深度測量和絞車面板在石油測井中的應用

◎包金成

深度測量和絞車面板在石油測井中的應用

◎包金成

本文闡述了石油測井中深度測量的方式方法，分析對比了傳統的深度采集模式和時間驅動模式的優缺點，同時講述了運用非傳統模式進行深度采集的CM-3系列絞車面板的工作原理，及其在測井中的應用。

石油測井的深度測量

在石油測井的野外作業中，包括勘探測井﹑生產測井﹑射孔測井﹑打撈測井等，在所有這些項目工程的執行過程中，都有一個非常重要的基本參數，那就是深度測量和深度定位，在完成這些項目的工程車﹑或拖撬上，不僅在執行項目的專用設備上，如測井系統的地面機柜，有專門的深度測量；另外，在工程車撬的電纜絞車操作臺上，還有可獨立工作的絞車面板，這些面板測量并顯示電纜運行的深度速度張力等參數；除此之外，許多的車撬還配備有機械軟軸驅動的深度計數器，所有的這些深度計量裝置同時工作，在應用中相互對比校驗，以確保深度測量準確。

深度測量的方法有很多種，最早期原始的記繩法，除了有經驗的測井作業隊在特殊情況下做過短距離的布條標記使用外，現在已不再使用，然而，類似記繩法的鎧裝電纜磁記號MMD深度測量法，在行業中仍普遍使用，但是，因為MMD每隔20米注磁一個記號，深度測量的分辨率很低，所以磁記號現在只能作為深度測量的輔助方法存在。在石油測井中，深度測量的參數還有自然伽碼Gr﹑套管接箍磁定位CCL﹑自然電位SP﹑地層電阻率Rs等，這些參數都很重要，它們是測井目標深度的界定，但是，它們都不能直觀而準確地分辨和顯示下井工具深度的即時狀態。

在測井或工程作業中，深度測量的基本辦法有兩種，一種是增量式光柵角位移編碼器測量法，一種是井口同步馬達電機測量法。編碼器的方法，是通過電纜測量丈量儀，用彈簧壓緊等機械辦法，使電纜運行和與編碼器聯動的丈量儀計量輪轉動同步，編碼器每周轉360°，發出兩路固定相位差90°的﹑可辨方向的﹑對稱方波脈沖，這些脈沖，每轉脈沖數可以是1200﹑1024﹑960﹑600﹑500等任意整數，根據計量輪切邊周長(如果電纜與計量輪不是切線接觸﹑而有弧度包角時，等效周長為計量輪接觸半徑加電纜半徑換算所得)，可以折算電纜運行每走一米時，對應的編碼器轉動的角度和圈數，換算為深度系數(每米脈沖數)，深度測量就是將編碼器輸出的兩路可辯向脈沖做加減計數(同向運動加，反相運動減)后，除深度系數得測量深度。井口馬達的方法，通過電纜經過的天地滑輪的齒輪咬合，使電纜運行和馬達電機轉動同步，早期的深度測量辦法，就是利用放置在井口的﹑和電纜同步運行的﹑同步馬達主電機，所輸出的電信號，經過電線，驅動放置在測井車上的同步電機從馬達轉動，再帶動機械軟軸深度計數器，或聯動的一個增量式光柵編碼器，二次輸出編碼器信號進行深度計數；同步馬達電機和天地滑輪同步，和電纜運行緊配合，由于電纜倒角受力，即便是在冬季，電纜結冰也不容易打滑，所以同步馬達在勘探測井﹑射孔測井等對深度參數要求嚴格的情況下使用較多；但是，由于同步馬達需要天地滑輪，設備笨重裝卸不便，加之需要主從兩個馬達電機，所以現在傳統意義上的所謂雙電機的“同步馬達深度測量”法已不多見。目前，比較流行的辦法，是只使用用一個同步電機主馬達，馬達輸出的三相工頻調制信號，經過電路分理和數字化A/D轉換，一樣可以分析出馬達運行的位角狀態，然后和編碼器深度測量法一樣，通過電子化的‘虛擬同步馬達從電機’解算出的位角變化，可以測量出電纜運行的深度狀態。由于同步馬達從機虛擬電子化，只要信號完整不變形，那么主馬達輸出的驅動功率可以大幅度減小，馬達供電的工頻電壓完全可以從AC110V降到AC24V，這有利于同步馬達電機設備小型化，同時，也符合油井現場低壓防爆的發展趨勢。

在石油測井領域，編碼器深度測量法完全普及，作為行業標準存在，而同步馬達深度測量法在個別油田區域性存在，同時也是勘探和射孔測井的重要保證。

石油測井中深度測量的工作模式

石油測井中，測井曲線和測量深度一一對應，但測井成果的文件記錄，和各參數采樣，與深度測量的工作模式各不相同，集中體現在，有兩種不同的深度測量模式，一種是傳統的3700深度模式，一種是時間驅動模式。

20世紀90年代初，西安石油儀器總廠最早引進了3700地面測井系統，對我國石油測井儀器的發展，起了很大的影響。其中，3700測井參數的采樣頻率，是以連續執行中斷的方法實現的，而中斷和編碼器輸出的脈沖信號同步相關，并通過編碼器信號分頻實現，比如電纜每走1米編碼器發出1280個脈沖，3700對它做128:1﹑64:1﹑32:1﹑16:1的分頻，就可以實現對隨電纜運行的井下儀，做每米10點﹑20點﹑40點﹑80點等不同密度的參數采樣，這就是傳統的3700深度測量模式，直到現在，在眾多的國產石油測井設備產品中，該模式仍大量存在。但是，二十多年過去了，隨著電子技術和軟硬件手段的快速發展，3700模式越發顯得先天不足，特別是它的深度測量對編碼器的每米脈沖數有嚴格要求，必須是2的冪次方的整數倍，相關編碼器和丈量輪直徑按規定配置，不符規定的不能隨意更換，這給設備兼容和維護帶來了不便，當出現因計量輪磨損直徑改變而有誤差時，當在測量中出現動態的因電纜彈性拉長等原因造成誤差時，系統不方便做線性化的和動態的校準，比如3700系統只能人為地隨機增加或減少脈沖數，造成了測井曲線深度的歪曲；另外，3700工作模式的深度測量，既不能自由設置采樣密度，也不方便做測井成果的二次加工，比如需要調整采樣密度二次展現時，無法通過室內作業處理來完成。

和3700深度測量模式不同，時間驅動深度測量模式，就是按時間順序高密度采樣，比如，早期先行的天津707所研制的石油測井地面系統，北京航空航天大學207電子工程系研制的DCLS系列石油測井地面系統，和北京紫貝龍科技股份有限公司研制的Unilog系列地面測井系統，在它們的測井數據原始記錄文件里，同時保存著深度﹑時間等多維參數，而圖形展現的測井成果，則是在原始文件的基礎上，可以在現場或室內﹑可以根據任意設置的深度采樣間隔生成，也即可以在室內二次改變設置實現新的虛擬現場的快速測井；這樣，在測井現場，因各參數采樣實際上是時間驅動，對編碼器的脈沖數和計量輪直徑就沒有了嚴格要求，每米脈沖數可以從幾十到數千之間任意變化，而且還可以保留數位小數，比如每米1276.6529個脈沖，軟件上，測井曲線可以根據實際情況做全井段均布深度拉伸﹑或分階段做深度伸縮處理，也可以根據張力變化動態校正井下儀工具所處的準確位置。上述三家的國產地面測井系統，它們沒有受到3700模式的條框約束，到現在看來是適應了時代的發展，另外，這幾家的產品，也都實現了運用單個同步馬達﹑和電子數字化處理，最終完成同步馬達深度測量的可備選方案，其中DCLS數控和Unilog數控在勝利﹑華北﹑中原﹑江蘇﹑南陽﹑冀東等各油田生產井測井中，都有廣泛的應用。

目前國內主流的完井(或勘探井)地面測井設備，主要是引進的BakerAtlas阿特拉斯eclips5700地面系統﹑和Halliburton哈利伯頓EXCELL2000地面系統，5700繼承了3700的深度驅動模式，而2000則采用標準的時間驅動模式，兩家站在行業的潮頭，典型代表了石油測井系統深度測量工作模式的兩大分支。

在測井系統的設備配置上，和深度信號采集相關的設備單元也各具特色，其中5700系統，深度信號采集在地面系統的核心箱體--5752數據采集箱，外加擴展顯示窗口的5712絞車面板，5752深度采樣方式較3700有改進，但對編碼器脈沖數仍有嚴格要求；5712界面為Win98/XP桌面的10寸觸摸屏，窗口參數顯示包括編碼器深度﹑磁記號深度﹑速度﹑井口張力﹑差分張力﹑井下纜頭張力等，數據刷新頻率4Hz。EXCELL2000地面系統，它配套的深度單元是SDDP-A/B絞車面板﹑或WSDP(IQ)絞車面板，其窗口顯示的參數和5712相當，因2000絞車面板自帶編碼器﹑張力﹑磁記號等信號的采集，所以它們是可以獨立工作的，當它們和2000地面測井系統配套使用時，通過IEEE488[1]的GPIB接口，和2000地面數據采集單元聯機，每隔10mS傳遞一幀深度速度張力等參數信息。

Unilog2000生產井數控測井系統，深度采集單元集中在標準機架式的預處理單元箱，在這個箱體內，配有兩套深度采集單元，一套是箱內核心機籠插槽內的FPGA深度采集模塊，一套是箱體前面板上安裝的16位單片機[2]深度采集單元，兩套深度單元都具備獨立的工作模式，也可以聯機運行；其中，單片機深度采集直接和編碼器深度傳感器連接，其信號經正交去抖后引入CPU采集，而FPGA深度模塊的信號輸入，需要通過軟件窗口程控，可以選擇單片機單元輸出的編碼器信號，也可以選擇機籠插槽內硬件生成的仿真編碼器深度信號；Unilog2000數控系統，測井時圖形走曲線可選時間驅動﹑仿真深度驅動，或真實下井深度(編碼器信號)驅動。

Unilog2000測井中，儀器下井或出井時，測井系統主機不工作，只要預處理單元箱體上電，單片機深度系統就可以單獨工作，當井下儀下井到目的層后，測井系統主機開機，或者，當測井系統的深度驅動由仿真深度驅動或時間驅動，轉向真實的深度驅動時，那么FPGA深度模塊通過RS232向單片機索取當前井下儀深度位置，然后和單片機并行運行。聯機工作時，使用單片機的16鍵小鍵盤，在井下儀運動和測井停止時，給單片機設置的當前深度﹑深度系數，和用小鍵盤在大深度位置自動反算的深度系數，通過RS232，可以覆蓋FPGA深度單元相關的參數設置，反之，使用上位機鍵盤設置的當前深度﹑深度系數，也可以覆蓋單片機單元對應的參數設置；單片機單元的設置參數經過帶I2C接口的E2PROM芯片保存，FPGA深度單元的參數設置經過上位機電腦硬盤文件保存。

在Unilog2000的井口馬達工作模式，首先通過小鍵盤，將單片機的深度測量模式由編碼器轉換成井口馬達。馬達信號在單片機模塊上，經過電路預處理﹑A/D采集﹑及軟件處理，解出馬達轉動的位角變化和電纜深度數據，并在單片機模塊的窗口上顯示相應的深度速度信息，同時，單片機通過HSO快速接口，輸出每米2560脈沖的方波信號，這個信號的頻率數，和電纜運動速度精確對應，然后，再分相分頻，見圖3.，得到兩路相位差90°正交的﹑每米1280脈沖數的虛擬編碼器信號，輸送給FPGA的深度單元。

圖1. Unilog2000數控預處理單元箱前面板

絞車面板深度測量

絞車面板是安裝在絞車操作臺上的，供絞車操作員使用的電纜計量裝置，是測井車﹑拖撬﹑或打撈車的絞車操作的配套測控設備。絞車面板測量深度﹑速度﹑張力﹑差分張力四個參數，其中深度﹑速度公用一個增量式光柵角位移編碼器傳感器，或公用一組井口馬達電機信號，張力﹑差分張力公用一個拉力傳感器。

CM-3系列[3]絞車面板主要電路組成

CM-3系列絞車面板采用80C196單片機[2]，程序片選用8K字節的可擦除E2PROM芯片AT28C64，現場可恢復及掉電保數使用鐵電存儲器FM1808，鍵盤管理與數字顯示采用傳統芯片8279,主要電路結構圖2.。

圖2. 16位單片機深度測量的CPU連接原理圖

深度與速度的編碼器信號測量

編碼器信號正交去抖。編碼器輸出的脈沖信號，會因編碼器產品質量和環境干擾等原因，出現不標準或干擾和尖刺，在接入采集之前需要做校正處理。CM-3系列絞車面板的電路，均對編碼器信號做了正交去抖處理，如圖3.其中編碼器輸入信號經施密特整形后做簡單RC延遲，再經74HC86對脈沖信號做上升和下降的雙邊沿檢測，然后輸入兩個D觸發器,對正交存在的encod-A和encod-B信號做正交去抖，去抖結果在IC4(74HC74)的5腳﹑9腳輸出，對應波形A-D(encod-B)和B-D(encod-A)如圖所示。

編碼器信號的深度速度測量。CM-3系列智能絞車面板，成功研發于1997年，在當時8031/8051八位單片機使用流行的時候，使用了Intel80C196十六位單片機，由于其CPU強大的寄存器-寄存器的多累加器指令結構，和先進的16位乘法與32位/16位除法的硬件指令，加上軟件匯編可以方便地實現48位/32位的除法運算，使該型絞車面板和以八位單片機為核心的眾多型絞車面板相比，有許多先天的優勢，除了測量量程大，精度高，操作方便之外，其突出特點，就是計算能力強和速度快，得益于這個優勢，使得設計絞車面板時，將深度測量的基本計量單位設計成原始的編碼器脈沖數物理量，僅在面板窗口顯示的數據刷新時，即時通過除法運算將物理量轉成工程量；而當時，一般八位單片機的絞車面板，其存儲器中采集的深度計量單位都是將編碼器脈沖數轉換成工程量的某某某米數，這樣從計算上，CM-3絞車面板直接避免了“物理量-工程量”的轉換誤差與誤差積累。

通常，八位單片機采集深度編碼器脈沖數的方式，是將單片機的硬件計數器，設計成可中斷的重載計數器，重載預置參數設置成對應的編碼器每米脈沖數的1/N，也即，軟件參數的設置，和每米脈沖數設置綁定，并要求脈沖數是N的整數倍，計數器中斷一次，然后二次計數器加一，對應電纜運行1/N米，實際上1/N是這種設備測量工程值的最小單位和分辨率，比如電纜每走1米編碼器發出1280個脈沖，那么計數器重載參數為128，N=10，計數器每中斷一次，電纜運行0.1米。顯然，常規八位單片機核心的絞車面板，它的深度測量方式和測井地面系統中傳統的3700深度測量模式相當，而這種方式測量的工程值分辨率小轉換誤差大，誤差積累也很明顯，對射孔測井等精確測深的要求適應差，盡管它們都增設了每千米電纜矯正量，但校正不線性，也不準確。

圖3. 編碼器信號正交去抖、和井口馬達虛擬編碼器脈沖信號的生成

CM-3系列智能絞車面板使用intel80C196核心，該單片機芯片上自帶一個16位加減計數器T2，可根據T2up/dn--Pin33管腳電平的高低變化自動完成計數器累加或累減。將編碼器信號與T2clk--Pin44管腳連接，將D觸發器鑒別的編碼器方向信號與Pin33管腳相連，軟件對T2計數器設置開中斷，另外軟件配置一個LA的32位雙字長整形變量，將其中16位低字變量LAD和T2計數器鏡像等值，當T2上溢中斷，T2脈沖數累加夠65536個脈沖數，中斷子程序將16位高字整形變量LAH加1，當T2下溢中斷，表明脈沖數累減夠65536個脈沖數，中斷子程序將16位高字整形變量LAH減1。T2中斷的子程序也非常簡潔，如下:

TIMINT2:PUSHA

LD LAD,TIMER2

JBC LAD+1H,7H,ALA

DEC LAH

POPA

RET

RST

ALA: INC LAH

POPA

RET

RST

由于T2加減計數是自動的，T2中斷一次相當于電纜運行數十米，80C196計數器T2中斷的次數，比一般八位機深度采樣的計數器中斷的次數低兩個數量級，而且由于子程序簡單，中斷所占用的指令周期數近似忽略不計。這樣，CM-3系列的絞車面板，實際上它不再局限于深度系數的大小，系統只用按照系統時鐘(間隔?秒)，定時刷新LA雙字整形變量【只執行“LD LAD,TIMER2”一個指令】即可，所以，它的深度采集，使用了非傳統的八位機通用的深度采集模式，其實就是時間采樣，簡單又可靠。

速度測量，是在每隔?秒時，將當前讀的LA變量，與上一次讀得的LA’變量相減，得到變量差變量VS(16位整形字)，然后累計連續四次的差變量，得一秒內編碼器脈沖數的變化量，然后轉換成“米/小時”﹑或“米/分鐘”單位即可。

深度速度顯示。絞車面板數碼管顯示深度六位數，根據數值的大小，浮動保留一位或二位小數(內部計算精確到四位小數，即0.1mm)；速度顯示5位數，保留一位小數顯示時單位是m/min,全部整數顯示時單位是m/h,單位設置和報警速度設置同步。顯示數據刷新頻率4Hz，和5712相當。

CM-3系列絞車面板深度和深度系統的同步校深。由于CM-3深度測量的內存變量,是編碼器發出的原始脈沖數，在測井大深度段，如果能夠明確當前位置的準確深度值，可以以此反算校正深度系數,實現既校深度又校正深度系數的同步校深。同步校深反算的深度系數，為8位有效數，其中保留四位小數，精確到1萬米有一個脈沖數的誤差。面板實際操作順序為：按下“深度”﹑“系數”鍵，數碼管第一至第七位顯示當前所測量的深度，第八﹑九位顯示“L.＝”，然后，可從高位到低位依次鍵入當前的標準深度值，鍵入的數字在窗口第九位后依次顯示，輸入完畢后按“深度”或“系數”鍵確認，然后深度顯示即為校正后深度，同時，單片機保存的深度系數自動更新為校正后的數值。

張力與差分張力測量。張力與差分張力測量方式：CM-3絞車面板的張力信號輸入為0～5V模擬信號，80C196單片機上有0～5V輸入的10位A/D采集接口，為了保證張力采樣精度，軟件上做了32次的劃船式平均值處理，得到Σ-Δ型的準15位的張力平均值采樣，再乘張力系數，得張力工程值。

程序軟件設HSO軟件定時器，定時一級時鐘為1/16秒，定時器中斷，子程序讀取前一次張力A/D結果，然后打開下一次A/D采集。系統將前兩秒內32個A/D結果累計，作為當前的一秒鐘之前的平均值(即張力采樣)，拿最新一次的A/D結果，與1秒之前的平均值差分，得1秒鐘內張力的變化量，即差分張力的采樣結果；然后，將最新A/D的采樣結果，替換到2秒以前最后一次的A/D采樣的內存空間中，完成數據更新。

張力顯示位5位數碼管，顯示數據工程值單位位kg，數據刷新頻率和深度速度顯示相同，為4Hz。差分張力輸出給59C23型-5V～0～+5V雙擺指針表模擬量顯示[CM-3A小面板是兩列光柱顯示]，滿量程為500kg，顯示刷新頻率16Hz；單片機通過PWM方式實現數字量和模擬量的轉換，見圖4.。

圖4. 差分張力數模轉換圖

張力系數的常用設置。張力系數是張力傳感器滿量程時(輸出最大信號5V)，張力顯示的最大數據，因為張力單位選kg,為了和國產張力計參數保持一致，所以張力系統以噸為單位，設置范圍為0.100～32.760(t/5V)。張力系數和深度系數一樣，可以在絞車面板上用小鍵盤直接輸入，實際操作：按下“系數”﹑“張力”，顯示窗口1～6位數碼管顯示之前的張力系數，第八﹑九位顯示“F.＝”，然后，可從高位到低位依次鍵入新的張力系數，鍵入的數字在窗口第十一位后依次顯示，如果預置張力乘系數小于1.000，第一鍵直接按“.”鍵，系統默認按下了‘0.’，數值輸入完畢后按“系數”或“張力”鍵確認。

在測井中，張力計(傳感器)一般安裝在天滑輪或地滑輪上，電纜經過滑輪受力倒角α，如圖5，根據受力分析，張力系數F.和張力傳感器滿量程參數M關系如下：

圖5. 地滑輪掛張力計的示意圖

為了便于現場操作，絞車面板增加了夾角為α的﹑10噸張力計(M=10)的張力系數角度輸入法，按正常張力系數輸入的方法，以整數的形式輸入夾角α,系統自動查表換算出對應的張力系數。這里，α輸入范圍為1°～162°，輸入時，不能夾帶小數點，否則系統默認直接輸入張力系數F. 。如果系統不是使用10噸傳感器，可以先按10噸傳感器的辦法先輸入α夾角,完畢后再按“系數”﹑“張力”鍵，查看已算好的﹑10噸時α角的張力系數，然后按比例換算實際噸位的張力系數，重新輸入即可。

張力兩點刻度。在2006年，根據現場需要，輸入張力系數的辦法，又增加了張力兩點刻度。張力系數的三種輸入方法，最后操作的占先。這樣的功能，在unilog2000數控的單片機深度單元，和“WCU3000智能數控絞車面板”上，都得以實現。

張力兩點刻度操作，按“張力”﹑“系數”鍵 ，1～6位數碼管顯示當前張力A/ D轉換的代碼值,7～11位數碼管顯示窗分別顯示“CAL 1=”或“CAL 2=”，分別是第一點刻度或第二點刻度，輸入每點刻度的工程值，輸入時，輸入的數字依次在12～16位數碼管顯示出，輸入的工程值單位是kg，輸入范圍0～65535，輸入小數點﹑“－”﹑或其它非數字鍵表示輸入完畢[5]。兩點刻度后，可檢查或設置修改張力加常數，連續按“系數”﹑“張力”﹑“0”鍵，1～6位數碼管顯示當前張力加常數，7～11位數碼管顯示窗顯示“FEb=”，隨后設置新的張力加常數，設置方法和設置修改深度的方法一樣。

井口張力對零：測井中為了讓絞車面板顯示相對井口時電纜重力的變化量，可以當儀器在井口吊掛和深度對零時，按“張力”﹑“0”﹑“張力”鍵，進行張力初值對零操作，該操作僅在當前深度顯示小于200米時有效，并記錄井口張力初值。在其它深度位置，按“張力”﹑“0”﹑“張力”鍵，張力顯示為當前值與井口初值之差，按“張力”﹑“1”﹑“張力”鍵，則撤銷減初值顯示。

同步馬達深度速度測量

在同步馬達深度測量模式，同步馬達轉子接收AC110V工頻信號交流電，定子次級輸出星形連接的{MV,MU,MW}三相工頻調制信號(最大開路電壓50±2V)，這三相信號工頻解調后，為分別相差120°的正弦波信號。同步馬達信號預處理，如圖6.圖7.。首先通過開關三極管解出工頻同步SYN50Hz，通過74HCT123解出工頻正弦波90°角波峰時的1mS開門電平，然后開門電平與采樣保持芯片LF198相連,在1mS的開門時間內，解出工頻解調的三相相位正弦波信號：V=A＊sinφ，A＊sin(φ+120°),W=A＊sin(φ-120°)；因(U-W)=＊A＊cosφ，所以理論上通過V和(U-W)可以解析出φ。

圖6. 同步馬達信號電路預處理

圖7. 同步馬達信號相位邏輯關系圖

如圖7.，P(U-W)方波是(U-W)余弦信號零檢電平邏輯，P(/V)方波是V正弦信號的零檢電平邏輯，“P(/V) xor P(U-W)”異或門方波信號的邊沿和V正弦波的0度～90度～180度～270度～360度對應。由于80C196單片機A/D輸入為0～5V正信號，所以V正弦波經U7﹑U8做絕對值變化，輸入單片機A/D(CH2)。由于正弦波波峰值因工礦不同大小不一，因此每次采樣后，要比較判斷提取最大值，作為正弦波最高基值，90度位角時實測值與最大值比為1.0，其它比值時查表得0～90度的位角大小，然后，通過單片機P1.6腳P(/V)電平﹑和P1.4腳異或門輸出電平的鑒別，就可以準確確定φ位角在一周0度～360度之間的準確定位。

在同步馬達深度測量模式，80C196單片機程序軟件設HSO軟件定時器，定時一級時鐘為1/128秒，在定時中斷子程序中，井口馬達信號和張力信號交替A/D采集，對應馬達信號V--A/D(CH2)的采集周期是1/64秒，由于電纜天地滑輪和井口馬達齒輪咬合比為1:4，即電纜走一米馬達轉動4周，當電纜最大運行速度小于19.2km/h時，每1/64秒井口馬達最快轉動1/3轉，也即兩次解算馬達位角差變化最大小于120度，如果實測的數值大于120度，則認為位角有新增360度的解算變化，即有跨周期的位角變化。因此，設計井口馬達解算適應電纜的運動速度范圍0 ～ ±19km/h，相關產品向用戶提供的操作技術要求，限制電纜最高運行速度小于18km/h，推薦最高限速15km/h [6]。

在同步馬達深度測量模式，位角變化虛擬對等編碼器脈沖數，每轉360度角虛擬320個脈沖數，每米電纜軟件虛擬1280個脈沖，相關深度測量的深度預置，和深度系數設置﹑同步校深，和編碼器深度測量模式一致，設置方法相同；如果天地滑輪參數和電纜直徑都是標準型號，那么深度系數應該是1280.0000,如果有出入，那就是接近1280的一個小數，具體大小需要在標準井上校對反算。

在同步馬達深度測量模式，編碼器深度測量模式被關閉，在該模式下，unilog2000數控預處理單元的單片機模塊，具有馬達深度信號轉化為虛擬編碼器正交雙脈沖信號的能力(見圖3.)，提供給FPGA深度模塊做深度采集；WCU3000智能數控絞車面板只有同步馬達深度信號接收能力，但不具備虛擬轉換編碼器正交雙脈沖信號的能力。虛擬脈沖輸出的過程，利用了80C196單片機高速HSO.0接口的‘鎖定T2時基比較觸發電平變化不中斷’，同時設定‘T2鎖定計數連續溢出復位不中斷’，而T2定時器重載參數，和T2時基比較參數，與解算的同步馬達位角變化量的解算值﹑和與對應的虛擬編碼器脈沖個數相關；相關具體賦值設置，都在1/64秒刷新頻率的中斷子程序中完成。

單片機深度測量在絞車面板和地面測井系統中應用效果

自從1997年80C196單片機在絞車面板上使用之后，當時行業里對‘電纜丈量儀計量輪加工的技術保密’，就馬上變得沒有任何意義，因為80C196單片機系列的絞車面板，已經不受計量輪周長和編碼器脈沖的限制，可以自行校正深度，而且精確度顯著提高；并且從南陽到廊坊，兩次工廠化地編外生產過上百套‘CMC’型﹑‘HM-3’型﹑‘CM-3’型﹑‘CM-3A’型智能數控絞車面板，給生產電纜測井車的華美員工，帶來了福利；同時，也給各油田用戶帶來了成果，比如克拉瑪依白堿灘打撈隊，使用Φ5.6電纜，在5600米的井下打撈，電纜彈性拉長40米,如果沒有深度校正性能良好的HM-3型絞車面板,那么將是非常困難的。

從普通絞車面板，到Unilog2000地面測井系統，包括RS232通訊﹑軟件實現I2C﹑CRC校驗﹑同步馬達信號虛擬轉換編碼器信號等，80C196單片機深度測量模塊的功能逐次升級完善，而且測量精度完全符合行業標準要求，雖然這種應用實現已經過去很多年，但是這種應用現在并不顯得落后，起碼在測量精度上，和WSDP高檔絞車面板有的一拼；雖然，常用的進口地面測井系統配套的專業絞車面板，都是WinXP平臺觸摸屏化，界面很友好，80C196核心LED數碼管窗口的絞車面板有些落后，但是，和常規的絞車面板相比，其操作的靈活性和便捷性，即便在現階段仍然實用，一些老用戶，目前仍有這些老產品的使用需求。

絞車面板及深度測量發展展望

畢竟，單片機繁榮的時期已經過去，現在已經是FPGA和ARM崢嶸的年代，但是，相關的深度采集的方法技術，在現階段乃至有限發展中，并沒有落后，這些技術還是要使用的。比如預期新的絞車面板，將采用STM32芯片，具備“ARM 32-bit Cortex-M4 CPU with FPU”核心，具備強大的DSP運算能力，芯片上有自帶正交去抖的多路編碼器信號輸入，可以實現WSDP特有的能夠防止計量輪打滑的雙路編碼器深度信號輸入的測量方式，另外STM32芯片，自帶LCD-TFT控制接口，方便連接觸摸顯示屏，實現結構更簡單﹑功能更強大﹑界面更友好的新一代深度測量絞車面板。

（作者單位：北京紫貝龍科技股份有限公司武漢研發中心）