趙 燕

(中石化經(jīng)緯有限公司中原測(cè)控公司 河南 濮陽(yáng) 457001)

0 引 言

隨著油田水平井?dāng)?shù)量的增多，目前用于水平井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的儀器輸送方式有3種：連續(xù)油管輸送、鉆桿輸送和爬行器輸送。爬行器因經(jīng)濟(jì)、便捷越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。目前使用的Sondex爬行器，其纜頭張力磁定位短節(jié)有外焊接點(diǎn)，易銹蝕滲水，且該結(jié)構(gòu)焊接工藝復(fù)雜，儀器使用壽命短；此外，高溫下張力輸出值偏移也較大。因此，急需重新研制新結(jié)構(gòu)的纜頭張力磁定位短節(jié)。

1 纜頭張力磁定位短節(jié)的研制

纜頭張力磁定位短節(jié)有兩個(gè)測(cè)量參數(shù):磁定位和纜頭張力。磁定位用于測(cè)量接箍信號(hào)，判別爬行器運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算爬行距離；纜頭張力提供實(shí)時(shí)纜頭張力監(jiān)測(cè)，主要用于水平井遇阻遇卡的判斷。

1.1 電路設(shè)計(jì)

纜頭張力磁定位短節(jié)與電子線路短節(jié)通過(guò)多芯插針連接，由電子線路短節(jié)提供+12 V張力測(cè)量電源[1]，張力信號(hào)經(jīng)過(guò)減法運(yùn)算、分頻處理后送到電子線路短節(jié)中；而磁定位信號(hào)是通過(guò)多芯插針直接接入電子線路短節(jié)進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換，不在該線路中處理。

張力測(cè)量采用位移傳感器，纜頭軸向力作用在短節(jié)內(nèi)部彈簧上，或壓縮或拉伸，帶動(dòng)支撐于彈簧上的鐵芯在線圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)，改變振蕩電路頻率輸出，上傳至檢測(cè)面板顯示出拉力值的變化。

拉力探頭采用的是單線圈式螺管型電感傳感器，在螺管內(nèi)插入鐵芯，鐵芯插入的長(zhǎng)度會(huì)改變線圈內(nèi)電感量的大小，其計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：u0為線圈磁導(dǎo)率，mH/mm；N為線圈匝數(shù)；l為線圈長(zhǎng)度，mm；rc為鐵芯半徑，mm；um為鐵芯磁導(dǎo)率mH/mm；Δlc為鐵芯位移量，mm。

1.1.1 電路工作原理

纜頭張力磁定位短節(jié)電路原理如圖1所示。張力線圈與施密特反相器CD40106、電阻電容構(gòu)成振蕩電路，改變線圈的電感量即是改變振蕩電路的輸出頻率。在線路中使用兩個(gè)完全相同的振蕩電路，線圈內(nèi)有鐵芯的稱為有源線圈，無(wú)鐵芯的稱為無(wú)源線圈[2]，無(wú)源線圈構(gòu)成的振蕩電路輸出頻率減去有源線圈構(gòu)成的振蕩電路輸出頻率，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，即無(wú)源振蕩電路起到了溫度補(bǔ)償作用。輸出結(jié)果再通過(guò)分頻器分頻輸出一個(gè)合適頻率值。

圖1 纜頭張力磁定位短節(jié)電路原理框圖

在不安裝鐵芯時(shí)，將兩個(gè)振蕩電路調(diào)試成輸出頻率完全相同的振蕩電路，即輸出頻率均為32.5 kHz，再將鐵芯放置在合適位置，使有源線圈輸出頻率為24.8 kHz，然后將兩組輸出頻率同時(shí)輸入到D觸發(fā)器CD4013內(nèi)進(jìn)行減法運(yùn)算輸出頻率8 kHz，再輸入CD4040進(jìn)行16分頻，輸出FQ為481 Hz。

線路中，將無(wú)緣振蕩電路輸出信號(hào)接到CD4013的CP端，作為時(shí)鐘信號(hào)，有源振蕩輸出頻率接到D端口，實(shí)現(xiàn)減法器的功能，輸出真值見表1。

表1 CD4013輸出真值表

1.1.2 標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)反映了振蕩電路在不同溫度下測(cè)出的輸出頻率數(shù)據(jù)，將電感傳感器和電路放置在烘箱內(nèi)，改變烘箱溫度，以30 ℃為間隔，待溫度穩(wěn)定后記錄輸出頻率值，結(jié)果見表2。表2中，F(xiàn)1為有源振蕩電路輸出頻率值，F(xiàn)2為無(wú)源振蕩電路輸出頻率值，F(xiàn)Q為兩者差值分頻后頻率值。

表2 輸出頻率試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，頻率輸出曲線隨著溫度的增加變化近100 Hz，出現(xiàn)嚴(yán)重的溫度漂移，需在電路中做溫度補(bǔ)償。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制輸出頻率隨溫度變化的輸出曲線，如圖2所示。

圖2 輸出頻率試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

1.1.3 溫度補(bǔ)償

根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)分析，有源振蕩電路頻率會(huì)隨著溫度的升高而降低，是造成溫漂嚴(yán)重的原因，所以在有源振蕩電路中增加熱敏電阻PT1000，降低溫度漂移對(duì)頻率值的影響。溫度補(bǔ)償電路如圖3所示。

圖3 溫度補(bǔ)償電路圖

增加溫度補(bǔ)償后的輸出頻率值見表3。

表3 溫度補(bǔ)償后輸出頻率試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)頻率隨著溫度的增加頻率變化小于10 Hz。補(bǔ)償后的輸出曲線如圖4所示。

圖4 溫度補(bǔ)償后輸出頻率曲線圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

1.2.1 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纜頭張力磁定位短節(jié)由張力探頭、磁定位探頭和線路板組成。儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

磁定位探頭由線圈和磁鋼組成，線圈阻值為2.3 kΩ。

張力探頭由張力線圈、鐵芯和彈簧組成。彈簧在壓縮過(guò)程中，下端被頂起，上端保持固定[2]，支撐于彈簧上的軸帶動(dòng)鐵芯向下移動(dòng)；彈簧在拉伸過(guò)程中，上端被頂起，下端保證固定，鐵芯會(huì)向上移動(dòng)，鐵芯的上下運(yùn)動(dòng)使得張力線圈電感量發(fā)生變化，從而改變輸出頻率。

圖5 新研制的纜頭張力磁定位短節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1)彈簧

在實(shí)驗(yàn)室做拉力與FQ頻率輸出關(guān)系的實(shí)驗(yàn)和頻率與鐵芯移動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)劃拉伸的工作量程，最終決定使用強(qiáng)度為27 kg/mm的彈簧，同時(shí)根據(jù)選擇的材料、設(shè)計(jì)的彈簧直徑和彈簧線徑，使用彈簧強(qiáng)度系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[3]，計(jì)算出彈簧的有效圈數(shù)。計(jì)算公式如下：

(2)

式(2)中：K為彈簧剛度系數(shù)，kg/mm；G為材料剪切彈性模量，MPa；d為簧絲線徑，mm；D為中心直徑，mm；n為彈簧有效圈數(shù)。

已知彈簧剛度系數(shù)和彈簧最大自由長(zhǎng)度變形量28 mm，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算公式[3]，可算出彈簧最大負(fù)荷量約為740 kg，探頭中使用兩個(gè)相同的彈簧，最大負(fù)荷量×2，完全滿足拉伸在1 000 kg的工作量程。

P=K×F

(3)

式(3)中：P為最大負(fù)荷量，kg；K為彈簧剛度系數(shù)，kg/mm；F為彈簧最大自由長(zhǎng)度變形量，mm。

實(shí)際工作中，隨著溫度的升高，彈簧的剪切彈性模量降低，承載能力變小。剪切彈性模量修正公式[3]如下：

Gt=Kt×G

(4)

式(4)中：G為常溫下剪切彈性模量，MPa；Kt為溫度修正系數(shù)；Gt為工作溫度下的剪切彈性模量，MPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出工作時(shí)彈簧最大負(fù)荷量Pt與溫度修正系數(shù)的關(guān)系，即：Pt=Kt×P。儀器內(nèi)彈簧使用的是硅錳彈簧鋼，在150 ℃時(shí)溫度修正系數(shù)為0.99，誤差為1%。在爬行器工作中起到指示作用的張力參數(shù)精確度要求不高，所以溫度對(duì)彈簧彈力的影響可以忽略不計(jì)。

2)鐵芯

鐵芯采用鐵氧體磁性材料，具有磁導(dǎo)率高、電阻率高和渦流損耗小等特點(diǎn)[4]。

3)張力線圈

根據(jù)負(fù)載阻抗的要求，采用Φ0.08 mm的銅線繞制成阻值為3 kΩ、電感為20 mH的線圈。

1.2.2 儀器總線過(guò)線方式的改進(jìn)

原進(jìn)口纜頭張力磁定位短節(jié)的總線是通過(guò)承壓管外焊接在骨架上的。因有焊接點(diǎn)，多次使用后易銹蝕、易滲水，并且焊接工藝復(fù)雜，使用壽命短。原機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示。

新結(jié)構(gòu)的纜頭張力磁定位短節(jié)總線采用了內(nèi)置的方式(見圖5中總線位置)，從根本上解決了由于焊接點(diǎn)銹蝕造成的滲水問(wèn)題，而且儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖6 原進(jìn)口纜頭張力磁定位短節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 纜頭張力磁定位短節(jié)的應(yīng)用

爬行器在井內(nèi)爬行過(guò)程中，需要對(duì)纜頭張力和磁定位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。爬行器下放過(guò)程一般分為4個(gè)階段[5]：

1)井斜為0°時(shí)，纜頭張力不變；

2)彎曲段時(shí)，儀器下放至受阻后，纜頭張力逐漸減小至零；

3)此時(shí)喚醒爬行器，撐開爬行輪輸送儀器，纜頭張力值開始增加，說(shuō)明松弛電纜被拉直；

4)水平段時(shí)，調(diào)整電纜下放速度，調(diào)整到地面纜頭張力穩(wěn)定，使得爬行器爬行速度和電纜下放速度同步。

圖7為某井爬行器曲線回放，隨著井斜的增加，爬行器的負(fù)載也在緩慢地增加，并且電纜阻力也在增大。電纜張力就是對(duì)電纜阻力的直接測(cè)量。圖7中紅色曲線為張力曲線，藍(lán)色為爬行器負(fù)載功率指示曲線。

圖7 某井爬行器回放曲線圖

從圖7可以看出，張力值較為穩(wěn)定，隨著爬行距離的增加，緩慢增大，負(fù)載功率指示曲線和張力曲線趨勢(shì)一致，同步性好。黑色為磁定位信號(hào)，接箍信號(hào)明顯，能準(zhǔn)確計(jì)算爬行距離，確定儀器位置。

3 結(jié) 論

本文介紹了新研制的纜頭張力磁定位短節(jié)的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)在電路中增加溫度補(bǔ)償，解決了溫漂對(duì)拉力輸出頻率的影響；通過(guò)重新設(shè)計(jì)儀器結(jié)構(gòu)，改變儀器總線過(guò)線方式，降低了滲水風(fēng)險(xiǎn)。新研制的纜頭張力磁定位短節(jié)在實(shí)際應(yīng)用中為爬行器安全輸送儀器提供了有力保障。