Development and test of tubing length intelligent measurer.
Wu Wenxiu,Liu Li,Li Wenxing,et al
(Mechanical Engineering Jianghan Petroleum University,Jingzhou City,Hubei Province)
A tubing length intelligent measurer was developed in the light of low measuring accuracy,high labor intensity and low efficiency of manual linear motion of the wire rope is rurned into the rotational movement of the puley by the sensor mountedin ffont of the drum,and the linear displacement of the wire rope is turned into pulses by the optical coupler,then thd measurment in conideration of the complexity of running result of the simulation test shows tha the tubing length intelligent measurer runs well with high accuracy.
Subject Concept Terms:tubing length measurement measurer computer application test
通過油管長度的丈量可以精確定位抽油泵、射孔設(shè)備等在井下的位置，也便于掌握生產(chǎn)進(jìn)度，及時調(diào)整生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)的計(jì)量方法是人工丈量，計(jì)量精度差（一般要求3‰），工人勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。有的油田除人工計(jì)量外，還要再次下專用儀器測量井下工具的精確位置。為了改變這種狀況，筆者研究開發(fā)了智能化的油管長度在線計(jì)量儀，不僅可有效提高油管長度的計(jì)量精度，減輕工人的勞動強(qiáng)度，而且減少修井工序，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。這種儀器如能在通井機(jī)或修井機(jī)生產(chǎn)廠家配套生產(chǎn)，可提高產(chǎn)品的機(jī)－光－電－液一體化水平，增加產(chǎn)品的使用功能，提高產(chǎn)品在市場上的競爭能力。
設(shè)計(jì)原則
在下放油管的作業(yè)中伴隨著許多輔助操作過程，并且修井作業(yè)都是在野外進(jìn)行，因此對油管長度智能計(jì)量儀的研究開發(fā)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。
(1)測量自動化，儀表智能化。對于下放操作中伴隨的許多輔助操作，儀器應(yīng)能自動識別各操作環(huán)節(jié)，只對下放的有效管長進(jìn)行自動測量。
(2)油管長度的計(jì)量必須真實(shí)可靠，并能自動補(bǔ)償變形誤差,精度達(dá)到1‰。
(3)操作簡單。使用者是普通修井作業(yè)工，無需更多的專門知識和培訓(xùn)，僅靠簡單介紹就可操作。
(4)儀器應(yīng)能在野外的冷、熱、雨、塵、電等惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行。
(5)修井作業(yè)的場所是經(jīng)常變換的，計(jì)量儀的安裝應(yīng)方便容易，工作量小，不改變固有的修井操作過程。
(6)儀器的造價應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，能達(dá)到較高的投入產(chǎn)出比。
(7)測量方法合理可靠。
(8)在線測量。在下放油管的同時自動計(jì)量油管長度，無需其它輔助測量工序，以減輕工人的勞動強(qiáng)度。
系統(tǒng)組成及原理
油管長度智能計(jì)量儀主要由傳感器、有效計(jì)量鑒別器、分析計(jì)算系統(tǒng)和電源四部分組成，見圖1。油管柱在提升或下放過程中，游車上升或下降的高度與滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長度有如下簡單關(guān)系：H=L/6,式中H為游車上升或下降的高度；L為滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長度。
圖1 油管長度智能計(jì)量儀原理簡圖
1—傳感器；2—有效計(jì)量鑒別器；3—分析計(jì)算系統(tǒng)
因此，利用間接測量方法能實(shí)現(xiàn)油管長度的在線測量，即通過測量鋼絲繩移動的長度來計(jì)算游車上升或下降的高度，也即間接得到了油管提升或下放的長度。因此可在滾筒前設(shè)置一傳感器，輸出鋼絲繩移動的長度信號，并能通過它辨別游車的運(yùn)動方向。但也應(yīng)注意，隨著下放油管柱長度的不斷增加，鋼絲繩上的力也不斷增加，其變形也逐漸增大，要得到足夠精度的油管長度數(shù)據(jù)，必須建立合適的數(shù)學(xué)模型。
1.傳感器
?。?）轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 直接測量鋼絲繩移動的長度是較困難的，必須將其轉(zhuǎn)換成其它便于記錄的量。工程測量中，常將線位移轉(zhuǎn)換成角位移來進(jìn)行測量，因此可將鋼絲繩移動的長度轉(zhuǎn)換成摩擦輪轉(zhuǎn)動的角度進(jìn)行測量。為保證測量的準(zhǔn)確性，必須保證鋼絲繩與摩擦輪（滑輪）摩擦傳動時摩擦輪作純滾動。
?。?）傳感元件 用于測量角位移量的常用傳感器有霍爾式傳感器和光電式傳感器。霍爾式傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的傳感器，霍爾元件是傳感器的核心敏感元件，具有體積小、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、無接觸、壽命長等特點(diǎn)，但它的溫度穩(wěn)定性較差，易受外界磁場干擾［1］。
近幾年來，出現(xiàn)了以光電式傳感器代替霍爾式傳感器的趨勢［2］。光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。采用這種傳感器測量非電量時，只要將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光信號的變化即可。以光電傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行測量具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、非接觸、可靠性高、精度高和反應(yīng)快等特點(diǎn)，因此在自動檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［3］。
用于非電量檢測的常用光電式傳感器是光電耦合器，實(shí)際上是一個電量轉(zhuǎn)換器。由于它實(shí)現(xiàn)了電隔離，故抗干擾能力強(qiáng)，而且由于具有單向傳輸功能，因而有脈沖轉(zhuǎn)換和直流電平轉(zhuǎn)換特性。因此，光電耦合器特別適合在數(shù)字邏輯的開關(guān)信號傳輸、計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī)中作二進(jìn)制的輸入、輸出信號傳輸。油管長度計(jì)量儀采用光電耦合器作為物理量轉(zhuǎn)換器，將鋼絲繩的線位移量轉(zhuǎn)換為長度脈沖信號。
2.有效計(jì)量鑒別器
修井機(jī)工作時，起升系統(tǒng)還完成一些與油管下放有關(guān)的輔助工作，如從井場提升單根油管等，這時傳感器輸出的長度信號是與油管長度無關(guān)的，必須剔除。因此，在油管長度智能計(jì)量儀中還必須設(shè)置有效計(jì)量鑒別器。
有效計(jì)量鑒別器應(yīng)該設(shè)置在轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)上，但這會使轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)變得體積龐大而復(fù)雜。據(jù)此，可利用起升系統(tǒng)在做其它輔助工作時已下油管壓在井口這一事實(shí)，在井口設(shè)置一壓控開關(guān)作為有效計(jì)量鑒別器的關(guān)鍵器件。
3.分析計(jì)算系統(tǒng)
分析計(jì)算系統(tǒng)是油管長度計(jì)量儀的核心(以計(jì)算機(jī)為主)，是實(shí)現(xiàn)自動化、智能化、高精度測量的基本保證。傳感器將信號傳輸?shù)接?jì)算系統(tǒng)后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、識別、計(jì)算、顯示、存儲等。由于長度計(jì)量儀用于實(shí)時在線測量，計(jì)算機(jī)選用MCS51系列單片機(jī)中的89C51。
4.電源
在野外修井作業(yè)，供電較困難的情況下，油管長度智能計(jì)量儀只能由通井機(jī)或修井機(jī)的電瓶供電，故研制的應(yīng)是低功耗系統(tǒng)。由于通井機(jī)或修井機(jī)所用電瓶輸出電壓為12V或24V，而單片機(jī)系統(tǒng)電源電壓要求在VCC=5V±10%范圍內(nèi)，故電源必須設(shè)置直流DC-DC降壓電路。
模擬試驗(yàn)與誤差分析
1999年1月，新研制的油管長度智能計(jì)量儀在室內(nèi)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，主要目的是檢驗(yàn)儀器的性能。通過模擬油管下放過程，反復(fù)測量大鉤的行程，尋找最大誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因 。
試驗(yàn)條件：溫度10℃，MR—30型磁帶記錄儀，5020A型示波器。10次試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 油管長度智能計(jì)量儀的室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)際值
(mm) 顯示值
(mm) 誤差
(%) 實(shí)際值
(mm) 顯示值
(mm) 誤差
(%)
1742.7 1742 0.04 1743.5 1742 0.09
1668.5 1667 0.09 1662.5 1661 0.09
1662.2 1661 0.07 1729.2 1727 0.13
1756.3 1755 0.07 1669.5 1668 0.09
1569.5 1568 0.09 1751.3 1750 0.07
1.理論誤差
傳感器誤差δ1≈0.08%；軟件編程中引入的誤差δ2≈0.05%。總的誤差≈0.094%。
2.試驗(yàn)誤差
從表1中可以看出，大部分實(shí)際測量誤差都在0.094%范圍內(nèi)，只有個別測量誤差超出了理論誤差范圍。其原因可能是測量距離太短，因?yàn)橐怨獯a盤輸出長度脈沖的系統(tǒng)，在進(jìn)行連續(xù)測量時，只有在光碼盤轉(zhuǎn)動開始和終了時才可能丟失長度脈沖，而可能丟失的最大數(shù)量與所測的長度無關(guān)。
結(jié) 論
(1)油管長度智能計(jì)量儀所采用的技術(shù)方案可行，測量原理可靠。
(2)油管長度智能計(jì)量儀的測量精度較高，可達(dá)1‰，能滿足工程需要。
(3)從模擬試驗(yàn)情況來看，采用油管長度智能計(jì)量儀完全能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工計(jì)量方式，有效減輕工人的勞動強(qiáng)度。
（轉(zhuǎn)載）
