激光测距仪在石油管具长度测量中的应用

孙增生，鄂振乾，刘金良，陈 凯，黄自评，陈明禹

(长城钻探工程有限公司 北京 100101)

0 引 言

在油田作业过程中，凡是下井的器具，无论是套管、钻具还是油管，都必须精确测量，以便确定井下工具的操作位置。传统石油管具的长度测量大都采用人工钢卷尺测量、手工录入。测量一次需3个人共同完成，其中2个人分别站在管具的两端拉钢卷尺测量，1人记录测量结果，同时把测量数据标记在管具本体上，以便再次核对。测量完成后还需要人工把测量的结果录入计算机，进行统计和结果的累加，然后再次到现场与管具上的数值进行核对，若发现错误还需要反复测量和检查。此过程需测数据较多，工作冗杂，系统误差和偶然误差大，尤其是出现错误后核查过程繁琐。

世界上第一台激光测距机是1961年美国休斯飞机公司研发的[1]。手持激光测距仪是一种以激光为载波，以目标表面漫反射测量为特点，通过脉冲法和相位法等测量短程距离的便携式计量器具[2]。它体积小巧，重量轻，携带方便，成本低。激光测距仪与传统的钢卷尺方法相比较,具有测量精度高、操作便捷及受地形、温度等干扰因素影响小的特点。

曾有研究者试图将激光测距仪应用于施工现场测量中。如某油田曾于2010年委托某高校进行了石油管线管长度激光测距仪的研制[3]；吕铁男等人2004年研发了激光测距仪报表生成技术[4]，以提高使用者的体验度；张洪新等人2017年公布了一种管柱长度激光测量仪，旨在提供一种通过激光精准测量石油管柱长度并累计总长的仪器，并获国家专利[5]。

综上，科研人员一直在不断探求一种简便、精确的测量工具。但由于激光测距仪测量时需要频繁调整位置和角度，日间户外测试者难以观察到光斑，目前现场的实际应用并不多。

本实验旨在寻求一种可在户外日间进行的激光测距方法。

1 测量方法的改进

钻修井现场使用的管具均为车床加工而成，端面和中心轴线垂直，这是本测量支架制作的基础。如果测量支架满足以下条件：

1)能够轻易实现测量支架与管具端面紧密贴合；

2)激光测距仪固定在测量支架上并可以确保发射的激光束与测量支架垂直；

3)激光测距仪前端测量起点与主架测量面平齐；

4)测量用反光板紧密贴合在管具的另外一端面；

则可以快速、准确地测量出管具的长度，而不需要反复调整激光测距仪的角度和位置。

1.1 测量支架的制作和测量方法

1.1.1 T型和L型测量支架及反光板

测量支架使用方形管材制作而成，主支架高度略大于最大需测管具直径，固定支架略大于测距仪。固定支架与主支架垂直，测距仪紧固在固定支架上，使测量激光束与主支架测量面垂直，前端与测量支架平齐。T型、L型测量支架示意图如图1、图2所示。

图1 T型测量支架示意图

图2 L型测量支架示意图

反光板使用2 mm厚环氧树脂板或其他半透明材料制作，靶柄宽度为最小测量管具直径，以便于对摆放不整齐的管具进行测量，靶标宽度为9 in套管直径(1 in=25.4 mm)，如图3所示。

图3 反光板

1.1.2 较大管径的测量(T型支架内测法)

对直径较大的管具使用T型支架内测法进行测量，如图4所示。

图4 使用T型支架内测法示意图

测量时让激光测距仪基本位于被测管具中心位置，测量面紧贴管具端头，反光板紧贴管具另一端，按下发射键，即可看到激光斑落在反光板上，测距仪上会显示被测管具长度，按保存键即可进行存储。

1.1.3 较小管径的测量(L型支架外测法)

测量方法如图5所示。使L型测量支架基本居中，让反光板方位基本保持与测距仪一致，按压激光测距仪发射键，反光板可以观察到激光斑，即可读取被测量管具的长度，按存储键存储。

图5 使用L型支架外测法示意图

1.1.4 “甲”字型半透明反光板的作用

无论T型支架内测法还是L型支架外测法，测量者夜间均可以清楚地观察到激光束落在反光板上形成光斑。日间光照强烈时则不易发现光斑，但反光板的半透明设计可以让管具对侧的人员观察到透过的激光斑，并予以确认。

“甲”字型反光板的设计，可以轻松对摆放不整齐的较细管具进行测量，而不必调整管具的位置。因反光板上方的靶标较大，只要测量支架和反光板方位基本一致，激光束很容易照射到靶标上。

1.2 现场实测与作业效率

现场使用L型支架外测法(使用UNI-T UT395A激光测距仪，具有存储和数据下载功能)以及普通钢卷尺对270根3in油管进行了实际对比测试，两种测量长度结果完全一致，作业效率数据统计见表1。由表1可见，激光测距仪的使用大幅度提高了劳动效率。

表1 使用钢卷尺和激光测距仪测量管具作业效率对比

2 误差讨论

对激光与被测管具中心轴线不完全平行所导致的误差计算，见图6。

图6 测量误差最大值的计算

(1)

故：

(2)

以管具长10 m测算，根据前面实际测试偏差，按100%一次性落入7 in套管内测算，d的最大值(未考虑套管壁厚)应该是:

7×25.4÷2=88.9(mm)

代入式(1)可以得出：

与真实值的误差为：0.000 395 m=0.395 mm，可以忽略不计。

3 结 论

1)对于直径大于7 in的套管，使用T型支架内测法测量，如果因套管摆放位置所限(如测试者处于一个不舒适的体位)，也可使用L型支架外测法测量。

2)对于小于7 in的套管或钻具，建议使用L型支架外测法进行测量。

3)借助测量支架，在日间、夜间均可使用激光测距仪对管具进行测量。该方法测量精度高、使用方便，可提高劳动效率，降低劳动强度，减少人为失误，降低数据准确性对人因的依赖。