刘磊 刘立军
西安思坦仪器股份有限公司，陕西 西安 710065
摘要：在测井操作过程中，无论是电缆张力测量还是井下仪器串张力测量，都是测井操作人员在遇阻或遇卡发生时进行正确判断状况，做出解决方案采取正确措施的重要依据。根据目前主流张力仪器结构，若使用应变片传感器测量张力，仪器结构将比较紧凑，但关键结构须由协作厂家定制，且存在平衡腔的问题；而位移传感器结构，芯杆、弹簧结构相对简单，但是对于两部分之间的柔性连接是设计难点，结合以上结构的优缺点设计出两个张力传感器串联结构的张力测量设备。该设备传感器与仪器相对独立；张力测量段有的两个张力传感器，根据仪器串的实际受力状况一个测量压力、一个测量拉力。
关键词：张力测量；井下测井仪器；张力传感器
中图分类号：Z89 文献标识码：A 文章编号：
在实际测井中会出现下放时遇阻或上提时遇卡现象，而且在上提过程中难以区分是电缆遇卡还是仪器遇卡。如果不能根据真实状况采取正确的措施，就会造成电缆被拉断或仪器掉入井内，严重影响测井任务的顺利完成，增加测井成本。正确判断是否电缆遇卡还是仪器遇卡，对提高测井效率及降低测井成本有着重要的意义。在仪器串前挂接张力短节用以实时测量仪器串的张力，该数据和电缆张力的数据结合分析更好的反映仪器串在井下的状况。
1 背景概述
在生产测井过程中，一般在天滑轮与游动滑车之间固定一个张力计，其由引线和绞车面板相连接，张力计通过与井口天地滑轮的配合把测井电缆的张力变化转化为电信号发送给绞车的张力面板，信号在处理后进行显示或通过地面仪器进行数据记录。通过电缆张力的变化，可以判断井下仪器串和电缆的运行情况，但是无法清楚地知道仪器串内部的张力变化状况。通过在电缆头挂接张力仪器便可以实时测量仪器串的张力，从而更好的反映仪器串在井下的张力变化状况。
当仪器串在某处遇卡时，电缆张力剧增，遇卡张力将传到测力传感器上，测力传感器输出值的变化可以反映出仪器串的遇卡情况，其数值可以帮助地面系统操作员随时对井下仪器串的受力情况进行监测；井下张力计测试的力与地面马丁代克上张力计所测的电缆张力既有联系又有区别。若仪器下放过程中遇阻，地面马丁代克测得的电缆张力值与井下张力计测得的仪器张力值都将发生相应的变化，地面马丁代克的张力值变小，而张力计所测的张力值沿负值方向变大，根据此变化可以判断是井下仪器遇阻。在仪器上提过程中，如果是电缆因泥浆粘连而遇卡，地面马丁代克的张力值急剧变大，张力计所测的张力值变化不大；如果是仪器串遇卡，地面马丁代克张力值和张力计测得的张力值同时急剧增大。张力计的缆头张力可以提供井下仪器串的受力情况，它与马丁代克所测张力配合，以判断在测井上提时是电缆遇卡还是仪器遇卡，这样可以给操作人员在解决问题时提供数据参考，根据实际情况采取相应的措施。在测水平井时，它既可以反映上提时的拉力，也可以反映下放时受到的压缩力，以便进行地面控制。
2 国内外现状
一般张力仪测量原理类似于井径仪测量中的位移传感器原理，依靠芯杆在位移传感器中的位置的不同间接测量张力大小，仪器设计弹簧结构在有限的量程内满足测量张力的要求；由原理及测量方法可知仪器由两部分组成，一部分用以压缩测量弹簧及安装芯杆，一部分用以安装位移传感器及处理电路部分；两部分柔性连接，使得仪器在测量过程中不存在压力差的作用。但是此种设计结构复杂密封面较多，对弹簧的精度要求高，柔性过线结构是设计的难点，若弹簧在长期使用后发生塑性形变对测量结构影响极大，此类型仪器代表如Sondex HTU008、Sondex HTC002。
还有一种原理通过设计压力随动的平衡系统，如活塞式平衡系统或皮囊式平衡系统，将应变片固定于平衡腔内部拉力轴上，排除外压作用使应变片只受仪器串轴向力作用来实现张力的测量，此类型仪器的结构复杂，维护要求高，对应变片的要求高，而且由于仪器内部压力同外部压力是在一定的范围内波动平衡，变形件仍然会波动的受到压力差的作用，测量精度不能保证；此类型仪器代表如中油测井的缆头张力、井温、泥浆电阻率三参数组合测井仪、HALLIBURTON公司的RWCH-2000型可释放式电缆头张力仪、威盛电子在研的张力仪等。
3 技术原理
参考目前主流仪器，使用应变片压力传感器测量张力，此方法需要使用压力传感器，传感器安装在被测件上，依靠被测件在力作用下的微量形变测量力的大小；传感器与安装传感器的变形件要由专门厂家定制；由于传感器的测量原理限制，要达到可靠的精度安装传感器的变形件应只发生被测量力作用下的微量形变，在张力短节中来说变形件就只能受到下接仪器串在重力或仪器串遇阻后的实时的力，如此变形件就不能受到环境压力的影响，即不能存在压差。通过分析可知需要设计一套压力随动的平衡系统，或活塞式平衡系统或皮囊式平衡系统，如此则仪器的结构将大大的复杂化，而且由于仪器内部压力同外部压力是在一定的范围内波动平衡，变形件仍然会波动的受到压力差的作用。
还可以设计类似于井径仪中的位移传感器原理，依靠芯杆在位移传感器中的位置的不同间接测量张力大小，这样就需要设计一套弹簧结构在有限的量程内满足测量张力的范围，由原理及测量方法可知仪器将由两部分组成，一部分用以压缩测量弹簧及安装芯杆，一部分用以安装位移传感器及处理电路部分；两部分的连接应该是柔性的，使得仪器在测量过程中不存在压力差的作用；经过实际验证，此结构对弹簧要求极高，柔性过线方法在实际应用中也存在不确定性。
通过比较可知就结构而言，若使用应变片传感器测量张力的方案，仪器结构将比较紧凑，但关键结构须由协作厂家定制，且存在平衡腔的问题；芯杆、弹簧结构相对简单，但是对于两部分之间的柔性连接是设计难点。
4 仪器系统结构
结合原理分析，将现有技术比较后结合以上几种方案的优缺点设计系统结构为两个张力传感器串联结构，传感器与仪器相对独立；在仪器工作时仪器串的张力通过张力仪的张力测量段传入张力传感器中，由张力传感器实时监测仪器串的张力变化情况，张力测量段有的两个张力传感器，根据仪器串的实际受力状况一个测量压力、一个测量拉力。
仪器工作原理如下图，张力仪可以看成两部分，且两部分在轴向力的作用下可以产生微量位移，在仪器串力的作用下拉力轴保持相对静止，且放置传感器的腔体轴向长度固定不变，当仪器受到拉力时，仪器两部分产生微量位移（0.2mm）拉力轴保持静止，拉力传感器所处轴向长度有变小的趋势从而受到力的作用输出数据；同时压力传感器所处的轴向长度不变不受力，不输出数据。
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本结构包括两个张力传感器，分别测量拉力和压力，传感器安装在拉力轴台阶两侧。本结构张力测量精度高，仪器张力的测量精度与接收传感器的精度高度一致；仪器结构紧凑，易于维护，可靠性高；张力的数据不受环境压力的影响，因为仪器在使用过程中环境压力不会对张力传感器造成影响，而下挂仪器串张力的变化却能反映到张力传感器上，从而使得张力的数据不受环境压力的影响。
参考文献
[1]刘士彬，陈国栋，刘福宝，赵国华.一种井下测井仪器的张力短节:中国，CN200520085149.0[P].2005-07-07.
[2]华北测井研制井下仪器张力标定仪[R].仪器仪表用户,2013,2:22.
作者简介：刘磊（1983—），男，汉族，陕西西安人，工程师，硕士学位，现从事石油仪器设备开发工作。