便攜式油田電纜打標(biāo)裝置的研究

薛國民，高楊，汝繼偉中國石油大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心（黑龍江　大慶　163453）

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便攜式油田電纜打標(biāo)裝置的研究

薛國民，高楊，汝繼偉
中國石油大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心（黑龍江大慶163453）

對下井電纜進(jìn)行磁記號(hào)標(biāo)定是保證下井儀器設(shè)備準(zhǔn)確到達(dá)地層指定位置的重要手段，便攜式油田電纜深度打標(biāo)裝置通過計(jì)算控制各傳感器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)裝置功能。該裝置可以在測井現(xiàn)場對電纜進(jìn)行在線打標(biāo)，有速度測量、深度測量、誤差修正功能，同時(shí)具有便于攜帶、易操作，防打滑的特點(diǎn)。該裝置在大慶油田深度標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 200m/h 和3 000m/h的電纜運(yùn)行速度下，通過硬件精調(diào)修正和軟件延時(shí)修正，精度可達(dá)到±0.2m以內(nèi)。

標(biāo)準(zhǔn)井；電纜打標(biāo)裝置；電纜深度；刻度

在測井、射孔、修井和測試工作中，需要通過記錄下井電纜的深度保證下井儀器設(shè)備準(zhǔn)確到達(dá)地層指定位置。電纜深度記號(hào)的準(zhǔn)確與否是關(guān)系到工程技術(shù)施工作業(yè)質(zhì)量好壞的重要因素[1]，目前采用的電纜深度準(zhǔn)確度保障措施是下井電纜深度打磁標(biāo)記（簡稱打標(biāo)）的方式，每20m或者25m注入一個(gè)磁記號(hào)作為刻度，打標(biāo)工作需要作業(yè)車輛開到深度標(biāo)準(zhǔn)井打標(biāo)或者打標(biāo)實(shí)驗(yàn)室完成[2]。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在測井超過10口，或者電纜出現(xiàn)退磁等問題時(shí)[3]，電纜需要重新打標(biāo)。現(xiàn)在的打標(biāo)方式存在3個(gè)方面問題：一是標(biāo)準(zhǔn)井打標(biāo)需要在室外進(jìn)行，并且需要通過馬丁代克[4]來傳遞長度值，在冬季低溫環(huán)境以及當(dāng)電纜上有油污時(shí)，馬丁代克會(huì)打滑造成計(jì)量誤差偏大[5]；二是不同礦區(qū)和油田有各自的深度標(biāo)準(zhǔn)井，深度量值沒有統(tǒng)一的溯源，跨區(qū)作業(yè)時(shí)必須對電纜重新打標(biāo)；三是深度標(biāo)準(zhǔn)井?dāng)?shù)量少、作業(yè)車輛多，作業(yè)車輛需要經(jīng)常往返作業(yè)井和深度標(biāo)準(zhǔn)井（或者打標(biāo)實(shí)驗(yàn)室），尤其是到較遠(yuǎn)的作業(yè)場所或者跨區(qū)作業(yè)時(shí)，給深度打標(biāo)工作帶來很大的工作量，造成人力、物力和財(cái)力的巨大消耗。本文提出了一種新型的便攜式電纜打標(biāo)裝置可以有效地解決上述難題，在提高電纜打標(biāo)準(zhǔn)確度的同時(shí)，大幅度提高了勞動(dòng)效率。

1　工作原理

便攜式電纜打標(biāo)裝置的原理如圖1所示，電纜由左向右運(yùn)行，依次通過以下幾個(gè)部分：消磁器1號(hào)、注磁器1號(hào)、讀磁器1號(hào)、讀磁器2號(hào)、消磁器2號(hào)、注磁器2號(hào)、讀磁器3號(hào)。裝置主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)主要功能：對測井電纜進(jìn)行長度測量；對測井電纜進(jìn)行速度測量；對測井電纜進(jìn)行打標(biāo)。

圖1　電纜打標(biāo)裝置工作原理示意圖

1.1長度測量

1號(hào)注磁器與2號(hào)讀磁器之間的距離是0.5m，1號(hào)注磁器注磁后2號(hào)讀磁器讀到磁記號(hào)，控制1號(hào)注磁器再打一個(gè)磁標(biāo)記，依次循環(huán)。通過記錄讀到磁標(biāo)記的次數(shù)n即可計(jì)算出電纜長度L。

式中：L為電纜長度，m；n為讀磁標(biāo)記的次數(shù)。

1.2速度測量

同時(shí)使用1號(hào)、2號(hào)讀磁器檢測測井電纜上的磁標(biāo)記，通過互相關(guān)算法可以算出2個(gè)讀磁器讀到磁標(biāo)記的時(shí)間差t，2個(gè)讀磁器的距離0.1m，可計(jì)算測井電纜的速度V：

式中：V為測井電纜的速度，m/s；t為2個(gè)讀磁器讀到磁標(biāo)記的時(shí)間差，s。

1.3對測井電纜進(jìn)行打標(biāo)

1號(hào)注磁器注磁后，磁記號(hào)運(yùn)行到2號(hào)讀磁器，讀到磁記號(hào)后控制1號(hào)注磁器再打一個(gè)磁標(biāo)記，計(jì)數(shù)器加1，磁記號(hào)通過2號(hào)消磁器時(shí)將記號(hào)消去，當(dāng)計(jì)數(shù)器累加到40時(shí)，控制2號(hào)注磁器對電纜打標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了每20m一個(gè)記號(hào)。

2　總體設(shè)計(jì)方案

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

以便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)思想，易于攜帶和現(xiàn)場使用。裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了兩體式設(shè)計(jì)，包括背板、上殼體、下殼體，將各傳感器布置在上殼體各個(gè)部分，如圖2所示。

圖2　便攜式電纜打標(biāo)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)通過橫向和縱向槽輪的限位，可以保證電纜在儀器中間不會(huì)發(fā)生平移，保證精度；采用的分體式結(jié)構(gòu)使得讀磁器和消磁器中間有足夠的距離，以消除干擾。同時(shí)設(shè)計(jì)研制了高精度精調(diào)機(jī)構(gòu)，可以對1號(hào)注磁器和2號(hào)讀磁器之間的距離進(jìn)行修正。

2.2測控系統(tǒng)

軟件部分采用labview軟件編程，將讀磁器采集的信號(hào)經(jīng)過處理后在下位機(jī)進(jìn)行判斷，然后調(diào)用相應(yīng)的繼電器模塊控制注磁器進(jìn)行打標(biāo)。硬件部分考慮到裝置的精度要求以及穩(wěn)定性要求，因此采用了進(jìn)口控制器，共包括AI采集模塊、DO控制模塊、固態(tài)繼電器模塊、機(jī)械繼電器模塊等幾個(gè)部分。圖3為系統(tǒng)各模塊示意圖。

圖3　測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3　實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場測試

3.1實(shí)驗(yàn)室測試

在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)之前，對裝置進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室測試和改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)室測試中裝置精度與穩(wěn)定性以及注磁效果都達(dá)到了要求。為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室測試裝置，如圖4所示。利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過力矩電機(jī)控制從動(dòng)輪將電纜拉直，在電纜上依次安裝馬丁代克和電纜打標(biāo)裝置，通過馬丁代克來驗(yàn)證打標(biāo)裝置的精確度。設(shè)置測試長度為150m，每次當(dāng)裝置數(shù)值達(dá)到150m時(shí)輸出馬丁代克的讀數(shù)，然后根據(jù)誤差來調(diào)整精調(diào)機(jī)構(gòu)，再次測試，直至將系統(tǒng)誤差消除。

圖4　電纜打標(biāo)實(shí)驗(yàn)室裝置原理圖

3.2現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)在深度標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行，將測井電纜依次穿過地滑輪、天滑輪后下入井口，將打標(biāo)裝置安裝在井口支架上夾于電纜上，讓電纜穿過裝置后進(jìn)入井口，在裝置對零后下放電纜同時(shí)打標(biāo)，通過車載測井裝置觀察打標(biāo)裝置與井下標(biāo)準(zhǔn)接箍深度進(jìn)行對比判斷誤差。

3.2.1裝置準(zhǔn)確度與重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方法為電纜下放，利用裝置在電纜上打標(biāo)至1 100m，然后上提電纜，利用車載測井系統(tǒng)讀取打標(biāo)裝置在電纜上所注的磁標(biāo)記和磁定位儀器所讀取的井下接箍磁標(biāo)記。由于標(biāo)準(zhǔn)井在900m和1 100m標(biāo)準(zhǔn)接箍，而且這個(gè)深度是測井過程中經(jīng)常利用的深度，因此計(jì)算裝置所注磁記號(hào)與接箍磁記號(hào)在這一區(qū)間內(nèi)的差值作為誤差。由于裝置的數(shù)值與接箍的數(shù)值需要馬丁代克進(jìn)行傳遞，因此在計(jì)算過程中還要將馬丁代克的誤差Δ馬剔除。

式中：Δ馬為馬丁代克的系統(tǒng)誤差，m；197.24m為標(biāo)準(zhǔn)井900m到1 100m的實(shí)際長度值；ΔY為馬丁代克讀取長度值，m。

打標(biāo)裝置測量電纜的實(shí)際長度Δ實(shí)按式（4）計(jì)算：

式中：Δ實(shí)為打標(biāo)裝置測量電纜的實(shí)際長度，m；ΔX為馬丁代克讀取長度值，m；Δ馬為馬丁代克的系統(tǒng)誤差，m。

電纜打標(biāo)裝置采用精調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的部分現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，裝置的誤差在-0.04m至-0.1m之間，誤差能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的±0.2m以內(nèi)。

在電纜下井速度發(fā)生變化時(shí)，可通過調(diào)整軟件系統(tǒng)延時(shí)實(shí)現(xiàn)裝置的準(zhǔn)確測量，電纜速度3 000m/h時(shí)通過軟件修正調(diào)整誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：經(jīng)過延時(shí)打標(biāo)15ms的修正，可以將誤差范圍修正至-0.11m至0之間，滿足了±0.2m的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2磁記號(hào)分析

電纜打標(biāo)裝置在電纜所注的磁記號(hào)可以利用車載測井系統(tǒng)讀取裝置讀取，由圖5可以看出記號(hào)清晰，間距均勻。圖5中左側(cè)記號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)井接箍磁記號(hào)，右側(cè)為打標(biāo)裝置所注入磁記號(hào)。

4　結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試，可以得出以下結(jié)論：

表1　電纜打標(biāo)裝置現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

表2　軟件調(diào)整系統(tǒng)延時(shí)14ms試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　車載測井系統(tǒng)讀取磁標(biāo)記圖像

1）裝置能實(shí)現(xiàn)在線電纜打標(biāo)功能；電纜運(yùn)行速度1 200、3 000m/h下通過外置精調(diào)機(jī)構(gòu)修正和軟件延時(shí)修正可以保證打標(biāo)精度在±0.2m范圍之內(nèi)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足石油行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）該裝置利用了高精度磁測量與信號(hào)采集技術(shù)、互相關(guān)測速技術(shù)、模擬信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電纜長度測量、速度測量以及磁記號(hào)標(biāo)定功能。同時(shí)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，證明了各項(xiàng)功能的精確度和可靠性。

3）該裝置的發(fā)明減少了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)井打標(biāo)方式帶來的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，解決了馬丁代克計(jì)量電纜長度時(shí)會(huì)打滑、結(jié)垢造成誤差的問題。按照目前的管理方式，每臺(tái)測井車測10口井需要往返標(biāo)準(zhǔn)井或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行電纜校正或刻度，年往返次數(shù)27次，應(yīng)用此裝置后可每季度到標(biāo)準(zhǔn)井或?qū)嶒?yàn)室刻度1次，年減少往返次數(shù)20次以上，具備在油田生產(chǎn)以及其他需要計(jì)量電纜長度的場合應(yīng)用的條件。

[1]曾濤.磁標(biāo)記法高分辨率井深測量方法的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2007.

[2]劉江偉,李建華,葉文軍,等.測井電纜深度記號(hào)標(biāo)定新方法實(shí)現(xiàn)的研究與應(yīng)用[J].測井技術(shù)，2007，31(6)：580-582.

[3]李繼華，胡雄民，魏愛軍.井下套管消磁器研制與應(yīng)用[J]測井技術(shù)，2010,34(3)：271-274.

[4]劉寶和.中國石油勘探開發(fā)百科全書工程卷[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008:196.

[5]靳娟，葉獻(xiàn)方，肖海霞，等.測井電纜注磁標(biāo)定測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測井技術(shù)，2010，34(1)：88-90.

The magnetically markingof down-well cable is an important means to ensure the down-well instrument and equipment to ac?curately reach the designated position. The portable oilfield cable markingdevice controls the cooperative work of all sensors by calculat?ingto realize its function. The device can finish the cable markingin loggingfield, it has the functions of speed measurement, depth mea?surement and error correction, and it has the characteristics of easy to carry, easy to operate and anti slip. Several experiments carried out in the standard depth well of Daqing Oilfield show that the device can reach to the cable marking accuracy below±0.2 m by hardware’s precise adjustment correction and software’s delay correction at the cable speed of 1 200 m/h and 3 000 m/h.

standard well; cable markingdevice; cable depth; scale

薛國民（1970-），男，高級工程師，現(xiàn)從事石油專用計(jì)量技術(shù)和管理研究工作。

本文編輯：王梅2015-12-09