雙信號互補式連續(xù)油管計數(shù)器的結(jié)構(gòu)與信號處理設(shè)計

王宜金 周曉宇 劉文彬

（中國石油大學(xué)，青島 266580）

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雙信號互補式連續(xù)油管計數(shù)器的結(jié)構(gòu)與信號處理設(shè)計

王宜金 周曉宇 劉文彬

（中國石油大學(xué)，青島 266580）

摘 要：連續(xù)油管計數(shù)器是連續(xù)油管作業(yè)機滾筒上的一個部件，用于測量連續(xù)油管的入井深度，為油田施工提供重要依據(jù)。然而，目前連續(xù)油管計數(shù)器誤差大，對現(xiàn)場施工造成一定影響，而誤差的主要來源于連續(xù)油管與計數(shù)輪之間的相對滑動。為減少該部分誤差，本論文提出一種基于信號處理以提高測量精度的測量方式。基本方案是采用雙計數(shù)輪—編碼器總成，然后進(jìn)行信號補償，以獲得更準(zhǔn)確的連續(xù)油管入井深度。

關(guān)鍵詞：連續(xù)油管 計數(shù)器 誤差 信號補償

引言

連續(xù)油管（coiled tubing，簡稱CT）作業(yè)機在石油裝備行業(yè)被稱之為“萬能作業(yè)機”。自60年代初被引入油田后，便以其高效、經(jīng)濟(jì)、實用的特點受到用戶的青睞。相對于常規(guī)作業(yè)技術(shù)，連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)具有提高作業(yè)速度、節(jié)約時間、減少底層傷害、降低作業(yè)成本和提高施工安全等諸多優(yōu)點［1］。

連續(xù)油管作業(yè)機在進(jìn)行各項作業(yè)任務(wù)時，需要對連續(xù)油管的入井深度進(jìn)行精確測量，并以此作為各項作業(yè)任務(wù)的依據(jù)。而連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)自引入之初，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中就存在深度位置指示不準(zhǔn)確、誤差較大的問題［2］。連續(xù)油管設(shè)備一般采用機械滾輪計數(shù)器計量深度，該方法計量誤差較大，且工作穩(wěn)定性較差。這樣的條件對排液等不需要精確定位的施工基本可以滿足要求，但是對一些需要精確定位的施工，如多薄層壓裂等，往往不能滿足。目前，所采用的機械滾輪計數(shù)器的誤差大且不穩(wěn)定，有可能會導(dǎo)致施工層位的變化，甚至造成鉆頭等井下設(shè)備在上提過程中與注入頭、防噴器、防噴管等發(fā)生碰撞，造成設(shè)備損壞，增加作業(yè)成本，甚至引發(fā)事故。因此，連續(xù)油管入井深度的精確測量技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)連續(xù)油管特殊作業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。

綜上所述，連續(xù)油管滾筒高精度計數(shù)器，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單可靠，精度更高，符合當(dāng)下連續(xù)油管作業(yè)機的發(fā)展趨勢，在油田的現(xiàn)場應(yīng)用方面也具有很大的實際意義。而本文提出一種基于信號處理以提高測量精度的測量方式，即雙信號互補式連續(xù)油管計數(shù)器。該計數(shù)器采用雙計數(shù)輪—編碼器總成，測量時雙計數(shù)輪同時與連續(xù)油管接觸，雙編碼器同步測量，從而產(chǎn)生雙信號，輸入至控制器后，由控制器對雙信號進(jìn)行互補處理，通過處理后的信號解析計算油管入井深度。

1 計數(shù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提高計數(shù)器的測量精度，減小測量值與連續(xù)油管實際入井深度之間的誤差，尤其是在連續(xù)油管下井或出井過程中，因與計數(shù)輪發(fā)生相對滑動造成的誤差，本設(shè)計作如下改進(jìn)，雙信號互補式連續(xù)油管計數(shù)系統(tǒng)總概如圖1所示。

本改進(jìn)設(shè)計中，連續(xù)油管計數(shù)系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)包括上計數(shù)總成、下計數(shù)總成、導(dǎo)管器總成和支撐桿。換言之，在原先計數(shù)器機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)1組計數(shù)輪—編碼器總成，即下計數(shù)總成。下計數(shù)總成與導(dǎo)管器總成為鉸連接，且與上計數(shù)總成之間還有彈簧拉緊（上計數(shù)總成和下計數(shù)總成在相應(yīng)位置有彈簧拉環(huán)孔）。由于上計數(shù)總成和下計數(shù)總成之間彈簧力的存在，使下計數(shù)總成內(nèi)的第二計數(shù)輪在工作過程中能夠與上計數(shù)總成內(nèi)的第一計數(shù)輪一起，在連續(xù)油管的上下方面上對其形成夾持并具有一定的壓緊力，從而為本設(shè)計中采用信號處理的方式提高測量精度的測量方法提供基礎(chǔ)。

下計數(shù)總成中有1條計數(shù)路線，與上計數(shù)總成中的脈沖信號計數(shù)路線相同。其路線是直接從安裝于第二計數(shù)輪輪軸的第二計數(shù)輪開始。因安裝于編碼器安裝位的第二編碼器與第二計數(shù)輪輪軸同軸安裝，故將連續(xù)油管的直線運動通過第二計數(shù)輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為編碼器的角位移，從第二編碼器獲得的計數(shù)脈沖作為下一步信號處理工作的第二測量信號。

1.上計數(shù)總成；2.第一編碼器安裝位；3.第二編碼器安裝位；4.支撐桿；5.機械式計數(shù)器安裝位；6.導(dǎo)管器總成；7.下計數(shù)總成圖1 雙信號互補式連續(xù)油管計數(shù)系統(tǒng)總概

2 計數(shù)器計數(shù)原理初步設(shè)計

測量過程中，第一編碼器和第二編碼器分別且同步計數(shù)。假設(shè)用控制器計量第一測量信號，設(shè)控制器計量第一測量信號50個（暫定）完整脈沖信號的時間t（時間A至?xí)r間B）作為固定的單位時間，同時計量該單位時間內(nèi)第二編碼器脈沖信號中的上升沿或下降沿數(shù)量N，然后進(jìn)行比較后計數(shù)。

信號處理的比較和計數(shù)過程如下：

使用控制器將第一編碼器和第二編碼器分別且同步獲得第一測量信號和第二測量信號，然后同時輸入至控制器進(jìn)行處理。處理過程為，以控制器計量第一測量信號50個（此數(shù)值也要根據(jù)現(xiàn)場誤差要求進(jìn)行確定，若精度要求高，則此數(shù)選擇較小為好，但相應(yīng)計數(shù)成本增加）完整脈沖數(shù)作為時間單位t，同時計量第二測量信號在該時間單位內(nèi)脈沖信號的上升沿或下降沿數(shù)量N。然后，在控制器內(nèi)部進(jìn)行比較過程（具體的分類討論情況如上文所述）。當(dāng)N≤50，該則單位時間t內(nèi)，連續(xù)油管入井深度的改變量（增量或減量）為50個脈沖所代表的連續(xù)油管長度；當(dāng)N＞50，該則單位時間t內(nèi)，連續(xù)油管入井深度的改變量（增量或減量）為N個脈沖所代表的連續(xù)油管長度。

在完成一個時間單位t的比較后，進(jìn)入下一個時間單位t（第一測量信號上一個時間單位t之后的50個完整脈沖數(shù)或單位時間t），如此將比較和計數(shù)過程持續(xù)下去，從而持續(xù)進(jìn)行測量過程。同時，對之前的各個時間單位內(nèi)得到的脈沖數(shù)進(jìn)行累加（50或者N）。然后，通過控制器內(nèi)部的運算單位，累加各個時間單位t內(nèi)連續(xù)油管入井深度的改變量（增量或減量）的脈沖代表數(shù)值50或N，從而獲得連續(xù)時間內(nèi)的總脈沖數(shù)T，并實時解析獲得此時連續(xù)油管的入井深度L。其中，此處以M為例，即編碼器旋轉(zhuǎn)一周，輸出信號為M個脈沖數(shù)，計數(shù)輪周長為0.5m，則此時單個脈沖所代表的連續(xù)油管長度為0.5/M米。

L=總脈沖數(shù)T×0.5/M （m）

此時可通過可視化模塊連接顯示器，將顯示器安裝于控制室內(nèi)，可使工作人員直觀了解此時的連續(xù)油管入井深度。

3 結(jié)束語

本設(shè)計的出發(fā)點與目的均是為了提高連續(xù)油管作業(yè)機在工作過程中能夠更好地完成工作任務(wù)，減小事故發(fā)生的風(fēng)險，從而避免因事故導(dǎo)致的人員傷亡和財產(chǎn)損失。本設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠很好地為信號處理部分提供必要支撐，而信號處理部分在理論上也能夠較好地完成減小測量過程中因滑動摩擦導(dǎo)致的誤差，故本設(shè)計具有一定的創(chuàng)新性與可行性。

參考文獻(xiàn)

［1］李宗田.連續(xù)油管技術(shù)手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［2］張嗣偉，王優(yōu)強.對我國連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的思考［J］.石油礦場機械，1999，（1）：4-6.

The Structure and Signal Processing Design of Dual Signal Complementary Coiled Tubing Counter

WANG Yijin， ZHOU Xiaoyu， LIU Wenbin
（China University of Petroleum， Qingdao 266580）

Abstract:The coiled tubing counter is a part of coiled tubing working machine drum， which is used to measure the depth of the inflow of coiled tubin g， which provides an important basis for oilfield construction. However， the error of the coiled tubing counter is large， which has a certain influence on the field construction， and the error is mainly due to the relative sliding between the coiled tubing and the counting wheel. In order to reduce the error of this part， this paper proposes a method based on signal processing to improve the measurement precision. The basic plan is to use a double counting wheel encoder assembly， and then signal compensation， in order to get more accurate depth of coiled tubing into the well.

Key words:coiled tubing， counter， error， signal compe nsation