馬丁代克深度輪誤差校正系統設計

朱普茂,章 鵬*,丁頻一,黃 靜

(1.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室,重慶 400044;2.公安部交通管理科學研究所,江蘇 無錫 214000 3.北京天擎麗都科技有限公司,北京 101102)

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馬丁代克深度輪誤差校正系統設計

朱普茂1,章 鵬1*,丁頻一2,黃 靜3

(1.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室,重慶 400044;2.公安部交通管理科學研究所,江蘇 無錫 214000 3.北京天擎麗都科技有限公司,北京 101102)

為了修正測井過程中因馬丁代克深度輪磨損而造成的深度信息誤差,設計了一套馬丁代克深度輪誤差校正系統,通過分析誤差產生原因以及誤差校正原理,選擇線性光柵尺作為長度測量基準,比較光柵尺和深度輪旋轉編碼器的測量結果,實現誤差校正。最后,采用已經在標準井中使用套管節箍信號法校正的2530型馬丁代克深度輪對系統進行測試實驗,實驗結果表明該系統的設計精度符合設計要求,具有速度快、時間短、精度高等優點。

馬丁代克;誤差校正;虛擬儀器;編碼器

在石油測井行業中,根據測量信號的傳輸方式不同,可以將其可以分為電纜測井,隨鉆測井和井下存儲式測井。電纜測井因其具有測井項目比較多樣化、施工條件相對簡單、獲得測井數據資料質量高、可靠性好等優點,是目前使用最普遍的測井方式[1]。

馬丁代克測深系統是目前電纜測井中運用較為廣泛的深度測量設備,其核心組件是深度輪。測井時,通過將電纜的長度轉化為深度輪的旋轉圈數,從而可以實時得到井下測量設備的所在深度。不同的深度對應著不同測井信息(如電阻率、孔隙度等),因此深度信息的準確性、可靠性對后期獲取高質量地測井資料至關重要[2-3]。

在測井過程中,深度輪長期與電纜接觸,導致其表面受到磨損,周長發生改變,使得深度輪上的光電編碼器輸出的脈沖對應的電纜運動距離也發生了改變,從而導致深度信息的積累性誤差。實際使用中,深度輪的使用周期一般為6個月,之后應該對其進行校正,否則會導致深度數據偏差,影響后期測井數據分析。當深度輪使用頻率更高時,校正周期也將更短。

目前常用的校正方法有電纜地面磁標定法[4-5]、套管節箍信號法[6]。然而,電纜地面磁標定法耗時長、并且沒有考慮電纜拉伸后的變化情況;套管節箍信號法雖然精度高,但是成本高、耗時長,并且受到標準井位置的限制。因此,急需一種能夠快速對深度輪進行校正的系統。

通過分析電纜測井原理、誤差產生原因和誤差校正原理,本文提出了一套馬丁代克測深系統深度輪的誤差校正方案,并搭建了測試系統。系統采用了高精度的線性光柵尺作為長度測量基準,得到誤差校正系數,并與采用套管節箍信號法在標準井中得到誤差校正系數進行對比,驗證系統的可靠性、穩定性。系統軟件采用虛擬儀器技術、模塊化編程設計,使得系統具有擴展性強優點,為后期系統升級維護提供便利。

1 深度輪誤差校正系統設計原理

1.1 馬丁代克測深系統工作原理

電纜測井原理示意圖如1所示,馬丁代克測深系統的深度輪在井下儀器的重力作用下不斷轉動,深度輪上的旋轉光電編碼器開始輸出正交編碼脈沖,通過對輸出脈沖進行計數,經后期分析計算,就可求得電纜運動距離,從而求得測井儀器的下放深度。深度H計算公式為

(1)

式中:L0為理論上深度輪轉動一圈對應電纜經過的距離,可以認為是深度輪的理論周長。k為光電編碼器輸出脈沖數,k0為編碼器線數(旋轉一周輸出的脈沖數)。

圖1 電纜測井原理圖

馬丁代克測深系統長期使用后,其工作時由于深度輪與電纜外層的鎧甲鋼絲層一直保持接觸,深度輪表面不可避免地會發生磨損,導致其周長由L0變成L,當電纜經過同樣的距離時,k變大,造成計算出的H偏大,從而引起深度測量的積累性誤差。考慮到深度輪磨損的不均勻性,實際工作環境等因素,不能簡單的通過測量其直徑,再通過公式求出周長。

1.2 校正系統設計原理

測井過程中,由于測井設備自身重量達數百公斤,加上在井內受浮力、摩擦力、泥漿壓力及溫度變化等其他因素的影響,導致電纜發生拉伸變形,直徑變小,和馬丁代克深度輪的接觸狀態會產生微小的變化[7]。實際生產中發現,這些變化將會導致深度測量讀數產生變化。

綜合考慮到以上幾點因素,結合測深系統實際工作條件,本文采用直接測量深度輪形變后的周長,其原理示意圖如圖2所示,使用電纜帶動深度輪轉動一周,深度輪在沒有磨損情況下,其運動一周對應的電纜長度為L0(深度輪與電纜的接觸點從A0點到B0點)。依據深度輪同軸的旋轉光電編碼器判斷其轉動情況,以這兩點為測量點,在磨損的情況下,使用高精度的光柵尺測得這段運動經過的距離[8]。即深度輪轉動一周對應電纜經過的實際長度L,最后將其和理論長度L0對比,按式(2)計算就可得到誤差校正系數C。

(2)

圖2 深度輪測深原理

得到誤差校正系數后,今后使用該深度輪進行測井作業時,將測得深度除以1+C,即可得到排除深度輪磨損因素后的準確測井深度。

2 系統設計

2.1 設計要求

根據標準井校驗數據經驗,使用時間不同的測深系統,考慮到制造誤差與磨損,其深度輪誤差校正系數C通常在-0.8‰～+0.2‰范圍內。

2.2 系統總體結構

系統由4個模塊組成:運動模塊、數據采集模塊、供電模塊、數據處理模塊。運動模塊主要包括步進電機、伺服電機、絲桿、電纜、絞盤等部件;數據采集模塊包括光柵尺、旋轉編碼器、拉力計、PCI采集卡;供電模塊將220 V交流電轉換為相應的直流電壓,為各個模塊供電;數據處理模塊主要負責對采集的數據進行后期處理。系統各個模塊的總體機械架構圖如圖3所示。其具體工作方式為:步進電機的運動帶動絲桿轉動,絲桿的轉動使得測深系統和光柵尺頭的移動;光柵尺和編碼器產生的脈沖通過數據采集卡輸入到計算機中,計算機對采集的數據進行后期處理。

圖3 系統總體結構框圖

系統功能框圖如圖4所示,運動控制卡發出脈沖控制信號同時控制步進電機與伺服電機;計數采集卡讀取旋轉編碼器與光柵尺輸出的正交編碼信號經過采集卡傳輸到計算機進行處理。拉力計的輸出作為反饋信號,經過放大,輸入到控制卡的AC/DC轉換模塊,控制電纜的拉力大小。

圖4 系統功能示意圖

2.3 硬件設計

系統的硬件分3個模塊:運動控制模塊、數據采集模塊、供電模塊。

運動控制模塊核心部件主要是步進電機、伺服電機、控制卡。為提高系統測量精度,采用NI公司的ST34-1混合式步進電機控制絲桿的移動,其細分步數為20 000,步距角可達0.018°,可靠性強[9];從而能夠精確的控制絲桿轉動距離。伺服電機采用MOTEC公司的SEM120E1510交流伺服電機,其控制信號如圖5所示。只需改變方向控制信號,就能控制電機的運動方向。運動控制模塊的核心是控制卡,控制卡必須能夠同時控制步進電機和伺服電機。因此必須保證控制卡擁有2路軸;所以采用了NI公司的PCI-7332型控制卡。其與計算機的通信方式采用PCI總線。并且LabVIEW擁有豐富的該型號控制卡的接口函數[10],方便后期軟件開發。

圖5 脈沖+方向控制模式波形

數據采集模塊包含光電編碼器、光柵尺、采集卡、拉力計。光柵尺選擇了FAGOR公司的GW-940-3型封閉式增量光柵尺,其最大測量長度為940 mm,擁有0.1 μm的高精度分辨率,可以滿足精度設計要求;并且其輸出信號為正交編碼信號。采集卡使用的是 PCI-6602型計數卡,它能夠讀取多路TTL正交編碼,抗干擾能力強,并且可以對輸入信號進行濾波,去除抖動與毛刺,非常適合本系統中深度輪編碼器與光柵尺輸出的正交編碼脈沖的采集與計數。拉力計的數據通過A/D轉換后輸入到采集卡,得到電纜當前所受拉力。系統由3個限位開關信號,分別為正向限位、起始點HOME、反向限位信號,它們作為反饋信號控制電機的停止、反轉以及采集卡開始、停止計數信號。

供電模塊包含直流電源、空氣開關、EMI濾波器。直流電源主要給編碼器、光柵尺、拉力計、電機等供電,不同設備需要提供不同電壓,系統使用了PS-15、PS-13等型號電源,可以分別提供24 V、48 V等大小的電壓;空氣開關可以在工作電流超過額定電流、短路、失壓等情況下為系統提供保護。為了防止外部電源信號的干擾,采用EMI濾波器為系統提供屏蔽,屏蔽開關電源產生的干擾信號[11],提高系統的抗干擾能力。

由于系統信號的采集都是使用數據采集卡,輸入信號頻率不同,并且采集卡輸入引腳密集,因此為了防止系統信號間的相互干擾,系統采用了電磁兼容性良好的雙絞線作為信號傳輸線[12]。

2.4 軟件設計

虛擬儀器可以將測量儀器和計算機相結合,利用計算機強大的數據處理和控制能力,從而控制測量儀器,分析數據。具有擴展性強、高度模塊化設計、成本低等優點[13-14]。

因此,本系統軟件設計采用了基于LabVIEW[15]的虛擬儀器,軟件設計主要包括運動控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊。其程序模塊主要功能示意圖如圖6所示。

圖6 系統軟件模塊示意圖

運動控制模塊程序主要控制步進電機和伺服電機的轉動以及電纜拉力控制,包含設置電機速度、加速度、控制模式等初始化操作。結合拉力計和限位開關的反饋信號,調整電機運行狀態。每次測量都需要確定此次測量的起點和結束點,主要采用限位開關來實現這一功能。HOME限位信號控制測量計數的開始,反向限位信號控制計數的停止。電機控制程序主要控制電機運動狀態,如電機運動的加速度,步長等;電纜控制采用主要控制電纜張力大小,通過張力計大小反饋控制電纜所受拉力大小。

采集模塊程序模塊主要采集光柵尺、旋轉編碼器、拉力計的輸出信號。為了使程序能夠對數據進行同步處理,程序采用了生產者/消費者結構[16]。生產者將數據放入消息處理隊列,消費者從消息隊列中取出數據進行處理。

數據處理程序對輸入的數據進行分析并保存,并結合式(1)、式(2),得到誤差校正系數。

3 實驗驗證

為了驗證該系統的可靠性,對一臺已經通過標準井進行標定的2530型馬丁代克測深系統進行誤差校正系數測量,得到其深度輪理論周長609.6 mm。實驗設備及環境如圖7所示。

圖7 實驗環境與設備

實驗過程中,為了模擬馬丁代克的實際工作環境,對電纜施加1 000磅的拉力來模擬實際工作中電纜受到井下儀器的拉力,測試并記錄測量結果,并計算出校正系數。結果如表1所示。

表1 誤差系數計算結果

當選取顯著度0.01,測量次數為10次時,t分布的檢驗系數K(10,0.01)為3.54,根據羅曼諾夫斯基準則:

(3)

因此可以認為第2次測量結果不是粗大誤差。

為了判斷測量序列有無系統誤差,將測量序列的殘余誤差作圖進行觀察,x軸為測量序列號,y軸為殘余誤差,結果如圖8所示。由于殘余誤差大體上是正負相間,且無顯著變化規律,因此可以認為沒有系統誤差。

圖8 殘余誤差

綜上所述,本次測量沒有粗大誤差和系統誤差,并且校正系數C都處于-0.8‰～+0.2‰范圍內,達到了設計精度要求。

深度輪采用本系統測量的周長是609.585 3 mm,其實際周長為609.6 mm。可以確定該型馬丁代克深度輪的修正值為-0.014 7 mm。校正系數為-0.024‰。以后該型馬丁代克測深系統在實際使用過程中,可以使用該值加以修正。

4 結論

本文結合馬丁代克測深系統測量的原理,針對因深度輪的磨損以及電纜的受拉變形帶來的誤差,介紹了其誤差校正的理論,提出了一種快速有效的解決方案,并給出了系統總體設計方案。搭建了校正系統并進行了實驗論證,可以得出結論:該設計系統能夠對馬丁代克深度輪進行校正;和現有的校正儀器相比具有時間短、操作簡單、成本低等優點。

由于實驗條件限制,只對2530型號的馬丁代克深度輪進行了校正實驗,今后任務將是對更多型號進行測試,并進行誤差分析,改進系統,提高測量精度。

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The Calibration System of Martin Decker Depth Wheel

ZHU Pumao1,ZHANG Peng1*,DING Pinyi2,HUANG Jing3

(1.Key Lab for Opto-Electronic Technology and System of Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2.Traffic Management Research Institute of the Ministry of Public Security,Wuxi Jiangsu 214000,China;3.Beijing Tianqing Lido Technology Co.,Ltd,Beijing 101149,China)

In order to correct the depth information error caused by the abrasion of the Martin Decker deep wheel in well-logging,the paper introducea Martin Decker depth wheel calibration system.It presents the error causes and rectification theory. Grating-rule sensor is used to measure length. Martin Decker depth wheel calibration is realized by comparing the measurement results of the grating-rule sensor and the depth wheel rotary encoder.Finally,experiments have been carried out by 2530 Martin Decker depth wheel system,which has been calibrated using the casing collar logging(CCL)method in a standard well.The result shows that the design accuracy of the system is in accordance with the design requirements,and it has the advantages of high speed,fast and high precision.

Martin Decker;error correction;virtual instrument;encoder

朱普茂(1991-),男,2014年于重慶大學獲得學士學位,2014年在重慶大學光電學院攻讀碩士學位,主要研究方向為儀器科學與技術,15123339336@163.com;

章 鵬(1970-),男,2002年于重慶大學獲得碩士學位,2005年于重慶大學獲得博士學位,現為重慶大學副教授、碩士生導師,主要研究方向為傳感器技術、信號處理、智能結構健康狀態監測,zhangpeng@cqu.edu.cn;

丁頻一(1991-),男,2013年于重慶大學獲得學士學位,2016年于重慶大學獲得碩士學位。現為公安部交通管理科學研究所的研究實習員,主要研究方向為交通產品的標準化,539836621@qq.com;

黃 靜(1982-),女,2004年于河南工業大學獲得學士學位,2007年于北京工業大學獲得碩士學位。現為北京天擎麗都科技有限公司機械工程師,主要研究方向為機械結構設計,2693849831@qq.com。

2016-11-24 修改日期:2017-02-08

TP273.5;TH711

A

1004-1699(2017)06-0867-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.011