多路井徑電位器自動檢測裝置的研制

趙遠航 尹立山 白麗麗 劉師成 劉永楓

（1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.大慶鉆探工程公司測井公司儀器維修中心）

在井徑測試中，井徑參數具有重要意義，是油田地質分析和作業施工時參考的基礎性數據之一， 井徑參數的準確性直接關系到油井的安全和原油的產量。 井徑測試儀是獲得井徑參數的重要測井設備， 井徑測試儀的性能直接影響最終測量結果的準確性， 井徑測試儀的核心部件是井徑電位器， 因此井徑電位器精度檢測環節至關重要［1~3］。

我國油田工程實際生產過程中，井徑電位器的檢測尚處于手工作業模式階段，手工作業模式對于工程技術人員的個人檢測技能要求極高，并且檢測的準確性容易受到測試人員個人因素的影響，因此人為測試誤差難以避免［4］。在井徑測試儀下井前，必須對井徑電位器進行檢測，人工檢測電位器的模式不僅耗時、耗力、成本高，而且不能保障檢測精度。 隨著社會經濟的快速發展，測井市場對測井儀器的精度、測井的效率和測井成功率的要求日益升高，而多路井徑電位器自動檢測裝置可以有效替代人工作業模式，這樣既能控制生產成本，提高檢測效率，又可以避免人工操作的諸多不確定因素，進而提高測井數據的可靠性，為油井的后續生產提供更科學性的參考數據［5~7］。

1 井徑測試儀的工作原理

井徑測試儀由井徑測量部分和伸縮傳動部分組成。井徑測量時，4 個各自獨立且均被放開的測量臂隨同被測井眼的大小運動，每個測量臂帶動一個井徑電位器，電位器的位移變量即井徑測量臂的收放角度，4 個井徑電位器的位移變量經過變換處理，以電壓量形式直觀地呈現在計算機中。 伸縮傳動部分由帶有齒輪減速器的永磁直流電動機、連桿等部件共同組成，在地面儀的控制下完成測量臂的收放功能［8］。 井徑測試儀模型如圖1 所示。

圖1 井徑測試儀模型

井徑測試儀的原理基于滑動變阻器，即以輸入、輸出電壓信號為采集數據，并將采集的電壓信號進行數據轉換，在實際井徑測量操作中，4 個測量臂中任意一個測量臂位移發生變化時，均會帶動相應井徑電位器上的滑動桿同時滑動，測量臂在彈簧力的作用下發生伸縮，將測量臂的伸縮變化轉換成電阻值的變化［9］。 當給滑動電阻通以一定強度的電流后即可將電阻值的變化轉換為電壓的變化，從而間接地反映井口井徑的變化［10，11］。使用換算模型可計算出井徑，完成實際的數據測量。 井徑測試儀的工作原理如圖2 所示。

圖2 井徑測試儀的工作原理

2 誤差分析及影響

2.1 產生誤差的原因

在實際井徑測算的操作過程中，井徑電位器產生誤差的原因主要有以下3 點：

a. 電位器的工作過程較為復雜，諸多不確定因素均會導致電位器無法正常工作， 例如斷點、虛接及接觸不良等現象。 當井徑電位器出現故障時，技術操作人員需要用手重復推拉電位器進行輔助檢測，人工操作很難實現準確控制是造成誤差的主要原因之一。

b. 技術操作員須通過萬用表所顯示的數據對設備進行相應的調整和完善。 由于萬用表的數值非固定值，技術操作員讀錯數值時，會造成電位器檢測失誤， 使測算結果與實際情況產生誤差。

c. 技術操作員在測算過程中使用的彈簧具有極大的彈力，實際過程中則需用手指反復推動彈簧，此方法測量的效率較低，極易造成數據結果的偏離。

2.2 誤差帶來的影響

井徑電位器的誤差，不僅會造成使用成本的增加，而且若對整個井徑電位器所測算的對象錯誤定性，將會造成巨大的經濟損失：

a. 對于一支無問題的電位器， 若誤判其性能，則會造成單支電位器的浪費；

b. 在檢測過程中，若技術操作員無法迅速確定存在故障的電位器，則只能將4 只電位器全部淘汰，造成更大的經濟損失；

c. 若損壞的電位器被技術檢測員誤判為無損，繼續使用在井徑測試儀上，則會得出錯誤的井徑測試數據，影響油田的安全優質生產。

3 解決方案

多路井徑電位器自動檢測裝置采用電流法測量原理， 且運用低電壓測量高電阻的方法，儀器可通過多個通道獲得電壓信號，經計算機處理實現井徑電位器的檢測。 由于該裝置采用全新的設計方法和微型計算機處理技術，可有效提高井徑電位器檢測工作的準確性和效率。 該多路井徑電位器自動檢測裝置由機械結構、硬件電路和軟件分析系統3 個部分組成，可大范圍替代手工檢測電位器的工作。 多路井徑電位器自動檢測裝置3D 模擬圖如圖3 所示。

圖3 多路井徑電位器自動檢測裝置3D 模擬圖

3.1 機械結構

在檢測系統中設置多個可伸縮的桿狀分支結構，將電位器固定在檢測設備上，調整好電位器后將伸縮桿鎖定，防止電位器滑動；通過電機提供動力，驅動擋板擠壓連桿，將電機固定在擋板上并使電機與傳動輪銜接，使電機不隨擋板發生位移；采用線性往復絲杠帶動3 個推動軸作為動力， 在低速電機驅動條件下，可以同時推動3 組電位器，實現對多組電位器同時檢測，以提高檢測效率。井徑測試儀機械結構正面如圖4 所示。

圖4 井徑測試儀機械結構

3.2 硬件電路

電路部分采用的數據分析系統是以USB 多路模擬數據為采集模塊，從多條通道得到的電壓信號經過緩沖、陷波、放大、低通濾波、A/D 轉換，再由接口和邏輯控制電路發送給計算機進行控制和數據處理，并將結果通過屏幕顯示。 通道的開啟由電子模擬轉換開關控制。 硬件結構框圖如圖5 所示。

圖5 井徑測試儀硬件結構框圖

3.3 軟件分析系統

軟件部分采用電位器采集專用系統，此系統可及時有效地采集各路電位器的檢測數據，并且通過計算機運用算法對比， 將所得數據進行分析、處理，建立電位器故障分析模型，模型中不同故障問題表現出不同的圖像或曲線，可直觀地在屏幕上呈現并準確判斷所屬故障類型。 同時建立測試數據采集、顯示和存儲系統，測量的歷史數據可存儲為曲線、電子表格等形式，以便于進行歷史數據分析。 最后搭建測試平臺進行樣機調試， 并進行樣機可靠性的現場測試分析。 基于C語言的軟件程序流程如圖6 所示。

4 多路井徑電位器實物檢測

以現場采購的一個批次的電位器作為樣本進行測試分析。

以檢測60 支電位器為例， 已知合格產品56支，將4 支故障電位器混入其中后分為10 組，每組6 支分別進行手工檢測和多路井徑電位器自動檢測，每組檢測平均時間數據對比見表1。

圖6 軟件程序流程

表1 檢測平均時間數據對比 s

由表1 數據可知， 自動檢測總平均時間為29.4s，手工檢測總平均時間為300.2s，檢測效率提高了近十倍。

通過使用多路井徑電位器自動檢測裝置，檢測出電位器中有4 組存在故障的電位器，通過手工檢測僅檢測出1 組存在故障的電位器。 由此可知，與傳統的手工檢測相對比，該自動檢測裝置不僅將測量精度提升至99.5%以上， 而且檢測效率比傳統的人工檢測提高近十倍。

5 結束語

針對人工檢測井徑電位器存在的費時費力、精度低等問題，研制了多路井徑儀電位器自動檢測裝置。 通過現場測試，并與手工檢測對比，該裝置不僅將檢測效率提高了十倍，且測量精度達到了99.5%， 從而驗證該裝置可在多數情況下替代人工手動檢測，提高經濟收益，對油田企業的智能化檢測具有積極的推動作用。