便攜式油田下井電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置

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 163000）

在油田測(cè)井過程中，需要先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電纜打標(biāo)，電纜打標(biāo)完成后需要在測(cè)井公司的標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行測(cè)試，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)并矯正后才能夠進(jìn)行打標(biāo)裝置的測(cè)試。提出了一種在井口實(shí)時(shí)打標(biāo)的裝置，其能夠在獲得電纜井下壓力的同時(shí)，利用拉伸電纜進(jìn)行打標(biāo)，有效地消除了油田測(cè)井過程中的打標(biāo)問題。為了便于系統(tǒng)對(duì)打標(biāo)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)了一套電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置；并且針對(duì)校準(zhǔn)裝置，設(shè)計(jì)了必要的技術(shù)規(guī)范，按照操作規(guī)范進(jìn)行打標(biāo)裝置的校準(zhǔn)和測(cè)試，能夠有效矯正電纜打標(biāo)裝置的系統(tǒng)誤差，從而保證打標(biāo)裝置在測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1 電纜打標(biāo)裝置原理

下井電纜打標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由消磁器、注磁器、讀磁器、上殼體和背板構(gòu)成。

圖1 便攜式油田電纜深度打標(biāo)裝置主體示意圖

工作原理：電纜沿水平方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過消磁器A，將電纜原有磁記號(hào)擦除；經(jīng)過注磁器A，為電纜刻度磁記號(hào)；經(jīng)過讀磁器A，讀取磁記號(hào)，同時(shí)軟件計(jì)數(shù)器加1；經(jīng)過消磁器B，將磁記號(hào)擦除，當(dāng)讀磁器A讀取到40個(gè)磁標(biāo)記時(shí)，注磁器B為電纜刻度磁記號(hào)。由于注磁器A和讀磁器A為固定間距0.5 m，因此電纜每20 m時(shí)會(huì)保留一個(gè)磁記號(hào)，實(shí)現(xiàn)電纜長度計(jì)量。通過此設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)時(shí)下井的情況下，進(jìn)行實(shí)時(shí)的電纜打標(biāo)，并且由于采用磁標(biāo)記的形式，能夠有效地防止冬季電纜打標(biāo)過程中，由于油水在低溫結(jié)冰下產(chǎn)生的電纜打滑等情況，并且由于下井電纜的加長，將會(huì)產(chǎn)生電纜的拉伸。

為了有效測(cè)試電纜打標(biāo)裝置的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室電纜深度打標(biāo)測(cè)試裝置，其設(shè)計(jì)方案如圖2所示。主、從動(dòng)端電纜轉(zhuǎn)盤相距25 m，主動(dòng)端由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井絞車提供動(dòng)力，從動(dòng)端由一臺(tái)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電纜正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，力矩電機(jī)提供阻尼，以保證電纜做穩(wěn)定的直線運(yùn)動(dòng)。電纜反向回收時(shí)，力矩電機(jī)則起到提供動(dòng)力的作用。

圖2 總體裝置示意圖

通過電纜定標(biāo)裝置，可以在電纜上留下相隔20 m的磁標(biāo)記。每一個(gè)磁標(biāo)記是有特定規(guī)律的分布曲線，通過高精度特斯拉計(jì)可以檢測(cè)出磁標(biāo)記的分布波形。

每兩個(gè)相鄰的磁標(biāo)記分布曲線上對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)之間的距離都為20 m，則使用高精度特斯拉計(jì)檢測(cè)兩個(gè)相鄰磁標(biāo)記曲線的最高點(diǎn)，得到兩點(diǎn)之間的距離為20 m。對(duì)于25 m的磁標(biāo)記信號(hào)，其處理模型相同[1]。

2 下井電纜應(yīng)力分析及測(cè)控系統(tǒng)方案

2.1 下井電纜應(yīng)力分析

首先建立井下電纜拉伸的理論模型，隨后給出仿真結(jié)果。

2.1.1 井下電纜下井拉伸理論模型

忽略各處摩擦力、阻力以及溫度影響，在井下任意位置的電纜主要受3部分力的作用，即端部懸掛物重力、電纜自身重力和井下浮力（假定井下充滿井水），由此考慮，井下電纜總拉伸量為：

式中：E為電纜彈性模量；σ為電纜任意微元所受的正應(yīng)力，Pa。由下式計(jì)算得出：

式中：F為微元橫斷面處正拉力，N；S為電纜橫截面積，m2；FW為懸掛物重力，N；FG為電纜自身重力,N；FB為井下浮力在微元截面產(chǎn)生的正應(yīng)力，Pa。計(jì)算方法分別為：

式中：M0為懸掛重物質(zhì)量，kg；g為重力系數(shù)；G為電纜比重，kg/m3；l為微元到端部距離，m；L為井下電纜總長,m；ρ為井水密度，kg/m3。由以上各式得到：

2.1.2 井下電纜模擬仿真分析

根據(jù)GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》標(biāo)準(zhǔn)要求，G=3 870 kg/m3，E=110 GPa。常用M0=50 kg，電纜直徑D分別為5.6、8.0、10.3、12.7 mm，井水密度在不同井下有所差異，在此取ρ=1 800 kg/m3。得到在4種常用電纜直徑下的伸長量隨下探深度曲線，如圖3所示。

圖3 井下電纜拉伸模擬仿真

2.2 實(shí)驗(yàn)室電纜拉伸分析

實(shí)驗(yàn)室電纜打標(biāo)采用電機(jī)帶動(dòng)滾盤，從而帶動(dòng)電纜運(yùn)動(dòng)的方式，電纜的軸向拉伸主要受電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩影響。在此以直徑1.2 m，相距20 m的滾盤和直徑5.6 m的電纜為例，分析電纜拉伸量隨驅(qū)動(dòng)力矩的變化關(guān)系（理論方法同上），結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室電纜打標(biāo)拉伸模型分析

從結(jié)果可以看出，即使對(duì)于所用最細(xì)的電纜（直徑5.6 m），在正常實(shí)驗(yàn)使用力矩0~100 N·m的作用下，其拉伸量也只有約10-3m，這對(duì)于整體來說是可以忽略的。故可以認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)室打標(biāo)可以不考慮電纜受拉伸長的影響。

算法回歸：在如圖5所示，原有的馬丁代克裝置下，在電纜下測(cè)過程中，引入楊氏模量方程：

圖5 原有馬丁代克方案

E=（F/S）/（dL/L） （7）

可得豎直電纜的下測(cè)過程中的拉伸方程為：

而長度為定長X段的拉伸方程為：

可得，不論在定滑輪的哪側(cè)下測(cè)過程中的拉伸方程都是嚴(yán)格按照電纜的伸長而增長的，并且與定滑輪右側(cè)的長度成線性關(guān)系。因此最初馬丁代克下測(cè)所記錄長度和下測(cè)了一定距離后的長度存在偏差，偏差量和下測(cè)距離成線性關(guān)系。下測(cè)過程中均需要加入補(bǔ)償量，只有加入補(bǔ)償量后才能準(zhǔn)確測(cè)量電纜長度；否則，由于下測(cè)過程電纜長度逐漸增加，最初打標(biāo)的電纜將會(huì)線性拉長。因此最終測(cè)量的長度將與打標(biāo)長度產(chǎn)生較大偏差，其中補(bǔ)償量和下測(cè)距離之間呈線性關(guān)系，補(bǔ)償量應(yīng)該為：

將新的打標(biāo)裝置安裝在水平端或者豎直端的時(shí)候，如圖6、圖7所示，其下測(cè)方程分別是：由于下測(cè)過程和電纜打標(biāo)過程是同時(shí)進(jìn)行的，因此不需要加入補(bǔ)償即可保證下測(cè)的準(zhǔn)確。

圖6 打標(biāo)裝置橫放方案

圖7 打標(biāo)裝置豎立放置方案

2.3 測(cè)控系統(tǒng)方案

根據(jù)電纜深度打標(biāo)測(cè)試裝置的整體設(shè)計(jì)，測(cè)控部分可以分為以下5個(gè)功能模塊：主動(dòng)電機(jī)控制模塊、從動(dòng)力矩電機(jī)控制模塊、線性平臺(tái)控制模塊、磁場(chǎng)信號(hào)讀取模塊和電纜深度打標(biāo)測(cè)試軟件模塊。如圖8所示[2-4]。

圖8 測(cè)控系統(tǒng)硬件連接示意圖

3 實(shí)驗(yàn)室電纜打標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)算法及軟件設(shè)計(jì)

3.1 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)方法

首先對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、環(huán)境、溫度、濕度進(jìn)行校準(zhǔn)，在環(huán)境滿足要求的情況下進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)室打標(biāo)測(cè)試裝置校準(zhǔn)方法

3.2 實(shí)驗(yàn)室長度累計(jì)誤差測(cè)量

1）啟動(dòng)校準(zhǔn)裝置和電纜打標(biāo)裝置，開始校準(zhǔn)。

2）電纜運(yùn)行，其中x600、x1100、x600、x2100分別表示便攜式電纜打標(biāo)裝置顯示的600、1 100、1 600、2 100 m的磁記號(hào)；y600、y1100、y1600、y2100表示線性位移平臺(tái)和高精度特斯拉計(jì)讀取的電纜在600、1000、1 600、2 100 m的磁記號(hào)；線性位移平臺(tái)和高精度特斯拉計(jì)讀取的電纜磁記號(hào)和便攜式電纜打標(biāo)裝置顯示的磁記號(hào)重復(fù)3次，分別在600、1 100、1 600和2 100 m的誤差平均值公式為:

式中：Δ600、Δ1100、Δ1600和Δ2100分別為對(duì)應(yīng)長度的誤差平均值，誤差應(yīng)小于0.02%[5-7]。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)井長度累計(jì)誤差測(cè)量

1）實(shí)驗(yàn)方法參照Q/SY DQ 0256—2017《油田下井電纜現(xiàn)場(chǎng)刻度方法》中現(xiàn)場(chǎng)刻度方法的要求。

2）使用便攜式電纜打標(biāo)裝置對(duì)下井電纜注磁記號(hào)，其中x600、x1100、x1600、x2100代表利用測(cè)井車內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)讀取便攜打標(biāo)裝置在電纜600、1 100、1 600、2 100 m時(shí)所注電纜磁記號(hào)，z600、z1100、z1600、z2100表示測(cè)井車內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)讀取電纜結(jié)箍在600、1 100、1 600、2 100 m的磁記號(hào)，測(cè)井車內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)讀取電纜結(jié)箍磁記號(hào)實(shí)際值和便攜式電纜打標(biāo)裝置顯示的磁記號(hào)在600、1 100、1 600、2 100 m的誤差公式為:

式中：Δ600~1100為結(jié)箍在600~1 100 m的間距便攜式打標(biāo)裝置的相對(duì)誤差；Δ600~1600為結(jié)箍在600~1 600 m的間距便攜式打標(biāo)裝置的相對(duì)誤差；Δ600~2100為結(jié)箍在600~2 100 m的間距便攜式打標(biāo)裝置的相對(duì)誤差，誤差應(yīng)小于0.02%。

3.4 實(shí)驗(yàn)室電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置的軟件流程圖，流程圖的目的是能夠完成一整套從電纜打標(biāo)到打標(biāo)磁標(biāo)記進(jìn)行檢測(cè)，記錄誤差的工序，其流程如圖10所示。

圖10 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置測(cè)試流程圖

按照電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置流程圖，進(jìn)行軟件的研發(fā)，軟件界面如圖11所示。軟件的主界面能夠完成一系列的打標(biāo)測(cè)試校準(zhǔn)工作，同時(shí)對(duì)于測(cè)試的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)如圖12所示[8-9]。

圖11 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置軟件界面

圖12 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)庫界面

4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試效果

在模擬打標(biāo)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了必要的打標(biāo)實(shí)驗(yàn)，以70 m為總長度，通過反復(fù)運(yùn)行電纜打標(biāo)裝置，并且設(shè)置必要的參數(shù)，比對(duì)馬丁代克進(jìn)行了測(cè)試，并且統(tǒng)計(jì)了誤差和可接受度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，其效果滿足實(shí)驗(yàn)要求，誤差滿足Q/SY DQ 0253—2017《便攜式油田下井電纜打標(biāo)裝置校準(zhǔn)方法》中相鄰兩個(gè)記號(hào)誤差應(yīng)小于0.2 m的范圍內(nèi)的要求。

表1 電纜打標(biāo)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)電纜打標(biāo)裝置，能夠在下井的同時(shí)進(jìn)行打標(biāo)測(cè)試，能夠有效解決在電纜下井過程中產(chǎn)生的電纜自重拉伸問題。同時(shí)采用磁信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，能夠有效防止冬季油水結(jié)冰產(chǎn)生的打滑現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置，還能夠有效對(duì)電纜打標(biāo)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)合校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)軟件，能夠有效地進(jìn)行電纜打標(biāo)校準(zhǔn)。在最終打標(biāo)測(cè)試效果中，測(cè)試效果能夠滿足打標(biāo)測(cè)試要求。