【摘 要】 本文阐述了综合录井仪在钻井过程中可以连续监测工程参数变化，为钻井安全施工提供有力保障。井深的不准确无疑会造成其他诸多参数的失真，影响正常的录井工作。从井深深度参数取得、跟踪原理出发，分析产生井深误差、无规律跳变、深度不跟踪等故障的原因，研制采用更新电路板设计等方法有效解决了综合录井仪深度系统的问题，保障了设备生产数据采集准确，运行完好。
【关键词】 综合录井仪 井深跳变 供电电压 信号采集
1 SK-2000系列综合录井仪简介
SK-2000系列综合录井仪是集石油钻井、地质勘探、传感技术、微电子技术、计算机技术、精密机械、色谱分析、集装箱制造技术、强配电及UPS等多种技术于一体的高新技术产品。在钻井过程中可以连续监视油气显示情况，并对显示做出解释评价；搜集分析岩屑样品，建立钻井地质地层剖面；实时采集钻井工程、钻井液、地层压力等各种参数，显示各种钻井工作状态画面和图形，具有贮存、处理、打印近几百项数据及井场信息各种资料处理功能。
SK-2000系列综合录井仪包括有：采用国际标准的20多套各种电流型传感器。配备具有极好的线性指标、国际领先技术的色谱分析系统，技术先进的各种地质仪器，适应不同环境要求的脱气系统装置，采用智能模块化的数字通讯技术的信号处理接口系统，高性能、高水平计算机硬件系统配置和采用windows操作平台，可扩展局域网的联机采集系统和先进的脱机处理系统软件。
2 井深深度参数取得、跟踪的原理
井深无疑是一台综合录井仪器至关重要的参数，井深的不准确无疑会造成其他诸多参数的失真。SK-2000综合录井仪井深跟踪是由安装在钻机（绞车）滚筒轴上的绞车传感器测量钻机大绳收放时滚筒的角运动来监测大钩垂向运动，通过采集、经过绞车参数的换算计算出大钩的位置变化、钻头位置以及井深等参数。
具体工作方式是当滚筒转动产生角位移时，传感器的转子随之产生位移，传感器输出一组相位差为90°的脉冲，该脉冲在数据接口或计算机的处理下，转变为大钩的位移变化。因此现场一般情况下要收集输入大绳、滚筒的相关参数（如图1）：
绞车传感器是由一个定子部件和一个转子部件组成。定子部件为一个金属圆盘外壳，其上并排安装有两个马蹄形邻近探测头；转子部件为一个具有12个方齿的齿轮。在安装传感器时，转子与滚筒轴被固定在一起，定子部件固定不动，当大钩上提下放时，滚筒转动，转子随之转动（如图2）。
绞车传感器常用的有光电藕合式及临近式：
（1）光电耦合式绞车传感器的电路原理图如图3
图中发光二极管发出红外线，光敏二极管接收。二者集成在光电耦合器感应探头中。图中的其它电路都集成密封在传感器上。当遮光片（光齿）随绞车轴转动时，分别阻断、导通光电耦合器中的红外线，使绞车传感器输出脉冲信号。
遮光片（光齿）采用圆盘状十二齿结构，根据光齿结构将光电耦合器感应探头在安装位置上进行设计和调节就可以使A、B两脚输出相应位差为90°的脉冲信号（如图4）。
（2）邻近探头式绞车传感器：邻近探测头实际上是1个无触点开关，它由一个振荡器组成。在振荡线圈感应面的前方产生一个交变电磁场。当有金属片接近振荡线圈时，探测头附近的高频磁场在金属片中感应出涡流，造成较大的能最损失，输出一个低电压信号；当金属片远离振荡线圈时，探测头附近的高频磁场的能量损失较小，此时输出一个近似于传感器振荡线路供电电压的高电压信号。
当大钩运动时，传感器转子部件随滚筒一起转动，转子齿轮的齿与齿间空交替地通过探测头前方，使探测头电路输出一系列高电压与低电压相间的脉冲信号，这些脉冲信号被送到信号处理放大器和单稳线路中加以处理，从而得到滚筒的角位移信号。
绞车信号由SK-7J02A绞车接口板中A1、A2两块板子共同完成处理。其中A1为CPU板，有与计算机通讯的串行口及向计算机输出数据的并行口，并输出0～10V直流信号代表绞车计数值0～9999；另一块为A2板，能够对绞车传感器输入的信号（两路相位差90°的信号）进行整形、倍频、计数及显示，并有对绞车计数进行预置的功能（如图5，6）。
从绞车传感器输入的两组相位差为90°的A、B脉冲信号进入电路板A2的d2、d4两脚，通过方向转换设定开关S1（S1的作用是：如若此开关设置在向左位置，对应d2—1、d4—2时若为加法计数，则将S1向右拨动后即为减法计数（即d2—2、d4—1），这是A、B两个脉冲信号有90°相位差的缘故，反之则反），从S1输出的脉冲信号进入A2板光电耦合器TLP521，也称光电隔离器，具有一定的抗干扰能力，A2板后一级的4093B是一块与非施密特触发器电路，它有低耗、抗高噪声的功能，并能对输入信号进行整形。另一方面，这块电路另外两个与非单元驱动面板上D1、D2发光管用以闪烁显示。从A2板4093施密特触发器输出的二路信号至后级A2板的4538单稳电路，调整输出脉冲宽度10μs（使信号在频率高时，相位上互不重叠），然后进入4086倍频，再进入4001和4011电路组成的逻辑电路把信号转换成一路计数信号；一路计数方向信号。当一路信号缺失时，计数信号仍正常输出，而计数方向将在下个计数信号后改变，因此计数值将锁定在原值±1的范围内。
A1板由4片4511组成可预置（用拨盘置，两只预置确认开关同时按下确认置数值）双向可逆十进值计数器，输出16位BCD码，计数值一路送A2板的4片4510组成显示驱动电路，使LED数码管显示；另一路通过A1板IC12、IC13，输出信号再分为两路，一路直接送A1板CPU，CPU收到信号处理后，送出PWM信号，经过滤波和放大电路后，输出0～10V模拟量输出。另一路经A1板送出串口信号，由max232芯片转化成标准232电平，输出到计算机。
采集软件的计算过程：
计算机采集软件接收到由绞车板送来的标准232串口信号（或0-10V模拟信号）后，根据人工输入的绞车（滚筒）参数将绞车的角位移信号转换计算为大钩的垂直位移，根据悬重的变化换算出大钩高度、井深、井底上空等深度参数。
3 深度系统的校正
一般情况下，深度系统校验是以单根为基准，以打完全方井深误差小于0.2m为原则。但多数情况下是：全方井深打完正确，而每个单根的前1、2米钻时‘大’或过小，即钻头实际到井底而采集软件钻头未跟上或采集软件钻头已跟踪而实际钻头未到达井底，造成‘冲井深’（明显特征前2米钻时小），其根本原因是绞车参数设置不合理。
设置绞车参数的前提是：绞车系统正常。将实际滚筒直径、大绳直径（=实测大绳周长÷3.14×SQRT（3）/2，并非标称直径）、每层圈数、大绳股数、起始层数、剩余圈数等输入采集软件。
参数录入后若井深跟踪仍出现上述情况，要同时微调大绳直径和滚筒直径，一般调大绳直径1mm与调滚筒直径10mm对深度影响近似相等但影响范围不同，滚筒直径对整个单根有影响，而大绳直径对前半个单根影响更大。
4 深度系统故障原因及解决方案
SK-2000综合录井仪在现场应用过程中深度系统故障表现为：井深误差、深度不跟踪。井深误差最大可能就是绞车传感器丢码、滚筒参数发生了变化；深度不跟踪可以通过更换绞车传感器、接口板，检查绞车线路得到解决，如果不属雷击，串口损坏几率很小。深度系统很少出现但最难解决的问题：就是井深无规律跳变，少则几厘米，多的几十米，时而向上跳变，时而向下冲井深（2011年长庆2台SK-2000井深跳变严重，2012年1台CAN总线出现跳变）。有时更换绞车板、有时更换绞车传感器即可正常工作一段时间，换下的板件、传感器检查无任何问题，在其他仪器上可正常使用。
出现井深无规律跳变，存在原因及解决办法：
（1）干扰信号强（尤其电动钻机），普通抗干扰措施根本无法解决对绞车深度数字信号的干扰。加装隔离栅阻止干扰信号，通过隔离栅接入SK-8J06（1406C）绞车传感器。隔离栅供电利用线排24V供电，绞车传感器信号线接入隔离栅信号输入端，隔离栅信号输出经接在+24V的1K电阻提升信号后引入7J02A板。IS4016-EX隔离栅实际就是在信号输入、输出各加一级光电隔离电路（TLP521），中间有对脉冲信号的整形处理电路，可抑制掉不规则的干扰脉冲（如图7）。
（2）绞车传感器、接口板供电不良，连接线虚接产生脉冲信号。
对于出现录井深度跳变的仪器首先应该判断绞车传感器、接口板是否正常，信号线是否有接虚现象。如果跳变严重，可以考虑采取以下解决措施：出现井深跳变后，用万用表测量：提供给绞车传感器的5V供电是否过低（降至4.75V以下）。供电低的解决办法：
a、直接由7J02母板引线到接口线排，减少压降。7J02母板引线到接口线排一般是用40股的排线，芯线细；使用工作电流较大的1406B绞车传感器（8J05正常工作电流30mA左右，1406B达80-100mA）时会产生较大的压降，当绞车传感器供电低于4.75V时使得绞车传感器输出的A、B信号峰值下降，不能满足7J02A对信号的电平要求而出现跳变。此时更换引线及换用工作电流较小的绞车传感器；
b、提升7J02A对绞车传感器的供电。7J02A板的HDN5-24S05仅提供主板5V供电，而绞车单独由一块L7805稳压块单独供电，这样对绞车供电改造变为可能。把L7805由可调稳压块LM317替换（见图8），将绞车供电调整在5.1-5.4V，保证到达绞车传感器的电压在4.8V以上，即在一定程度上解决井深跳变问题。
按上图示电阻要求，输出约5.2V。R1 240Ω不变，R2在720-810Ω之间调整，可以保证输出电压在5-5.5V之间。图示1、2、3、分别接原来的（L7805）1、3、2。
井深跳变还有另外一个原因：采集机系统、采集软件存在问题或配置不当，采集机遭遇病毒。台CAN总线仪器出现井深跳变。CAN总线抗干扰能力很强，基本不存在绞车供电问题。考虑是否采集系统计算错误：可能系统病毒或硬件冲突造成。对采集机重做系统、配置采集软件，去掉多余的独立显卡而改用主板集成显卡后恢复正常。
以上是这些年来应用SK-2000综合录井仪对深度系统的浅薄认识、遇到的井深问题及采用过的解决方法，均得到了良好效果。
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