磁通门定向组件由加速度计传感器和磁通门传感器组成，主要用于定向钻井，石油工业等领域，用于测量井斜角，方位角和工具面角。石油工业中的定向钻井开始于19世纪后期，那时正引入旋转钻井技术代替老式顿钻钻井，没有考虑稳定钻柱控制井眼轨道的问题。然而井眼测量表明：早期的所谓“垂直”井眼实际上远远不是“垂直”。不论是在直井还是在定向井的钻井过程中，都需要测定地面以下井眼的位置。这就需要使用能沿井身不同深度测量井斜角和方位角的测量仪器。井眼相对地面的位置可以从累计的测量结果中计算出来。
本文将从磁通门定向组件的结构和工作原理进行介绍，同时介绍主要测量的井斜角，工具面角和方位角。
磁通门定向组件的结构及工作原理
1. 加速度传感器
加速度传感器采用磁液悬浮式重力加速度传感器，它具有抗冲击性强、体积小等特点，其精度在±0.1％左右。结构如图1。
图1 加速度传感器结构与工作原理
重力加速度传感器主要由绕有两个绕组的王字架、圆柱形磁钢和悬浮磁钢的磁液组成。磁钢放入王字架的轴孔内，轴孔内灌满磁液。当没有外来加速度时，磁钢处于机械0位，两绕组的电感相同，其输出为0。当有加速度作用于磁钢轴线上时，磁钢移位引起两个绕组的电感一增一减，传感器上出现不平衡电压，此电压经带通放大、相敏检波、滤波之后，经反馈电阻Rf将反馈电流If输入到加速度传感器内的两个绕组，产生一个与重力加速度相反的电磁力，阻止磁钢移位，并建立如下关系式：
ma=KIf
If=ma/K
式中，a输入轴向加速度；m为磁钢质量；K为电磁力系数。在反馈电阻Rf两端的电压为：
Uf=RfIf
Uf的大小直接反映加速度传感器所受的重力加速度的大小,其方向与加速度传感器输出波形的相位有关,此值可送到后面的电路中处理。
2. 磁通门传感器
磁通门传感器的品种很多，但工作原理基本一样。现常见的磁通门传感器是在一个闭合的高导磁率材料上安装两个绕组，两绕组与激磁变压器的副边组成电桥。当外界磁场对其输入轴垂直时，磁通门输出为0；当外界磁场与磁通门的输入轴不垂直时，磁芯的状态发生变化，在一边的磁芯上外磁与激磁叠加，饱和度增加，另一边磁芯上外磁与激磁相减，饱和度减小。在激磁磁场交变而磁芯从饱和区进入线性段时，两绕组上感应大小不同的脉冲电压，其幅值与外界磁场的大小有关‚且频率为激磁频率的2倍。磁通门的输出经带通放大、相敏检波、滤波形成直流电压，此电压经反馈电阻向磁通门的两个绕组提供反馈电流，产生的磁场与外界磁场相抵消，使磁通门始终工作在无静差状态，从而使磁通门具有较高的线性。磁通门工作原理如图2。
图2 磁通门工作原理
磁通门定向组件的测量内容
1. 井斜角
如图3所示，在垂直面内的直角三角形中，井斜角是从垂直线到Z轴（加速度计轴）的夹角，井斜角α可由下式求出：
图3 井斜角
2. 工具面角
工具面角是定向钻井中定位钻具行进方向的一个量，分重力工具面和磁性工具面。当井斜角度很小时，重力工具面角无法测出，此时要用磁性工具面角。重力工具面角θg是沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的高边和x轴（加速度计轴）之间的夹角，如图4，此角可由下式求得：
tgθg=gx/gy
图4 工具面角
磁工具面角θM是磁北极与y轴的夹角。当井斜角小于一定的值时，重力工具面角无法准确测出，即使测出也极不准确。因而，当井斜角小于一定值时，采用磁工具面角，即：
tgθM=Hx/Hy
3. 方位角
方角位是在水平面内从北极按顺时针旋转到z轴的夹角。为计算井方位角，必须将磁通门和加速度计的读数分解到两个轴上，见图5，轴V1是井眼方向在水平面内的投影。轴V1轴V2垂直，所以，方位角β可由下式求得：
tgβ=V2方向分量值/V1方向分量值
方位角β=arctg(V1/V2)
图5 方位角
结论
加速度传感器测量地球的重力场分量，而磁通门测量地球的磁场分量。磁通门定向组件用于石油测井，定向钻井和测绘等领域，ER-DOS-03是一款动态测量的磁通门定向组件，其可以在150℃的温度下工作，而ER-OS-05则是采用静态测量，工作温度为125℃。
如果你对磁通门定向组件的相关知识感兴趣，欢迎联系我们。