閆家超，楊俊海，許忠迪，陳鳳波，陳　震，王小強

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159；2.中國石油長城鉆探工程公司，遼寧 盤錦 124000)

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井下油管切割設備深度定位系統(tǒng)的研究

閆家超1，楊俊海1，許忠迪1，陳鳳波2，陳震2，王小強2

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159；2.中國石油長城鉆探工程公司，遼寧 盤錦 124000)

摘要：基于馬丁代克測井儀對井下油管切割設備進行深度定位，將井深的物理位移量轉換成單片機能夠識別的TTL電平脈沖信號，單片機進行數(shù)據(jù)的處理與運算，通過液晶顯示屏顯示深度、速度等井下信息，并且通過proteus仿真軟件進行仿真，驗證了測井系統(tǒng)的正確性。

關鍵詞：深度定位；TTL電平；proteus軟件仿真；馬丁代克

國內大部分油田進入中后期，大修工作量不斷增加，發(fā)生管柱卡鉆的油氣井也呈上升趨勢?，F(xiàn)場采用傳統(tǒng)的解卡方式難以解卡，文中切割設備通過液壓馬達驅動割刀旋轉將井管切斷提出井外，再進行下一步的修井作業(yè)。切割設備需要通過連續(xù)油管與井下切割設備連接后由連續(xù)油管作業(yè)機將設備從油管內部通過，將切割設備輸送到油管的預定切割位置，然后通過地面液壓泵對連續(xù)油管泵入水溶液，調控壓力與流量，使井下固定卡緊機構緊緊地卡住油管管柱內壁，使切割設備不會產(chǎn)生軸向的串動和徑向振顫與偏轉，隨著泵壓與流量的增大使液壓螺桿馬達開始做行星轉動，再通過萬向軸的變相作用將螺桿馬達的行星轉動轉變成定軸運動，液壓推動刀桿使刀具伸出殼體并在殼體帶動下旋轉切割，從而實現(xiàn)切割設備的井下管內的切割作業(yè)。

目前在石油測井領域，需要在地面測井系統(tǒng)能夠提供準確有效的深度信息。在運行過程中設備可能由于需要上提或者下放操作，井深定位系統(tǒng)需要確保設備能夠準確到達指定深度，然后對井管進行切割。

由于連續(xù)油管作業(yè)機的深度測量方式是采用連續(xù)油管滾筒的圈數(shù)計數(shù)的方式，在使用過程中隨著連續(xù)油管的下放，其滾筒直徑會發(fā)生變化，其測量深度亦會出現(xiàn)誤差[1]，為了能夠更準確地確定井下深度，本文采用單片機記錄深度的方式，不僅能夠準確記錄井下深度，還能顯示速度的大小與設備運行的方向。為井下操作提供更完善的信息。

1切割設備入井及深度信息提取

圖1為切割設備入井過程示意圖。切割設備與連續(xù)油管相連，測井電纜與切割設備頂端相連，連續(xù)油管作業(yè)車將連續(xù)油管設備向井口輸入，電纜絞車配合作業(yè)車同時進行。首先將測井系統(tǒng)深度進行清零，當切割設備底端與防噴器頂端油管口對齊時，點擊測深系統(tǒng)開始鍵，測井系統(tǒng)開始計數(shù)測量深度、速度信息。

圖1　切割設備入井過程示意圖

L1為實際井深深度，L2為油管口距地面距離，L為馬丁代克測井系統(tǒng)所測量距離。因此實際井深L1=L+L2。

圖2為防噴器原理示意圖。其主要結構包括液壓缸、液壓油進口管、活塞、防噴器外殼體等。

切割設備需帶壓進行修井作業(yè)，為防止出現(xiàn)井噴事故，設備入井首先需通過防噴器，因此在設計時需考慮防噴器的影響[2]。

圖2　防噴器原理示意圖

該井深系統(tǒng)主要設備如下：馬丁代克深度測井儀，為深度定位提供TTL信號；AT89S52單片機，對馬丁代克信息進行采集、處理計算；1602LCD液晶顯示屏[3]，顯示單片機處理的深度、速度、轉向、開關等信息；包括5V直流電源、pcb板電路及電器元件。

馬丁代克傳感器為增量式光電編碼器，是通過光電轉換將從輸出軸上機械幾何位移量轉換成數(shù)字量或脈沖的傳感器，也是現(xiàn)階段使用最多的傳感器[4]。光電編碼器是由帶有通光孔的光柵盤和能夠檢測光電信號的裝置構成，光電編碼器的光柵盤是在一定尺寸的圓形板上等值設置相應數(shù)量的長方形孔。因為光電碼盤和馬丁代克測井儀的從動輪同軸，當從動輪進行旋轉時，光柵盤和從動輪等速旋轉，經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置進行檢測并輸出相應的脈沖信號[5-6]，即TTL方波,其原理示意圖如圖3所示。

圖3　馬丁代克原理示意圖

圖4為增量式編碼器波形示意圖，當碼盤沿轉軸順時針轉動時，AB兩通道產(chǎn)生脈沖信號，B通道脈沖提前A通道脈沖90°；當碼盤沿轉軸逆時針轉動時，AB兩通道產(chǎn)生脈沖信號，A通道脈沖提前B通道脈沖90°；通過AB信號的相位差，可以得到碼盤的旋轉方向，從而得到實際應用中是下放過程還是上提過程。

對A或者B的脈沖數(shù)量計數(shù)，與旋轉盤的周長等數(shù)據(jù)計算，便可以得到下方的長度。如圖4所示，光電碼盤每一周發(fā)N個脈沖，絞盤周長度為C，操作過程中脈沖總數(shù)K,則可以計算出下方(或上提)長度L=(K/N)·C，下放(或上提)速度V則可用下放時間T和下放長度L計算得出V=L/T。

圖4　增量式編碼器波形示意圖

2光電編碼器接口電路的設計

設計中的傳感器為TTL電平脈沖輸出，考慮到導線的線損，外界干擾等因素，設計中采用電壓比較器LM393對傳感器輸出的TTL信號進行整形。LM393是一種雙電壓比較器組成的集成電路。電路中R5、R6、D5、D6、D7、D8用于保護電路不受靜電損壞。R9、C9、R10、C10作為高頻脈沖的濾波器，消除高頻干擾。電壓比較器的負向輸入端接參考電壓，參考電壓由電阻R17、R18分壓得到，約2.7V，可以消除電纜上線損電壓造成的電壓幅值減小。因LM393為漏極開路門輸出模式，因此需要外接上拉電阻R23、R24提供高電平。C19、C20可以濾除高頻噪聲，圖5為光電碼盤信號接口電路。

圖5　光電碼盤信號接口電路

3馬丁代克旋轉鑒向

由于可能會對設備進行上提或下放，單片機系統(tǒng)需對馬丁代克信號進行鑒向，本設計采用兩個單片機，一個進行鑒向，另一個進行測深、測速。判斷方式如下，A通道進入低電平瞬間，檢測B通道電平記作bz1，A通道進入高電平瞬間，檢測B通道電平記作bz2，判斷bz1、bz2，當(bz2=0)&&(bz1=1)正向旋轉，單片機輸出高電平；(bz2=1)&&(bz1=0)為反向旋轉，單片機輸出低電平。

4單片機對速度與深度的處理

單片機計數(shù)采用單片機內部計數(shù)器T1進行計數(shù)，計數(shù)采用長整形，首先程序初始化，打開T1外部計數(shù)器，內部定時器，定時5ms，TH0=(65536-5000)/256，TL0=(65536-5000)/256，中斷100次后，定時時間到0.5s，T1計數(shù)器將計數(shù)值賦予長整型計數(shù)值“f”。速度V=f×100/2048×2；然后判斷是在上提還是下放過程，若下放過程中，深度L=f×100/2048+L；若處于上提過程中，先判斷是否L>f×100/2048，若成立，則L=L-f×100/2048，否則L=0。

5現(xiàn)場實驗

試驗現(xiàn)場分別對井號榮108、坨38-32、馬702c三口井進行測井，檢測射孔數(shù)目的同時，驗證井下定位系統(tǒng)定位的準確性。

實驗時間：2014年5月19日

(1)試驗地點：遼河油田榮108號油井。

井型為直井，井深1362.3m；井段頂界1357.40m，射孔底界1362.30m，射開厚度1.60m。

(2) 試驗地點：遼河油田坨38-32號油井。

井型為直井，井深2191.20m；井段頂界2188.40m，射孔底界2191.20m，射開厚度2.80m。

(3)試驗地點：遼河油田馬702c號油井。

井型為直井，井深2301.8m；井段頂界2296.90m，射孔底界2301.80m，射開厚度23.3m。

表1為測井系統(tǒng)測試結果數(shù)據(jù)表。

表1　測井系統(tǒng)測試結果數(shù)據(jù)表

從表1測試結果可以看出，測井系統(tǒng)深度誤差最大2.58m，符合井下切割設備精度要求，測試結果合格。

6結束語

本文對切割設備深度定位進行了方案的設計，能過解決連續(xù)油管切割設備的精確定位，通過液晶顯示屏能夠顯示設備的深度、上行及下放速度等信息，便于井上人員的操作。在現(xiàn)場實驗中，證實測深效果真實有效，能夠滿足切割作業(yè)深度定位要求。

參考文獻：

[1]賀會群.連續(xù)油管技術與裝備發(fā)展綜述[J].石油機械,2006(1):1-683.

[2]王志遠,趙勝英,趙利,等.防噴器領域的最新進展[J].石油機械,2005(3):71-72.

[3] 張翾.淺談1602液晶屏的使用[N].電子報,2006-07-23(15).

[4]李軍,蔡風波,唐振歡.馬丁代克編碼器深度系統(tǒng)改造[J].石油儀器,2007(6):92-94.

[5]韋鳳.淺談光電編碼器的應用[J].科技風,2014(6):97.

[6]駱洪濤,常云,郭小勇.編碼器的原理及應用[C]//中國金屬學會煉鐵分會中小高爐學術委員會.2007年中小高爐煉鐵學術年會論文集.沈陽:中國金屬學會煉鐵分會中小高爐學術委員會,2007:2.

(責任編輯：馬金發(fā))

Investigation on to the Position Depth of Downhole Tube Cutting Equipment

YAN Jiachao1,YANG Junhai1,XU Zhongdi1,CHEN Fengbo2,CHEN Zhen2,WANG Xiaoqiang2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China； 2.CNPC Greatwall Drilling Compang,Panjin 124000,China)

Abstract：Ultilizing Martin Dyck Logging Tool to position depth of downhole tube cutting equipment,converting displacement of depth into TTL level pulse signal which SCM can identify,SCM being used to analyze and calculate data,meanwhile via LCD displaying downhole information like depth,speed and so forth,then simulating by using simulation software called proteus to testify accuracy of Logging System.

Key words：depth positioning;TTL level;preteus software simulation;Marion Dyck

中圖分類號：TE933+.8

文獻標志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0014-03

作者簡介：閆家超(1964—)，男，副教授，研究方向：信息、機械及自動化。

收稿日期：2014-09-05