用于精細(xì)控壓鉆井的電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫澤秋，金業(yè)權(quán)，孫文俊，李強(qiáng)

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州 253005；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）①

在復(fù)雜地層中鉆井，由于破裂壓力（漏失壓力）與地層孔隙壓力（坍塌壓力）之間的壓力窗口狹窄，使用常規(guī)的鉆井方法會出現(xiàn)溢流或井漏等復(fù)雜情況［1－4］。常規(guī)的近平衡壓力鉆井方式已不再適合于狹窄壓力窗口地層的鉆井，精細(xì)控制壓力鉆井技術(shù)（Preciese Managed Pressure Drilling Technology）是針對狹窄壓力窗口情況而發(fā)展起來的一項(xiàng)鉆井工藝技術(shù)［5－7］。

節(jié)流壓力控制系統(tǒng)是精細(xì)控壓鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過控制節(jié)流閥的開度來控制井口壓力，最終達(dá)到快速控制井底壓力在安全范圍內(nèi)波動的目的。目前常用的節(jié)流控制方式有“PID＋比例伺服閥”和“PLC＋PID＋高速開關(guān)閥”2種［8］，這2種方式均采用液壓控制方案，液壓控制存在3方面不足：

1）液壓管路復(fù)雜，液壓元件和管路之間易發(fā)生滲漏。

2）液壓控制不適用于對信號進(jìn)行放大、記憶及邏輯判斷等復(fù)雜運(yùn)算的場合。

3）液壓系統(tǒng)受液壓油自身彈性和外界溫度的影響，難以實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥小位移（0～50 mm）的精確控制。

采用電動執(zhí)行器可以快速調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，從而精確控制節(jié)流壓力。鑒于此，本文提出了基于PLC與電動執(zhí)行器的電動節(jié)流壓力控制方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。控制系統(tǒng)分為傳感器模塊、PLC 控制模塊、電動執(zhí)行器控制模塊以及顯示和參數(shù)輸入模塊。

圖1 電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)框圖

1.1 傳感器模塊

相關(guān)參數(shù)的測量方法：

1）采用壓力傳感器將立管壓力、套管壓力、分離器壓力的模擬信號變送為4～20 mA的電流信號。

2）采用氣體流量傳感器、液體流量傳感器將分離器出口的氣體及液體流量信號變送為4～20 mA的電流信號。

3）采用泵沖傳感器測量鉆井泵沖次，從而得到鉆井泵的泵速值，并將信號變送為24V 電壓信號。

4）采用溫度傳感器將分離器出口的鉆井液溫度信號變送為4～20mA 電流信號。

1.2 PLC控制模塊

PLC 控制模塊由PLC 控制電路、擴(kuò)展模塊（EMS231）以及根據(jù)要求附加的定時(shí)器等組成。所采集的各路傳感器電流信號通過PLC 擴(kuò)展模塊（EM231）進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)化后進(jìn)入PLC。并將采集的電壓信號直接送入PLC 進(jìn)行內(nèi)部處理［1］。PLC 內(nèi)置各種處理器對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以后傳到電動執(zhí)行器控制模塊。

1.3 電動執(zhí)行器控制模塊

電動執(zhí)行器控制模塊包括內(nèi)置控制器、執(zhí)行器以及手動控制裝置。電動執(zhí)行器接收PLC 傳來的控制信號，經(jīng)過控制器的處理，轉(zhuǎn)換成位移信號由執(zhí)行器傳遞到節(jié)流閥閥芯。

懷疑論的難題只能由實(shí)踐來解答。人們應(yīng)該在實(shí)踐中證明自己思維的真理性、現(xiàn)實(shí)性和此岸性。[50]對此，早在撰寫《1844年經(jīng)濟(jì)學(xué)哲學(xué)手稿》時(shí)，馬克思就已有非常清晰的認(rèn)識：“理論的對立本身的解決，只有通過實(shí)踐方式，只有借助于人的實(shí)踐力量，才是可能的；因此，這種對立的解決絕對不只是認(rèn)識的任務(wù)，而是現(xiàn)實(shí)生活的任務(wù)，而哲學(xué)未能解決這個(gè)任務(wù)，正是因?yàn)檎軐W(xué)把這僅僅看做理論的任務(wù)?！盵51]可知論與懷疑論之間的對立之所以無法得到解決，是因?yàn)檎軐W(xué)將其當(dāng)作僅憑觀想就能解答的理論任務(wù)。

1.4 參數(shù)顯示輸入模塊

PLC利用RS－232與工控機(jī)進(jìn)行通訊，并通過組態(tài)軟件將各路采集參數(shù)在控制系統(tǒng)電腦屏幕上顯示。根據(jù)控壓鉆井現(xiàn)場施工對壓力的控制要求，操作人員可以將預(yù)設(shè)控制參數(shù)通過工控機(jī)寫入PLC。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的控制原理

如圖2所示，PLC將傳感器的采集值與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較確定控制量，向電動執(zhí)行器的控制器輸出控制命令，電動執(zhí)行器的內(nèi)置控制器接收控制命令，并將其轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，驅(qū)動內(nèi)置電機(jī)運(yùn)動，輸出位移量，作用在節(jié)流閥閥桿上，使其位置發(fā)生相應(yīng)的變化。節(jié)流閥的位移傳感器測量閥桿位置，并將其反饋到PLC中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

電動執(zhí)行器是電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分之一，電動執(zhí)行器的2個(gè)核心控制手段是閥位的速度調(diào)節(jié)和位置控制。

1）閥位速度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閥位速度的快速啟動、平滑調(diào)速、穩(wěn)定運(yùn)行。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流成線性關(guān)系，可通過調(diào)節(jié)電機(jī)電流來控制轉(zhuǎn)矩。

2）位置控制使閥位快速準(zhǔn)確地停在設(shè)定的位置。采用閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)閥位置的準(zhǔn)確定位。當(dāng)閥實(shí)際位置接近設(shè)定值時(shí)，位置控制器對電機(jī)輸出減速指令。反之，當(dāng)閥實(shí)際位置達(dá)到位置設(shè)定值誤差范圍內(nèi)時(shí)，立即輸出電機(jī)制動指令。

圖2 電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的控制原理

2.2 節(jié)流閥開度的精確測控

1）傳感器要求鉆井現(xiàn)場對傳感器的要求有防爆、強(qiáng)度高、精度高和安裝拆卸方便等。采用線性位移傳感器（電動執(zhí)行器內(nèi)置或外置）將來自錐形節(jié)流閥的開度信號變送為4～20mA的電流信號。

2）PLC選擇如圖3所示，PLC作為節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的控制器，對壓力變化做出準(zhǔn)確迅速的反應(yīng)，并對由傳感器采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)其差異大小來控制電動執(zhí)行器內(nèi)部電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)需要PLC對數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換以及實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的輸入，還能夠?qū)崿F(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信的需要等。根據(jù)節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇西門子公司的CPU226型PLC。

3）電動執(zhí)行器控制實(shí)現(xiàn)電動執(zhí)行器將接受控制器或手動操作輸入的0～10 mA 電流信號，控制內(nèi)置電機(jī)使其轉(zhuǎn)換為角位移或線位移輸出。常用電機(jī)控制方式有電流斬波控制、角度位置控制和脈寬調(diào)制控制3種。本系統(tǒng)由于用PLC 脈沖信號控制，所以采用脈寬調(diào)制控制。由于節(jié)流閥的節(jié)流壓力控制在3～5MPa，所需的節(jié)流閥閥芯推力相對較大，考慮到推力要求以及內(nèi)部磨損問題，本系統(tǒng)選用線位移電動執(zhí)行器。

圖3 電動控制系統(tǒng)中PLC控制示意

3 方案驗(yàn)證

3.1 電動執(zhí)行器與節(jié)流閥的力學(xué)分析

電動執(zhí)行器內(nèi)置電機(jī)作用在連桿上的力為［9］

式中：Fg為連桿推力，N；θ為內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，rad；J為轉(zhuǎn)動慣量，無因次；D為粘滯系數(shù)，無因次；T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N／rad。

節(jié)流閥軸向移動要求的閥桿力［1，10］為

聯(lián)合式（1）～（2）得出節(jié)流閥的壓降關(guān)系式為

由式（3）可以看出：該式包含電動執(zhí)行器的相關(guān)參數(shù)（負(fù)載轉(zhuǎn)矩T、內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動慣量J和粘滯系數(shù)D）以及節(jié)流閥相關(guān)參數(shù)（d0液壓缸活塞直徑、d1節(jié)流閥出口直徑和d2錐形閥心直徑等），給出電動執(zhí)行器和節(jié)流閥的參數(shù)，就能計(jì)算出相應(yīng)的節(jié)流閥壓降值。由此可以從理論上證明，用電動執(zhí)行器控制節(jié)流閥行程達(dá)到調(diào)節(jié)節(jié)流壓降的設(shè)計(jì)思想是可行的。

3.2 電動執(zhí)行器的選型及驗(yàn)證

電動執(zhí)行器的選型是實(shí)現(xiàn)精確測控的關(guān)鍵。根據(jù)3.1節(jié)分析，電動執(zhí)行器選用脈寬調(diào)制控制的線位移類型的電動執(zhí)行器。3610系列執(zhí)行器是常用的電動執(zhí)行器之一，采用AC 可逆電機(jī)，驅(qū)動量的反饋檢測采用高性能導(dǎo)電塑料電位器，可靠性高。與此同時(shí)，還具有自診斷、機(jī)械自鎖能力，抗偏離能力強(qiáng)，開關(guān)量可方便選用DC 4～20 mA或DC 1～5V 信號。3610系列執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 3610系列執(zhí)行器的主要技術(shù)參數(shù)

選取參數(shù)為：節(jié)流閥流量系數(shù)［11］Cq＝0.77～0.82；返出鉆井液的流量系數(shù)［12］Cv＝0.8～0.9；井口回壓最大值7 MPa；節(jié)流閥出口壓力pn＝0.1 MPa。選用現(xiàn)場常用的錐形節(jié)流閥，入口和出口直徑分別為?50mm 和?80mm，錐角的值為π／4。

由式（2）計(jì)算得出節(jié)流閥軸向移動要求的閥桿力Fmax＝3172N。由表1知，3611XB－50型電動執(zhí)行器的輸出力達(dá)5000N，且具有防爆功能，因此選用該電動執(zhí)行器。

4 結(jié)論

1）在精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)中，現(xiàn)有的液壓控制型節(jié)流壓力控制系統(tǒng)存在不足。為了便于信號的放大、存儲、運(yùn)算等，實(shí)現(xiàn)精確控制，設(shè)計(jì)了電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)。

2）在詳細(xì)分析傳感器模塊、PLC 控制模塊、電動執(zhí)行器控制模塊以及參數(shù)顯示輸入模塊的基礎(chǔ)上，完成了電動節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

3）通過對節(jié)流閥閥桿最大推力的計(jì)算，驗(yàn)證了電動執(zhí)行器選型的合理性。

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