通過(guò)油管長(zhǎng)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(shí)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(dòng)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(cè)量井下工具的精確位置。為了改變這種狀況，研究開(kāi)發(fā)了智能化的油管長(zhǎng)度在線計(jì)量?jī)x，不僅可有效提高油管長(zhǎng)度的計(jì)量精度，減輕工人的勞動(dòng)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(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)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(guò)程，并且修井作業(yè)都是在野外進(jìn)行，因此對(duì)油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x的研究開(kāi)發(fā)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

(1)測(cè)量自動(dòng)化，儀表智能化。對(duì)于下放操作中伴隨的許多輔助操作，儀器應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別各操作環(huán)節(jié)，只對(duì)下放的有效管長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

(2)油管長(zhǎng)度的計(jì)量必須真實(shí)可靠，并能自動(dòng)補(bǔ)償變形誤差,精度達(dá)到1‰。

(3)操作簡(jiǎn)單。使用者是普通修井作業(yè)工，無(wú)需更多的專門(mén)知識(shí)和培訓(xùn)，僅靠簡(jiǎn)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(chǎng)所是經(jīng)常變換的，計(jì)量?jī)x的安裝應(yīng)方便容易，工作量小，不改變固有的修井操作過(guò)程。

(6)儀器的造價(jià)應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，能達(dá)到較高的投入產(chǎn)出比。

(7)測(cè)量方法合理可靠。

(8)在線測(cè)量。在下放油管的同時(shí)自動(dòng)計(jì)量油管長(zhǎng)度，無(wú)需其它輔助測(cè)量工序，以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

系統(tǒng)組成及原理

油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x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(jiàn)圖1。油管柱在提升或下放過(guò)程中，游車(chē)上升或下降的高度與滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長(zhǎng)度有如下簡(jiǎn)單關(guān)系：H=L/6,式中H為游車(chē)上升或下降的高度；L為滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長(zhǎng)度。

因此，利用間接測(cè)量方法能實(shí)現(xiàn)油管長(zhǎng)度的在線測(cè)量，即通過(guò)測(cè)量鋼絲繩移動(dòng)的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算游車(chē)上升或下降的高度，也即間接得到了油管提升或下放的長(zhǎng)度。因此可在滾筒前設(shè)置一傳感器，輸出鋼絲繩移動(dòng)的長(zhǎng)度信號(hào)，并能通過(guò)它辨別游車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向。但也應(yīng)注意，隨著下放油管柱長(zhǎng)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(zhǎng)度數(shù)據(jù)，必須建立合適的數(shù)學(xué)模型。

1.傳感器

（1）轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)直接測(cè)量鋼絲繩移動(dòng)的長(zhǎng)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(cè)量中，常將線位移轉(zhuǎn)換成角位移來(lái)進(jìn)行測(cè)量，因此可將鋼絲繩移動(dòng)的長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換成摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行測(cè)量。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須保證鋼絲繩與摩擦輪（滑輪）摩擦傳動(dòng)時(shí)摩擦輪作純滾動(dòng)。

（2）傳感元件用于測(cè)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(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)接觸、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但它的溫度穩(wěn)定性較差，易受外界磁場(chǎng)干擾。

近幾年來(lái)，出現(xiàn)了以光電式傳感器代替霍爾式傳感器的趨勢(shì)。光電式傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。采用這種傳感器測(cè)量非電量時(shí)，只要將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光信號(hào)的變化即可。以光電傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

用于非電量檢測(cè)的常用光電式傳感器是光電耦合器，實(shí)際上是一個(gè)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(kāi)關(guān)信號(hào)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(hào)傳輸。油管長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x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(zhǎng)度脈沖信號(hào)。

2.有效計(jì)量鑒別器

修井機(jī)工作時(shí)，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(chǎng)提升單根油管等，這時(shí)傳感器輸出的長(zhǎng)度信號(hào)是與油管長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的，必須剔除。因此，在油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x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(huì)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(shí)已下油管壓在井口這一事實(shí)，在井口設(shè)置一壓控開(kāi)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(zhǎng)度計(jì)量?jī)x的核心(以計(jì)算機(jī)為主)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、高精度測(cè)量的基本保證。傳感器將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算系統(tǒng)后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、識(shí)別、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)等。由于長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x用于實(shí)時(shí)在線測(cè)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(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x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(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x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(guò)模擬油管下放過(guò)程，反復(fù)測(cè)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(jiàn)表1。

表1 油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x的室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果

1.理論誤差

2.試驗(yàn)誤差

從表1中可以看出，大部分實(shí)際測(cè)量誤差都在0.094%范圍內(nèi)，只有個(gè)別測(cè)量誤差超出了理論誤差范圍。其原因可能是測(cè)量距離太短，因?yàn)橐怨獯a盤(pán)輸出長(zhǎng)度脈沖的系統(tǒng)，在進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)，只有在光碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始和終了時(shí)才可能丟失長(zhǎng)度脈沖，而可能丟失的最大數(shù)量與所測(cè)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

結(jié)論

（1）油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x所采用的技術(shù)方案可行，測(cè)量原理可靠。

（2）油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x的測(cè)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(lái)看，采用油管長(zhǎng)度智能計(jì)量?jī)x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(dòng)強(qiáng)度。