閆家超，楊俊海，許忠迪，陳鳳波，陳　震，王小強(qiáng)

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程公司，遼寧 盤錦 124000)

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井下油管切割設(shè)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(qiáng)2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程公司，遼寧 盤錦 124000)

摘要：基于馬丁代克測(cè)井儀對(duì)井下油管切割設(shè)備進(jìn)行深度定位，將井深的物理位移量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的TTL電平脈沖信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)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(jìn)行仿真，驗(yàn)證了測(cè)井系統(tǒng)的正確性。

關(guān)鍵詞：深度定位；TTL電平；proteus軟件仿真；馬丁代克

國(guó)內(nèi)大部分油田進(jìn)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(shì)。現(xiàn)場(chǎng)采用傳統(tǒng)的解卡方式難以解卡，文中切割設(shè)備通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)割刀旋轉(zhuǎn)將井管切斷提出井外，再進(jìn)行下一步的修井作業(yè)。切割設(shè)備需要通過連續(xù)油管與井下切割設(shè)備連接后由連續(xù)油管作業(yè)機(jī)將設(shè)備從油管內(nèi)部通過，將切割設(shè)備輸送到油管的預(yù)定切割位置，然后通過地面液壓泵對(duì)連續(xù)油管泵入水溶液，調(diào)控壓力與流量，使井下固定卡緊機(jī)構(gòu)緊緊地卡住油管管柱內(nèi)壁，使切割設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生軸向的串動(dòng)和徑向振顫與偏轉(zhuǎn)，隨著泵壓與流量的增大使液壓螺桿馬達(dá)開始做行星轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過萬向軸的變相作用將螺桿馬達(dá)的行星轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成定軸運(yùn)動(dòng)，液壓推動(dòng)刀桿使刀具伸出殼體并在殼體帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)切割，從而實(shí)現(xiàn)切割設(shè)備的井下管內(nèi)的切割作業(yè)。

目前在石油測(cè)井領(lǐng)域，需要在地面測(cè)井系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確有效的深度信息。在運(yùn)行過程中設(shè)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(shè)備能夠準(zhǔn)確到達(dá)指定深度，然后對(duì)井管進(jìn)行切割。

由于連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的深度測(cè)量方式是采用連續(xù)油管滾筒的圈數(shù)計(jì)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(huì)發(fā)生變化，其測(cè)量深度亦會(huì)出現(xiàn)誤差[1]，為了能夠更準(zhǔn)確地確定井下深度，本文采用單片機(jī)記錄深度的方式，不僅能夠準(zhǔn)確記錄井下深度，還能顯示速度的大小與設(shè)備運(yùn)行的方向。為井下操作提供更完善的信息。

1切割設(shè)備入井及深度信息提取

圖1為切割設(shè)備入井過程示意圖。切割設(shè)備與連續(xù)油管相連，測(cè)井電纜與切割設(shè)備頂端相連，連續(xù)油管作業(yè)車將連續(xù)油管設(shè)備向井口輸入，電纜絞車配合作業(yè)車同時(shí)進(jìn)行。首先將測(cè)井系統(tǒng)深度進(jìn)行清零，當(dāng)切割設(shè)備底端與防噴器頂端油管口對(duì)齊時(shí)，點(diǎn)擊測(cè)深系統(tǒng)開始鍵，測(cè)井系統(tǒng)開始計(jì)數(shù)測(cè)量深度、速度信息。

圖1　切割設(shè)備入井過程示意圖

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

圖2為防噴器原理示意圖。其主要結(jié)構(gòu)包括液壓缸、液壓油進(jìn)口管、活塞、防噴器外殼體等。

切割設(shè)備需帶壓進(jìn)行修井作業(yè)，為防止出現(xiàn)井噴事故，設(shè)備入井首先需通過防噴器，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)備如下：馬丁代克深度測(cè)井儀，為深度定位提供TTL信號(hào)；AT89S52單片機(jī)，對(duì)馬丁代克信息進(jìn)行采集、處理計(jì)算；1602LCD液晶顯示屏[3]，顯示單片機(jī)處理的深度、速度、轉(zhuǎn)向、開關(guān)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(zhuǎn)換將從輸出軸上機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)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(cè)光電信號(hào)的裝置構(gòu)成，光電編碼器的光柵盤是在一定尺寸的圓形板上等值設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的長(zhǎng)方形孔。因?yàn)楣怆姶a盤和馬丁代克測(cè)井儀的從動(dòng)輪同軸，當(dāng)從動(dòng)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤和從動(dòng)輪等速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)并輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)[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(dāng)碼盤沿轉(zhuǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，AB兩通道產(chǎn)生脈沖信號(hào)，B通道脈沖提前A通道脈沖90°；當(dāng)碼盤沿轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，AB兩通道產(chǎn)生脈沖信號(hào)，A通道脈沖提前B通道脈沖90°；通過AB信號(hào)的相位差，可以得到碼盤的旋轉(zhuǎn)方向，從而得到實(shí)際應(yīng)用中是下放過程還是上提過程。

對(duì)A或者B的脈沖數(shù)量計(jì)數(shù)，與旋轉(zhuǎn)盤的周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)計(jì)算，便可以得到下方的長(zhǎng)度。如圖4所示，光電碼盤每一周發(fā)N個(gè)脈沖，絞盤周長(zhǎng)度為C，操作過程中脈沖總數(shù)K,則可以計(jì)算出下方(或上提)長(zhǎng)度L=(K/N)·C，下放(或上提)速度V則可用下放時(shí)間T和下放長(zhǎng)度L計(jì)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的傳感器為TTL電平脈沖輸出，考慮到導(dǎo)線的線損，外界干擾等因素，設(shè)計(jì)中采用電壓比較器LM393對(duì)傳感器輸出的TTL信號(hào)進(jìn)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(hù)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(fù)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(hào)接口電路。

圖5　光電碼盤信號(hào)接口電路

3馬丁代克旋轉(zhuǎn)鑒向

由于可能會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行上提或下放，單片機(jī)系統(tǒng)需對(duì)馬丁代克信號(hào)進(jìn)行鑒向，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)單片機(jī)，一個(gè)進(jìn)行鑒向，另一個(gè)進(jìn)行測(cè)深、測(cè)速。判斷方式如下，A通道進(jìn)入低電平瞬間，檢測(cè)B通道電平記作bz1，A通道進(jìn)入高電平瞬間，檢測(cè)B通道電平記作bz2，判斷bz1、bz2，當(dāng)(bz2=0)&&(bz1=1)正向旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)輸出高電平；(bz2=1)&&(bz1=0)為反向旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)輸出低電平。

4單片機(jī)對(duì)速度與深度的處理

單片機(jī)計(jì)數(shù)采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T1進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)采用長(zhǎng)整形，首先程序初始化，打開T1外部計(jì)數(shù)器，內(nèi)部定時(shí)器，定時(shí)5ms，TH0=(65536-5000)/256，TL0=(65536-5000)/256，中斷100次后，定時(shí)時(shí)間到0.5s，T1計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)值賦予長(zhǎng)整型計(jì)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)井號(hào)榮108、坨38-32、馬702c三口井進(jìn)行測(cè)井，檢測(cè)射孔數(shù)目的同時(shí)，驗(yàn)證井下定位系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2014年5月19日

(1)試驗(yàn)地點(diǎn)：遼河油田榮108號(hào)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(yàn)地點(diǎn)：遼河油田坨38-32號(hào)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(yàn)地點(diǎn)：遼河油田馬702c號(hào)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(cè)井系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表。

表1　測(cè)井系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表

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

6結(jié)束語

本文對(duì)切割設(shè)備深度定位進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)，能過解決連續(xù)油管切割設(shè)備的精確定位，通過液晶顯示屏能夠顯示設(shè)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)測(cè)深效果真實(shí)有效，能夠滿足切割作業(yè)深度定位要求。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)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(hào)：TE933+.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2016)01-0014-03

作者簡(jiǎn)介：閆家超(1964—)，男，副教授，研究方向：信息、機(jī)械及自動(dòng)化。

收稿日期：2014-09-05