第1章 緒 論

測井技術(shù)在石油勘探開發(fā)中發(fā)揮著重要的作用，勘探測井被稱為尋找油氣田的“眼鏡”，生產(chǎn)測井被稱為油氣田開發(fā)的“醫(yī)生”[4]。測井技術(shù)的研究一般包括測井方法、測井設(shè)備、測井?dāng)?shù)據(jù)的處理及應(yīng)用。其中測井設(shè)備性能的好壞直接影響最終的測量結(jié)果。為了滿足地球物理測井的需要，人們開發(fā)了各種類型的測井儀如感應(yīng)測井儀、微球聚焦測井儀、聲波測井儀及井徑儀等[5-7]。通過一系列的測井設(shè)備把所獲得的信息和數(shù)據(jù)傳送給井上的工程技術(shù)人員，工程技術(shù)人員通過處理數(shù)據(jù)來獲取井下的環(huán)境信息和井下地層的情況，從而可以評估油氣的勘探和開發(fā)。目前，井徑測量儀是我國油田廣泛使用的測井設(shè)備。井徑測量儀主要針對垂直井、水平井、大斜度井專門設(shè)計(jì)的井徑測量儀器。在井下，推靠器推開儀器后，井下四（六）個(gè)力臂緊貼井壁并隨著深井直徑的改變自由收放，每一個(gè)力臂都有相應(yīng)的反饋電位計(jì)，力臂轉(zhuǎn)動時(shí)帶動電位計(jì)前后移動，電位計(jì)之間不存在相互運(yùn)動[8]。井徑測量儀的力臂反推力的大小直接影響深井直徑的測量精度。而在國內(nèi)工廠生產(chǎn)中，井徑測量儀的反推力特性還不能實(shí)現(xiàn)測量。而實(shí)際使用時(shí)，勘探人員又需要其反推力特性來反映實(shí)際力臂與井壁的貼合程度。由于國外測井儀器公司的技術(shù)封鎖，很難了解井徑測量儀生產(chǎn)過程中的性能檢測。根據(jù)對于國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家的了解，對于力臂反推力特性測量的研究還是空白[9]。
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第 2 章 井徑測量儀性能測試原理及方法

2.1 力臂反推力特性測試原理

如圖 2-7 所示，，井徑測量儀力臂的加載方式有三種，一種是分別對每個(gè)力臂進(jìn)行加載、對稱的力臂同時(shí)進(jìn)行加載和對所有的力臂同時(shí)進(jìn)行加載。整體對力臂進(jìn)行加載需要對不同的井徑測量儀設(shè)計(jì)不同的夾具，加工難度比較大，適應(yīng)性不強(qiáng)。一方面井徑測量儀用對稱的力臂來確定深井直徑的大小，另一方面單邊測量的方法會造成井徑測量儀受力變形影響測量精度，所以采用了井徑測量儀對稱力臂同時(shí)加載力的方式。為了實(shí)現(xiàn)對稱的力臂同時(shí)進(jìn)行加載，設(shè)計(jì)了雙推桿同時(shí)加載的結(jié)構(gòu)。兩端加載系統(tǒng)為一體時(shí)，測量系統(tǒng)的剛度比較大，測量時(shí)對精度影響比較小。但兩端加載系統(tǒng)如設(shè)計(jì)為一體，測試系統(tǒng)的高度不可避免會比井徑測量儀橫放時(shí)高，測量時(shí)需要人工把井徑測量儀抬到整個(gè)測試系統(tǒng)中間，不僅勞動效率比較低而且測量時(shí)需要兩個(gè)工人協(xié)作才能完成，所以采用兩端加載系統(tǒng)分開式的方法，在測試系統(tǒng)閑置時(shí)，兩端的加載系統(tǒng)分開放置，減小了測試系統(tǒng)的占地空間，在測試系統(tǒng)工作時(shí)，工作人員可以把兩端加載系統(tǒng)直接放置在測井儀的兩端。

2.2 電位計(jì)測試系統(tǒng)原理

電阻絲繞線式電位計(jì)的測量分辨率取決于電阻絲的直徑的大小，測量的精度取決于纏繞時(shí)電阻絲的緊密程度。供電電源是影響電位計(jì)測量精度的主要因素之一，目前大部分對于電位計(jì)非線性度的測量都采用恒壓源供電。恒壓法測量原理如下圖 2-12 所示，在電位計(jì)測桿位移時(shí)測量其輸出電壓的大小。由于電位計(jì)的種類繁多，電阻值的范圍從 40Ω~12kΩ 不等。采用恒壓源測量對于阻值小的電位計(jì)發(fā)熱量比較大，而對于阻值大電位計(jì)當(dāng)電位計(jì)測桿的位移剛好為一砸線圈，測量值不能及時(shí)反映內(nèi)部電壓的變化。而且恒壓源不能測量電位計(jì)的總電阻，恒流源采集的信號為電壓信號，通過電壓可計(jì)算出電位計(jì)的總電阻，所以選用了恒流源作為電位計(jì)的供電電源。

第 3 章 井徑測量儀性能測試系統(tǒng)誤差分析............... 16

3.1 反推力特性測量系統(tǒng)的誤差因素 ..................... 16
3.2 井徑測量儀單邊受力變形分析 ................... 17
3.3 測試系統(tǒng)裝置的誤差分析 .................. 18
3.4 本章小結(jié) .................... 24
第 4 章 井徑測量儀性能測試系統(tǒng)的研制 ........... 25
4.1 反推力特性和電位計(jì)線性度測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...... 25
4.2 力臂反推力特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................... 27
4.3 力臂反推力特性測試系統(tǒng)電氣原理 ...................... 30
4.4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)........................ 31
4.5 電位計(jì)線性度測試系統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)........................ 34
4.6 電位計(jì)供電恒流源的設(shè)計(jì) .. ..................... 35
4.7 電位計(jì)線性度測試系統(tǒng)控制系統(tǒng) ................... 36
4.8 本章小結(jié) .............. .......... 39
第 5 章 測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究 ................ 40
5.1 傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn) ............... 40
5.2 電位計(jì)線性度測試實(shí)驗(yàn) ..................... 44
5.3 力臂反推力特性測試實(shí)驗(yàn) ....................... 46
5.4 本章小結(jié) ......................... 47

第 5 章 測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

5.1 傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)表明，測試系統(tǒng)在測量過程中的重復(fù)性誤差基本在 1~2N 之間，小于測試系統(tǒng)要求的 3N，測量精度滿足實(shí)際測量的需求。理論上，雖然測量力是先增大后減小的過程，但根據(jù)實(shí)際測量的過程，其反推力的接觸點(diǎn)隨著縱向位移的不斷增加而變化，使得反推力臂接觸點(diǎn)到轉(zhuǎn)動鉸鏈的長度減小， 從而位移大于 120mm 后，其值仍會增加。

5.2 電位計(jì)線性度測試實(shí)驗(yàn)

本章主要對測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先對力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以及對恒流進(jìn)行了精度分析，實(shí)驗(yàn)證明能夠滿足系統(tǒng)的要求。之后對電位計(jì)的非線性度進(jìn)行了一次安裝多次測量和多次安裝多次測量實(shí)驗(yàn)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)分布擬合，測量數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，表明電位計(jì)非線性度測試系統(tǒng)達(dá)到了要求的測量精度。另一方面，測試了一種類型的井徑測量儀的力臂反推力特性曲線，對測試曲線進(jìn)行分析可得，測試系統(tǒng)測量的重復(fù)性誤差小于 3N，證明了測試系統(tǒng)能夠滿足反推力特性的測量需要。
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結(jié) 論

針對井徑測量儀中力臂反推力特性測量效率低、測量準(zhǔn)確性差等問題，本文確定了反推力特性的測量方案并基于該方案進(jìn)行了誤差分析，并研制了一套井徑測量儀力臂反推力特性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于工控機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動化測量。另一方面為了深入研究井徑測量儀的性能，還研制了電位計(jì)非線性度測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電位計(jì)線性度高精度的測量，為提高井徑測量儀測量精度提供了數(shù)據(jù)支持。研究工作和主要結(jié)論如下：（1）分析了井徑測量儀的力臂反推力和位移之間的關(guān)系，并確定了力臂反推力特性的測試系統(tǒng)方案。研究了測試系統(tǒng)非線性度評定方法，分析了井徑測量儀中的電位計(jì)的工作方式，并確定了電位計(jì)非線性度的測試方案。（2）對測試系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，包括測量原理誤差、夾具受力變形誤差、不同軸加載誤差、電動推桿的位移精度和數(shù)據(jù)采集過程中的量化誤差，驗(yàn)證了整體測試系統(tǒng)方案的可行性。（3）研制了井徑測量儀力臂反推力特性及電位計(jì)線性度測試系統(tǒng)，編制了測試系統(tǒng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)自動化的測量過程。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：44073