◎包金成

深度測量和絞車面板在石油測井中的應(yīng)用

◎包金成

本文闡述了石油測井中深度測量的方式方法，分析對比了傳統(tǒng)的深度采集模式和時間驅(qū)動模式的優(yōu)缺點，同時講述了運(yùn)用非傳統(tǒng)模式進(jìn)行深度采集的CM-3系列絞車面板的工作原理，及其在測井中的應(yīng)用。

石油測井的深度測量

在石油測井的野外作業(yè)中，包括勘探測井﹑生產(chǎn)測井﹑射孔測井﹑打撈測井等，在所有這些項目工程的執(zhí)行過程中，都有一個非常重要的基本參數(shù)，那就是深度測量和深度定位，在完成這些項目的工程車﹑或拖撬上，不僅在執(zhí)行項目的專用設(shè)備上，如測井系統(tǒng)的地面機(jī)柜，有專門的深度測量；另外，在工程車撬的電纜絞車操作臺上，還有可獨(dú)立工作的絞車面板，這些面板測量并顯示電纜運(yùn)行的深度速度張力等參數(shù)；除此之外，許多的車撬還配備有機(jī)械軟軸驅(qū)動的深度計數(shù)器，所有的這些深度計量裝置同時工作，在應(yīng)用中相互對比校驗，以確保深度測量準(zhǔn)確。

深度測量的方法有很多種，最早期原始的記繩法，除了有經(jīng)驗的測井作業(yè)隊在特殊情況下做過短距離的布條標(biāo)記使用外，現(xiàn)在已不再使用，然而，類似記繩法的鎧裝電纜磁記號MMD深度測量法，在行業(yè)中仍普遍使用，但是，因為MMD每隔20米注磁一個記號，深度測量的分辨率很低，所以磁記號現(xiàn)在只能作為深度測量的輔助方法存在。在石油測井中，深度測量的參數(shù)還有自然伽碼Gr﹑套管接箍磁定位CCL﹑自然電位SP﹑地層電阻率Rs等，這些參數(shù)都很重要，它們是測井目標(biāo)深度的界定，但是，它們都不能直觀而準(zhǔn)確地分辨和顯示下井工具深度的即時狀態(tài)。

在測井或工程作業(yè)中，深度測量的基本辦法有兩種，一種是增量式光柵角位移編碼器測量法，一種是井口同步馬達(dá)電機(jī)測量法。編碼器的方法，是通過電纜測量丈量儀，用彈簧壓緊等機(jī)械辦法，使電纜運(yùn)行和與編碼器聯(lián)動的丈量儀計量輪轉(zhuǎn)動同步，編碼器每周轉(zhuǎn)360°，發(fā)出兩路固定相位差90°的﹑可辨方向的﹑對稱方波脈沖，這些脈沖，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)可以是1200﹑1024﹑960﹑600﹑500等任意整數(shù)，根據(jù)計量輪切邊周長(如果電纜與計量輪不是切線接觸﹑而有弧度包角時，等效周長為計量輪接觸半徑加電纜半徑換算所得)，可以折算電纜運(yùn)行每走一米時，對應(yīng)的編碼器轉(zhuǎn)動的角度和圈數(shù)，換算為深度系數(shù)(每米脈沖數(shù))，深度測量就是將編碼器輸出的兩路可辯向脈沖做加減計數(shù)(同向運(yùn)動加，反相運(yùn)動減)后，除深度系數(shù)得測量深度。井口馬達(dá)的方法，通過電纜經(jīng)過的天地滑輪的齒輪咬合，使電纜運(yùn)行和馬達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)動同步，早期的深度測量辦法，就是利用放置在井口的﹑和電纜同步運(yùn)行的﹑同步馬達(dá)主電機(jī)，所輸出的電信號，經(jīng)過電線，驅(qū)動放置在測井車上的同步電機(jī)從馬達(dá)轉(zhuǎn)動，再帶動機(jī)械軟軸深度計數(shù)器，或聯(lián)動的一個增量式光柵編碼器，二次輸出編碼器信號進(jìn)行深度計數(shù)；同步馬達(dá)電機(jī)和天地滑輪同步，和電纜運(yùn)行緊配合，由于電纜倒角受力，即便是在冬季，電纜結(jié)冰也不容易打滑，所以同步馬達(dá)在勘探測井﹑射孔測井等對深度參數(shù)要求嚴(yán)格的情況下使用較多；但是，由于同步馬達(dá)需要天地滑輪，設(shè)備笨重裝卸不便，加之需要主從兩個馬達(dá)電機(jī)，所以現(xiàn)在傳統(tǒng)意義上的所謂雙電機(jī)的“同步馬達(dá)深度測量”法已不多見。目前，比較流行的辦法，是只使用用一個同步電機(jī)主馬達(dá)，馬達(dá)輸出的三相工頻調(diào)制信號，經(jīng)過電路分理和數(shù)字化A/D轉(zhuǎn)換，一樣可以分析出馬達(dá)運(yùn)行的位角狀態(tài)，然后和編碼器深度測量法一樣，通過電子化的‘虛擬同步馬達(dá)從電機(jī)’解算出的位角變化，可以測量出電纜運(yùn)行的深度狀態(tài)。由于同步馬達(dá)從機(jī)虛擬電子化，只要信號完整不變形，那么主馬達(dá)輸出的驅(qū)動功率可以大幅度減小，馬達(dá)供電的工頻電壓完全可以從AC110V降到AC24V，這有利于同步馬達(dá)電機(jī)設(shè)備小型化，同時，也符合油井現(xiàn)場低壓防爆的發(fā)展趨勢。

在石油測井領(lǐng)域，編碼器深度測量法完全普及，作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在，而同步馬達(dá)深度測量法在個別油田區(qū)域性存在，同時也是勘探和射孔測井的重要保證。

石油測井中深度測量的工作模式

石油測井中，測井曲線和測量深度一一對應(yīng)，但測井成果的文件記錄，和各參數(shù)采樣，與深度測量的工作模式各不相同，集中體現(xiàn)在，有兩種不同的深度測量模式，一種是傳統(tǒng)的3700深度模式，一種是時間驅(qū)動模式。

20世紀(jì)90年代初，西安石油儀器總廠最早引進(jìn)了3700地面測井系統(tǒng)，對我國石油測井儀器的發(fā)展，起了很大的影響。其中，3700測井參數(shù)的采樣頻率，是以連續(xù)執(zhí)行中斷的方法實現(xiàn)的，而中斷和編碼器輸出的脈沖信號同步相關(guān)，并通過編碼器信號分頻實現(xiàn)，比如電纜每走1米編碼器發(fā)出1280個脈沖，3700對它做128:1﹑64:1﹑32:1﹑16:1的分頻，就可以實現(xiàn)對隨電纜運(yùn)行的井下儀，做每米10點﹑20點﹑40點﹑80點等不同密度的參數(shù)采樣，這就是傳統(tǒng)的3700深度測量模式，直到現(xiàn)在，在眾多的國產(chǎn)石油測井設(shè)備產(chǎn)品中，該模式仍大量存在。但是，二十多年過去了，隨著電子技術(shù)和軟硬件手段的快速發(fā)展，3700模式越發(fā)顯得先天不足，特別是它的深度測量對編碼器的每米脈沖數(shù)有嚴(yán)格要求，必須是2的冪次方的整數(shù)倍，相關(guān)編碼器和丈量輪直徑按規(guī)定配置，不符規(guī)定的不能隨意更換，這給設(shè)備兼容和維護(hù)帶來了不便，當(dāng)出現(xiàn)因計量輪磨損直徑改變而有誤差時，當(dāng)在測量中出現(xiàn)動態(tài)的因電纜彈性拉長等原因造成誤差時，系統(tǒng)不方便做線性化的和動態(tài)的校準(zhǔn)，比如3700系統(tǒng)只能人為地隨機(jī)增加或減少脈沖數(shù)，造成了測井曲線深度的歪曲；另外，3700工作模式的深度測量，既不能自由設(shè)置采樣密度，也不方便做測井成果的二次加工，比如需要調(diào)整采樣密度二次展現(xiàn)時，無法通過室內(nèi)作業(yè)處理來完成。

和3700深度測量模式不同，時間驅(qū)動深度測量模式，就是按時間順序高密度采樣，比如，早期先行的天津707所研制的石油測井地面系統(tǒng)，北京航空航天大學(xué)207電子工程系研制的DCLS系列石油測井地面系統(tǒng)，和北京紫貝龍科技股份有限公司研制的Unilog系列地面測井系統(tǒng)，在它們的測井?dāng)?shù)據(jù)原始記錄文件里，同時保存著深度﹑時間等多維參數(shù)，而圖形展現(xiàn)的測井成果，則是在原始文件的基礎(chǔ)上，可以在現(xiàn)場或室內(nèi)﹑可以根據(jù)任意設(shè)置的深度采樣間隔生成，也即可以在室內(nèi)二次改變設(shè)置實現(xiàn)新的虛擬現(xiàn)場的快速測井；這樣，在測井現(xiàn)場，因各參數(shù)采樣實際上是時間驅(qū)動，對編碼器的脈沖數(shù)和計量輪直徑就沒有了嚴(yán)格要求，每米脈沖數(shù)可以從幾十到數(shù)千之間任意變化，而且還可以保留數(shù)位小數(shù)，比如每米1276.6529個脈沖，軟件上，測井曲線可以根據(jù)實際情況做全井段均布深度拉伸﹑或分階段做深度伸縮處理，也可以根據(jù)張力變化動態(tài)校正井下儀工具所處的準(zhǔn)確位置。上述三家的國產(chǎn)地面測井系統(tǒng)，它們沒有受到3700模式的條框約束，到現(xiàn)在看來是適應(yīng)了時代的發(fā)展，另外，這幾家的產(chǎn)品，也都實現(xiàn)了運(yùn)用單個同步馬達(dá)﹑和電子數(shù)字化處理，最終完成同步馬達(dá)深度測量的可備選方案，其中DCLS數(shù)控和Unilog數(shù)控在勝利﹑華北﹑中原﹑江蘇﹑南陽﹑冀東等各油田生產(chǎn)井測井中，都有廣泛的應(yīng)用。

目前國內(nèi)主流的完井(或勘探井)地面測井設(shè)備，主要是引進(jìn)的BakerAtlas阿特拉斯eclips5700地面系統(tǒng)﹑和Halliburton哈利伯頓EXCELL2000地面系統(tǒng)，5700繼承了3700的深度驅(qū)動模式，而2000則采用標(biāo)準(zhǔn)的時間驅(qū)動模式，兩家站在行業(yè)的潮頭，典型代表了石油測井系統(tǒng)深度測量工作模式的兩大分支。

在測井系統(tǒng)的設(shè)備配置上，和深度信號采集相關(guān)的設(shè)備單元也各具特色，其中5700系統(tǒng)，深度信號采集在地面系統(tǒng)的核心箱體--5752數(shù)據(jù)采集箱，外加擴(kuò)展顯示窗口的5712絞車面板，5752深度采樣方式較3700有改進(jìn)，但對編碼器脈沖數(shù)仍有嚴(yán)格要求；5712界面為Win98/XP桌面的10寸觸摸屏，窗口參數(shù)顯示包括編碼器深度﹑磁記號深度﹑速度﹑井口張力﹑差分張力﹑井下纜頭張力等，數(shù)據(jù)刷新頻率4Hz。EXCELL2000地面系統(tǒng)，它配套的深度單元是SDDP-A/B絞車面板﹑或WSDP(IQ)絞車面板，其窗口顯示的參數(shù)和5712相當(dāng)，因2000絞車面板自帶編碼器﹑張力﹑磁記號等信號的采集，所以它們是可以獨(dú)立工作的，當(dāng)它們和2000地面測井系統(tǒng)配套使用時，通過IEEE488[1]的GPIB接口，和2000地面數(shù)據(jù)采集單元聯(lián)機(jī)，每隔10mS傳遞一幀深度速度張力等參數(shù)信息。

Unilog2000生產(chǎn)井?dāng)?shù)控測井系統(tǒng)，深度采集單元集中在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式的預(yù)處理單元箱，在這個箱體內(nèi)，配有兩套深度采集單元，一套是箱內(nèi)核心機(jī)籠插槽內(nèi)的FPGA深度采集模塊，一套是箱體前面板上安裝的16位單片機(jī)[2]深度采集單元，兩套深度單元都具備獨(dú)立的工作模式，也可以聯(lián)機(jī)運(yùn)行；其中，單片機(jī)深度采集直接和編碼器深度傳感器連接，其信號經(jīng)正交去抖后引入CPU采集，而FPGA深度模塊的信號輸入，需要通過軟件窗口程控，可以選擇單片機(jī)單元輸出的編碼器信號，也可以選擇機(jī)籠插槽內(nèi)硬件生成的仿真編碼器深度信號；Unilog2000數(shù)控系統(tǒng)，測井時圖形走曲線可選時間驅(qū)動﹑仿真深度驅(qū)動，或真實下井深度(編碼器信號)驅(qū)動。

Unilog2000測井中，儀器下井或出井時，測井系統(tǒng)主機(jī)不工作，只要預(yù)處理單元箱體上電，單片機(jī)深度系統(tǒng)就可以單獨(dú)工作，當(dāng)井下儀下井到目的層后，測井系統(tǒng)主機(jī)開機(jī)，或者，當(dāng)測井系統(tǒng)的深度驅(qū)動由仿真深度驅(qū)動或時間驅(qū)動，轉(zhuǎn)向真實的深度驅(qū)動時，那么FPGA深度模塊通過RS232向單片機(jī)索取當(dāng)前井下儀深度位置，然后和單片機(jī)并行運(yùn)行。聯(lián)機(jī)工作時，使用單片機(jī)的16鍵小鍵盤，在井下儀運(yùn)動和測井停止時，給單片機(jī)設(shè)置的當(dāng)前深度﹑深度系數(shù)，和用小鍵盤在大深度位置自動反算的深度系數(shù)，通過RS232，可以覆蓋FPGA深度單元相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，反之，使用上位機(jī)鍵盤設(shè)置的當(dāng)前深度﹑深度系數(shù)，也可以覆蓋單片機(jī)單元對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置；單片機(jī)單元的設(shè)置參數(shù)經(jīng)過帶I2C接口的E2PROM芯片保存，F(xiàn)PGA深度單元的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過上位機(jī)電腦硬盤文件保存。

在Unilog2000的井口馬達(dá)工作模式，首先通過小鍵盤，將單片機(jī)的深度測量模式由編碼器轉(zhuǎn)換成井口馬達(dá)。馬達(dá)信號在單片機(jī)模塊上，經(jīng)過電路預(yù)處理﹑A/D采集﹑及軟件處理，解出馬達(dá)轉(zhuǎn)動的位角變化和電纜深度數(shù)據(jù)，并在單片機(jī)模塊的窗口上顯示相應(yīng)的深度速度信息，同時，單片機(jī)通過HSO快速接口，輸出每米2560脈沖的方波信號，這個信號的頻率數(shù)，和電纜運(yùn)動速度精確對應(yīng)，然后，再分相分頻，見圖3.，得到兩路相位差90°正交的﹑每米1280脈沖數(shù)的虛擬編碼器信號，輸送給FPGA的深度單元。

圖1. Unilog2000數(shù)控預(yù)處理單元箱前面板

絞車面板深度測量

絞車面板是安裝在絞車操作臺上的，供絞車操作員使用的電纜計量裝置，是測井車﹑拖撬﹑或打撈車的絞車操作的配套測控設(shè)備。絞車面板測量深度﹑速度﹑張力﹑差分張力四個參數(shù)，其中深度﹑速度公用一個增量式光柵角位移編碼器傳感器，或公用一組井口馬達(dá)電機(jī)信號，張力﹑差分張力公用一個拉力傳感器。

CM-3系列[3]絞車面板主要電路組成

CM-3系列絞車面板采用80C196單片機(jī)[2]，程序片選用8K字節(jié)的可擦除E2PROM芯片AT28C64，現(xiàn)場可恢復(fù)及掉電保數(shù)使用鐵電存儲器FM1808，鍵盤管理與數(shù)字顯示采用傳統(tǒng)芯片8279,主要電路結(jié)構(gòu)圖2.。

圖2. 16位單片機(jī)深度測量的CPU連接原理圖

深度與速度的編碼器信號測量

編碼器信號正交去抖。編碼器輸出的脈沖信號，會因編碼器產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境干擾等原因，出現(xiàn)不標(biāo)準(zhǔn)或干擾和尖刺，在接入采集之前需要做校正處理。CM-3系列絞車面板的電路，均對編碼器信號做了正交去抖處理，如圖3.其中編碼器輸入信號經(jīng)施密特整形后做簡單RC延遲，再經(jīng)74HC86對脈沖信號做上升和下降的雙邊沿檢測，然后輸入兩個D觸發(fā)器,對正交存在的encod-A和encod-B信號做正交去抖，去抖結(jié)果在IC4(74HC74)的5腳﹑9腳輸出，對應(yīng)波形A-D(encod-B)和B-D(encod-A)如圖所示。

編碼器信號的深度速度測量。CM-3系列智能絞車面板，成功研發(fā)于1997年，在當(dāng)時8031/8051八位單片機(jī)使用流行的時候，使用了Intel80C196十六位單片機(jī)，由于其CPU強(qiáng)大的寄存器-寄存器的多累加器指令結(jié)構(gòu)，和先進(jìn)的16位乘法與32位/16位除法的硬件指令，加上軟件匯編可以方便地實現(xiàn)48位/32位的除法運(yùn)算，使該型絞車面板和以八位單片機(jī)為核心的眾多型絞車面板相比，有許多先天的優(yōu)勢，除了測量量程大，精度高，操作方便之外，其突出特點，就是計算能力強(qiáng)和速度快，得益于這個優(yōu)勢，使得設(shè)計絞車面板時，將深度測量的基本計量單位設(shè)計成原始的編碼器脈沖數(shù)物理量，僅在面板窗口顯示的數(shù)據(jù)刷新時，即時通過除法運(yùn)算將物理量轉(zhuǎn)成工程量；而當(dāng)時，一般八位單片機(jī)的絞車面板，其存儲器中采集的深度計量單位都是將編碼器脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成工程量的某某某米數(shù)，這樣從計算上，CM-3絞車面板直接避免了“物理量-工程量”的轉(zhuǎn)換誤差與誤差積累。

通常，八位單片機(jī)采集深度編碼器脈沖數(shù)的方式，是將單片機(jī)的硬件計數(shù)器，設(shè)計成可中斷的重載計數(shù)器，重載預(yù)置參數(shù)設(shè)置成對應(yīng)的編碼器每米脈沖數(shù)的1/N，也即，軟件參數(shù)的設(shè)置，和每米脈沖數(shù)設(shè)置綁定，并要求脈沖數(shù)是N的整數(shù)倍，計數(shù)器中斷一次，然后二次計數(shù)器加一，對應(yīng)電纜運(yùn)行1/N米，實際上1/N是這種設(shè)備測量工程值的最小單位和分辨率，比如電纜每走1米編碼器發(fā)出1280個脈沖，那么計數(shù)器重載參數(shù)為128，N=10，計數(shù)器每中斷一次，電纜運(yùn)行0.1米。顯然，常規(guī)八位單片機(jī)核心的絞車面板，它的深度測量方式和測井地面系統(tǒng)中傳統(tǒng)的3700深度測量模式相當(dāng)，而這種方式測量的工程值分辨率小轉(zhuǎn)換誤差大，誤差積累也很明顯，對射孔測井等精確測深的要求適應(yīng)差，盡管它們都增設(shè)了每千米電纜矯正量，但校正不線性，也不準(zhǔn)確。

圖3. 編碼器信號正交去抖、和井口馬達(dá)虛擬編碼器脈沖信號的生成

CM-3系列智能絞車面板使用intel80C196核心，該單片機(jī)芯片上自帶一個16位加減計數(shù)器T2，可根據(jù)T2up/dn--Pin33管腳電平的高低變化自動完成計數(shù)器累加或累減。將編碼器信號與T2clk--Pin44管腳連接，將D觸發(fā)器鑒別的編碼器方向信號與Pin33管腳相連，軟件對T2計數(shù)器設(shè)置開中斷，另外軟件配置一個LA的32位雙字長整形變量，將其中16位低字變量LAD和T2計數(shù)器鏡像等值，當(dāng)T2上溢中斷，T2脈沖數(shù)累加夠65536個脈沖數(shù)，中斷子程序?qū)?6位高字整形變量LAH加1，當(dāng)T2下溢中斷，表明脈沖數(shù)累減夠65536個脈沖數(shù)，中斷子程序?qū)?6位高字整形變量LAH減1。T2中斷的子程序也非常簡潔，如下:

TIMINT2:PUSHA

LD LAD,TIMER2

JBC LAD+1H,7H,ALA

DEC LAH

POPA

RET

RST

ALA: INC LAH

POPA

RET

RST

由于T2加減計數(shù)是自動的，T2中斷一次相當(dāng)于電纜運(yùn)行數(shù)十米，80C196計數(shù)器T2中斷的次數(shù)，比一般八位機(jī)深度采樣的計數(shù)器中斷的次數(shù)低兩個數(shù)量級，而且由于子程序簡單，中斷所占用的指令周期數(shù)近似忽略不計。這樣，CM-3系列的絞車面板，實際上它不再局限于深度系數(shù)的大小，系統(tǒng)只用按照系統(tǒng)時鐘(間隔?秒)，定時刷新LA雙字整形變量【只執(zhí)行“LD LAD,TIMER2”一個指令】即可，所以，它的深度采集，使用了非傳統(tǒng)的八位機(jī)通用的深度采集模式，其實就是時間采樣，簡單又可靠。

速度測量，是在每隔?秒時，將當(dāng)前讀的LA變量，與上一次讀得的LA’變量相減，得到變量差變量VS(16位整形字)，然后累計連續(xù)四次的差變量，得一秒內(nèi)編碼器脈沖數(shù)的變化量，然后轉(zhuǎn)換成“米/小時”﹑或“米/分鐘”單位即可。

深度速度顯示。絞車面板數(shù)碼管顯示深度六位數(shù)，根據(jù)數(shù)值的大小，浮動保留一位或二位小數(shù)(內(nèi)部計算精確到四位小數(shù)，即0.1mm)；速度顯示5位數(shù)，保留一位小數(shù)顯示時單位是m/min,全部整數(shù)顯示時單位是m/h,單位設(shè)置和報警速度設(shè)置同步。顯示數(shù)據(jù)刷新頻率4Hz，和5712相當(dāng)。

CM-3系列絞車面板深度和深度系統(tǒng)的同步校深。由于CM-3深度測量的內(nèi)存變量,是編碼器發(fā)出的原始脈沖數(shù)，在測井大深度段，如果能夠明確當(dāng)前位置的準(zhǔn)確深度值，可以以此反算校正深度系數(shù),實現(xiàn)既校深度又校正深度系數(shù)的同步校深。同步校深反算的深度系數(shù)，為8位有效數(shù)，其中保留四位小數(shù)，精確到1萬米有一個脈沖數(shù)的誤差。面板實際操作順序為：按下“深度”﹑“系數(shù)”鍵，數(shù)碼管第一至第七位顯示當(dāng)前所測量的深度，第八﹑九位顯示“L.＝”，然后，可從高位到低位依次鍵入當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)深度值，鍵入的數(shù)字在窗口第九位后依次顯示，輸入完畢后按“深度”或“系數(shù)”鍵確認(rèn)，然后深度顯示即為校正后深度，同時，單片機(jī)保存的深度系數(shù)自動更新為校正后的數(shù)值。

張力與差分張力測量。張力與差分張力測量方式：CM-3絞車面板的張力信號輸入為0～5V模擬信號，80C196單片機(jī)上有0～5V輸入的10位A/D采集接口，為了保證張力采樣精度，軟件上做了32次的劃船式平均值處理，得到Σ-Δ型的準(zhǔn)15位的張力平均值采樣，再乘張力系數(shù)，得張力工程值。

程序軟件設(shè)HSO軟件定時器，定時一級時鐘為1/16秒，定時器中斷，子程序讀取前一次張力A/D結(jié)果，然后打開下一次A/D采集。系統(tǒng)將前兩秒內(nèi)32個A/D結(jié)果累計，作為當(dāng)前的一秒鐘之前的平均值(即張力采樣)，拿最新一次的A/D結(jié)果，與1秒之前的平均值差分，得1秒鐘內(nèi)張力的變化量，即差分張力的采樣結(jié)果；然后，將最新A/D的采樣結(jié)果，替換到2秒以前最后一次的A/D采樣的內(nèi)存空間中，完成數(shù)據(jù)更新。

張力顯示位5位數(shù)碼管，顯示數(shù)據(jù)工程值單位位kg，數(shù)據(jù)刷新頻率和深度速度顯示相同，為4Hz。差分張力輸出給59C23型-5V～0～+5V雙擺指針表模擬量顯示[CM-3A小面板是兩列光柱顯示]，滿量程為500kg，顯示刷新頻率16Hz；單片機(jī)通過PWM方式實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換，見圖4.。

圖4. 差分張力數(shù)模轉(zhuǎn)換圖

張力系數(shù)的常用設(shè)置。張力系數(shù)是張力傳感器滿量程時(輸出最大信號5V)，張力顯示的最大數(shù)據(jù)，因為張力單位選kg,為了和國產(chǎn)張力計參數(shù)保持一致，所以張力系統(tǒng)以噸為單位，設(shè)置范圍為0.100～32.760(t/5V)。張力系數(shù)和深度系數(shù)一樣，可以在絞車面板上用小鍵盤直接輸入，實際操作：按下“系數(shù)”﹑“張力”，顯示窗口1～6位數(shù)碼管顯示之前的張力系數(shù)，第八﹑九位顯示“F.＝”，然后，可從高位到低位依次鍵入新的張力系數(shù)，鍵入的數(shù)字在窗口第十一位后依次顯示，如果預(yù)置張力乘系數(shù)小于1.000，第一鍵直接按“.”鍵，系統(tǒng)默認(rèn)按下了‘0.’，數(shù)值輸入完畢后按“系數(shù)”或“張力”鍵確認(rèn)。

在測井中，張力計(傳感器)一般安裝在天滑輪或地滑輪上，電纜經(jīng)過滑輪受力倒角α，如圖5，根據(jù)受力分析，張力系數(shù)F.和張力傳感器滿量程參數(shù)M關(guān)系如下：

圖5. 地滑輪掛張力計的示意圖

為了便于現(xiàn)場操作，絞車面板增加了夾角為α的﹑10噸張力計(M=10)的張力系數(shù)角度輸入法，按正常張力系數(shù)輸入的方法，以整數(shù)的形式輸入夾角α,系統(tǒng)自動查表換算出對應(yīng)的張力系數(shù)。這里，α輸入范圍為1°～162°，輸入時，不能夾帶小數(shù)點，否則系統(tǒng)默認(rèn)直接輸入張力系數(shù)F. 。如果系統(tǒng)不是使用10噸傳感器，可以先按10噸傳感器的辦法先輸入α夾角,完畢后再按“系數(shù)”﹑“張力”鍵，查看已算好的﹑10噸時α角的張力系數(shù)，然后按比例換算實際噸位的張力系數(shù)，重新輸入即可。

張力兩點刻度。在2006年，根據(jù)現(xiàn)場需要，輸入張力系數(shù)的辦法，又增加了張力兩點刻度。張力系數(shù)的三種輸入方法，最后操作的占先。這樣的功能，在unilog2000數(shù)控的單片機(jī)深度單元，和“WCU3000智能數(shù)控絞車面板”上，都得以實現(xiàn)。

張力兩點刻度操作，按“張力”﹑“系數(shù)”鍵 ，1～6位數(shù)碼管顯示當(dāng)前張力A/ D轉(zhuǎn)換的代碼值,7～11位數(shù)碼管顯示窗分別顯示“CAL 1=”或“CAL 2=”，分別是第一點刻度或第二點刻度，輸入每點刻度的工程值，輸入時，輸入的數(shù)字依次在12～16位數(shù)碼管顯示出，輸入的工程值單位是kg，輸入范圍0～65535，輸入小數(shù)點﹑“－”﹑或其它非數(shù)字鍵表示輸入完畢[5]。兩點刻度后，可檢查或設(shè)置修改張力加常數(shù)，連續(xù)按“系數(shù)”﹑“張力”﹑“0”鍵，1～6位數(shù)碼管顯示當(dāng)前張力加常數(shù)，7～11位數(shù)碼管顯示窗顯示“FEb=”，隨后設(shè)置新的張力加常數(shù)，設(shè)置方法和設(shè)置修改深度的方法一樣。

井口張力對零：測井中為了讓絞車面板顯示相對井口時電纜重力的變化量，可以當(dāng)儀器在井口吊掛和深度對零時，按“張力”﹑“0”﹑“張力”鍵，進(jìn)行張力初值對零操作，該操作僅在當(dāng)前深度顯示小于200米時有效，并記錄井口張力初值。在其它深度位置，按“張力”﹑“0”﹑“張力”鍵，張力顯示為當(dāng)前值與井口初值之差，按“張力”﹑“1”﹑“張力”鍵，則撤銷減初值顯示。

同步馬達(dá)深度速度測量

在同步馬達(dá)深度測量模式，同步馬達(dá)轉(zhuǎn)子接收AC110V工頻信號交流電，定子次級輸出星形連接的{MV,MU,MW}三相工頻調(diào)制信號(最大開路電壓50±2V)，這三相信號工頻解調(diào)后，為分別相差120°的正弦波信號。同步馬達(dá)信號預(yù)處理，如圖6.圖7.。首先通過開關(guān)三極管解出工頻同步SYN50Hz，通過74HCT123解出工頻正弦波90°角波峰時的1mS開門電平，然后開門電平與采樣保持芯片LF198相連,在1mS的開門時間內(nèi)，解出工頻解調(diào)的三相相位正弦波信號：V=A＊sinφ，A＊sin(φ+120°),W=A＊sin(φ-120°)；因(U-W)=＊A＊cosφ，所以理論上通過V和(U-W)可以解析出φ。

圖6. 同步馬達(dá)信號電路預(yù)處理

圖7. 同步馬達(dá)信號相位邏輯關(guān)系圖

如圖7.，P(U-W)方波是(U-W)余弦信號零檢電平邏輯，P(/V)方波是V正弦信號的零檢電平邏輯，“P(/V) xor P(U-W)”異或門方波信號的邊沿和V正弦波的0度～90度～180度～270度～360度對應(yīng)。由于80C196單片機(jī)A/D輸入為0～5V正信號，所以V正弦波經(jīng)U7﹑U8做絕對值變化，輸入單片機(jī)A/D(CH2)。由于正弦波波峰值因工礦不同大小不一，因此每次采樣后，要比較判斷提取最大值，作為正弦波最高基值，90度位角時實測值與最大值比為1.0，其它比值時查表得0～90度的位角大小，然后，通過單片機(jī)P1.6腳P(/V)電平﹑和P1.4腳異或門輸出電平的鑒別，就可以準(zhǔn)確確定φ位角在一周0度～360度之間的準(zhǔn)確定位。

在同步馬達(dá)深度測量模式，80C196單片機(jī)程序軟件設(shè)HSO軟件定時器，定時一級時鐘為1/128秒，在定時中斷子程序中，井口馬達(dá)信號和張力信號交替A/D采集，對應(yīng)馬達(dá)信號V--A/D(CH2)的采集周期是1/64秒，由于電纜天地滑輪和井口馬達(dá)齒輪咬合比為1:4，即電纜走一米馬達(dá)轉(zhuǎn)動4周，當(dāng)電纜最大運(yùn)行速度小于19.2km/h時，每1/64秒井口馬達(dá)最快轉(zhuǎn)動1/3轉(zhuǎn)，也即兩次解算馬達(dá)位角差變化最大小于120度，如果實測的數(shù)值大于120度，則認(rèn)為位角有新增360度的解算變化，即有跨周期的位角變化。因此，設(shè)計井口馬達(dá)解算適應(yīng)電纜的運(yùn)動速度范圍0 ～ ±19km/h，相關(guān)產(chǎn)品向用戶提供的操作技術(shù)要求，限制電纜最高運(yùn)行速度小于18km/h，推薦最高限速15km/h [6]。

在同步馬達(dá)深度測量模式，位角變化虛擬對等編碼器脈沖數(shù)，每轉(zhuǎn)360度角虛擬320個脈沖數(shù)，每米電纜軟件虛擬1280個脈沖，相關(guān)深度測量的深度預(yù)置，和深度系數(shù)設(shè)置﹑同步校深，和編碼器深度測量模式一致，設(shè)置方法相同；如果天地滑輪參數(shù)和電纜直徑都是標(biāo)準(zhǔn)型號，那么深度系數(shù)應(yīng)該是1280.0000,如果有出入，那就是接近1280的一個小數(shù)，具體大小需要在標(biāo)準(zhǔn)井上校對反算。

在同步馬達(dá)深度測量模式，編碼器深度測量模式被關(guān)閉，在該模式下，unilog2000數(shù)控預(yù)處理單元的單片機(jī)模塊，具有馬達(dá)深度信號轉(zhuǎn)化為虛擬編碼器正交雙脈沖信號的能力(見圖3.)，提供給FPGA深度模塊做深度采集；WCU3000智能數(shù)控絞車面板只有同步馬達(dá)深度信號接收能力，但不具備虛擬轉(zhuǎn)換編碼器正交雙脈沖信號的能力。虛擬脈沖輸出的過程，利用了80C196單片機(jī)高速HSO.0接口的‘鎖定T2時基比較觸發(fā)電平變化不中斷’，同時設(shè)定‘T2鎖定計數(shù)連續(xù)溢出復(fù)位不中斷’，而T2定時器重載參數(shù)，和T2時基比較參數(shù)，與解算的同步馬達(dá)位角變化量的解算值﹑和與對應(yīng)的虛擬編碼器脈沖個數(shù)相關(guān)；相關(guān)具體賦值設(shè)置，都在1/64秒刷新頻率的中斷子程序中完成。

單片機(jī)深度測量在絞車面板和地面測井系統(tǒng)中應(yīng)用效果

自從1997年80C196單片機(jī)在絞車面板上使用之后，當(dāng)時行業(yè)里對‘電纜丈量儀計量輪加工的技術(shù)保密’，就馬上變得沒有任何意義，因為80C196單片機(jī)系列的絞車面板，已經(jīng)不受計量輪周長和編碼器脈沖的限制，可以自行校正深度，而且精確度顯著提高；并且從南陽到廊坊，兩次工廠化地編外生產(chǎn)過上百套‘CMC’型﹑‘HM-3’型﹑‘CM-3’型﹑‘CM-3A’型智能數(shù)控絞車面板，給生產(chǎn)電纜測井車的華美員工，帶來了福利；同時，也給各油田用戶帶來了成果，比如克拉瑪依白堿灘打撈隊，使用Φ5.6電纜，在5600米的井下打撈，電纜彈性拉長40米,如果沒有深度校正性能良好的HM-3型絞車面板,那么將是非常困難的。

從普通絞車面板，到Unilog2000地面測井系統(tǒng)，包括RS232通訊﹑軟件實現(xiàn)I2C﹑CRC校驗﹑同步馬達(dá)信號虛擬轉(zhuǎn)換編碼器信號等，80C196單片機(jī)深度測量模塊的功能逐次升級完善，而且測量精度完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，雖然這種應(yīng)用實現(xiàn)已經(jīng)過去很多年，但是這種應(yīng)用現(xiàn)在并不顯得落后，起碼在測量精度上，和WSDP高檔絞車面板有的一拼；雖然，常用的進(jìn)口地面測井系統(tǒng)配套的專業(yè)絞車面板，都是WinXP平臺觸摸屏化，界面很友好，80C196核心LED數(shù)碼管窗口的絞車面板有些落后，但是，和常規(guī)的絞車面板相比，其操作的靈活性和便捷性，即便在現(xiàn)階段仍然實用，一些老用戶，目前仍有這些老產(chǎn)品的使用需求。

絞車面板及深度測量發(fā)展展望

畢竟，單片機(jī)繁榮的時期已經(jīng)過去，現(xiàn)在已經(jīng)是FPGA和ARM崢嶸的年代，但是，相關(guān)的深度采集的方法技術(shù)，在現(xiàn)階段乃至有限發(fā)展中，并沒有落后，這些技術(shù)還是要使用的。比如預(yù)期新的絞車面板，將采用STM32芯片，具備“ARM 32-bit Cortex-M4 CPU with FPU”核心，具備強(qiáng)大的DSP運(yùn)算能力，芯片上有自帶正交去抖的多路編碼器信號輸入，可以實現(xiàn)WSDP特有的能夠防止計量輪打滑的雙路編碼器深度信號輸入的測量方式，另外STM32芯片，自帶LCD-TFT控制接口，方便連接觸摸顯示屏，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更簡單﹑功能更強(qiáng)大﹑界面更友好的新一代深度測量絞車面板。

（作者單位：北京紫貝龍科技股份有限公司武漢研發(fā)中心）