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[摘 要]磁性定位仪是射孔中常用的仪器，本文介绍其结构，分析其原理，研究其影响因素并给出相关建议。
[关键词]磁定位仪 结构 原理 影响因素
中图分类号：TV423 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0284-02
1.前言
射孔是油气井完井的一种关键方式，射孔质量的优劣直接决定油气井产量。磁性定位仪广泛应用于电缆射孔与管输射孔中。因而了解磁性定位仪结构，深入研究其原理，分析总结其影响因素，具有重要的意义。
2.结构及原理
结构：磁性定位仪是测量井内套管、油管接箍位置的仪器。由装在青铜质、航空超硬铝制或者无磁特种钢承压外壳内的耐高温永久磁钢、线圈、上下缓冲器、上下接头、贯穿线组成。磁定位仪内部构造及连接示意图如下：
原理：没有干扰时，磁场强度不变，线圈中通过的磁通量不变，此时也不会产生感应电动势，无信号输出。在油套管厚度发生变化时，改变了磁场的分布，线圈内磁通量随之变化。因此磁定位在下到接箍位置时线圈中的磁通量会发生明显的变化，由法拉第电磁感可知，线圈中会产生感应电动势。磁性定位仪测量基本原理，如图2所示。
由图2可知；在线圈中点形成一个与套管轴向垂直的磁场平面，这个磁场平面经过套管接箍时，使得套管接箍达到最大切割磁场的效果，即在线圈中点接触接箍位置和离开接箍位置时，都会出现一个同方向的小尖峰，在中间位置时是一个反方向的大的尖峰，因为在中间位置时（连接缝隙）磁场分布变化最大（-dΦ/dt最大），如图3接箍信号所示。信号被记录，由放大器放大再经过整形处理，上传，在电脑上显示，显示出来的是毫伏级电压信号。
3.测量的影响因素
电磁感应定律可表述为：当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中都会建立起感应电动势，且此感应电动势等于磁通量对时间变化率的负值，即E=-dΦ/dt 式1
式1中：E是感应电动势，单位为伏特；Φ是磁通量，单位为韦伯；t是时间，单位为秒。
其中，Φ=B·Scosθ 式2
式2中；B是磁通密度，单位为T[特斯拉]；cosθ是曲面S的法线矢量与磁场线之间的夹角。
因此，E=-dB·Scosθ/dt 式3
由式3可知；影响感应电动势的主要因素为磁通密度、曲面法线矢量与磁场线之间的夹角对时间的变化率。
参照图2，结合生产实际，深入研究。对于感应电动势的函数变量，公式应为：
F（E）=a0f（L）+a1f（V0）+a2f（M）+a3f（B）+a4f（ΔV）+a5f（X）+a6f（H） 式4
式4中，E为磁场衰减系数；L为套管接箍与仪器轴心线的最短距离；V0为仪器测量速度（均速）；M为套管的均质性；B为套管被磁化后的磁场强度；ΔV为接箍与套管壁的体积变化量；X为线圈绕线匝数；H为磁钢磁场强度。
3.1 套管接箍与仪器轴心线的最短距离
实际测量中，磁定位测量出的信号好坏和管内径有很大的关系。管内径越大，接箍表现越不明显。这和磁钢的磁场分布有关。距离磁钢越远，磁场线越稀疏，磁定位仪经过接箍时，由接箍引起的磁场变化很小，感应出的电动势也越小，接箍信号也就会很弱。这也是在油管中测量比在套管中测量，信号明显的原因。
3.2 测量速度
测量速度较大、较小时，接箍识别均不明显，接箍尖端不容易找到，软件无法正常识别接箍深度，并且在测速较高时，曲线变形，测量的深度也不准确。选择合适的测速既能正常识别接箍深度，也能使干扰作用最小。建议测速为1000-2000m/h。
3.3 套管的均质性
套管的生产不合格，造成套管非均质性，进而影响曲线测量。
3.4 套管被磁化后的磁场强度
井下套管磁化的原因有3种。
3.4.1套管的制作加工过程中有可能被磁化。在加工套管时，为了固定住套管，往往会用加工机器上的电磁铁将其固定；或者套管在出厂前，要进行质量检测，看是否有裂纹、孔眼等质量问题，这时多采用无损磁化检测，即先磁化套管，再检测磁化后套管上磁感应线分布情况，以确定套管是否合格。磁化后的套管会因消磁不彻底而带有大量剩磁。
3.4.2在运输过程中，一方面用电磁铁搬运套管而磁化套管；另一方面会和其他带有磁性的工件一起运输时，而被磁化。套管被磁化后，其产生的磁场对曲线测量产生干扰。
3.4.3套管下井后，被磁性物质所磁化。
套管被磁化后，对磁性定位仪产生干扰，使测量曲线上产生假信号。
3.5 接箍与套管壁的体积变化量
接箍与套管壁的体积变化量越大，对磁场影响越大，产生的感应电动势越大。
3.6 线圈匝数
式1中，Φ是穿过回路所围面积的磁通量，如果回路系由N匝密绕线圈组成。而穿过每匝线圈的磁通量都等于Φ，那么通过N匝线圈磁通量为ψ=NΦ，ψ也叫磁链。
式1可变为：E=-dψ/dt 式5
因此，磁通量变化时，当线圈匝数越多，产生的感应电动势也就越大，磁定位测量的信号也就越大。
3.7 磁钢磁场强度
磁钢的磁场强度越大，感应电动势也就会增大。
此外，二极管对信号也有影响。
在单芯磁定位中，由于二极管的技术指标的差异造成信号弱，干扰大，在气井，即深井作业时尤为明显。这主要是二极管随着下井深度的不断增加，它的导通电压随温度升高不断降低，以至于将线圈产生的有用信号越来越多的短路到雷管。造成的现象是，磁定位下井越深，信號越弱，克服这个现象的有力手段是使用技术指标较高的二极管或使用导通电压高的二极管。使用的二极管，检查时测量的阻值越大测得的信号就越好。 4.故障判断
磁性定位仪的故障主要在于仪器的“断路”与“短路”。
“断路”：引线断，线圈断都会导致无信号。
“短路”：线圈短路、引线短路导致无信号；引线绝缘降低、线圈接地不良，仪器密封不严进水，导致信号弱。
5.建议
在实际测量中，对应式4中的变量，M为套管的均质性、B套管被磁化后的磁场强度、ΔV为接箍与套管壁的体积变化量不是射孔队伍可控的。因此，在优选油套管的基础上，需要作业队严格执行标准进行通洗井，既清除套管内壁附着物，又减少井内起干扰作用的磁性物质，使井下环境利于测量。
式4中，L套管接箍与仪器轴心线的最短距离、V0仪器测量速度（均速）、X线圈绕线匝数、H磁钢磁场强度为射孔队伍可控。针对以上4种因素，提出以下建议：
5.1井下仪下到起测深度时，需平稳适当时间，再以适当的速度匀速上提，这样会取得较好的测量效果。这是因为在匀速平稳上提过程中，井下仪尽量保持在油套管中心线上，尽量避免由井下仪于井下的剧烈晃动，所导致的横向位置变化，即套管接箍与仪器轴心线的最短距离对磁通量的影响；此外，井下仪平稳上提过程中，式3中cosθ曲面S（线圈所围曲面）的法线矢量与磁场线之间的夹角，变化小，所引起的磁通量变化小，干扰信号少。
5.2X线圈绕线匝数、H磁钢磁场强度。
生产中存在这样的误解，认为线圈绕线匝数越多、磁钢磁场强度越大，磁通量就越大，进而测量的距离越大，测量的套管直径就越大。但是在套管磁化比较大的情况下，磁场干扰形成的脉冲也形成尖峰，造成曲线误记，也形成多尖，磁定位曲线必定测量的精度下降，造成深度误差大。
同时，由图1可知，由于线圈的增多，线圈电阻增大，必然导致二极管与线圈的并联阻值增大。在电缆射孔施工中，使点火成功率有所降低。因此，不能盲目地追求线圈的多匝数以及磁钢的高磁场强度。
6.结论
磁性定位仪结构简单，使用、维修方便，深入了解其原理及影响因素，可以提高工作效率，对射孔作业有着重要的意义。
参考文献
[1] 张攀登赵坤《浅析油气井射孔磁定位》中国石油集团测井有限公司长庆事业部.
[2] 孔长城胡宗武《电缆射孔磁定位仪的改进》华北石油测试公司2002年.
[3] 马金良《磁定位仪器测井曲线问题分析及仪器改进》中国石化集团西南石油局测井公司2012年.
作者简介
莫祥伟，男，1987年出生，助理工程师，2010年畢业于西南石油大学石油工程专业，现于射孔五队炮501班担任操作员。
[关键词]磁定位仪 结构 原理 影响因素
中图分类号：TV423 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0284-02
1.前言
射孔是油气井完井的一种关键方式，射孔质量的优劣直接决定油气井产量。磁性定位仪广泛应用于电缆射孔与管输射孔中。因而了解磁性定位仪结构，深入研究其原理，分析总结其影响因素，具有重要的意义。
2.结构及原理
结构：磁性定位仪是测量井内套管、油管接箍位置的仪器。由装在青铜质、航空超硬铝制或者无磁特种钢承压外壳内的耐高温永久磁钢、线圈、上下缓冲器、上下接头、贯穿线组成。磁定位仪内部构造及连接示意图如下：
原理：没有干扰时，磁场强度不变，线圈中通过的磁通量不变，此时也不会产生感应电动势，无信号输出。在油套管厚度发生变化时，改变了磁场的分布，线圈内磁通量随之变化。因此磁定位在下到接箍位置时线圈中的磁通量会发生明显的变化，由法拉第电磁感可知，线圈中会产生感应电动势。磁性定位仪测量基本原理，如图2所示。
由图2可知；在线圈中点形成一个与套管轴向垂直的磁场平面，这个磁场平面经过套管接箍时，使得套管接箍达到最大切割磁场的效果，即在线圈中点接触接箍位置和离开接箍位置时，都会出现一个同方向的小尖峰，在中间位置时是一个反方向的大的尖峰，因为在中间位置时（连接缝隙）磁场分布变化最大（-dΦ/dt最大），如图3接箍信号所示。信号被记录，由放大器放大再经过整形处理，上传，在电脑上显示，显示出来的是毫伏级电压信号。
3.测量的影响因素
电磁感应定律可表述为：当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中都会建立起感应电动势，且此感应电动势等于磁通量对时间变化率的负值，即E=-dΦ/dt 式1
式1中：E是感应电动势，单位为伏特；Φ是磁通量，单位为韦伯；t是时间，单位为秒。
其中，Φ=B·Scosθ 式2
式2中；B是磁通密度，单位为T[特斯拉]；cosθ是曲面S的法线矢量与磁场线之间的夹角。
因此，E=-dB·Scosθ/dt 式3
由式3可知；影响感应电动势的主要因素为磁通密度、曲面法线矢量与磁场线之间的夹角对时间的变化率。
参照图2，结合生产实际，深入研究。对于感应电动势的函数变量，公式应为：
F（E）=a0f（L）+a1f（V0）+a2f（M）+a3f（B）+a4f（ΔV）+a5f（X）+a6f（H） 式4
式4中，E为磁场衰减系数；L为套管接箍与仪器轴心线的最短距离；V0为仪器测量速度（均速）；M为套管的均质性；B为套管被磁化后的磁场强度；ΔV为接箍与套管壁的体积变化量；X为线圈绕线匝数；H为磁钢磁场强度。
3.1 套管接箍与仪器轴心线的最短距离
实际测量中，磁定位测量出的信号好坏和管内径有很大的关系。管内径越大，接箍表现越不明显。这和磁钢的磁场分布有关。距离磁钢越远，磁场线越稀疏，磁定位仪经过接箍时，由接箍引起的磁场变化很小，感应出的电动势也越小，接箍信号也就会很弱。这也是在油管中测量比在套管中测量，信号明显的原因。
3.2 测量速度
测量速度较大、较小时，接箍识别均不明显，接箍尖端不容易找到，软件无法正常识别接箍深度，并且在测速较高时，曲线变形，测量的深度也不准确。选择合适的测速既能正常识别接箍深度，也能使干扰作用最小。建议测速为1000-2000m/h。
3.3 套管的均质性
套管的生产不合格，造成套管非均质性，进而影响曲线测量。
3.4 套管被磁化后的磁场强度
井下套管磁化的原因有3种。
3.4.1套管的制作加工过程中有可能被磁化。在加工套管时，为了固定住套管，往往会用加工机器上的电磁铁将其固定；或者套管在出厂前，要进行质量检测，看是否有裂纹、孔眼等质量问题，这时多采用无损磁化检测，即先磁化套管，再检测磁化后套管上磁感应线分布情况，以确定套管是否合格。磁化后的套管会因消磁不彻底而带有大量剩磁。
3.4.2在运输过程中，一方面用电磁铁搬运套管而磁化套管；另一方面会和其他带有磁性的工件一起运输时，而被磁化。套管被磁化后，其产生的磁场对曲线测量产生干扰。
3.4.3套管下井后，被磁性物质所磁化。
套管被磁化后，对磁性定位仪产生干扰，使测量曲线上产生假信号。
3.5 接箍与套管壁的体积变化量
接箍与套管壁的体积变化量越大，对磁场影响越大，产生的感应电动势越大。
3.6 线圈匝数
式1中，Φ是穿过回路所围面积的磁通量，如果回路系由N匝密绕线圈组成。而穿过每匝线圈的磁通量都等于Φ，那么通过N匝线圈磁通量为ψ=NΦ，ψ也叫磁链。
式1可变为：E=-dψ/dt 式5
因此，磁通量变化时，当线圈匝数越多，产生的感应电动势也就越大，磁定位测量的信号也就越大。
3.7 磁钢磁场强度
磁钢的磁场强度越大，感应电动势也就会增大。
此外，二极管对信号也有影响。
在单芯磁定位中，由于二极管的技术指标的差异造成信号弱，干扰大，在气井，即深井作业时尤为明显。这主要是二极管随着下井深度的不断增加，它的导通电压随温度升高不断降低，以至于将线圈产生的有用信号越来越多的短路到雷管。造成的现象是，磁定位下井越深，信號越弱，克服这个现象的有力手段是使用技术指标较高的二极管或使用导通电压高的二极管。使用的二极管，检查时测量的阻值越大测得的信号就越好。 4.故障判断
磁性定位仪的故障主要在于仪器的“断路”与“短路”。
“断路”：引线断，线圈断都会导致无信号。
“短路”：线圈短路、引线短路导致无信号；引线绝缘降低、线圈接地不良，仪器密封不严进水，导致信号弱。
5.建议
在实际测量中，对应式4中的变量，M为套管的均质性、B套管被磁化后的磁场强度、ΔV为接箍与套管壁的体积变化量不是射孔队伍可控的。因此，在优选油套管的基础上，需要作业队严格执行标准进行通洗井，既清除套管内壁附着物，又减少井内起干扰作用的磁性物质，使井下环境利于测量。
式4中，L套管接箍与仪器轴心线的最短距离、V0仪器测量速度（均速）、X线圈绕线匝数、H磁钢磁场强度为射孔队伍可控。针对以上4种因素，提出以下建议：
5.1井下仪下到起测深度时，需平稳适当时间，再以适当的速度匀速上提，这样会取得较好的测量效果。这是因为在匀速平稳上提过程中，井下仪尽量保持在油套管中心线上，尽量避免由井下仪于井下的剧烈晃动，所导致的横向位置变化，即套管接箍与仪器轴心线的最短距离对磁通量的影响；此外，井下仪平稳上提过程中，式3中cosθ曲面S（线圈所围曲面）的法线矢量与磁场线之间的夹角，变化小，所引起的磁通量变化小，干扰信号少。
5.2X线圈绕线匝数、H磁钢磁场强度。
生产中存在这样的误解，认为线圈绕线匝数越多、磁钢磁场强度越大，磁通量就越大，进而测量的距离越大，测量的套管直径就越大。但是在套管磁化比较大的情况下，磁场干扰形成的脉冲也形成尖峰，造成曲线误记，也形成多尖，磁定位曲线必定测量的精度下降，造成深度误差大。
同时，由图1可知，由于线圈的增多，线圈电阻增大，必然导致二极管与线圈的并联阻值增大。在电缆射孔施工中，使点火成功率有所降低。因此，不能盲目地追求线圈的多匝数以及磁钢的高磁场强度。
6.结论
磁性定位仪结构简单，使用、维修方便，深入了解其原理及影响因素，可以提高工作效率，对射孔作业有着重要的意义。
参考文献
[1] 张攀登赵坤《浅析油气井射孔磁定位》中国石油集团测井有限公司长庆事业部.
[2] 孔长城胡宗武《电缆射孔磁定位仪的改进》华北石油测试公司2002年.
[3] 马金良《磁定位仪器测井曲线问题分析及仪器改进》中国石化集团西南石油局测井公司2012年.
作者简介
莫祥伟，男，1987年出生，助理工程师，2010年畢业于西南石油大学石油工程专业，现于射孔五队炮501班担任操作员。