DQ70型頂驅井裝置動力驅動系統研究

■鄭 葦 ■川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610056

從上世紀80年代起，頂驅鉆井裝置就開始在西方鉆井行業逐漸興起，被稱為近代鉆井技術的四大發明之一。我國的鉆井驅動裝置的研究在上世紀80年代末期就開始逐漸推出了DQ20系列、DQ30系列、DQ60系列、DQ70系列等四個大系列十余款各類鉆機，其中DQ70系列鉆機是其中最為成功的型號之一，其部分指標已經達到了國際先進水平，且直到今天其改型仍在我國的油田中廣泛使用。近30年來，我國的實際油田賦存狀況日益復雜化，包括DQ70型鉆機的升級改造工作也成為了油田技改工作中的重點。

1 工況及設備現狀分析

1.1 震動捕捉

鉆頭鉆入巖層中，因為其切削原理的不同，不同的鉆頭的橫向震動和縱向震動的負荷也有所不同。現代化的鉆機應該充分的對于這些震動進行捕捉，以減少在鉆進過程中工況對于鉆頭的損壞。而在長距離鉆進的過程中，因為大部分鉆機都無法將加速度計安裝在鉆頭上且捕捉到實時反饋信息，所以本文研究系統重點考察給進裝置對于鉆桿縱向震動的捕捉。該信息可以從一個側面反映出鉆頭在巖層中發生的震動情況，以通知系統進行實時的變頻處理。

1.2 扭矩控制

當鉆頭進入到堅硬巖層或者破碎巖層時，因為其受力環境的復雜化，可能造成鉆頭的被動扭矩增大，如果驅動裝置不能加大扭矩，很可能造成卡鉆的事故發生。本文研究系統從鼠籠電極的異步驅動原理出發，通過捕捉鉆桿的實際鉆速與系統給定轉速的對比，可以得到系統被動扭矩的變化，從而實時的調整變頻器頻率，以在最高效率下給出最大的扭矩，實現鉆機的“自動擋”。

1.3 設備現狀

目前設備選用兩臺4×8/6開關磁阻電機(SRM)作為頂驅電機，額定電壓600V，每臺額定功率為294kW，額定轉速為1000rpmin。因為電機采用了內置的轉速控制系統，所以，在恒定扭矩模式下，電機可以提供0～1100rpmin的轉速，在恒定功率的模式下，電機可以提供1100～2000rpmin的轉速。

同時，如圖1所示，因為電動機、驅動減速箱等部件采用水冷的方式進行冷卻保護，傳統模式下為了保證電機的穩定，操作人員往往將冷卻水開到最大，因為本系統冷卻水屬于開式循環，此過程較為嚴重的浪費了冷卻水資源。

圖1 系統結構現狀圖

1.4 技改需求

電動機的模式輸入為恒定扭矩和恒定功率兩種模式，在工況較好的狀態下，本文系統應讓電動機執行恒定功率的運行模式，而在工況較差的狀態下，本文系統要讓電動機自動轉為恒定扭矩的模式。同時，本文系統應該能夠與給進控制系統實現聯動，在工況較差時，通知給進系統減少給進壓力，在工況較好時，通知給進系統增加給進壓力。以確保系統最大程度的運行在1000～1200rpmin的適中負荷條件下。

2 控制器總體設計

ARM7作為全32位的單片機控制系統，最近5年來在我國的自動化控制領域得到了較為全面的發展，因為ARM7擁有多達4個I/O并行接口，可以讓全系統的設計更加自由。同時，ARM7系列高達800MHz的運行主頻和高達256MB的運行RAM，可以更大限度的實現系統的高速穩定運行。目前市面上ARM7開發板有著多種形式，本文計劃采用LPC2200系列開發板作為開發基礎系統，該系統配置了高達4GB的輔助 FLASH存儲器，1MB的內置 ROM，以及包括 RJ45和USB2.0在內的豐富的輸入輸出電氣接口。

如圖2所示，因為ARM7擁有A0～A31和D0～D31兩個I/O接口，我們采用兩者分別構建地址總線和數據總線。形成一個達到64位的背板總線。而PC0～PC7是一個8位核心板總線，LPC2200已經將其開發為了顯示總線，可以提供多達256種數據顯示模式，而PB作為LPC2200系統本身的控制總線已經占用，用于控制板付存儲器和I/O接口的控制，所以本文系統不再進行后續開發。系統已經集成的RESET、POWER、REFRESH等按鈕，直接與ARM7核心板的相應接口對接，本文也不再進行探討。

圖2 系統結構圖

本文需要采集的四路信號來自四個傳感器:(1)來自鉆桿轉速發電機傳感器的電壓模擬信號，經過AD0804電壓數字化芯片的轉化，使用B00110111-0-0-00000001地址與門與AD總線連接。向ARM7提供鉆桿轉速信息;(2)來自動力頭上安裝的加速度模塊的數字化模型，通過RS232總線在ARM-PA接口輸入系統;(3)來自兩臺電動機和中央差速機的溫度信號，使用三個溫度傳感器采集電阻信號，分別采用分壓法轉化為電壓信號后，采用AD0804電壓數字化芯片轉化，形成的溫度信號，分別通過B00110111-0-0-00000002到B001101111-0-0-00000004三個與門地址控制器與AD總線連接。

本文系統的兩個輸出信號同樣通過AD總線輸出:(1)用于切換兩個電動機運行模式的順動重動開關，為了保證兩個開關的動作統一性，其轉換模式采用同步輸出鏡像動作的模式實現，總線地址使用B00110011-0-0-00000001，系統功能板采用同步光電耦合器法實現功能。光電耦合器擬采用PC817C;(2)電動機的綜合保護開關，包括意外大扭矩保護、過熱保護、雙電動機轉速異動保護等，在AD總線上通過B00110011-0-0-00000002輸出。不經過電動機跳閘保護斷路器的PLC，直接使用RS232專用接口與開關的斷路繼電器連接;(3)給予動力頭給進電動機的控制信號，使用PA接口控制的系統RS232接口輸出，該信號需要給進電動機系統的配合和解讀，本文僅考慮輸出4種信號(最大給進壓力、增大給進壓力、減少給進壓力、撤出給進壓力)的模式，對于對方系統的解讀算法不再研究;(4)給予水冷系統的信號輸出，采用AD總線上的B00110011-0-0-00000003進行輸出。輸出方式包括高速給水和低速給水兩種模式，通過自動調節水泵的星三角連接方式瞬態調整。

3 控制器軟件實現

因為控制器采用了基于ARM7架構的LPC2200系列開發板進行實現，該開發板整合了完整的UNIX操作系統，支持包括VC++在內的高級語言開發，且系統800MHz的運行主頻遠可以實現本文系統的運行要求。所以，本文計劃在VC++平臺上開發本文的應用系統，而不用逐一考慮系統的運行CPU周期問題。

本系統算法實現方式如下:(1)構建變量，讀入鉆桿轉速、電動機溫度、差速器溫度、兩臺電動機分別轉速等信息;(2)將鉆桿鉆速與系統設定轉速對比，如果鉆桿轉速低于系統設定轉速的15%則輸出策略，使得兩臺電動機同步進入到恒定扭矩的運行狀態中。如果系統實際轉速始終接近于給定轉速且狀態持續1秒(20周期)以上，將系統轉到恒定功率的運行狀態中。電動機系統的切換方式采用不允許中斷的進程，防止出現系統變化模式中鉆桿失速的狀態發生。因為本系統是直接作用于動力頭PLC的輸入端，切換過程基本由動力頭PLC實現，所以，切換過程的鉆桿速度控制壓力較小;(3)根據溫度信號給出鉆機動力頭保護信號和冷卻水轉速控制信號;(4)通過PA接口上的RS232輸出動力頭給進電動機的聯合控制信號。

以上循環由UNIX內建的時鐘控件給出循環喚醒信號，一般采用每50ms進行循環的方式進行。

4 結束語

通過本文研究的聯合控制系統的實施，DQ70型鉆機的大部分手動操作功能可以實現無人干預的手動操作，且本系統斷電關閉狀態下，DQ70系統的手動操作仍然有效，屬于典型的外掛型系統。隨著自動化控制技術的逐漸提升，自動化控制系統勢必取代大部分手動操作，以實現鉆進在更高效率和更加安全的工況下運行。

［1］曾會平.從控制原理看頂驅釋放反扭矩的操作［J］.鉆采工藝，2012(11):55-57.

［2］鄧麗，常珍.頂驅控制系統抗干擾性能分析［J］.電子制作，2013(09):69-71.