梁忠明

(大慶油田測(cè)試技術(shù)分公司 大慶 黑龍江 163311)

0 引 言

MAC 系列多臂井徑測(cè)井儀在套管檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，儀器技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，在使用和維修等指標(biāo)上優(yōu)于國(guó)外同類儀器。隨著油田開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，套管變形越來(lái)越嚴(yán)重，直徑為70 mm 的井徑儀器(40 臂)經(jīng)常遇阻，不能完成測(cè)井。研制小直徑(Φ50 mm)井徑儀器，方便儀器起下，極大地減少遇阻的情況。儀器在大慶油田采用二廠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100 多口井，表明儀器能穩(wěn)定可靠地工作，滿足油田生產(chǎn)開發(fā)的需求。

1 儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

儀器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，20 臂井徑成像測(cè)井儀是一種接觸式測(cè)量?jī)x器，它由電路部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、測(cè)量臂總承及其位移傳感器總承、上下扶正器組成。

圖1 20 臂井徑儀總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 儀器的工作原理

1.2.1 測(cè)井儀機(jī)械測(cè)量原理

20 臂井徑成像測(cè)井儀是通過(guò)儀器的二十個(gè)測(cè)量臂與套管內(nèi)壁接觸，將套管內(nèi)壁的變化轉(zhuǎn)為井徑測(cè)量臂的徑向位移，通過(guò)井徑儀內(nèi)部的機(jī)械設(shè)計(jì)及傳遞，變?yōu)橥茥U的垂直位移;差動(dòng)位移傳感器將推桿的垂直位移變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。儀器使用的傳感器是一種非接觸式的機(jī)電轉(zhuǎn)換器件，其輸出電信號(hào)的幅度與其內(nèi)部鐵芯的位置成正比。每一測(cè)量臂都帶動(dòng)一個(gè)推桿磁芯，從而將測(cè)量井徑臂的徑向變化轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鬏敵鲭妷旱淖兓?］。

1.2.2 測(cè)井儀電路工作原理

儀器采用雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)，單片機(jī)2 負(fù)責(zé)控制多路模擬開關(guān)、信號(hào)預(yù)處理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器和鎖存器，使儀器傳感器輸出電壓的變化值分時(shí)進(jìn)入信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理。單片機(jī)1 將單片機(jī)2 采集的信號(hào)進(jìn)行編碼、傳輸至地面采集系統(tǒng)。

井下儀器電路原理框圖如圖2 所示。

圖2 井下儀器電路原理框圖

1.3 儀器的技術(shù)指標(biāo)

20 臂井徑成像測(cè)井儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

儀器外徑:Φ50 mm 長(zhǎng) 度:2 030 mm

耐 溫:175℃ 耐 壓:60 MPa

工作電壓:120 VDC 工作電流:140 mA

測(cè)量范圍:Φ51 mm ～Φ188 mm 分 辨 率:0.3 mm

2 儀器的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低壓電源的實(shí)現(xiàn)

井下儀器能可靠地工作，低壓電源起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓直流電源在工作中發(fā)熱量大，在井下工作時(shí)，穩(wěn)定度不高，且效率很低。該儀器采用變壓器降壓型高頻開關(guān)電源，通過(guò)控制電路控制電源的輸出。能為電路板提供+5 V、±15 V 電源及傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電源輸出穩(wěn)定，效率高，帶載能力強(qiáng)，可在175℃的高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作［2］。原理框圖如圖3所示。

圖3 電源原理框圖

2.2 儀器信號(hào)采集電路的實(shí)現(xiàn)

20 臂井徑成像測(cè)井儀采集二十個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)分時(shí)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。把二十個(gè)信號(hào)分成三路，這樣兩次利用八選一模擬開關(guān)完成信號(hào)的排列。傳感器輸出的交流信號(hào)進(jìn)入檢波電路，完成從交流信號(hào)到直流信號(hào)的轉(zhuǎn)換。該檢波電路由運(yùn)算放大器、電阻和電容組成，電路對(duì)信號(hào)衰減小，且有效地抑制噪聲，能穩(wěn)定不失真的完成信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.3 傳感器驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

20 臂井徑成像測(cè)井儀傳感器采用電磁感應(yīng)原理，在傳感器的外殼上并繞三組線圈，三組線圈的一端接到一起為公共地。一組線圈輸入正弦波信號(hào)，另兩組線圈通過(guò)電磁感應(yīng)會(huì)感應(yīng)出正弦波電信號(hào)，傳感器中間有磁芯移動(dòng)，則另兩組線圈感應(yīng)出的電信號(hào)大小會(huì)發(fā)生變化，這樣就完成了傳感器信號(hào)的拾取［3］。

20 臂井徑儀傳感器驅(qū)動(dòng)電路采用恒流方式，電路由運(yùn)算放大器、MOS 管、三極管、電阻和電容組成。溫度的影響不會(huì)改變傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小。經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)在溫度從常溫到150℃時(shí)，傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)接傳感器時(shí)(幅度為7.2 V)和接入傳感器時(shí)(幅度為5 V)變化都不到50 mV，見表1 和表2。保證了儀器的穩(wěn)定、可靠工作。

表1 傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)接負(fù)載(傳感器)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)接入負(fù)載(傳感器)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.4.1 端面力平衡

常壓狀態(tài)下電機(jī)提供動(dòng)力克服摩擦力、扶正器彈簧的彈力及測(cè)量臂彈簧組的壓縮彈力，測(cè)量臂張開時(shí)，電機(jī)提供的力要小于測(cè)量臂收攏時(shí)需要的力。

2.4.2 傳動(dòng)總承

采用同軸電機(jī)傳動(dòng)，利用軸套、絲杠、軸承、傳動(dòng)桿及傳動(dòng)筋板傳遞動(dòng)力，這種方式克服了齒輪傳動(dòng)儀器外徑大的缺點(diǎn)。

2.4.3 測(cè)量臂及傳感器位置

由于儀器外徑限制，測(cè)量臂采用單圈排放，傳感器及測(cè)量推桿采用雙圈排放，這種方法優(yōu)點(diǎn)是:儀器短;數(shù)據(jù)傳遞方便;密封可靠(可承受60 MPa 的壓力)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南5 -丁4 -724 井是采油二廠的一口生產(chǎn)井，2014年3 月對(duì)該井進(jìn)行了測(cè)試，從圖4 可以看出，在781 m ～787 m 處，套管出現(xiàn)變形。在782 m ～784 m 處20 個(gè)獨(dú)立的測(cè)量臂曲線變化明顯，而直徑最大值和最小值變化不是很大，說(shuō)明該井為挫斷變形，從多臂井徑立體成像圖上也可以看出該井段為挫斷變形［4］。

圖4 儀器在南5 -丁4 -724 井測(cè)井成果圖

南6 -10 -630 井在968 m ～980 m 處出現(xiàn)變形，最大變形點(diǎn)為970 m，變形處最大井徑132 mm，最小井徑118 mm，如圖5 所示。該井段為腐蝕變形，從多臂井徑成像圖和立體圖上都明顯反應(yīng)出該井段的變形［5］。

4 結(jié)束語(yǔ)

儀器研制完成后，在采油二廠進(jìn)行了100 多口井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，一次下井成功率達(dá)到99%。20 臂井徑儀器的研制成功，克服了40 臂井徑儀器外徑大，下井成功率低的問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明20 臂井徑成像測(cè)井儀工作性能是穩(wěn)定的、可靠的，它能準(zhǔn)確地測(cè)量套管腐蝕變形程度，為監(jiān)測(cè)套管的狀況，延長(zhǎng)油水井的使用壽命，提供詳實(shí)可靠的依據(jù)。

圖5 儀器在南6 -10 -630 井測(cè)井成果圖

［1］劉立志，劉存輝，張宗亮.40 臂井徑成像儀器工作原理及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.石油儀器，2011，25(2):27 -29.

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