CN106761686B - 自适应式智能井深测量装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应式智能井深测量装置以及测量方法，装置包括：测井探头(101)、钢丝绳(108)、第1滑轮(104)、第2滑轮(105)、第3滑轮(107)、支架(102)、增量式光电旋转编码器(103)、张力传感器(106)、电动钢丝绳绞车(109)和井深测量装置控制器(110)。本发明提供的自适应式智能井深测量装置以及测量方法具有以下优点：用于在勘探测井等过程中实时测量井下测井探头深度，具有实时性好、测量精度高、测量效率高、测量分辨率高、自适应测量、智能测量、使用灵活等优点。

Description

自适应式智能井深测量装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及一种井深测量装置，具体涉及一种自适应式智能井深测量装置以及测量方法。

背景技术

在井下可见光成像作业中，为确定测井探头所成像的检测部位在井下的位置，需对测井探头的位置进行准确的定位。

目前，在勘探测井过程中，用于实时测量测井探头在井下深度的方式，主要包括以下几种方式：

(1)采用标有长度标记的测量绳进行测量，然后，手动记录或者目测测量绳放下的深度，从而得到测井探头深度。该种测量方法，具有测量效率低、深度测量误差大的不足。

(2)采用钢丝绳经过滑轮，滑轮上装配霍尔传感器构建的传感电路，霍尔传感器输出信号通过C51单片机进行计数，通过计数到霍尔传感器输出脉冲数，从而得到钢丝绳绝对位移量，进而可得到测井探头深度。C51单片机还需要与计算机进行通讯和LED显示驱动。该种测量方法，具有以下不足：由于霍尔传感器构建的传感电路受限机械加工精度和装配要求，其对深度测量的分辨率非常有限，例如，滑轮每转一周，霍尔传感器输出脉冲数通常为16到32个。而现有增量式光电旋转编码器旋转一周输出脉冲数可超过1000，相比之下分辨率明显偏低很多。采用C51单片机进行脉冲计数和通讯、以及深度同步显示处理，会导致C51单片机丢失脉冲计数，进而导致测量误差很大。因此，此种深度测量方法的误差极大。在实际应用中，如果钢丝绳收放的速度过快，深度测量误差比第一种测量方式还要大，并且非常难以控制。

可见，现有测井探头深度测量方案，普遍存在测量效率低、测量误差大、测量分辨率低、使用不灵活等诸多问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种自适应式智能井深测量装置以及测量方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种自适应式智能井深测量装置，包括：测井探头(101)、钢丝绳(108)、第1滑轮(104)、第2滑轮(105)、第3滑轮(107)、支架(102)、增量式光电旋转编码器(103)、张力传感器(106)、电动钢丝绳绞车(109)和井深测量装置控制器(110)；

所述支架(102)固定安装于井口；在所述支架(102)上按距离井口由远而近的方向，依次可转动装配所述第3滑轮(107)、所述第2滑轮(105)和所述第1滑轮(104)；

所述电动钢丝绳绞车(109)所引出的钢丝绳(108)依次从上方包经所述第3滑轮(107)的上部轮面，然后从下方包经所述第2滑轮(105)的下部轮面后，再从上方包经所述第1滑轮(104)的上部轮面后，然后在所述钢丝绳(108)的末端固定所述测井探头(101)，并使所述测井探头(101)悬挂于井内；

所述增量式光电旋转编码器(103)通过轴与所述第1滑轮(104)传动连接，当所述第1滑轮(104)旋转一周时，同步带动所述增量式光电旋转编码器(103)旋转一周，并输出相位差90°的额定数量的两路脉冲信号，两路脉冲信号分别为A相脉冲信号和B相脉冲信号；

所述张力传感器(106)通过轴与所述第2滑轮(105)传动连接，所述张力传感器(106)实时检测到的钢丝绳张力T1等于钢丝绳内部张力T2的2倍；钢丝绳内部张力T2等于测井探头重力G1与第1滑轮(104)右侧钢丝绳重力G2的和；

所述井深测量装置控制器(110)包括：实时数字运算与逻辑控制器(201)以及外部设备及驱动单元(202)；其中，所述外部设备及驱动单元(202)包括外围辅助输入输出单元、模拟信号处理单元以及步进电机驱动单元(406)；其中，所述步进电机驱动单元用于对所述电动钢丝绳绞车(109)的收放绳速度进行驱动，所述步进电机驱动单元的输入端与所述实时数字运算与逻辑控制器(201)的输出端连接；所述张力传感器(106)的输出端通过所述模拟信号处理单元连接到所述实时数字运算与逻辑控制器(201)的输入端；所述增量式光电旋转编码器(103)和所述外围辅助输入输出单元均连接到所述实时数字运算与逻辑控制器(201)的输入端。

优选的，所述第1滑轮(104)的左内测轮面与所述第2滑轮(105)右内测轮面在垂直面上相切；所述第2滑轮(105)左内测轮面与第3滑轮(107)的右内测轮面在垂直面上相切。

优选的，所述外围辅助输入输出单元包括：大规模现场可编程门阵列数字处理芯片的外部程序存储器(401)、用于保存参数的非易失性存储单元(402)、用于设备智能互联的RS232通讯单元(403)、用于参数输入的键盘输入单元(404)和用于实时显示的液晶显示单元(405)；

所述模拟信号处理单元包括：用于张力放大处理的仪表放大器(408)和用于张力转换的A/D转换器(407)；

所述实时数字运算与逻辑控制器(201)包括：井深测量处理单元、测井探头收放速度控制单元和外部接口单元；

其中，所述外部接口单元包括：E2PROM控制模块(303)、RS232控制模块(304)、键盘扫描模块(305)和液晶显示控制模块(306)；

所述井深测量处理单元包括：滤波去抖动和整形处理单元(301)、计数模块(302)、计数输入模块(311)、计数输出模块(309)和深度计算模块(310)；

所述滤波去抖动和整形处理单元(301)用于对所述增量式光电旋转编码器(103)输出的两路相位相差90°的脉冲信号进行实时快速的滤波去抖动和整形处理，进而输出计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号；然后，将所述计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号传输到所述计数模块(302)；所述计数模块(302)根据旋转方向极性对脉冲进行加1或者减1累加计数，累加计数值为n，并将计量得到的脉冲数传输到所述深度计算模块(310)；所述计数输入模块(311)用于接收来自于所述键盘输入单元(404)或所述RS232通讯单元(403)的预设的计数初值，并将所述计数初值传输到所述深度计算模块(310)；所述深度计算模块(310)用于对所述脉冲数和所述计数初值进行综合计算，实时得到测井探头当前深度值；

其中，所述计数初值包括：第1滑轮(104)的直径D、增量式光电旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数N和初始深度Depth1；

则：当前实时深度Depth2＝初始深度Depth1+((π*D)/N)*n；

所述测井探头收放速度控制单元包括：A/D采样控制模块(308)和步进电机速度控制模块(307)；

所述张力传感器(106)采集到的钢丝绳张力值传输给所述仪表放大器(408)进行张力放大处理；然后，放大处理后的张力信号传输给所述A/D转换器(407)，所述A/D转换器(407)对放大处理后的张力信号进行数字量化处理，得到数字信号格式的张力T1；所述A/D采样控制模块(308)对钢丝绳张力进行数字量化，得到钢丝绳内部张力T2；其中，钢丝绳内部张力T2等于张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的0.5倍；钢丝绳内部张力T2和实时检测到的钢丝绳张力T1分别传输给所述步进电机速度控制模块(307)；另外，所述深度计算模块(310)计算得到的当前实时深度Depth2也传输给所述步进电机速度控制模块(307)；所述步进电机速度控制模块(307)基于下式计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

其中：Depth1代表初始深度；

G1代表测井探头重力；

L0代表第1滑轮(104)右侧钢丝绳初始长度；

ΔG代表钢丝绳单位长度重力；

所述步进电机速度控制模块(307)比较当前目标张力值T0和张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的偏差，再结合目标设定速度Vset，从而产生步进电机驱动信号，所述步进电机驱动信号通过步进电机驱动单元而控制电动钢丝绳绞车(109)的收放绳速度，进而实现测井探头(101)的自适应式匀速下放和上拉操作。

本发明还提供一种应用上述的自适应式智能井深测量装置的自适应式智能井深测量方法，包括以下步骤：

步骤1，在步进电机驱动单元(406)通过电动钢丝绳绞车(109)控制钢丝绳进行收放绳的过程中，增量式光电旋转编码器(103)跟随第1滑轮(104)转动，实时输出两路相位相差90°的脉冲信号，并实时传输给滤波去抖动和整形处理单元(301)；

步骤2，滤波去抖动和整形处理单元(301)实时快速的对接收到的脉冲信号进行滤波去抖动和整形处理，得到计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号，并传输给计数模块；

步骤3，所述计数模块(302)根据旋转方向极性对脉冲进行加1或者减1累加计数，累加计数值为n，并将计量得到的脉冲数传输到深度计算模块(310)；

另外，计数输入模块(311)接收来自于键盘输入单元(404)或RS232通讯单元(403)的预设的计数初值，并将所述计数初值传输到所述深度计算模块(310)；其中，所述计数初值包括：第1滑轮(104)的直径D、增量式光电旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数N和初始深度Depth1；

步骤4，所述深度计算模块(310)基于下式对所述脉冲数和所述计数初值进行综合计算，实时计算得到测井探头当前深度值；并实时将计算得到的测井探头当前实时深度Depth2传输给步进电机速度控制模块(307)；

步骤5，在步进电机驱动单元(406)通过电动钢丝绳绞车(109)控制钢丝绳进行收放绳的过程中，张力传感器(106)实时采集到钢丝绳张力值，并传输给仪表放大器(408)进行张力放大处理；然后，放大处理后的张力信号传输给A/D转换器(407)，所述A/D转换器(407)对放大处理后的张力信号进行数字量化处理，得到数字信号格式的张力T1；

A/D采样控制模块(308)对钢丝绳张力进行数字量化，得到钢丝绳内部张力T2；其中，钢丝绳内部张力T2等于张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的0.5倍；钢丝绳内部张力T2和实时检测到的钢丝绳张力T1分别传输给所述步进电机速度控制模块(307)；

步骤6，步进电机速度控制模块(307)基于下式实时计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

其中：Depth1代表初始深度；

G1代表测井探头重力；

L0代表第1滑轮(104)右侧钢丝绳初始长度；

ΔG代表钢丝绳单位长度重力；

步骤7，所述步进电机速度控制模块(307)比较当前目标张力值T0和张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的偏差，再结合目标设定速度Vset，从而产生步进电机驱动信号，所述步进电机驱动信号通过步进电机驱动单元而控制电动钢丝绳绞车(109)的收放绳速度，进而实现测井探头(101)的自适应式匀速下放和上拉操作。

优选的，所述增量式光电旋转编码器(103)输出的两路相位相差90°的脉冲信号一个完整周期才产生一个输出计数脉冲信号。

优选的，步骤3中，键盘输入单元(404)或RS232通讯单元(403)预设的计数初值，首先存储到非易失性存储单元(402)中；所述计数输入模块(311)直接从所述非易失性存储单元(402)中读取到计数初值。

优选的，还包括：

步骤8，井深测量装置控制器(110)将测井探头(101)当前深度值、钢丝绳内部张力T2以及测井探头(101)的实时上拉和下放速度值通过RS232通讯单元(403)传输给远程上位机。

优选的，还包括：

步骤9，井深测量装置控制器(110)将测井探头(101)当前深度值、钢丝绳内部张力T2以及测井探头(101)的实时上拉和下放速度值实时显示到液晶显示单元(405)。

本发明提供的自适应式智能井深测量装置以及测量方法具有以下优点：

用于在勘探测井等过程中实时测量井下测井探头深度，具有实时性好、测量精度高、测量效率高、测量分辨率高、自适应测量、智能测量、使用灵活等优点。

附图说明

图1为本发明提供的自适应式智能井深测量装置的结构示意图；

图2为本发明提供的自适应式智能井深测量装置的整体控制框图；

图3为本发明提供的实时数字运算与逻辑控制器内部功能框图；

图4为本发明提供的外部设备及驱动单元框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种自适应式智能井深测量装置，用于在勘探测井等过程中实时测量井下测井探头深度，具有实时性好、测量精度高、测量效率高、测量分辨率高、自适应测量、智能测量、使用灵活等优点。

结合附图，自适应式智能井深测量装置包括：测井探头101、钢丝绳108、第1滑轮104、第2滑轮105、第3滑轮107、支架102、增量式光电旋转编码器103、张力传感器106、电动钢丝绳绞车109和井深测量装置控制器110；

支架102固定安装于井口；在支架102上按距离井口由远而近的方向，依次可转动装配第3滑轮107、第2滑轮105和第1滑轮104；例如，采用滑动轴承将各个滑轮装配到支架。

电动钢丝绳绞车为钢丝绳的载体，通过步进电机控制电动钢丝绳绞车，进而控制钢丝绳的上拉和下放；通过对钢丝绳张力获取进行测井探头按照设定速度进行上拉或者下放，最终实现无人值守自适应工作，提高井深测量装置的智能度。

电动钢丝绳绞车109所引出的钢丝绳108依次从上方包经第3滑轮107的上部轮面，然后从下方包经第2滑轮105的下部轮面后，再从上方包经第1滑轮104的上部轮面后，然后在钢丝绳108的末端固定测井探头101，并使测井探头101悬挂于井内；其中，钢丝绳用于在测井中下放和上拉测井探头，当然，也可以采用铠装信号传输电缆等。作为一种优选方式，第1滑轮104的左内测轮面与第2滑轮105右内测轮面在垂直面上相切；第2滑轮105左内测轮面与第3滑轮107的右内测轮面在垂直面上相切。

增量式光电旋转编码器103通过轴与第1滑轮104传动连接，当第1滑轮104旋转一周时，同步带动增量式光电旋转编码器103旋转一周，并输出相位差90°的额定数量的两路脉冲信号，两路脉冲信号分别为A相脉冲信号和B相脉冲信号；通过对A相脉冲信号和B相脉冲信号的相位差的分析，可确定第1滑轮104的滑动方向。每个完整脉冲周期对应一个设定的基本长度。

张力传感器106通过轴与第2滑轮105传动连接，张力传感器106实时检测到的钢丝绳张力T1等于钢丝绳内部张力T2的2倍；钢丝绳内部张力T2等于测井探头重力G1与第1滑轮104右侧钢丝绳重力G2的和；等式如下：

T1＝2×T2

T2＝G1+G2

对张力传感器检测到的钢丝绳张力的分析，用来判别测井探头是否存在卡孔和搁浅问题。

井深测量装置控制器110包括：实时数字运算与逻辑控制器201以及外部设备及驱动单元202；其中，外部设备及驱动单元202包括外围辅助输入输出单元、模拟信号处理单元以及步进电机驱动单元406；其中，步进电机驱动单元用于对电动钢丝绳绞车109的收放绳速度进行驱动，步进电机驱动单元的输入端与实时数字运算与逻辑控制器201的输出端连接；张力传感器106的输出端通过模拟信号处理单元连接到实时数字运算与逻辑控制器201的输入端；增量式光电旋转编码器103和外围辅助输入输出单元均连接到实时数字运算与逻辑控制器201的输入端。

外围辅助输入输出单元包括：大规模现场可编程门阵列数字处理芯片的外部程序存储器401，其在处理上采用并行处理结构，测量和控制速度高、实时性强特点，从而大大降低了测量误差，提高了测量的准确性和实时性；用于保存参数的非易失性存储单元402；用于设备智能互联的RS232通讯单元403；用于参数输入的键盘输入单元404和用于实时显示的液晶显示单元405；

模拟信号处理单元包括：用于张力放大处理的仪表放大器408和用于张力转换的A/D转换器407；

实时数字运算与逻辑控制器201采用大规模现场可编程门阵列数字处理芯片FPGA，包括：井深测量处理单元、测井探头收放速度控制单元和外部接口单元；

其中，外部接口单元包括：E2PROM控制模块303、RS232控制模块(304)、键盘扫描模块305和液晶显示控制模块306；

井深测量处理单元包括：滤波去抖动和整形处理单元301、计数模块302、计数输入模块311、计数输出模块309和深度计算模块310；

滤波去抖动和整形处理单元301用于对增量式光电旋转编码器103输出的两路相位相差90°的脉冲信号进行实时快速的滤波去抖动和整形处理，进而输出计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号；然后，将计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号传输到计数模块302；计数模块302根据旋转方向极性对脉冲进行加1或者减1累加计数，累加计数值为n，并将计量得到的脉冲数传输到深度计算模块310；计数输入模块311用于接收来自于键盘输入单元404或RS232通讯单元403的预设的计数初值，并将计数初值传输到深度计算模块310；深度计算模块310用于对脉冲数和计数初值进行综合计算，实时得到测井探头当前深度值；

其中，计数初值包括：第1滑轮104的直径D、增量式光电旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数N和初始深度Depth1；

则：当前实时深度Depth2＝初始深度Depth1+((π*D)/N)*n；

例如，第1滑轮104的直径D选取为200mm，增量式光电旋转编码器每旋转一周脉冲数N参数选取为2000。这两个参数采用键盘输入单元或者通过计算机采用RS232通讯单元进行输入配置。该参数配置完成后，通过实时数字运算与逻辑控制器存入非易失性存储单元，在下次上电时无需再次配置。根据上述选取的参数，则井深测量的分辨率为(π*D)/N，即0.314mm；增量式光电旋转编码器每旋转一周对应的深度是314mm，即0.314m。

测井探头收放速度控制单元包括：A/D采样控制模块308和步进电机速度控制模块307；

张力传感器106采集到的钢丝绳张力值传输给仪表放大器408进行张力放大处理；然后，放大处理后的张力信号传输给A/D转换器407，A/D转换器407对放大处理后的张力信号进行数字量化处理，得到数字信号格式的张力T1；A/D采样控制模块308对钢丝绳张力进行数字量化，得到钢丝绳内部张力T2；其中，钢丝绳内部张力T2等于张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的0.5倍；钢丝绳内部张力T2和实时检测到的钢丝绳张力T1分别传输给步进电机速度控制模块307；另外，深度计算模块310计算得到的当前实时深度Depth2也传输给步进电机速度控制模块307；步进电机速度控制模块307基于下式计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

其中：Depth1代表初始深度；

G1代表测井探头重力；

L0代表第1滑轮104右侧钢丝绳初始长度；

ΔG代表钢丝绳单位长度重力；

其中，G1、L0和ΔG参数为初值配置。

步进电机速度控制模块307比较当前目标张力值T0和张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的偏差，再结合目标设定速度Vset，从而产生步进电机驱动信号，步进电机驱动信号通过步进电机驱动单元而控制电动钢丝绳绞车109的收放绳速度，进而实现测井探头101的自适应式匀速下放和上拉操作。可见，在测井探头速度控制上，可采用PID模糊控制算法，精准控制测井探头的速度。

本发明还提供一种应用上述的自适应式智能井深测量装置的自适应式智能井深测量方法，包括以下步骤：

步骤1，在步进电机驱动单元406通过电动钢丝绳绞车109控制钢丝绳进行收放绳的过程中，增量式光电旋转编码器103跟随第1滑轮104转动，实时输出两路相位相差90°的脉冲信号，并实时传输给滤波去抖动和整形处理单元301；

步骤2，滤波去抖动和整形处理单元301实时快速的对接收到的脉冲信号进行滤波去抖动和整形处理，得到计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号，并传输给计数模块；

步骤3，计数模块302根据旋转方向极性对脉冲进行加1或者减1累加计数，累加计数值为n，并将计量得到的脉冲数传输到深度计算模块310；

另外，计数输入模块311接收来自于键盘输入单元404或RS232通讯单元403的预设的计数初值，并将计数初值传输到深度计算模块310；其中，计数初值包括：第1滑轮104的直径D、增量式光电旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数N和初始深度Depth1；

本步骤中，键盘输入单元404或RS232通讯单元403预设的计数初值，首先存储到非易失性存储单元402中；计数输入模块311直接从非易失性存储单元402中读取到计数初值。

步骤4，深度计算模块310基于下式对脉冲数和计数初值进行综合计算，实时计算得到测井探头当前深度值；并实时将计算得到的测井探头当前实时深度Depth2传输给步进电机速度控制模块307；

步骤5，在步进电机驱动单元406通过电动钢丝绳绞车109控制钢丝绳进行收放绳的过程中，张力传感器106实时采集到钢丝绳张力值，并传输给仪表放大器408进行张力放大处理；然后，放大处理后的张力信号传输给A/D转换器407，A/D转换器407对放大处理后的张力信号进行数字量化处理，得到数字信号格式的张力T1；

A/D采样控制模块308对钢丝绳张力进行数字量化，得到钢丝绳内部张力T2；其中，钢丝绳内部张力T2等于张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的0.5倍；钢丝绳内部张力T2和实时检测到的钢丝绳张力T1分别传输给步进电机速度控制模块307；

步骤6，步进电机速度控制模块307基于下式实时计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

其中：Depth1代表初始深度；

G1代表测井探头重力；

L0代表第1滑轮104右侧钢丝绳初始长度；

ΔG代表钢丝绳单位长度重力；

步骤7，步进电机速度控制模块307比较当前目标张力值T0和张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的偏差，再结合目标设定速度Vset，从而产生步进电机驱动信号，步进电机驱动信号通过步进电机驱动单元而控制电动钢丝绳绞车109的收放绳速度，进而实现测井探头101的自适应式匀速下放和上拉操作。

还包括：

步骤8，井深测量装置控制器110将测井探头101当前深度值、钢丝绳内部张力T2以及测井探头101的实时上拉和下放速度值通过RS232通讯单元403传输给远程上位机进行监控，可以实现无人值守情况下进行匀速的测井探测。

还包括：

步骤9，井深测量装置控制器110将测井探头101当前深度值、钢丝绳内部张力T2以及测井探头101的实时上拉和下放速度值实时显示到液晶显示单元405。

下面对上述内容进行概括描述：

钢丝绳一端连接测井探头，一端连接电动钢丝绳绞车，中间跨接第3滑轮107、第2滑轮105、第1滑轮104。

在钢丝绳上拉或下放测井探头过程中，钢丝绳带动第1滑轮104相应转动(正转或反转)；在钢丝绳上发生的深度相对变化通过第1滑轮104传递给增量式光电旋转编码器，增量式光电旋转编码器将该深度的相对变化转化为两路相位相差90°的A相和B相脉冲信号。其中，钢丝绳的相对移动联动滑轮，滑轮通过传动连接到增量式光电旋转编码器，滑轮每旋转一周，增量式光电旋转编码器跟随旋转一周。

A相和B相脉冲信号连接到数字运算与逻辑控制器，数字运算与逻辑控制器通过对该信号进行滤波去抖动和整形。滤波去抖动和整形模块采用数字滤波方式，从而将由于增量式光电旋转编码器抖动等原因输出的抖动信号进行滤波处理，进一步将滤波后的脉冲信号进行增量式光电旋转编码器旋转方向识别，最后输出方向识别信号和计数脉冲信号。然后，深度计算模块结合初值、方向识别信号和计数脉冲信号，基于以下公式计算到当前深度：当前实时深度Depth2＝初始深度Depth1+((π*D)/N)*n；

在钢丝绳上拉或下放测井探头过程中，钢丝绳带动第2滑轮105相应转动(正转或反转)；张力传感器通过其轴与第2滑轮105传动连接，第2滑轮105实时将钢丝绳内部张力T2传送给张力传感器，张力传感器检测到的张力T1等于钢丝绳内部张力T2的2倍。对张力传感器检测到的张力信号进行放大、A/D转换后，配合实时数字运算与逻辑控制器进行模数转换数字量化处理。在测井探头静止或者匀速上拉或下放的时候，钢丝绳内部张力T2等于测井探头重力G1与第1滑轮104右侧钢丝绳重力G2的和。因此，7基于下式计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

实时数字运算与逻辑控制器根据上述等式，和目标设定速度Vset控制电动钢丝绳绞车进行测井探头的自适应式匀速下放和上拉操作。由于无需人员干预，提高设备的智能化、减少人工干预误差，提高测量准确度，测井探头速度匀速控制进一步提高测井任务的精细度和准确度。对于钢丝绳张力的合理控制，大大降低了在工程物探中经常出现的测井探头卡孔和探头搁浅导致测井探头无法从测井中取出的问题，在提高测试效率的同时，减少了勘探工程问题，提高经济效益。

本发明实施中，测井探头在一个井深200m的井口时，设置初始深度为0，设置测井探头速度为800m/h，设定以自动的方式将测井探头下放到目标深度后自动返回，到达井底目标深度时，显示测井深度为199.999m；自动上拉返回到井口时，显示测井深度为0.001m，完成一个周期(一个周期定义为自动下放到井底然后自动上拉返回到井口)时间需要30±0.5min。通过多次反复自动井深测量，测试井深、测量时间、实时速度具有一致性，无测井探头卡孔和搁浅事故。该井深测量分辨率，测量精度和准确性、自动化智能性、方便性满足井深测量要求。

本发明提供的自适应式智能井深测量装置以及测量方法，适用于在野外钻孔现场作业进行井深测量，井深测量不受周围环境的影响，具有抗干扰性强的特点。本发明也可适用于测量距离或长度等情形。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有实时性好，测量误差小，测量分辨率高，测量效率高和使用灵活的优点，实现了自适应式张力控制、自适应式速度控制等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自适应式智能井深测量装置，其特征在于，包括：测井探头(101)、钢丝绳(108)、第1滑轮(104)、第2滑轮(105)、第3滑轮(107)、支架(102)、增量式光电旋转编码器(103)、张力传感器(106)、电动钢丝绳绞车(109)和井深测量装置控制器(110)；

所述支架(102)固定安装于井口；在所述支架(102)上按距离井口由远而近的方向，依次可转动装配所述第3滑轮(107)、所述第2滑轮(105)和所述第1滑轮(104)；

所述电动钢丝绳绞车(109)所引出的钢丝绳(108)依次从上方包经所述第3滑轮(107)的上部轮面，然后从下方包经所述第2滑轮(105)的下部轮面后，再从上方包经所述第1滑轮(104)的上部轮面后，然后在所述钢丝绳(108)的末端固定所述测井探头(101)，并使所述测井探头(101)悬挂于井内；

所述增量式光电旋转编码器(103)通过轴与所述第1滑轮(104)传动连接，当所述第1滑轮(104)旋转一周时，同步带动所述增量式光电旋转编码器(103)旋转一周，并输出相位差90°的额定数量的两路脉冲信号，两路脉冲信号分别为A相脉冲信号和B相脉冲信号；

所述张力传感器(106)通过轴与所述第2滑轮(105)传动连接，所述张力传感器(106)实时检测到的钢丝绳张力T1等于钢丝绳内部张力T2的2倍；钢丝绳内部张力T2等于测井探头重力G1与第1滑轮(104)右侧钢丝绳重力G2的和；

所述井深测量装置控制器(110)包括：实时数字运算与逻辑控制器(201)以及外部设备及驱动单元(202)；其中，所述外部设备及驱动单元(202)包括外围辅助输入输出单元、模拟信号处理单元以及步进电机驱动单元(406)；其中，所述步进电机驱动单元用于对所述电动钢丝绳绞车(109)的收放绳速度进行驱动，所述步进电机驱动单元的输入端与所述实时数字运算与逻辑控制器(201)的输出端连接；所述张力传感器(106)的输出端通过所述模拟信号处理单元连接到所述实时数字运算与逻辑控制器(201)的输入端；所述增量式光电旋转编码器(103)和所述外围辅助输入输出单元均连接到所述实时数字运算与逻辑控制器(201)的输入端；

所述外围辅助输入输出单元包括：大规模现场可编程门阵列数字处理芯片的外部程序存储器(401)、用于保存参数的非易失性存储单元(402)、用于设备智能互联的RS232通讯单元(403)、用于参数输入的键盘输入单元(404)和用于实时显示的液晶显示单元(405)；

所述模拟信号处理单元包括：用于张力放大处理的仪表放大器(408)和用于张力转换的A/D转换器(407)；

所述实时数字运算与逻辑控制器(201)包括：井深测量处理单元、测井探头收放速度控制单元和外部接口单元；

其中，所述外部接口单元包括：E2PROM控制模块(303)、RS232控制模块(304)、键盘扫描模块(305)和液晶显示控制模块(306)；

所述井深测量处理单元包括：滤波去抖动和整形处理单元(301)、计数模块(302)、计数输入模块(311)、计数输出模块(309)和深度计算模块(310)；

所述滤波去抖动和整形处理单元(301)用于对所述增量式光电旋转编码器(103)输出的两路相位相差90°的脉冲信号进行实时快速的滤波去抖动和整形处理，进而输出计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号；然后，将所述计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号传输到所述计数模块(302)；所述计数模块(302)根据旋转方向极性对脉冲进行加1或者减1累加计数，累加计数值为n，并将计量得到的脉冲数传输到所述深度计算模块(310)；所述计数输入模块(311)用于接收来自于所述键盘输入单元(404)或所述RS232通讯单元(403)的预设的计数初值，并将所述计数初值传输到所述深度计算模块(310)；所述深度计算模块(310)用于对所述脉冲数和所述计数初值进行综合计算，实时得到测井探头当前深度值；

其中，所述计数初值包括：第1滑轮(104)的直径D、增量式光电旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数N和初始深度Depth1；

则：当前实时深度Depth2＝初始深度Depth1+((π*D)/N)*n；

所述测井探头收放速度控制单元包括：A/D采样控制模块(308)和步进电机速度控制模块(307)；

所述张力传感器(106)采集到的钢丝绳张力值传输给所述仪表放大器(408)进行张力放大处理；然后，放大处理后的张力信号传输给所述A/D转换器(407)，所述A/D转换器(407)对放大处理后的张力信号进行数字量化处理，得到数字信号格式的张力T1；所述A/D采样控制模块(308)对钢丝绳张力进行数字量化，得到钢丝绳内部张力T2；其中，钢丝绳内部张力T2等于张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的0.5倍；钢丝绳内部张力T2和实时检测到的钢丝绳张力T1分别传输给所述步进电机速度控制模块(307)；另外，所述深度计算模块(310)计算得到的当前实时深度Depth2也传输给所述步进电机速度控制模块(307)；所述步进电机速度控制模块(307)基于下式计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

其中：Depth1代表初始深度；

G1代表测井探头重力；

L0代表第1滑轮(104)右侧钢丝绳初始长度；

ΔG代表钢丝绳单位长度重力；

所述步进电机速度控制模块(307)比较当前目标张力值T0和张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的偏差，再结合目标设定速度Vset，从而产生步进电机驱动信号，所述步进电机驱动信号通过步进电机驱动单元而控制电动钢丝绳绞车(109)的收放绳速度，进而实现测井探头(101)的自适应式匀速下放和上拉操作。

2.根据权利要求1所述的自适应式智能井深测量装置，其特征在于，所述第1滑轮(104)的左内测轮面与所述第2滑轮(105)右内测轮面在垂直面上相切；所述第2滑轮(105)左内测轮面与第3滑轮(107)的右内测轮面在垂直面上相切。

3.一种应用权利要求1-2任一项所述的自适应式智能井深测量装置的自适应式智能井深测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在步进电机驱动单元(406)通过电动钢丝绳绞车(109)控制钢丝绳进行收放绳的过程中，增量式光电旋转编码器(103)跟随第1滑轮(104)转动，实时输出两路相位相差90°的脉冲信号，并实时传输给滤波去抖动和整形处理单元(301)；

步骤2，滤波去抖动和整形处理单元(301)实时快速的对接收到的脉冲信号进行滤波去抖动和整形处理，得到计数脉冲信号和增量式光电旋转编码器的旋转方向信号，并传输给计数模块；

步骤3，所述计数模块(302)根据旋转方向极性对脉冲进行加1或者减1累加计数，累加计数值为n，并将计量得到的脉冲数传输到深度计算模块(310)；

另外，计数输入模块(311)接收来自于键盘输入单元(404)或RS232通讯单元(403)的预设的计数初值，并将所述计数初值传输到所述深度计算模块(310)；

步骤4，所述深度计算模块(310)对所述脉冲数和所述计数初值进行综合计算，实时计算得到测井探头当前深度值；并实时将计算得到的测井探头当前实时深度Depth2传输给步进电机速度控制模块(307)；

步骤5，在步进电机驱动单元(406)通过电动钢丝绳绞车(109)控制钢丝绳进行收放绳的过程中，张力传感器(106)实时采集到钢丝绳张力值，并传输给仪表放大器(408)进行张力放大处理；然后，放大处理后的张力信号传输给A/D转换器(407)，所述A/D转换器(407)对放大处理后的张力信号进行数字量化处理，得到数字信号格式的张力T1；

A/D采样控制模块(308)对钢丝绳张力进行数字量化，得到钢丝绳内部张力T2；其中，钢丝绳内部张力T2等于张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的0.5倍；钢丝绳内部张力T2和实时检测到的钢丝绳张力T1分别传输给所述步进电机速度控制模块(307)；

步骤6，步进电机速度控制模块(307)基于下式实时计算得到当前目标张力值T0:

T0＝2×[G1+L0×ΔG+(Depth2-Depth1)×ΔG]

其中：Depth1代表初始深度；

G1代表测井探头重力；

L0代表第1滑轮(104)右侧钢丝绳初始长度；

ΔG代表钢丝绳单位长度重力；

步骤7，所述步进电机速度控制模块(307)比较当前目标张力值T0和张力传感器实时检测到的钢丝绳张力T1的偏差，再结合目标设定速度Vset，从而产生步进电机驱动信号，所述步进电机驱动信号通过步进电机驱动单元而控制电动钢丝绳绞车(109)的收放绳速度，进而实现测井探头(101)的自适应式匀速下放和上拉操作。

4.根据权利要求3所述的自适应式智能井深测量方法，其特征在于，所述增量式光电旋转编码器(103)输出的两路相位相差90°的脉冲信号一个完整周期才产生一个输出计数脉冲信号。

5.根据权利要求3所述的自适应式智能井深测量方法，其特征在于，步骤3中，键盘输入单元(404)或RS232通讯单元(403)预设的计数初值，首先存储到非易失性存储单元(402)中；所述计数输入模块(311)直接从所述非易失性存储单元(402)中读取到计数初值。

6.根据权利要求3所述的自适应式智能井深测量方法，其特征在于，还包括：

步骤8，井深测量装置控制器(110)将测井探头(101)当前深度值、钢丝绳内部张力T2以及测井探头(101)的实时上拉和下放速度值通过RS232通讯单元(403)传输给远程上位机。

7.根据权利要求3所述的自适应式智能井深测量方法，其特征在于，还包括：

步骤9，井深测量装置控制器(110)将测井探头(101)当前深度值、钢丝绳内部张力T2以及测井探头(101)的实时上拉和下放速度值实时显示到液晶显示单元(405)。