技术领域
[0001] 本
发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种油田测井中电缆导向、电缆运行深度与张
力的测量系统。
背景技术
[0002] 深度信息是石油测井中一项非常重要的信息，深度数据必须与井下仪器测量的地质参数(井斜方位、岩性、孔隙度等)一一对应才能真实反映油气井底层信息。因此深度数据的可靠性、准确性对后期获取高
质量地测井资料至关重要。在石油测井行业中，根据测量
信号的传输方式不同，可以将其可以分为
电缆测井，
随钻测井和井下存储式测井。电缆测井因其具有测井项目比较多样化、施工条件相对简单、获得测井数据资料质量高、可靠性好等优点，是目前使用最普遍的测井方式。
[0003] 目前，电缆测井中运用最广泛的深度测量设备是
马丁代克。马丁代克测深系统是目前电缆测井中运用较为广泛的深度测量设备，其核心组件是深度轮。测井时，通过将电缆的长度转化为深度轮的旋转圈数，从而可以实时得到井下测量设备的所在深度。不同的深度对应着不同测井信息(如
电阻率、孔隙度等)，因此深度信息的准确性、可靠性对后期获取高质量地测井资料至关重要。现有的测井电缆测量系统存在以下两方面突出的问题：
[0004] 1)在测井过程中，深度轮长期与电缆
接触，导致其表面受到磨损，周长发生改变，使得深度轮上的光电
编码器输出的脉冲对应的电缆运动距离也发生了改变，从而导致深度信息的积累性误差。实际使用中，深度轮的使用周期一般为6个月，之后应该对其进行校正，否则会导致深度数据偏差，影响后期测井数据分析。当深度轮使用
频率更高时，校正周期也将更短。
[0005] 2)测井电缆导向用的
滑轮、电缆运行深度测量用的马丁代克，测井电缆
张力的测量用的张力计及测井电缆磁记号的拾取，采用的是分体的测量仪器(结构)，造成体积过大，作业烦索，计量不精准、运营成本高。
[0006] 因此，如何设计精准可靠、运营成本可控的油田测井中电缆导向、电缆运行深度与张力的测量系统，已成为了亟需解决的技术问题。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本
申请提供一种测井电缆测量系统，该系统能够针对因深度轮的磨损以及电缆的受拉
变形带来的误差进行有效的校正，具有时间短、操作简单、成本低等优点。
[0008] 本申请是通过如下技术方案实现的：
[0009] 一种测井电缆测量系统，该系统包括弧形滑轮测量装置、无线智能绞车面板、地面仪以及
云端中心；
[0010] 所述弧形滑轮测量装置、所述无线智能绞车面板以及所述地面仪通过无线通信连接与所述云端中心交换数据，所述地面仪与所述无线智能绞车面板通过有线通信
接口连接；
[0011] 该弧形滑轮测量装置包括除油器、扶正轮、导向轮、防跳轮、计量轮、无线
信号传输模
块、磁记号器、光电编码器、左右
夹板、压紧轮、张力计、连接
耳、弧形滑轮
控制器；
[0012] 所述光电编码器与所述计量轮同轴设置，用于根据所述计量轮来获取深度计量信号，当测井电缆运行后，测井电缆在压紧轮的作用下，带动计量轮旋转，计量轮连接光电编码器，光电编码器将获取的深度计量信号送至所述弧形滑轮控制器进行
信号处理；
[0013] 磁记号器与所述计量轮相切设置，用于获取磁传感信号，所述测井电缆上设置有磁记号，当测井电缆运行时，所述测井电缆在压紧轮的作用下，带动计量轮旋转，所述磁记号器记录所述计量轮的运行参数以获得磁计量信号，并将获取的所述磁计量信号送至所述弧形滑轮控制器进行信号处理；
[0014] 张力计设置在压紧轮与连接耳之间，用于测量所述测井电缆拉力大小的变化，所述张力计将作用在其上的张力转换成
电信号以获得张力计量信号，并将所述张力计量信号送至所述弧形滑轮控制器进行信号处理；
[0015] 弧形滑轮控制器，对深度计量信号、张力计量信号、磁计量信号进行处理，并将处理后的综合计量信号发送至无线信号传输模块，由所述无线信号传输模块将所述综合计量信号发送至云端中心；
[0016] 云端中心，接收并存储所述综合计量信号，并根据预设的智能参数计算得到深度信息、速度信息以及张力信息，并发送给无线智能绞车面板和地面仪；
[0017] 所述无线智能绞车面板，接收并处理后获取所述深度信息、速度信息以及张力信息，在所述无线智能绞车面板上显示所述深度信息、速度信息以及张力信息；
[0018] 所述地面仪，接收并处理从所述云端中心获取的所述深度信息、速度信息以及张力信息。
[0019] 进一步的，将所述弧形滑轮测量装置的连接耳固定在地滑轮
支架上，旋开除油器上的压母，放入测井电缆后，旋紧压母，上提2个防跳轮与压紧轮的侧连接板，旋转90度，放入测井电缆后将上述侧连接板复位后，进行测井作业。
[0020] 进一步的，所述除油器包括
橡胶盘根、开口压母、盘根
套管；
[0022] 所述导向轮用于在测井作业中起到测井电缆导向作用；
[0023] 所述防跳轮用于在测井作业中保护测井电缆与防止测井电缆跳槽；
[0024] 所述计量轮用于测量测井电缆的运行长度；
[0025] 所述磁记号器用于测量测井电缆长度，将所测长度输送至无线信号传输器；
[0026] 所述光电编码器用于测量计量轮的转数，将所测的数值转换为电信号传送至无线信号传输器；
[0027] 所述左右夹板，用于连接并固定整个弧形滑轮测量装置；
[0028] 所述压紧轮，用于将电缆压紧在计量轮上；
[0029] 所述张力计，用于测量电缆张力，将所测数值传送至无线信号传输器；
[0030] 所述连接耳，用于连接固定整个弧形滑轮测量装置。
[0031] 进一步的，将光电编码器的
输出信号DEP-A、DEP-B以及系统的供电地线接至光耦器件TLP521的输入端，在输出信号端接上拉电阻，另一端接弧形滑轮控制器的地线，输出信号经过线
驱动器件74HC04驱动后，送入弧形滑轮控制器。
[0032] 进一步的，所述弧形滑轮控制器包括信号调理
电路和信号处理电路；
[0033] 所述信号调理电路采用光耦器件6N137，对随机的抖动窄脉冲首先进行初步去抖动处理，然后对输出的信号进行整形；脉冲信号通过54HC04非
门，输出信号通过光
电隔离后，送入
施密特触发器CD40106对信号进行整形。
[0034] 进一步的，所述信号处理电路采用MSP430F2619
单片机为主芯片，所述信号处理电路对所述深度计量信号进行计算，以获取测井电缆的速度和油井深度。
[0035] 进一步的，所述测井电缆的速度通过如下公式计算：
[0036] 数据在t1时刻数据为n1,t2时刻数据为n2，则测井电缆的速度计算如下式：
[0037] V＝n12-n1/1280×1÷(t2-t1)＝n2-n1/1280×1÷nΔt
[0038] 其中：△t为延迟时间；
[0039] 所述油井深度通过如下公式计算：
[0040] 数据在t1时刻数据为n1,t2时刻数据为n2，则深度计算如下式：
[0041] H＝n2-n1/1280×1
[0042] 当H＞0，则说明测井电缆在向深入油井的方向运动；当H＜0，则说明测井电缆在向退出油井的方向运动。
[0044] 1)集电缆导向、除油、深度测量、张力测量、磁记号拾取为一体，计量轮与磁记号器二种深度计量互补，提高了作业的安全与深度测量的
精度；
[0045] 2)由智能无线信号发送器与接收器进行信息传输，整体化设计，功能多、成本低、体积小、重量轻、安装快捷、计量精准；
[0046] 3)通过该系统测量得到的深度轮周长为761.7050mm，其极限误差为52.338μm，因此该测量结果满足了万分之二的精度要求,并且对该深度轮进行的重复性实验验证了该系统的
稳定性以及高效性。
附图说明
[0047] 图1为本发明的测井电缆测量系统的组成结构示意图；
[0048] 图2为本发明的弧形滑轮测量装置的结构示意图；
[0049] 图3为本发明的光电编码器的电路结构示意图；
[0050] 图4为本发明的弧形滑轮控制器中信号调理电路的结构示意图；
[0051] 图5为本发明的无线信号传输模块的电路结构示意图；
[0052] 图6为本发明的无线智能绞车面板中显示电路的电路结构示意图；
[0053] 图7为本发明系统的误差系数计算结果图。
具体实施方式
[0054] 这里将详细地对示例性
实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0055] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0056] 下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
[0057] 图1为本发明的测井电缆测量系统的组成结构示意图。
[0058] 本发明的所述测井电缆测量系统包括弧形滑轮测量装置、无线智能绞车面板、地面仪以及云端中心；
[0059] 所述弧形滑轮测量装置、所述无线智能绞车面板以及所述地面仪通过无线通信连接与所述云端中心交换数据，所述地面仪与所述无线智能绞车面板通过有线
通信接口连接；
[0060] 该弧形滑轮测量装置包括除油器、扶正轮、导向轮、防跳轮、计量轮、无线信号传输模块、磁记号器、光电编码器、左右夹板、压紧轮、张力计、连接耳、弧形滑轮控制器；
[0061] 所述光电编码器与所述计量轮同轴设置，用于根据所述计量轮来获取深度计量信号，当测井电缆运行后，测井电缆在压紧轮(10)的作用下，带动计量轮(5)旋转，计量轮(5)连接光电编码器(8)，光电编码器将获取的深度计量信号送至所述弧形滑轮控制器进行信号处理；
[0062] 磁记号器(7)与所述计量轮相切设置，用于获取磁传感信号，所述测井电缆上设置有磁记号，当测井电缆运行时，所述测井电缆在压紧轮的作用下，带动计量轮旋转，所述磁记号器记录所述计量轮的运行参数以获得磁计量信号，并将获取的所述磁计量信号送至所述弧形滑轮控制器进行信号处理；
[0063] 张力计(11)设置在压紧轮与连接耳之间，用于测量所述测井电缆拉力大小的变化，所述张力计将作用在其上的张力转换成电信号以获得张力计量信号，并将所述张力计量信号送至所述弧形滑轮控制器进行信号处理；
[0064] 弧形滑轮控制器，对深度计量信号、张力计量信号、磁计量信号进行处理，并将处理后的综合计量信号发送至无线信号传输模块，由所述无线信号传输模块将所述综合计量信号发送至云端中心；
[0065] 云端中心，接收并存储所述综合计量信号，并根据预设的智能参数计算得到深度信息、速度信息以及张力信息，并发送给无线智能绞车面板和地面仪；
[0066] 所述无线智能绞车面板，接收并处理后获取所述深度信息、速度信息以及张力信息，在所述无线智能绞车面板上显示所述深度信息、速度信息以及张力信息；
[0067] 所述地面仪，接收并处理从所述云端中心获取的所述深度信息、速度信息以及张力信息。
[0068] 井口马丁代克信号(深度、张力、磁记号)由无线信号传输模块发送，经云端中心的云端无线智处理器生成相应的地面仪数据流、无线智能绞车面板数据流，并通过无线通信连接远程传送给地面仪。
[0069] 所述无线通信连接包括通过4G移动数据通信网天线、工业433MHz天线、无线网桥天线建立的无线通信连接，通过远程传送，在保证数据传送精准的同时，克服了传统有线传输的弊端。
[0070] 所述有线通信接口为采用标准CAN2.0标准的有线通信接口，该有线通信接口速率满足1Mbps。
[0071] 所述有线通信接口的基本参数包括如下内容：
[0072] ·通讯方式:异步串行通讯接口
[0073] ·波特率:9600bps
[0074] ·编码方式:二进制码传输
[0075] ·校验方式:累加和校验
[0076] ·有效传送距离：大于100米
[0077] 图2为本发明的弧形滑轮测量装置的结构示意图。该弧形滑轮测量装置(井口马丁代克)包括1除油器、2扶正轮、3导向轮、4防跳轮、5计量轮、6无线信号传输模块、7磁记号器(磁信号
传感器)、8光电编码器、9左右夹板、10压紧轮、11张力计(张力传感器)、12连接耳、弧形滑轮控制器(未示出)。
[0078] 将该弧形滑轮测量装置的连接耳(12)固定在地滑轮支架上，旋开除油器(1)上的压母，放入测井电缆后，旋紧压母，上提2个防跳轮(4)与压紧轮(10)的侧连接板，旋转90度，放入电缆后将上述侧连接板复位后，即可进行测井作业，在反复测量时，通过除油器可以方便的放置测井电缆。
[0079] 所述除油器(1)包括橡胶盘根、开口压母、盘根套管，在测井作业中起到清除电缆上的油污等作用，以保证本装置的清洁与测量精度。
[0080] 所述扶正轮(2)包括轴销、轴承、扶正轮，在测井作业中起到电缆导向作用。
[0081] 所述导向轮(3)在测井作业中起到电缆导向作用。
[0082] 所述防跳轮(4)在测井作业中起到保护电缆与防止电缆跳槽的作用。
[0083] 所述计量轮(5)用于测量电缆运行长度。
[0084] 所述无线信号传输器(6)，将磁记号器(7)、光电编码器(8)、张力计(11)的信号无线传输至云端中心。
[0085] 所述磁记号器(7)用于测量测井电缆长度，将所测长度输送至无线信号传输器(6)。
[0086] 所述光电编码器(8)用于测量计量轮(5)的转数，将所测的数值转换为电信号传送至无线信号传输器(6)。
[0087] 所述左右夹板(9)，用于连接并固定整个弧形滑轮测量装置。
[0088] 所述压紧轮(10)，用于将电缆压紧在计量轮(5)上，使得测量的更加精准。
[0089] 所述张力计(11)，用于测量电缆张力，将所测数值传送至无线信号传输器(6)。
[0090] 所述连接耳(12)，用于连接固定整个弧形滑轮测量装置。
[0091] 所述光电编码器的最小计量间隔为1/1280m，当井下仪器运动1/1280m时，DEP_A与DEP_B信号输出端会各自产生一个正向脉冲信号，且这两路正向脉冲信号在
相位上相差90°。同时，需要说明的时，当测井电缆的运动方向不同时，DEP_A与DEP_B的
相位差也有所区别。当测井电缆进行上提操作时，DEP_A的相位超前DEP_B的相位90°，即DEP_A-DEP_B＝90°；
当测井电缆进行下放操作时，DEP_A的相位滞后DEP_B的相位90°，即DEP_A-DEP_B＝-90°。
[0092] 由于光电编码器属于强
电机械式测试计量设备，而弧形滑轮控制器属于弱电精密测量模块，为了弱电精密测量模块在光电编码器出现
短路等供电故障时，不至于被连带烧坏，需要对光电编码器送出的光电编码脉冲信号进行隔离处理；另一方面，由于光电编码器中的光码盘对于测井电缆的抖动十分敏感，扰动主要表现在编码脉冲信号边沿出现小幅的毛刺抖动现象。由于光耦器件具有
电流驱动的特点，所以，采用光耦器件TLP521对由于抖动造成的窄脉冲进行“预过滤”处理。图3为本发明的光电编码器的电路结构示意图。
[0093] 在图3中，将光电编码器的输出信号DEP-A、DEP-B以及系统的供电地线接至光耦器件TLP521的输入端，在输出信号端接上拉电阻，另一端接弧形滑轮控制器的地线。输出信号经过线驱动器件74HC04驱动后，送入弧形滑轮控制器。
[0094] 所述弧形滑轮控制器包括信号调理电路和信号处理电路。由于光电编码器对光电编码器轴系引起的抖动干扰非常敏感，而且测井现场也存在各种随机干扰，输出的信号可能存在毛刺，所以需要将干扰进行隔离和去抖动处理。由于光耦器件具有电流驱动的特点，短暂的窄脉冲无法通过。因此，该信号调理电路采用光耦器件6N137，对随机的抖动窄脉冲首先进行初步去抖动处理，然后对输出的信号进行整形。脉冲信号通过54HC04非门，输出信号通过光电隔离后，送入施密特触发器CD40106对信号进行整形，两路信号处理电路相同，所设计的信号调理电路原理图如图4所示。处理后的信号被送入信号处理电路。
[0095] 信号处理电路采用MSP430F2619单片机为主芯片，信号处理电路对所述深度计量信号进行计算，以获取测井电缆的速度和油井深度。
[0096] 所述测井电缆的速度通过如下公式计算：
[0097] 数据在t1时刻数据为n1,t2时刻数据为n2，则测井电缆的速度计算如下式：
[0098] V＝n2-/1280×1÷(t2-t1)＝n2-n1/1280×1÷nΔt
[0099] 其中：△t为延迟时间；
[0100] 所述油井深度通过如下公式计算：
[0101] 数据在t1时刻数据为n1,t2时刻数据为n2，则深度计算如下式：
[0102] H＝n2-n1/1280×1
[0103] 当H＞0，则说明测井电缆在向深入油井的方向运动；当H＜0，则说明测井电缆在向退出油井的方向运动。
[0104] 图5为本发明的无线信号传输模块的电路结构示意图。无线信号传输模块采用nRF905无线收发芯片，其工作
电压为1.9V～3.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM频道，最
大数据传输速率为100kb/s。芯片能耗非常低，以10dBm的功率发射时，工作电流仅有30mA，接收时工作电流只有12.5mA，多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为12.5μA，便于在野外工作。
[0105] 通过SPI接口进行编程配置，将MSP430F2619单片机的P5.1、P5.2、P5.3口配置为三线SPI功能可直接与nRF905对应引脚相连，MSP430F2619单片机作为主机，nRF905作为从机，其电路连接示意图如图5所示。
[0106] 图6为本发明的无线智能绞车面板中显示电路的电路结构示意图。无线智能绞车面板采用LM240160GCW的
液晶模块，由无线智能绞车面板中的单片机MSP430对其进行控制。由于单片机MSP430的总线不对外，所以我们不能以直接的方式而只能采用间接的方式
访问外设，该液晶能显示ASCII字符、汉字和各种曲线，可与单片机MSP430连接构成功能强、结构简单的
人机界面。将单片机MSP430的P7口设为
数据总线，用来传输数据或指令，P8口的部分端口用来做控制总线，控制LM240160GCW的相关功能。GT23L32S4W为大容量字库存储芯片，由P7.0～P7.2、P8.4通过SPI总线协议与其通讯，液晶上想要显示的汉字或字符码直接从该芯片中读取。由R50、R51、Q4组成的是一个LCD
背光控制电路，由单片机MSP430送出PWM信号实现。
[0107] 为了验证本发明系统的可靠性，对一台已经通过标准井进行标定测深系统进行误差校正系数测量，得到其深度轮理论周长609.6mm。图7为本发明系统的误差系数计算结果图。
[0108] 周长L平均值L＝609.5853mm，根据贝赛尔公式计算标准差σ＝0.0336mm[0109] 由于测量次数较少，可以认为误差符合t分布，因此采用罗曼诺夫斯基准则(t检验2
准则)来判断是否存在粗大误差。因为第2次测量结果v最大，可以怀疑其为粗大误差，其测值为609.6356mm。将其剔除后周长L的
[0110] 平均值L'＝609.5798mm，标准差σ'＝0.028mm。
[0111] 当选取显著度0.01，测量次数为10次时，t分布的检验系数K(10，0.01)为3.54，根据罗曼诺夫斯基准则：
[0112] |609.6356-L'|＝0.0558＜Kσ'＝0.09912
[0113] 因此可以认为第2次测量结果不是粗大误差。为了判断测量序列有无系统误差，将测量序列的残余误差作图进行观察，x轴为测量序列号，y轴为残余误差。由于残余误差大体上是正负相间，且无显著变化规律，因此可以认为没有系统误差。
[0114] 综上所述，本次测量没有粗大误差和系统误差，并且校正系数C都处于-0.8‰～+0.2‰范围内，达到了设计精度要求。计量轮5采用本系统测量的周长是609.5853mm，其实际周长为609.6mm。可以确定该计量轮的修正值为-0.0147mm，校正系数为-0.024‰。以后本发明的系统在实际使用过程中，可以使用该值加以修正。
[0115] 本发明的测井电缆测量系统具有多功能、一体化设计的优点，本装置集电缆导向、电缆深度双测量、张力测量、除污、除
冰、一体化设计，由于是光电与磁记号双测量仪，能相互修整参数，测量的精度得到大幅度的提升。无线数据传送，通过INTERNET远程数据流交换，远程作现场影像传送。本系统的结构与外形采用半圆形设计，让体积更小、更轻、安装方便、操作简单。测井电缆直径在Φ3.5-Φ12.7范围之间自由切换测量张力。
[0116] 本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关
硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读
存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用
软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
[0117] 需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
