基于恒轉(zhuǎn)矩變速系統(tǒng)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(zé)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(zhuǎn)矩變速系統(tǒng)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(zé)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(zhuǎn)矩的變速系統(tǒng)，研究了幾種送鉆控制模式，分別給出了系統(tǒng)控制框圖，并簡單介紹了實現(xiàn)控制的主要思路、方法，根據(jù)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(zhuǎn)矩變速；送鉆；控制模式；精度

1 引言

本文介紹的恒轉(zhuǎn)矩變速系統(tǒng)是指以轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋為內(nèi)環(huán)、以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為外環(huán)的電氣變速系統(tǒng)。電驅(qū)動鉆機(jī)絞車、轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)、泥漿泵的變速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本上都采用此種方式。對基于恒轉(zhuǎn)矩變速系統(tǒng)的送鉆控制，雖然其控制模式多種多樣，但無論對于機(jī)械還是電動鉆機(jī)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架基本上完全一致，本文以7000m變頻鉆機(jī)為例，就其常用控制模式及其精度指標(biāo)進(jìn)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(biāo)。由于下鉆速度與拖動電機(jī)之間有固定的比例關(guān)系，電機(jī)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(jié)構(gòu)就是基本的恒轉(zhuǎn)矩變速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制精度取決于控制系統(tǒng)基礎(chǔ)精度和速度反饋的采集精度。對于常用的16位數(shù)字控制系統(tǒng)，其精度為 1／214＝1／16384≈0.00006，例如對選用額定轉(zhuǎn)速為1500rpm的電機(jī)，可控精度為 1500×0.00006≈0.1rpm。

圖1 恒轉(zhuǎn)矩變速系統(tǒng)框圖

2.2 恒鉆壓

恒鉆壓以鉆頭鉆進(jìn)時的鉆壓為控制目標(biāo)。為達(dá)此目的，需要構(gòu)造鉆壓負(fù)反饋閉環(huán)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(tǒng)的壓力傳感器間接獲取。控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制精度取決于鉆壓控制單元基礎(chǔ)精度和實際鉆壓的采集精度。對常用的16位數(shù)字控制系統(tǒng)，實際能夠達(dá)到的控制精度取決于壓力傳感器最大輸出所對應(yīng)的最大鉤載。以4000m和7000m電動鉆機(jī)為例，最大鉤載為225T和450T，標(biāo)準(zhǔn)的壓力傳感器輸出為0（4）mA－20mA或0V－10V，雖然有16位的數(shù)字資源，但限于實際模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)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(tǒng)及壓力傳感器目前只有標(biāo)準(zhǔn)的裝置可供選擇，由上述關(guān)系可見，隨著鉆機(jī)規(guī)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(jī)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(tǒng)框圖

2.3 線路恒壓力

線路恒壓力是以泥漿循環(huán)線上地面以上線路的某個點壓力恒定為控制目標(biāo)的。為達(dá)此目的，需要構(gòu)造壓力負(fù)反饋閉環(huán)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(biāo)準(zhǔn)的傳壓包和傳感器獲得，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制精度取決于控制單元基礎(chǔ)精度和傳感器最大輸出所對應(yīng)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(dāng)配置的傳壓包最高壓力為25MPa或50MPa時，對應(yīng)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(guān)系可見，隨著傳壓包所對應(yīng)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(tǒng)框圖

2.4 轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)恒功率

轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)恒功率以轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)輸出功率恒定為控制目標(biāo)，為達(dá)此目的，需要構(gòu)造功率負(fù)反饋閉環(huán)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(zhuǎn)盤／頂驅(qū)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(jié)構(gòu)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(shù)字控制和供電裝置一般為 16 位，即 1／214＝1／16384≈0.00006。當(dāng)轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)拖動電機(jī)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(tǒng)框圖

2.5 轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)恒扭矩

轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)恒扭矩以轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)輸出扭矩恒定為控制目標(biāo)，為達(dá)此目的，需要構(gòu)造扭矩負(fù)反饋閉環(huán)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(zhuǎn)盤／頂驅(qū)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(jié)構(gòu)如圖5所示。控制精度取決于控制單元的基礎(chǔ)精度和供電裝置扭矩的字長。常用的數(shù)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(dāng)轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)供電單元電機(jī)的參數(shù)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(jī)技術(shù)參數(shù)

圖5 恒轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

3 結(jié)束語

上述幾種送鉆控制模式在實際鉆井中都有應(yīng)用，由于追求的目標(biāo)不同，不同模式控制效果沒有比較性，各有其優(yōu)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(jī)規(guī)格、送鉆機(jī)構(gòu)配置、傳感器輸出對應(yīng)最大標(biāo)定等因素影響，不可一概而論。對于送鉆控制系統(tǒng)集成商，要求實現(xiàn)各種模式的最大值互相保護(hù)，實際使用時由操作者根據(jù)需要自由選擇。

［1］李才良、朱奇先等.石油鉆機(jī)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(jī)械的設(shè)計計算［M］.北京：石油工業(yè)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(yè)出版社，2013.

［4］劉鐵范編.鉆井儀表［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

Research on drilling control mode based on constant torque transmission system

WANG Yu－ming1，GONG Zhi－bin2，YANG Yan－h(huán)ang3，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(yè)于甘肅機(jī)電技術(shù)學(xué)院，專科，助理工程師，就職于天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司。

2017－05－01

1005—7277（2017）02—0023—03