汝繼偉

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 技術(shù)監(jiān)督中心（黑龍江 大慶 163000）

在油田測井過程中，需要先在實驗室進(jìn)行電纜打標(biāo)，電纜打標(biāo)完成后需要在測井公司的標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行測試，獲得測試數(shù)據(jù)并矯正后才能夠進(jìn)行打標(biāo)裝置的測試。提出了一種在井口實時打標(biāo)的裝置，其能夠在獲得電纜井下壓力的同時，利用拉伸電纜進(jìn)行打標(biāo)，有效地消除了油田測井過程中的打標(biāo)問題。為了便于系統(tǒng)對打標(biāo)設(shè)備進(jìn)行測試，設(shè)計了一套電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置；并且針對校準(zhǔn)裝置，設(shè)計了必要的技術(shù)規(guī)范，按照操作規(guī)范進(jìn)行打標(biāo)裝置的校準(zhǔn)和測試，能夠有效矯正電纜打標(biāo)裝置的系統(tǒng)誤差，從而保證打標(biāo)裝置在測井現(xiàn)場的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1 電纜打標(biāo)裝置原理

下井電纜打標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由消磁器、注磁器、讀磁器、上殼體和背板構(gòu)成。

圖1 便攜式油田電纜深度打標(biāo)裝置主體示意圖

工作原理：電纜沿水平方向運(yùn)動，經(jīng)過消磁器A，將電纜原有磁記號擦除；經(jīng)過注磁器A，為電纜刻度磁記號；經(jīng)過讀磁器A，讀取磁記號，同時軟件計數(shù)器加1；經(jīng)過消磁器B，將磁記號擦除，當(dāng)讀磁器A讀取到40個磁標(biāo)記時，注磁器B為電纜刻度磁記號。由于注磁器A和讀磁器A為固定間距0.5 m，因此電纜每20 m時會保留一個磁記號，實現(xiàn)電纜長度計量。通過此設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在實時下井的情況下，進(jìn)行實時的電纜打標(biāo)，并且由于采用磁標(biāo)記的形式，能夠有效地防止冬季電纜打標(biāo)過程中，由于油水在低溫結(jié)冰下產(chǎn)生的電纜打滑等情況，并且由于下井電纜的加長，將會產(chǎn)生電纜的拉伸。

為了有效測試電纜打標(biāo)裝置的穩(wěn)定性，設(shè)計了實驗室電纜深度打標(biāo)測試裝置，其設(shè)計方案如圖2所示。主、從動端電纜轉(zhuǎn)盤相距25 m，主動端由標(biāo)準(zhǔn)測井絞車提供動力，從動端由一臺力矩電機(jī)驅(qū)動。電纜正向運(yùn)動時，力矩電機(jī)提供阻尼，以保證電纜做穩(wěn)定的直線運(yùn)動。電纜反向回收時，力矩電機(jī)則起到提供動力的作用。

圖2 總體裝置示意圖

通過電纜定標(biāo)裝置，可以在電纜上留下相隔20 m的磁標(biāo)記。每一個磁標(biāo)記是有特定規(guī)律的分布曲線，通過高精度特斯拉計可以檢測出磁標(biāo)記的分布波形。

每兩個相鄰的磁標(biāo)記分布曲線上對應(yīng)的兩點(diǎn)之間的距離都為20 m，則使用高精度特斯拉計檢測兩個相鄰磁標(biāo)記曲線的最高點(diǎn)，得到兩點(diǎn)之間的距離為20 m。對于25 m的磁標(biāo)記信號，其處理模型相同[1]。

2 下井電纜應(yīng)力分析及測控系統(tǒng)方案

2.1 下井電纜應(yīng)力分析

首先建立井下電纜拉伸的理論模型，隨后給出仿真結(jié)果。

2.1.1 井下電纜下井拉伸理論模型

忽略各處摩擦力、阻力以及溫度影響，在井下任意位置的電纜主要受3部分力的作用，即端部懸掛物重力、電纜自身重力和井下浮力（假定井下充滿井水），由此考慮，井下電纜總拉伸量為：

式中：E為電纜彈性模量；σ為電纜任意微元所受的正應(yīng)力，Pa。由下式計算得出：

式中：F為微元橫斷面處正拉力，N；S為電纜橫截面積，m2；FW為懸掛物重力，N；FG為電纜自身重力,N；FB為井下浮力在微元截面產(chǎn)生的正應(yīng)力，Pa。計算方法分別為：

式中：M0為懸掛重物質(zhì)量，kg；g為重力系數(shù)；G為電纜比重，kg/m3；l為微元到端部距離，m；L為井下電纜總長,m；ρ為井水密度，kg/m3。由以上各式得到：

2.1.2 井下電纜模擬仿真分析

根據(jù)GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》標(biāo)準(zhǔn)要求，G=3 870 kg/m3，E=110 GPa。常用M0=50 kg，電纜直徑D分別為5.6、8.0、10.3、12.7 mm，井水密度在不同井下有所差異，在此取ρ=1 800 kg/m3。得到在4種常用電纜直徑下的伸長量隨下探深度曲線，如圖3所示。

圖3 井下電纜拉伸模擬仿真

2.2 實驗室電纜拉伸分析

實驗室電纜打標(biāo)采用電機(jī)帶動滾盤，從而帶動電纜運(yùn)動的方式，電纜的軸向拉伸主要受電機(jī)驅(qū)動力矩影響。在此以直徑1.2 m，相距20 m的滾盤和直徑5.6 m的電纜為例，分析電纜拉伸量隨驅(qū)動力矩的變化關(guān)系（理論方法同上），結(jié)果如圖4所示。

圖4 實驗室電纜打標(biāo)拉伸模型分析

從結(jié)果可以看出，即使對于所用最細(xì)的電纜（直徑5.6 m），在正常實驗使用力矩0~100 N·m的作用下，其拉伸量也只有約10-3m，這對于整體來說是可以忽略的。故可以認(rèn)為，在實驗室打標(biāo)可以不考慮電纜受拉伸長的影響。

算法回歸：在如圖5所示，原有的馬丁代克裝置下，在電纜下測過程中，引入楊氏模量方程：

圖5 原有馬丁代克方案

E=（F/S）/（dL/L） （7）

可得豎直電纜的下測過程中的拉伸方程為：

而長度為定長X段的拉伸方程為：

可得，不論在定滑輪的哪側(cè)下測過程中的拉伸方程都是嚴(yán)格按照電纜的伸長而增長的，并且與定滑輪右側(cè)的長度成線性關(guān)系。因此最初馬丁代克下測所記錄長度和下測了一定距離后的長度存在偏差，偏差量和下測距離成線性關(guān)系。下測過程中均需要加入補(bǔ)償量，只有加入補(bǔ)償量后才能準(zhǔn)確測量電纜長度；否則，由于下測過程電纜長度逐漸增加，最初打標(biāo)的電纜將會線性拉長。因此最終測量的長度將與打標(biāo)長度產(chǎn)生較大偏差，其中補(bǔ)償量和下測距離之間呈線性關(guān)系，補(bǔ)償量應(yīng)該為：

將新的打標(biāo)裝置安裝在水平端或者豎直端的時候，如圖6、圖7所示，其下測方程分別是：由于下測過程和電纜打標(biāo)過程是同時進(jìn)行的，因此不需要加入補(bǔ)償即可保證下測的準(zhǔn)確。

圖6 打標(biāo)裝置橫放方案

圖7 打標(biāo)裝置豎立放置方案

2.3 測控系統(tǒng)方案

根據(jù)電纜深度打標(biāo)測試裝置的整體設(shè)計，測控部分可以分為以下5個功能模塊：主動電機(jī)控制模塊、從動力矩電機(jī)控制模塊、線性平臺控制模塊、磁場信號讀取模塊和電纜深度打標(biāo)測試軟件模塊。如圖8所示[2-4]。

圖8 測控系統(tǒng)硬件連接示意圖

3 實驗室電纜打標(biāo)測試標(biāo)準(zhǔn)算法及軟件設(shè)計

3.1 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)方法

首先對實驗室設(shè)備、環(huán)境、溫度、濕度進(jìn)行校準(zhǔn)，在環(huán)境滿足要求的情況下進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程如圖9所示。

圖9 實驗室打標(biāo)測試裝置校準(zhǔn)方法

3.2 實驗室長度累計誤差測量

1）啟動校準(zhǔn)裝置和電纜打標(biāo)裝置，開始校準(zhǔn)。

2）電纜運(yùn)行，其中x600、x1100、x600、x2100分別表示便攜式電纜打標(biāo)裝置顯示的600、1 100、1 600、2 100 m的磁記號；y600、y1100、y1600、y2100表示線性位移平臺和高精度特斯拉計讀取的電纜在600、1000、1 600、2 100 m的磁記號；線性位移平臺和高精度特斯拉計讀取的電纜磁記號和便攜式電纜打標(biāo)裝置顯示的磁記號重復(fù)3次，分別在600、1 100、1 600和2 100 m的誤差平均值公式為:

式中：Δ600、Δ1100、Δ1600和Δ2100分別為對應(yīng)長度的誤差平均值，誤差應(yīng)小于0.02%[5-7]。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)井長度累計誤差測量

1）實驗方法參照Q/SY DQ 0256—2017《油田下井電纜現(xiàn)場刻度方法》中現(xiàn)場刻度方法的要求。

2）使用便攜式電纜打標(biāo)裝置對下井電纜注磁記號，其中x600、x1100、x1600、x2100代表利用測井車內(nèi)測控系統(tǒng)讀取便攜打標(biāo)裝置在電纜600、1 100、1 600、2 100 m時所注電纜磁記號，z600、z1100、z1600、z2100表示測井車內(nèi)測控系統(tǒng)讀取電纜結(jié)箍在600、1 100、1 600、2 100 m的磁記號，測井車內(nèi)測控系統(tǒng)讀取電纜結(jié)箍磁記號實際值和便攜式電纜打標(biāo)裝置顯示的磁記號在600、1 100、1 600、2 100 m的誤差公式為:

式中：Δ600~1100為結(jié)箍在600~1 100 m的間距便攜式打標(biāo)裝置的相對誤差；Δ600~1600為結(jié)箍在600~1 600 m的間距便攜式打標(biāo)裝置的相對誤差；Δ600~2100為結(jié)箍在600~2 100 m的間距便攜式打標(biāo)裝置的相對誤差，誤差應(yīng)小于0.02%。

3.4 實驗室電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計

首先設(shè)計電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置的軟件流程圖，流程圖的目的是能夠完成一整套從電纜打標(biāo)到打標(biāo)磁標(biāo)記進(jìn)行檢測，記錄誤差的工序，其流程如圖10所示。

圖10 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置測試流程圖

按照電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置流程圖，進(jìn)行軟件的研發(fā)，軟件界面如圖11所示。軟件的主界面能夠完成一系列的打標(biāo)測試校準(zhǔn)工作，同時對于測試的數(shù)據(jù)需要存儲到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫存儲如圖12所示[8-9]。

圖11 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置軟件界面

圖12 電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)庫界面

4 實驗室測試效果

在模擬打標(biāo)實驗室內(nèi)進(jìn)行了必要的打標(biāo)實驗，以70 m為總長度，通過反復(fù)運(yùn)行電纜打標(biāo)裝置，并且設(shè)置必要的參數(shù)，比對馬丁代克進(jìn)行了測試，并且統(tǒng)計了誤差和可接受度，實驗數(shù)據(jù)見表1，其效果滿足實驗要求，誤差滿足Q/SY DQ 0253—2017《便攜式油田下井電纜打標(biāo)裝置校準(zhǔn)方法》中相鄰兩個記號誤差應(yīng)小于0.2 m的范圍內(nèi)的要求。

表1 電纜打標(biāo)模擬實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過設(shè)計電纜打標(biāo)裝置，能夠在下井的同時進(jìn)行打標(biāo)測試，能夠有效解決在電纜下井過程中產(chǎn)生的電纜自重拉伸問題。同時采用磁信號進(jìn)行標(biāo)記，能夠有效防止冬季油水結(jié)冰產(chǎn)生的打滑現(xiàn)象。設(shè)計的電纜打標(biāo)校準(zhǔn)裝置，還能夠有效對電纜打標(biāo)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)合校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)軟件，能夠有效地進(jìn)行電纜打標(biāo)校準(zhǔn)。在最終打標(biāo)測試效果中，測試效果能夠滿足打標(biāo)測試要求。