井径测量仪力臂反推力特性及电位计线性度测试系统研制

发布时间：2016-05-11 16:10

第1章 绪 论

测井技术在石油勘探开发中发挥着重要的作用，勘探测井被称为寻找油气田的“眼镜”，生产测井被称为油气田开发的“医生”[4]。测井技术的研究一般包括测井方法、测井设备、测井数据的处理及应用。其中测井设备性能的好坏直接影响最终的测量结果。为了满足地球物理测井的需要，人们开发了各种类型的测井仪如感应测井仪、微球聚焦测井仪、声波测井仪及井径仪等[5-7]。通过一系列的测井设备把所获得的信息和数据传送给井上的工程技术人员，工程技术人员通过处理数据来获取井下的环境信息和井下地层的情况，从而可以评估油气的勘探和开发。目前，井径测量仪是我国油田广泛使用的测井设备。井径测量仪主要针对垂直井、水平井、大斜度井专门设计的井径测量仪器。在井下，推靠器推开仪器后，井下四（六）个力臂紧贴井壁并随着深井直径的改变自由收放，每一个力臂都有相应的反馈电位计，力臂转动时带动电位计前后移动，电位计之间不存在相互运动[8]。井径测量仪的力臂反推力的大小直接影响深井直径的测量精度。而在国内工厂生产中，井径测量仪的反推力特性还不能实现测量。而实际使用时，勘探人员又需要其反推力特性来反映实际力臂与井壁的贴合程度。由于国外测井仪器公司的技术封锁，很难了解井径测量仪生产过程中的性能检测。根据对于国内相关生产厂家的了解，对于力臂反推力特性测量的研究还是空白[9]。
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第 2 章 井径测量仪性能测试原理及方法

2.1 力臂反推力特性测试原理

如图 2-7 所示，，井径测量仪力臂的加载方式有三种，一种是分别对每个力臂进行加载、对称的力臂同时进行加载和对所有的力臂同时进行加载。整体对力臂进行加载需要对不同的井径测量仪设计不同的夹具，加工难度比较大，适应性不强。一方面井径测量仪用对称的力臂来确定深井直径的大小，另一方面单边测量的方法会造成井径测量仪受力变形影响测量精度，所以采用了井径测量仪对称力臂同时加载力的方式。为了实现对称的力臂同时进行加载，设计了双推杆同时加载的结构。两端加载系统为一体时，测量系统的刚度比较大，测量时对精度影响比较小。但两端加载系统如设计为一体，测试系统的高度不可避免会比井径测量仪横放时高，测量时需要人工把井径测量仪抬到整个测试系统中间，不仅劳动效率比较低而且测量时需要两个工人协作才能完成，所以采用两端加载系统分开式的方法，在测试系统闲置时，两端的加载系统分开放置，减小了测试系统的占地空间，在测试系统工作时，工作人员可以把两端加载系统直接放置在测井仪的两端。

2.2 电位计测试系统原理

电阻丝绕线式电位计的测量分辨率取决于电阻丝的直径的大小，测量的精度取决于缠绕时电阻丝的紧密程度。供电电源是影响电位计测量精度的主要因素之一，目前大部分对于电位计非线性度的测量都采用恒压源供电。恒压法测量原理如下图 2-12 所示，在电位计测杆位移时测量其输出电压的大小。由于电位计的种类繁多，电阻值的范围从 40Ω~12kΩ 不等。采用恒压源测量对于阻值小的电位计发热量比较大，而对于阻值大电位计当电位计测杆的位移刚好为一砸线圈，测量值不能及时反映内部电压的变化。而且恒压源不能测量电位计的总电阻，恒流源采集的信号为电压信号，通过电压可计算出电位计的总电阻，所以选用了恒流源作为电位计的供电电源。

第 3 章 井径测量仪性能测试系统误差分析............... 16

3.1 反推力特性测量系统的误差因素 ..................... 16
3.2 井径测量仪单边受力变形分析 ................... 17
3.3 测试系统装置的误差分析 .................. 18
3.4 本章小结 .................... 24
第 4 章 井径测量仪性能测试系统的研制 ........... 25
4.1 反推力特性和电位计线性度测试系统设计 ...... 25
4.2 力臂反推力特性测试系统结构设计 ................... 27
4.3 力臂反推力特性测试系统电气原理 ...................... 30
4.4 测试系统软件设计........................ 31
4.5 电位计线性度测试系统夹具设计........................ 34
4.6 电位计供电恒流源的设计 .. ..................... 35
4.7 电位计线性度测试系统控制系统 ................... 36
4.8 本章小结 .............. .......... 39
第 5 章 测试系统实验研究 ................ 40
5.1 传感器的标定实验 ............... 40
5.2 电位计线性度测试实验 ..................... 44
5.3 力臂反推力特性测试实验 ....................... 46
5.4 本章小结 ......................... 47

第 5 章 测试系统实验研究

5.1 传感器的标定实验

数据表明，测试系统在测量过程中的重复性误差基本在 1~2N 之间，小于测试系统要求的 3N，测量精度满足实际测量的需求。理论上，虽然测量力是先增大后减小的过程，但根据实际测量的过程，其反推力的接触点随着纵向位移的不断增加而变化，使得反推力臂接触点到转动铰链的长度减小， 从而位移大于 120mm 后，其值仍会增加。

5.2 电位计线性度测试实验

本章主要对测试系统进行试验研究。首先对力传感器进行了标定实验以及对恒流进行了精度分析，实验证明能够满足系统的要求。之后对电位计的非线性度进行了一次安装多次测量和多次安装多次测量实验，并对测量数据进行了正态分布拟合，测量数据满足正态分布，表明电位计非线性度测试系统达到了要求的测量精度。另一方面，测试了一种类型的井径测量仪的力臂反推力特性曲线，对测试曲线进行分析可得，测试系统测量的重复性误差小于 3N，证明了测试系统能够满足反推力特性的测量需要。
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结 论

针对井径测量仪中力臂反推力特性测量效率低、测量准确性差等问题，本文确定了反推力特性的测量方案并基于该方案进行了误差分析，并研制了一套井径测量仪力臂反推力特性测试系统，该系统基于工控机控制，实现了自动化测量。另一方面为了深入研究井径测量仪的性能，还研制了电位计非线性度测试系统，实现了对电位计线性度高精度的测量，为提高井径测量仪测量精度提供了数据支持。研究工作和主要结论如下：（1）分析了井径测量仪的力臂反推力和位移之间的关系，并确定了力臂反推力特性的测试系统方案。研究了测试系统非线性度评定方法，分析了井径测量仪中的电位计的工作方式，并确定了电位计非线性度的测试方案。（2）对测试系统进行了误差分析，包括测量原理误差、夹具受力变形误差、不同轴加载误差、电动推杆的位移精度和数据采集过程中的量化误差，验证了整体测试系统方案的可行性。（3）研制了井径测量仪力臂反推力特性及电位计线性度测试系统，编制了测试系统的控制软件，实现了测试系统自动化的测量过程。

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参考文献（略）

本文编号：44073