鈾礦無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王家躍

（核工業(yè)二九〇研究所，廣東 韶關(guān) 512029）

測(cè)井，也叫地球物理測(cè)井，是利用巖層的電化學(xué)特性、導(dǎo)電特性、聲學(xué)特性、放射性等地球物理特性，測(cè)量地球物理參數(shù)的方法。在鈾礦地質(zhì)勘查中，測(cè)井是非常重要的工作之一，鉆探施工結(jié)束后，開(kāi)展鉆孔γ 測(cè)井、井斜測(cè)井等工作，并通過(guò)資料的定量解釋?zhuān)蓽?zhǔn)確確定不同品級(jí)鈾礦層的厚度、品位和埋深，為鈾礦資源量估算提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐［1-7］。

我國(guó)硬巖型鈾礦主要分布于江西、湖南、廣東和廣西等南方地區(qū)，工作區(qū)基本處在偏遠(yuǎn)山區(qū)，雨水充沛，植被茂密，地形復(fù)雜，鉆探施工和測(cè)井作業(yè)等工作環(huán)境條件非常差，一般情況下都是采用75 mm 及以下小口徑鉆探工藝，測(cè)井作業(yè)也只能使用便攜式測(cè)井儀器設(shè)備。

目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的便攜式測(cè)井儀器設(shè)備，基本上未配備電纜拉力（或張力）監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制等功能，為了確保測(cè)井作業(yè)的安全，作業(yè)過(guò)程中需要技術(shù)人員時(shí)刻值守，頻繁手動(dòng)操作控制器，調(diào)整測(cè)井絞車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等，這帶給作業(yè)人員較大的工作強(qiáng)度和心理壓力，不利于工作效率和質(zhì)量的提升，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為了促進(jìn)鈾礦測(cè)井工作的機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展，減少勞動(dòng)用工，降低技術(shù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升測(cè)井工作質(zhì)量和效率，提高測(cè)井作業(yè)本質(zhì)安全度，在南方硬巖型鈾礦區(qū)開(kāi)展自動(dòng)化測(cè)井技術(shù)及裝備研究，設(shè)計(jì)并研制了一種無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪。

1 系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪是自動(dòng)化測(cè)井系統(tǒng)裝置的一個(gè)關(guān)鍵模塊（圖1），整合了光脈沖編碼器、拉力傳感器和WIFI 通信模塊等在測(cè)井天滑輪上，使其集測(cè)井深度測(cè)量、電纜拉力監(jiān)測(cè)和測(cè)井天滑輪等多種功能為一體。

圖1 自動(dòng)化測(cè)井系統(tǒng)功能模塊交互示意圖Fig.1 Interaction diagram of function modules of the automatic logging system

在測(cè)井作業(yè)過(guò)程中，無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪首先作為測(cè)井天滑輪使用，用于改變測(cè)井電纜運(yùn)行方向，其次是進(jìn)行測(cè)井電纜拉力和測(cè)井深度信息的采集，并通過(guò)無(wú)線通信方式及時(shí)把準(zhǔn)確的測(cè)井深度值和電纜拉力值等參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至自動(dòng)化測(cè)井控制器端，為自動(dòng)化測(cè)井作業(yè)提供關(guān)鍵參數(shù)。

1.2 無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪設(shè)計(jì)

為了提高便攜性，目前國(guó)內(nèi)輕便型測(cè)井電纜絞車(chē)基本未配備拉力（或張力）測(cè)量裝置，部分廠商中大型測(cè)井絞車(chē)可選配張力測(cè)量輪，測(cè)井深度測(cè)量裝置一般采用馬丁代克測(cè)量輪，通常是與測(cè)井絞車(chē)整合在一起，且采用有線方式連接測(cè)井儀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備笨重，圖2為某測(cè)井儀器廠商目前主流的測(cè)井絞車(chē)深度（張力）測(cè)量裝置實(shí)物圖，圖2a為便攜式測(cè)井絞車(chē)深度測(cè)量裝置，其無(wú)電纜張力（拉力）測(cè)量功能；圖2b為中大型測(cè)井絞車(chē)深度張力測(cè)量裝置。

圖2 某測(cè)井絞車(chē)深度（張力）測(cè)量裝置實(shí)物圖Fig.2 Photos of depth（tension）measuring device of a certain well logging winch

無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪設(shè)計(jì)采用了如圖3 所示的設(shè)計(jì)思路，其將光脈沖傳感器、拉力傳感器和WIFI 通信模塊等整合在測(cè)井天滑輪上，使其集測(cè)井深度測(cè)量、電纜拉力監(jiān)測(cè)和測(cè)井天滑輪等多功能為一體，增加電纜拉力監(jiān)測(cè)和無(wú)線通信功能的同時(shí)，裝置也更加小巧輕便。

圖3 無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design drawing of wireless depth-tension logging pulley

1.3 主要核心部件

1.3.1光電編碼器

光電編碼器采用PENON EB38B 軸套型編碼器，分辨率為5 000 PPR，可抗擊50 G/11 ms的沖擊，可在-20～80 ℃環(huán)境持續(xù)工作，擁有IP45 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，具有小型化、輕量化和高精度化的特點(diǎn)，同時(shí)具備良好的抗機(jī)械損傷性能。

在測(cè)井作業(yè)過(guò)程中，測(cè)井電纜繞過(guò)過(guò)線滑輪（深度測(cè)量輪）下放至井內(nèi)，下放或上提時(shí)，滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光電編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生互差90°的方波信號(hào)（AB 兩路信號(hào)）。如圖4 所示，當(dāng)A相位超前時(shí)，表示深度輪正向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)B相位超前時(shí)，表示深度輪反向運(yùn)動(dòng)［8-9］；光電編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高低電平信號(hào)輸入單片機(jī)后進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和相位的判斷，進(jìn)一步計(jì)算求取測(cè)井速度值和深度值等信息，后通過(guò)無(wú)線方式傳輸至自動(dòng)化測(cè)井控制器段。

圖4 光電編碼器信號(hào)Fig.4 Photoelectric encoder signal

1.3.2拉力傳感器

DYLY-103型拉力傳感器量程為0～1 T，具有10 kHz的響應(yīng)頻率、輸出靈敏度為2.0±10%mV/V、非線性度0.03%F.S.等優(yōu)良性能，響應(yīng)快、靈敏度高、線性良好、測(cè)量精度高。同時(shí)可適應(yīng)-20～80 ℃工作環(huán)境，安全過(guò)載150%，極限過(guò)載200%，可用于所有測(cè)井環(huán)境，擁有極高安全性。

測(cè)井作業(yè)過(guò)程中，電纜拉力作用于拉力傳感器上產(chǎn)生模量電信號(hào)，電信號(hào)放大整形后通過(guò)RS485 通信方式連接單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝計(jì)算，后通過(guò)無(wú)線方式傳輸至自動(dòng)化測(cè)井控制器段。

1.3.3無(wú)線通信模塊

選用ATK-ESP8266 模塊，其是ALIENTEK 推出的一款高性能的UART-WIFI（串口-無(wú)線）模塊，ATK-ESP8266 板載了ALIENTEK 公司自主開(kāi)發(fā)的ATK-ESP-01 模塊，該模塊支持IEEE 802.11b（最高可達(dá)11 Mbps）、IEEE 802.11g（最高可達(dá)54 Mbps）、IEEE 802.11n（最高可達(dá)HT20，MCS7），其頻率范圍在2.412～2.484 GHz，發(fā)射功率為11～18 dbm，同時(shí)可在-40℃～85℃、10%～90%RH 的工作環(huán)境持續(xù)工作。ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3 V 和5 V 單片機(jī)系統(tǒng)，拓展性強(qiáng)。模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA、串口轉(zhuǎn)AP和WIFT STA+WIFI AP 的模式，從而快速構(gòu)建串口-WIFI 數(shù)據(jù)傳輸方案。ATK-ESP8266 板載了ALIENTEK公司自主開(kāi)發(fā)的ATK-ESP-01模塊，該模塊通過(guò)FCC，CE 認(rèn)證，可靠性與穩(wěn)定性高。

1.3.4單片機(jī)芯片

單片機(jī)芯片選用STM32F103ZET6單片機(jī)，其具有72 MHz的CPU、1 Mb的閃存、96 kb的SRAM、2 位的RISC、8個(gè)定時(shí)器（3個(gè)16 位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4 個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM 或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入的接口）、3 個(gè)USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制）和適應(yīng)-40～105 ℃工作溫度，并包含電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備以及CAN和USB全速接口。STM32系列ARMCortex-M3 32位閃存微控制器工作時(shí)具有低功率、低電壓，并具有極佳的性能。

1.3.5電源系統(tǒng)

該裝置采用松下21700動(dòng)力版電池組供電，為4 900 mAh 單個(gè)組合6串帶保，電壓22.2～25 V，最大放電14～16 A，尺寸為50 mm×64 mm×72 mm。

2 系統(tǒng)裝置標(biāo)定

為了確保系統(tǒng)裝置拉力測(cè)量和深度測(cè)量的準(zhǔn)確性，以及自動(dòng)化智能控制的精準(zhǔn)性，系統(tǒng)裝置投入使用前須進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)其電纜拉力和深度測(cè)量值，尤其是深度測(cè)量值的校準(zhǔn)，其精準(zhǔn)性直接影響到測(cè)井質(zhì)量的高低。

2.1 拉力測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

電纜拉力測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定，實(shí)質(zhì)是對(duì)拉力傳感器示值的標(biāo)定，一般采用懸掛標(biāo)準(zhǔn)砝碼法進(jìn)行標(biāo)定。首先自然懸掛無(wú)線深度-測(cè)井滑輪，電纜繞過(guò)過(guò)線滑輪自然懸掛，初始化拉力傳感器（拉力清零）后在電纜另一端懸掛標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量砝碼，靜態(tài)下讀取系統(tǒng)測(cè)量值。如表1 為某系統(tǒng)裝置拉力測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定原始數(shù)據(jù)，通過(guò)線性擬合獲得標(biāo)定方程為y=1.0058x+0.0091（R2=0.998 3）。

表1 電纜拉力測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定原始數(shù)據(jù)表Table 1 Original data sheet of cable tension measurement system calibration

2.2 測(cè)井深度測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

該系統(tǒng)裝置引入一個(gè)深度測(cè)量輪參數(shù)KM，定義為每米脈沖數(shù)，其通常與電纜直徑、過(guò)線滑輪（深度測(cè)量輪）直徑和光電編碼器精度等相關(guān)，在實(shí)際運(yùn)用中，為了消除電纜、深度測(cè)量輪等長(zhǎng)期使用磨損或油泥污染，以及電纜在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因受到拉力作用從而導(dǎo)致電纜發(fā)生拉伸形變等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，須定期進(jìn)行檢查校準(zhǔn)［8-9］。

本次采用光柵尺校正法求取KM值［9］，以上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的DJ 系列四芯電纜（φ4.70 mm）為例進(jìn)行標(biāo)定；光柵尺選擇量程1 000 mm，精度1 μm，分辨率0.1 μm，標(biāo)定時(shí)電纜與光柵尺測(cè)量頭連接，電纜一端懸掛一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)砝碼，緩慢拉動(dòng)電纜移動(dòng)一定距離，通過(guò)軟件讀取產(chǎn)生的脈沖數(shù)Ni，再讀取光柵尺測(cè)量數(shù)值ΔLi，按照公式（1）即可計(jì)算KMi值；重復(fù)n 次后按照公式（2）求取均值，標(biāo)定原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，均值取整后得出標(biāo)定參數(shù)KM值為7 775 脈沖/m，求導(dǎo)得出測(cè)量精度為0.013%。

表2 測(cè)井深度測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定原始數(shù)據(jù)表Table 2 Original data sheet of logging depth measurement system calibration

深度輪參數(shù)KM確定后，在實(shí)際測(cè)井作業(yè)過(guò)程中，某一時(shí)刻（j）的測(cè)井深度值Hj按公式（3）求取，其中H0為初始深度值，Nj為j時(shí)刻產(chǎn)生的總光脈沖計(jì)數(shù)。

3 應(yīng)用測(cè)試

無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪在諸廣地區(qū)鈾礦勘查項(xiàng)目實(shí)際測(cè)井作業(yè)中進(jìn)行了多次的應(yīng)用測(cè)試，先后優(yōu)選了5個(gè)鉆孔，成功完成了10次測(cè)試，其中下放測(cè)井測(cè)試和上提測(cè)井測(cè)試各5次。應(yīng)用測(cè)試過(guò)程中，為了確保測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集質(zhì)量不受影響，測(cè)試時(shí)均采用了雙深度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試，即測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集使用的是測(cè)井絞車(chē)自帶的深度測(cè)量系統(tǒng)（1#輪），測(cè)井電纜拉力監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制深度測(cè)量采用新設(shè)計(jì)研制的無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪（2#輪），兩者串聯(lián)獨(dú)立使用，電纜下放測(cè)井或上提測(cè)井時(shí)，均可同時(shí)帶動(dòng)兩套深度測(cè)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生光電信號(hào)，獨(dú)立完成深度測(cè)量；測(cè)試情況統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)用測(cè)試情況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of application test parameters

測(cè)試成果顯示，無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪（2#輪）回程差指標(biāo)明顯優(yōu)于1#輪，且與井深基本無(wú)相關(guān)性；1#輪回程差指標(biāo)總體隨井深增加而增大，占比均值為0.047%。分析研究發(fā)現(xiàn)在上提測(cè)井過(guò)程中，當(dāng)排線至儲(chǔ)線輪邊轉(zhuǎn)向時(shí)電纜會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，此時(shí)電纜線與測(cè)量輪之間會(huì)出現(xiàn)微小的滑動(dòng)，從而造成測(cè)量誤差，隨著井深增加，抖動(dòng)次數(shù)成正比例增加，誤差累積造成回程差增大。

4 結(jié)論

無(wú)線深度-拉力測(cè)井滑輪創(chuàng)新性將光脈沖編碼器、拉力傳感器和WIFI通信模塊等集成在測(cè)井天滑輪上，使其集測(cè)井深度測(cè)量、電纜拉力監(jiān)測(cè)和測(cè)井天滑輪等多功能為一體，相比傳統(tǒng)深度、張力測(cè)量裝置，性能和功能得到提升和優(yōu)化改進(jìn)的同時(shí)，體積和質(zhì)量更加小巧輕便，具體如下：

1）采用了先進(jìn)的WIFI 無(wú)線通信方式，測(cè)井作業(yè)過(guò)程中可實(shí)時(shí)把測(cè)井深度值、速度值和電纜拉力值實(shí)時(shí)傳輸至控制器端，為自動(dòng)化測(cè)井控制提供可靠的重要參數(shù)。

2）把傳統(tǒng)的測(cè)井電纜張力測(cè)量方式改成了更加直接有效的拉力測(cè)量方式，便于更加精準(zhǔn)掌握測(cè)井電纜拉力值，防止測(cè)井作業(yè)過(guò)程中過(guò)載造成安全事故。

3）深度測(cè)量輪也進(jìn)行了質(zhì)的優(yōu)化改進(jìn)，在省去壓緊輪情況下，保持了更高的深度測(cè)量可靠性，應(yīng)用測(cè)試成果顯示，測(cè)井電纜與深度測(cè)量輪之間基本無(wú)打滑現(xiàn)象出現(xiàn)，測(cè)井回程差數(shù)值明顯好于傳統(tǒng)模式。

4）在深度測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定中，首次引進(jìn)使用了“光柵尺標(biāo)定法”，相比傳統(tǒng)的“鋼卷尺丈量法”，其更加精準(zhǔn)科學(xué)。