孫增生，鄂振乾，劉金良，陳 凱，黃自評(píng)，陳明禹

(長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 北京 100101)

0 引 言

在油田作業(yè)過(guò)程中，凡是下井的器具，無(wú)論是套管、鉆具還是油管，都必須精確測(cè)量，以便確定井下工具的操作位置。傳統(tǒng)石油管具的長(zhǎng)度測(cè)量大都采用人工鋼卷尺測(cè)量、手工錄入。測(cè)量一次需3個(gè)人共同完成，其中2個(gè)人分別站在管具的兩端拉鋼卷尺測(cè)量，1人記錄測(cè)量結(jié)果，同時(shí)把測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)記在管具本體上，以便再次核對(duì)。測(cè)量完成后還需要人工把測(cè)量的結(jié)果錄入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和結(jié)果的累加，然后再次到現(xiàn)場(chǎng)與管具上的數(shù)值進(jìn)行核對(duì)，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤還需要反復(fù)測(cè)量和檢查。此過(guò)程需測(cè)數(shù)據(jù)較多，工作冗雜，系統(tǒng)誤差和偶然誤差大，尤其是出現(xiàn)錯(cuò)誤后核查過(guò)程繁瑣。

世界上第一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)是1961年美國(guó)休斯飛機(jī)公司研發(fā)的[1]。手持激光測(cè)距儀是一種以激光為載波，以目標(biāo)表面漫反射測(cè)量為特點(diǎn)，通過(guò)脈沖法和相位法等測(cè)量短程距離的便攜式計(jì)量器具[2]。它體積小巧，重量輕，攜帶方便，成本低。激光測(cè)距儀與傳統(tǒng)的鋼卷尺方法相比較,具有測(cè)量精度高、操作便捷及受地形、溫度等干擾因素影響小的特點(diǎn)。

曾有研究者試圖將激光測(cè)距儀應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中。如某油田曾于2010年委托某高校進(jìn)行了石油管線管長(zhǎng)度激光測(cè)距儀的研制[3]；呂鐵男等人2004年研發(fā)了激光測(cè)距儀報(bào)表生成技術(shù)[4]，以提高使用者的體驗(yàn)度；張洪新等人2017年公布了一種管柱長(zhǎng)度激光測(cè)量?jī)x，旨在提供一種通過(guò)激光精準(zhǔn)測(cè)量石油管柱長(zhǎng)度并累計(jì)總長(zhǎng)的儀器，并獲國(guó)家專利[5]。

綜上，科研人員一直在不斷探求一種簡(jiǎn)便、精確的測(cè)量工具。但由于激光測(cè)距儀測(cè)量時(shí)需要頻繁調(diào)整位置和角度，日間戶外測(cè)試者難以觀察到光斑，目前現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用并不多。

本實(shí)驗(yàn)旨在尋求一種可在戶外日間進(jìn)行的激光測(cè)距方法。

1 測(cè)量方法的改進(jìn)

鉆修井現(xiàn)場(chǎng)使用的管具均為車床加工而成，端面和中心軸線垂直，這是本測(cè)量支架制作的基礎(chǔ)。如果測(cè)量支架滿足以下條件：

1)能夠輕易實(shí)現(xiàn)測(cè)量支架與管具端面緊密貼合；

2)激光測(cè)距儀固定在測(cè)量支架上并可以確保發(fā)射的激光束與測(cè)量支架垂直；

3)激光測(cè)距儀前端測(cè)量起點(diǎn)與主架測(cè)量面平齊；

4)測(cè)量用反光板緊密貼合在管具的另外一端面；

則可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出管具的長(zhǎng)度，而不需要反復(fù)調(diào)整激光測(cè)距儀的角度和位置。

1.1 測(cè)量支架的制作和測(cè)量方法

1.1.1 T型和L型測(cè)量支架及反光板

測(cè)量支架使用方形管材制作而成，主支架高度略大于最大需測(cè)管具直徑，固定支架略大于測(cè)距儀。固定支架與主支架垂直，測(cè)距儀緊固在固定支架上，使測(cè)量激光束與主支架測(cè)量面垂直，前端與測(cè)量支架平齊。T型、L型測(cè)量支架示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 T型測(cè)量支架示意圖

圖2 L型測(cè)量支架示意圖

反光板使用2 mm厚環(huán)氧樹(shù)脂板或其他半透明材料制作，靶柄寬度為最小測(cè)量管具直徑，以便于對(duì)擺放不整齊的管具進(jìn)行測(cè)量，靶標(biāo)寬度為9 in套管直徑(1 in=25.4 mm)，如圖3所示。

圖3 反光板

1.1.2 較大管徑的測(cè)量(T型支架內(nèi)測(cè)法)

對(duì)直徑較大的管具使用T型支架內(nèi)測(cè)法進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

圖4 使用T型支架內(nèi)測(cè)法示意圖

測(cè)量時(shí)讓激光測(cè)距儀基本位于被測(cè)管具中心位置，測(cè)量面緊貼管具端頭，反光板緊貼管具另一端，按下發(fā)射鍵，即可看到激光斑落在反光板上，測(cè)距儀上會(huì)顯示被測(cè)管具長(zhǎng)度，按保存鍵即可進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.1.3 較小管徑的測(cè)量(L型支架外測(cè)法)

測(cè)量方法如圖5所示。使L型測(cè)量支架基本居中，讓反光板方位基本保持與測(cè)距儀一致，按壓激光測(cè)距儀發(fā)射鍵，反光板可以觀察到激光斑，即可讀取被測(cè)量管具的長(zhǎng)度，按存儲(chǔ)鍵存儲(chǔ)。

圖5 使用L型支架外測(cè)法示意圖

1.1.4 “甲”字型半透明反光板的作用

無(wú)論T型支架內(nèi)測(cè)法還是L型支架外測(cè)法，測(cè)量者夜間均可以清楚地觀察到激光束落在反光板上形成光斑。日間光照強(qiáng)烈時(shí)則不易發(fā)現(xiàn)光斑，但反光板的半透明設(shè)計(jì)可以讓管具對(duì)側(cè)的人員觀察到透過(guò)的激光斑，并予以確認(rèn)。

“甲”字型反光板的設(shè)計(jì)，可以輕松對(duì)擺放不整齊的較細(xì)管具進(jìn)行測(cè)量，而不必調(diào)整管具的位置。因反光板上方的靶標(biāo)較大，只要測(cè)量支架和反光板方位基本一致，激光束很容易照射到靶標(biāo)上。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與作業(yè)效率

現(xiàn)場(chǎng)使用L型支架外測(cè)法(使用UNI-T UT395A激光測(cè)距儀，具有存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下載功能)以及普通鋼卷尺對(duì)270根3in油管進(jìn)行了實(shí)際對(duì)比測(cè)試，兩種測(cè)量長(zhǎng)度結(jié)果完全一致，作業(yè)效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，激光測(cè)距儀的使用大幅度提高了勞動(dòng)效率。

表1 使用鋼卷尺和激光測(cè)距儀測(cè)量管具作業(yè)效率對(duì)比

2 誤差討論

對(duì)激光與被測(cè)管具中心軸線不完全平行所導(dǎo)致的誤差計(jì)算，見(jiàn)圖6。

圖6 測(cè)量誤差最大值的計(jì)算

(1)

故：

(2)

以管具長(zhǎng)10 m測(cè)算，根據(jù)前面實(shí)際測(cè)試偏差，按100%一次性落入7 in套管內(nèi)測(cè)算，d的最大值(未考慮套管壁厚)應(yīng)該是:

7×25.4÷2=88.9(mm)

代入式(1)可以得出：

與真實(shí)值的誤差為：0.000 395 m=0.395 mm，可以忽略不計(jì)。

3 結(jié) 論

1)對(duì)于直徑大于7 in的套管，使用T型支架內(nèi)測(cè)法測(cè)量，如果因套管擺放位置所限(如測(cè)試者處于一個(gè)不舒適的體位)，也可使用L型支架外測(cè)法測(cè)量。

2)對(duì)于小于7 in的套管或鉆具，建議使用L型支架外測(cè)法進(jìn)行測(cè)量。

3)借助測(cè)量支架，在日間、夜間均可使用激光測(cè)距儀對(duì)管具進(jìn)行測(cè)量。該方法測(cè)量精度高、使用方便，可提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為失誤，降低數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)人因的依賴。