多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置的研制

趙遠(yuǎn)航 尹立山 白麗麗 劉師成 劉永楓

（1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司儀器維修中心）

在井徑測(cè)試中，井徑參數(shù)具有重要意義，是油田地質(zhì)分析和作業(yè)施工時(shí)參考的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)之一， 井徑參數(shù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到油井的安全和原油的產(chǎn)量。 井徑測(cè)試儀是獲得井徑參數(shù)的重要測(cè)井設(shè)備， 井徑測(cè)試儀的性能直接影響最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性， 井徑測(cè)試儀的核心部件是井徑電位器， 因此井徑電位器精度檢測(cè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要［1~3］。

我國(guó)油田工程實(shí)際生產(chǎn)過程中，井徑電位器的檢測(cè)尚處于手工作業(yè)模式階段，手工作業(yè)模式對(duì)于工程技術(shù)人員的個(gè)人檢測(cè)技能要求極高，并且檢測(cè)的準(zhǔn)確性容易受到測(cè)試人員個(gè)人因素的影響，因此人為測(cè)試誤差難以避免［4］。在井徑測(cè)試儀下井前，必須對(duì)井徑電位器進(jìn)行檢測(cè)，人工檢測(cè)電位器的模式不僅耗時(shí)、耗力、成本高，而且不能保障檢測(cè)精度。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，測(cè)井市場(chǎng)對(duì)測(cè)井儀器的精度、測(cè)井的效率和測(cè)井成功率的要求日益升高，而多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置可以有效替代人工作業(yè)模式，這樣既能控制生產(chǎn)成本，提高檢測(cè)效率，又可以避免人工操作的諸多不確定因素，進(jìn)而提高測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的可靠性，為油井的后續(xù)生產(chǎn)提供更科學(xué)性的參考數(shù)據(jù)［5~7］。

1 井徑測(cè)試儀的工作原理

井徑測(cè)試儀由井徑測(cè)量部分和伸縮傳動(dòng)部分組成。井徑測(cè)量時(shí)，4 個(gè)各自獨(dú)立且均被放開的測(cè)量臂隨同被測(cè)井眼的大小運(yùn)動(dòng)，每個(gè)測(cè)量臂帶動(dòng)一個(gè)井徑電位器，電位器的位移變量即井徑測(cè)量臂的收放角度，4 個(gè)井徑電位器的位移變量經(jīng)過變換處理，以電壓量形式直觀地呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中。 伸縮傳動(dòng)部分由帶有齒輪減速器的永磁直流電動(dòng)機(jī)、連桿等部件共同組成，在地面儀的控制下完成測(cè)量臂的收放功能［8］。 井徑測(cè)試儀模型如圖1 所示。

圖1 井徑測(cè)試儀模型

井徑測(cè)試儀的原理基于滑動(dòng)變阻器，即以輸入、輸出電壓信號(hào)為采集數(shù)據(jù)，并將采集的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在實(shí)際井徑測(cè)量操作中，4 個(gè)測(cè)量臂中任意一個(gè)測(cè)量臂位移發(fā)生變化時(shí)，均會(huì)帶動(dòng)相應(yīng)井徑電位器上的滑動(dòng)桿同時(shí)滑動(dòng)，測(cè)量臂在彈簧力的作用下發(fā)生伸縮，將測(cè)量臂的伸縮變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化［9］。 當(dāng)給滑動(dòng)電阻通以一定強(qiáng)度的電流后即可將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而間接地反映井口井徑的變化［10，11］。使用換算模型可計(jì)算出井徑，完成實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量。 井徑測(cè)試儀的工作原理如圖2 所示。

圖2 井徑測(cè)試儀的工作原理

2 誤差分析及影響

2.1 產(chǎn)生誤差的原因

在實(shí)際井徑測(cè)算的操作過程中，井徑電位器產(chǎn)生誤差的原因主要有以下3 點(diǎn)：

a. 電位器的工作過程較為復(fù)雜，諸多不確定因素均會(huì)導(dǎo)致電位器無(wú)法正常工作， 例如斷點(diǎn)、虛接及接觸不良等現(xiàn)象。 當(dāng)井徑電位器出現(xiàn)故障時(shí)，技術(shù)操作人員需要用手重復(fù)推拉電位器進(jìn)行輔助檢測(cè)，人工操作很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制是造成誤差的主要原因之一。

b. 技術(shù)操作員須通過萬(wàn)用表所顯示的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和完善。 由于萬(wàn)用表的數(shù)值非固定值，技術(shù)操作員讀錯(cuò)數(shù)值時(shí)，會(huì)造成電位器檢測(cè)失誤， 使測(cè)算結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生誤差。

c. 技術(shù)操作員在測(cè)算過程中使用的彈簧具有極大的彈力，實(shí)際過程中則需用手指反復(fù)推動(dòng)彈簧，此方法測(cè)量的效率較低，極易造成數(shù)據(jù)結(jié)果的偏離。

2.2 誤差帶來的影響

井徑電位器的誤差，不僅會(huì)造成使用成本的增加，而且若對(duì)整個(gè)井徑電位器所測(cè)算的對(duì)象錯(cuò)誤定性，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失：

a. 對(duì)于一支無(wú)問題的電位器， 若誤判其性能，則會(huì)造成單支電位器的浪費(fèi)；

b. 在檢測(cè)過程中，若技術(shù)操作員無(wú)法迅速確定存在故障的電位器，則只能將4 只電位器全部淘汰，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失；

c. 若損壞的電位器被技術(shù)檢測(cè)員誤判為無(wú)損，繼續(xù)使用在井徑測(cè)試儀上，則會(huì)得出錯(cuò)誤的井徑測(cè)試數(shù)據(jù)，影響油田的安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。

3 解決方案

多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置采用電流法測(cè)量原理， 且運(yùn)用低電壓測(cè)量高電阻的方法，儀器可通過多個(gè)通道獲得電壓信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理實(shí)現(xiàn)井徑電位器的檢測(cè)。 由于該裝置采用全新的設(shè)計(jì)方法和微型計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，可有效提高井徑電位器檢測(cè)工作的準(zhǔn)確性和效率。 該多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件分析系統(tǒng)3 個(gè)部分組成，可大范圍替代手工檢測(cè)電位器的工作。 多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置3D 模擬圖如圖3 所示。

圖3 多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置3D 模擬圖

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)可伸縮的桿狀分支結(jié)構(gòu)，將電位器固定在檢測(cè)設(shè)備上，調(diào)整好電位器后將伸縮桿鎖定，防止電位器滑動(dòng)；通過電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)擋板擠壓連桿，將電機(jī)固定在擋板上并使電機(jī)與傳動(dòng)輪銜接，使電機(jī)不隨擋板發(fā)生位移；采用線性往復(fù)絲杠帶動(dòng)3 個(gè)推動(dòng)軸作為動(dòng)力， 在低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下，可以同時(shí)推動(dòng)3 組電位器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組電位器同時(shí)檢測(cè)，以提高檢測(cè)效率。井徑測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)正面如圖4 所示。

圖4 井徑測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2 硬件電路

電路部分采用的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是以USB 多路模擬數(shù)據(jù)為采集模塊，從多條通道得到的電壓信號(hào)經(jīng)過緩沖、陷波、放大、低通濾波、A/D 轉(zhuǎn)換，再由接口和邏輯控制電路發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果通過屏幕顯示。 通道的開啟由電子模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)控制。 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

圖5 井徑測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.3 軟件分析系統(tǒng)

軟件部分采用電位器采集專用系統(tǒng)，此系統(tǒng)可及時(shí)有效地采集各路電位器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且通過計(jì)算機(jī)運(yùn)用算法對(duì)比， 將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，建立電位器故障分析模型，模型中不同故障問題表現(xiàn)出不同的圖像或曲線，可直觀地在屏幕上呈現(xiàn)并準(zhǔn)確判斷所屬故障類型。 同時(shí)建立測(cè)試數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)，測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)為曲線、電子表格等形式，以便于進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析。 最后搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行樣機(jī)調(diào)試， 并進(jìn)行樣機(jī)可靠性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析。 基于C語(yǔ)言的軟件程序流程如圖6 所示。

4 多路井徑電位器實(shí)物檢測(cè)

以現(xiàn)場(chǎng)采購(gòu)的一個(gè)批次的電位器作為樣本進(jìn)行測(cè)試分析。

以檢測(cè)60 支電位器為例， 已知合格產(chǎn)品56支，將4 支故障電位器混入其中后分為10 組，每組6 支分別進(jìn)行手工檢測(cè)和多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)，每組檢測(cè)平均時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

圖6 軟件程序流程

表1 檢測(cè)平均時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比 s

由表1 數(shù)據(jù)可知， 自動(dòng)檢測(cè)總平均時(shí)間為29.4s，手工檢測(cè)總平均時(shí)間為300.2s，檢測(cè)效率提高了近十倍。

通過使用多路井徑電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置，檢測(cè)出電位器中有4 組存在故障的電位器，通過手工檢測(cè)僅檢測(cè)出1 組存在故障的電位器。 由此可知，與傳統(tǒng)的手工檢測(cè)相對(duì)比，該自動(dòng)檢測(cè)裝置不僅將測(cè)量精度提升至99.5%以上， 而且檢測(cè)效率比傳統(tǒng)的人工檢測(cè)提高近十倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)人工檢測(cè)井徑電位器存在的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度低等問題，研制了多路井徑儀電位器自動(dòng)檢測(cè)裝置。 通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并與手工檢測(cè)對(duì)比，該裝置不僅將檢測(cè)效率提高了十倍，且測(cè)量精度達(dá)到了99.5%， 從而驗(yàn)證該裝置可在多數(shù)情況下替代人工手動(dòng)檢測(cè)，提高經(jīng)濟(jì)收益，對(duì)油田企業(yè)的智能化檢測(cè)具有積極的推動(dòng)作用。