基于恒轉矩變速系統的送鉆控制模式研究

王玉明，龔治濱，楊硯杭，楊懷建，楊冰潔

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司裝備科，河北河間062465；3.中國石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘062550）

基于恒轉矩變速系統的送鉆控制模式研究

王玉明1，龔治濱2，楊硯杭3，楊懷建2，楊冰潔3

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司裝備科，河北河間062465；3.中國石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘062550）

基于恒轉矩的變速系統，研究了幾種送鉆控制模式，分別給出了系統控制框圖，并簡單介紹了實現控制的主要思路、方法，根據具體配置計算了各種模式下控制效果的最高理論精度。

恒轉矩變速；送鉆；控制模式；精度

1 引言

本文介紹的恒轉矩變速系統是指以轉矩負反饋為內環、以轉速負反饋為外環的電氣變速系統。電驅動鉆機絞車、轉盤／頂驅、泥漿泵的變速控制系統結構基本上都采用此種方式。對基于恒轉矩變速系統的送鉆控制，雖然其控制模式多種多樣，但無論對于機械還是電動鉆機，控制系統的結構框架基本上完全一致，本文以7000m變頻鉆機為例，就其常用控制模式及其精度指標進行研究。

2 送鉆控制模式及精度

2.1 恒鉆速

恒鉆速以鉆頭下鉆速度為控制目標。由于下鉆速度與拖動電機之間有固定的比例關系，電機速度按一定的比例變換后即可作為下鉆的實際速度，因此控制結構就是基本的恒轉矩變速系統，其結構如圖1所示。控制精度取決于控制系統基礎精度和速度反饋的采集精度。對于常用的16位數字控制系統，其精度為 1／214＝1／16384≈0.00006，例如對選用額定轉速為1500rpm的電機，可控精度為 1500×0.00006≈0.1rpm。

圖1 恒轉矩變速系統框圖

2.2 恒鉆壓

恒鉆壓以鉆頭鉆進時的鉆壓為控制目標。為達此目的，需要構造鉆壓負反饋閉環控制單元，該單元一般配置成P（比例）或PI（比例＋積分）控制器。由于無法直接檢測井下鉆頭的實際鉆壓，因此反饋鉆壓一般通過死繩固定系統的壓力傳感器間接獲取。控制結構如圖2所示。控制精度取決于鉆壓控制單元基礎精度和實際鉆壓的采集精度。對常用的16位數字控制系統，實際能夠達到的控制精度取決于壓力傳感器最大輸出所對應的最大鉤載。以4000m和7000m電動鉆機為例，最大鉤載為225T和450T，標準的壓力傳感器輸出為0（4）mA－20mA或0V－10V，雖然有16位的數字資源，但限于實際模數轉換精度，最高只有10或11（其他幾位幾乎均為噪聲） 位，即 1／210≈0.00098 或 1／211≈0.00049 分辨率，對應鉆壓可控理論精度為 225（450）T×0.00098＝218（436）kg或 225（450）T×0.00049＝109（218）kg。由于死繩固定系統及壓力傳感器目前只有標準的裝置可供選擇，由上述關系可見，隨著鉆機規格的減小或增大，鉆壓的控制精度越來越高或越來越低。為了提高7000m以上鉆機鉆壓的控制精度，可以采用雙傳感器切換或定制專用傳感器等辦法。

圖2 恒鉆壓控制系統框圖

2.3 線路恒壓力

線路恒壓力是以泥漿循環線上地面以上線路的某個點壓力恒定為控制目標的。為達此目的，需要構造壓力負反饋閉環控制單元，該單元一般配置成P（比例）或PI（比例＋積分）控制器。實際線路壓力檢測一般通過標準的傳壓包和傳感器獲得，控制結構如圖3所示。控制精度取決于控制單元基礎精度和傳感器最大輸出所對應的最高壓力配置，傳感器的采集精度與恒鉆壓控制的一樣，最高只有 10 或 11 位，即 1／210≈0.00098 或 1／211≈0.00049，當配置的傳壓包最高壓力為25MPa或50MPa時，對應線路壓力控制的理論精度為25（50）MPa×0.00098＝24.5 （49）kPa 或 25 （50）MPa×0.00049＝12.3（24.5）kPa。由上述關系可見，隨著傳壓包所對應壓力的減小或增大，線路壓力的控制精度將提高或者降低。

圖3 線路恒壓力系統框圖

2.4 轉盤／頂驅恒功率

轉盤／頂驅恒功率以轉盤／頂驅輸出功率恒定為控制目標，為達此目的，需要構造功率負反饋閉環控制單元，該單元一般配置成P（比例）或PI（比例＋積分）控制器。轉盤／頂驅的實際功率檢測一般通過為其供電的電控裝置通過其I／O接口間接獲得，控制結構如圖4所示。控制精度取決于控制單元和供電裝置的精度。常用的數字控制和供電裝置一般為 16 位，即 1／214＝1／16384≈0.00006。當轉盤／頂驅拖動電機的額定功率為400（800）kW時，功率控制的理論精度為 400（800）kW×0.00006＝24（48）W。

圖4 恒功率控制系統框圖

2.5 轉盤／頂驅恒扭矩

轉盤／頂驅恒扭矩以轉盤／頂驅輸出扭矩恒定為控制目標，為達此目的，需要構造扭矩負反饋閉環控制單元，該單元一般配置成P（比例）或PI（比例＋積分）控制器。轉盤／頂驅的實際扭矩檢測一般通過為其供電的電控裝置通過其I／O接口間接獲得，控制結構如圖5所示。控制精度取決于控制單元的基礎精度和供電裝置扭矩的字長。常用的數字控制和供電裝置扭矩的字長一般為16位，即1／214＝1／16384≈0.00006。當轉盤／頂驅供電單元電機的參數如表1所示時，扭矩控制的理論精度為10324（5860）Nm×0.00006＝0.62（0.35）Nm。

表1 YJ系列變頻電機技術參數

圖5 恒轉矩控制系統框圖

3 結束語

上述幾種送鉆控制模式在實際鉆井中都有應用，由于追求的目標不同，不同模式控制效果沒有比較性，各有其優缺點，各有其最佳適用的鉆井階段，各種控制模式下的實際精度隨鉆機規格、送鉆機構配置、傳感器輸出對應最大標定等因素影響，不可一概而論。對于送鉆控制系統集成商，要求實現各種模式的最大值互相保護，實際使用時由操作者根據需要自由選擇。

［1］李才良、朱奇先等.石油鉆機電氣自動送鉆控制研究［J］.電氣傳動自動化，2014，36（6）：10－12.

［2］陳如恒、沈家駿.主編，鉆井機械的設計計算［M］.北京：石油工業出版社，1995.

［3］樓一珊、李琪主編，龍芝輝、熊青山副主編，鉆井工程［M］.北京：石油工業出版社，2013.

［4］劉鐵范編.鉆井儀表［M］.北京：石油工業出版社，1993.

Research on drilling control mode based on constant torque transmission system

WANG Yu－ming1，GONG Zhi－bin2，YANG Yan－hang3，YANG Huai－jian2，YANG Bing－jie3
（1.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China；2.The 5th Drilling Company of BHDC，Hejian 062465，China；3.The 4th Drilling Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Renqiu 062550，China）

Based on constant torque transmission system，the several kinds of drilling control modes and the system control block diagrams are put forward.The main ideas and the methods are present.ed according to the configuration，the highest control accuracy of in different modes is calculated.

constant torque transmission；drilling；control mode；accuracy

TE922

A

王玉明（1986－），男，畢業于甘肅機電技術學院，專科，助理工程師，就職于天水電氣傳動研究所有限責任公司。

2017－05－01

1005—7277（2017）02—0023—03