴正交测量数据完成的，3个正交安装的加速度计，可准确测量出重力加速度在3个方向上分量，通过矢量合成计算出重力加速度g，并转换成对用的电压或电流信号输出。加速度计输出信号u为：
u = k0 + k1 sinα
式中：
g——重力加速度值；
α ——加速度计输出轴与重力方向之间的夹角；
k0 ——最大零偏值。
当标度因数k1一定时，k0对应的就是一个电压值或电流值。加速度计输出信号的大小正比于输出轴与重力加速度计方向间的夹角。根据这一原理，将3个加速度计按正交方式沿仪器轴线安装，分别感应3个方向上的重力加速度分量，Gx、Gy、Gz。
井斜角：经沿轴线上任一点的井眼切线方向线，与通过该点的重力线之间的夹角。以度为单位。井斜角INC公式：
重力参考值：是用来衡量三路加速度计传感器所输出的数据准确与否的标准，理论数值为1。重力参考值Gtotal公式：
由磁通门传感器获得工程参数
上一篇文章我们详细介绍了磁通门的基本结构和工作原理。地球本身是一个带有N、S两个磁极的大球体，使得直流磁场在地球表面上大体比较均匀，在地球表面的任意一点都将磁场的强度分解为水平和垂直2个分量，设地球磁场的水平分量为H0，那么H0在2个正交的探头上的投影分别为H1和H2，可得φ为地球磁场北极方向与正交分量H1的夹角，当H1与声纳基准重合时，φ即被测方位角。图3为磁通门传感器测量坐标系。
Figure 3 Fluxgate sensor measuring coordinate system
3个正交的磁通门传感器获得三路磁场分量Bx、By、Bz。磁通门传感器的输出信号为：
e = kH0H2 msina2ƒt
式中：
k ——常数，取决于传感器的结构材料因素；
ƒ ——激励电流频率；
H0 ——被测磁场场强；
Hm ——激励电流产生的激励磁场。
方位角：在以井眼轨迹上任一点为原点的平面坐标系中，以通过该点的正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点处井眼方向线在水平面上的投影线为终边，其所转过的角度称为该点的方向角，以度为单位。
方位角Az公式：
磁力参考值：是用来衡量三路磁通门传感器所输出的数据准确与否的标准，理论数值为55。磁力参考值Btotal公式：
结论
本文着重介绍了存在于磁通门定向组件中的主要传感器——加速度计和磁通门。磁通门定向组件可以分为有线和无线两种类别，例如ER-OS-05是一款有线的静态测量磁通门定向组件，它的工作温度为125℃。而ER-WOS-08则是一款有线的磁通门定向组件，它的工作温度可以达到160℃，同样地，ER-WOS-08H是再此基础上研发的高温产品，其温度可以达到180℃，可以很好的适应石油测井，定向钻井等领域的高温恶劣环境。
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