激光測距儀在石油管具長度測量中的應(yīng)用

孫增生，鄂振乾，劉金良，陳 凱，黃自評，陳明禹

(長城鉆探工程有限公司 北京 100101)

0 引 言

在油田作業(yè)過程中，凡是下井的器具，無論是套管、鉆具還是油管，都必須精確測量，以便確定井下工具的操作位置。傳統(tǒng)石油管具的長度測量大都采用人工鋼卷尺測量、手工錄入。測量一次需3個人共同完成，其中2個人分別站在管具的兩端拉鋼卷尺測量，1人記錄測量結(jié)果，同時把測量數(shù)據(jù)標(biāo)記在管具本體上，以便再次核對。測量完成后還需要人工把測量的結(jié)果錄入計算機(jī)，進(jìn)行統(tǒng)計和結(jié)果的累加，然后再次到現(xiàn)場與管具上的數(shù)值進(jìn)行核對，若發(fā)現(xiàn)錯誤還需要反復(fù)測量和檢查。此過程需測數(shù)據(jù)較多，工作冗雜，系統(tǒng)誤差和偶然誤差大，尤其是出現(xiàn)錯誤后核查過程繁瑣。

世界上第一臺激光測距機(jī)是1961年美國休斯飛機(jī)公司研發(fā)的[1]。手持激光測距儀是一種以激光為載波，以目標(biāo)表面漫反射測量為特點，通過脈沖法和相位法等測量短程距離的便攜式計量器具[2]。它體積小巧，重量輕，攜帶方便，成本低。激光測距儀與傳統(tǒng)的鋼卷尺方法相比較,具有測量精度高、操作便捷及受地形、溫度等干擾因素影響小的特點。

曾有研究者試圖將激光測距儀應(yīng)用于施工現(xiàn)場測量中。如某油田曾于2010年委托某高校進(jìn)行了石油管線管長度激光測距儀的研制[3]；呂鐵男等人2004年研發(fā)了激光測距儀報表生成技術(shù)[4]，以提高使用者的體驗度；張洪新等人2017年公布了一種管柱長度激光測量儀，旨在提供一種通過激光精準(zhǔn)測量石油管柱長度并累計總長的儀器，并獲國家專利[5]。

綜上，科研人員一直在不斷探求一種簡便、精確的測量工具。但由于激光測距儀測量時需要頻繁調(diào)整位置和角度，日間戶外測試者難以觀察到光斑，目前現(xiàn)場的實際應(yīng)用并不多。

本實驗旨在尋求一種可在戶外日間進(jìn)行的激光測距方法。

1 測量方法的改進(jìn)

鉆修井現(xiàn)場使用的管具均為車床加工而成，端面和中心軸線垂直，這是本測量支架制作的基礎(chǔ)。如果測量支架滿足以下條件：

1)能夠輕易實現(xiàn)測量支架與管具端面緊密貼合；

2)激光測距儀固定在測量支架上并可以確保發(fā)射的激光束與測量支架垂直；

3)激光測距儀前端測量起點與主架測量面平齊；

4)測量用反光板緊密貼合在管具的另外一端面；

則可以快速、準(zhǔn)確地測量出管具的長度，而不需要反復(fù)調(diào)整激光測距儀的角度和位置。

1.1 測量支架的制作和測量方法

1.1.1 T型和L型測量支架及反光板

測量支架使用方形管材制作而成，主支架高度略大于最大需測管具直徑，固定支架略大于測距儀。固定支架與主支架垂直，測距儀緊固在固定支架上，使測量激光束與主支架測量面垂直，前端與測量支架平齊。T型、L型測量支架示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 T型測量支架示意圖

圖2 L型測量支架示意圖

反光板使用2 mm厚環(huán)氧樹脂板或其他半透明材料制作，靶柄寬度為最小測量管具直徑，以便于對擺放不整齊的管具進(jìn)行測量，靶標(biāo)寬度為9 in套管直徑(1 in=25.4 mm)，如圖3所示。

圖3 反光板

1.1.2 較大管徑的測量(T型支架內(nèi)測法)

對直徑較大的管具使用T型支架內(nèi)測法進(jìn)行測量，如圖4所示。

圖4 使用T型支架內(nèi)測法示意圖

測量時讓激光測距儀基本位于被測管具中心位置，測量面緊貼管具端頭，反光板緊貼管具另一端，按下發(fā)射鍵，即可看到激光斑落在反光板上，測距儀上會顯示被測管具長度，按保存鍵即可進(jìn)行存儲。

1.1.3 較小管徑的測量(L型支架外測法)

測量方法如圖5所示。使L型測量支架基本居中，讓反光板方位基本保持與測距儀一致，按壓激光測距儀發(fā)射鍵，反光板可以觀察到激光斑，即可讀取被測量管具的長度，按存儲鍵存儲。

圖5 使用L型支架外測法示意圖

1.1.4 “甲”字型半透明反光板的作用

無論T型支架內(nèi)測法還是L型支架外測法，測量者夜間均可以清楚地觀察到激光束落在反光板上形成光斑。日間光照強(qiáng)烈時則不易發(fā)現(xiàn)光斑，但反光板的半透明設(shè)計可以讓管具對側(cè)的人員觀察到透過的激光斑，并予以確認(rèn)。

“甲”字型反光板的設(shè)計，可以輕松對擺放不整齊的較細(xì)管具進(jìn)行測量，而不必調(diào)整管具的位置。因反光板上方的靶標(biāo)較大，只要測量支架和反光板方位基本一致，激光束很容易照射到靶標(biāo)上。

1.2 現(xiàn)場實測與作業(yè)效率

現(xiàn)場使用L型支架外測法(使用UNI-T UT395A激光測距儀，具有存儲和數(shù)據(jù)下載功能)以及普通鋼卷尺對270根3in油管進(jìn)行了實際對比測試，兩種測量長度結(jié)果完全一致，作業(yè)效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。由表1可見，激光測距儀的使用大幅度提高了勞動效率。

表1 使用鋼卷尺和激光測距儀測量管具作業(yè)效率對比

2 誤差討論

對激光與被測管具中心軸線不完全平行所導(dǎo)致的誤差計算，見圖6。

圖6 測量誤差最大值的計算

(1)

故：

(2)

以管具長10 m測算，根據(jù)前面實際測試偏差，按100%一次性落入7 in套管內(nèi)測算，d的最大值(未考慮套管壁厚)應(yīng)該是:

7×25.4÷2=88.9(mm)

代入式(1)可以得出：

與真實值的誤差為：0.000 395 m=0.395 mm，可以忽略不計。

3 結(jié) 論

1)對于直徑大于7 in的套管，使用T型支架內(nèi)測法測量，如果因套管擺放位置所限(如測試者處于一個不舒適的體位)，也可使用L型支架外測法測量。

2)對于小于7 in的套管或鉆具，建議使用L型支架外測法進(jìn)行測量。

3)借助測量支架，在日間、夜間均可使用激光測距儀對管具進(jìn)行測量。該方法測量精度高、使用方便，可提高勞動效率，降低勞動強(qiáng)度，減少人為失誤，降低數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對人因的依賴。