DQ70型頂驅(qū)井裝置動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

■鄭 葦 ■川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610056

從上世紀(jì)80年代起，頂驅(qū)鉆井裝置就開始在西方鉆井行業(yè)逐漸興起，被稱為近代鉆井技術(shù)的四大發(fā)明之一。我國的鉆井驅(qū)動(dòng)裝置的研究在上世紀(jì)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(gè)大系列十余款各類鉆機(jī)，其中DQ70系列鉆機(jī)是其中最為成功的型號(hào)之一，其部分指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)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(shí)際油田賦存狀況日益復(fù)雜化，包括DQ70型鉆機(jī)的升級(jí)改造工作也成為了油田技改工作中的重點(diǎn)。

1 工況及設(shè)備現(xiàn)狀分析

1.1 震動(dòng)捕捉

鉆頭鉆入巖層中，因?yàn)槠淝邢髟淼牟煌?，不同的鉆頭的橫向震動(dòng)和縱向震動(dòng)的負(fù)荷也有所不同?，F(xiàn)代化的鉆機(jī)應(yīng)該充分的對(duì)于這些震動(dòng)進(jìn)行捕捉，以減少在鉆進(jìn)過程中工況對(duì)于鉆頭的損壞。而在長距離鉆進(jìn)的過程中，因?yàn)榇蟛糠帚@機(jī)都無法將加速度計(jì)安裝在鉆頭上且捕捉到實(shí)時(shí)反饋信息，所以本文研究系統(tǒng)重點(diǎn)考察給進(jìn)裝置對(duì)于鉆桿縱向震動(dòng)的捕捉。該信息可以從一個(gè)側(cè)面反映出鉆頭在巖層中發(fā)生的震動(dòng)情況，以通知系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的變頻處理。

1.2 扭矩控制

當(dāng)鉆頭進(jìn)入到堅(jiān)硬巖層或者破碎巖層時(shí)，因?yàn)槠涫芰Νh(huán)境的復(fù)雜化，可能造成鉆頭的被動(dòng)扭矩增大，如果驅(qū)動(dòng)裝置不能加大扭矩，很可能造成卡鉆的事故發(fā)生。本文研究系統(tǒng)從鼠籠電極的異步驅(qū)動(dòng)原理出發(fā)，通過捕捉鉆桿的實(shí)際鉆速與系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速的對(duì)比，可以得到系統(tǒng)被動(dòng)扭矩的變化，從而實(shí)時(shí)的調(diào)整變頻器頻率，以在最高效率下給出最大的扭矩，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的“自動(dòng)擋”。

1.3 設(shè)備現(xiàn)狀

目前設(shè)備選用兩臺(tái)4×8/6開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)作為頂驅(qū)電機(jī)，額定電壓600V，每臺(tái)額定功率為294kW，額定轉(zhuǎn)速為1000rpmin。因?yàn)殡姍C(jī)采用了內(nèi)置的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，所以，在恒定扭矩模式下，電機(jī)可以提供0～1100rpmin的轉(zhuǎn)速，在恒定功率的模式下，電機(jī)可以提供1100～2000rpmin的轉(zhuǎn)速。

同時(shí)，如圖1所示，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)減速箱等部件采用水冷的方式進(jìn)行冷卻保護(hù)，傳統(tǒng)模式下為了保證電機(jī)的穩(wěn)定，操作人員往往將冷卻水開到最大，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)冷卻水屬于開式循環(huán)，此過程較為嚴(yán)重的浪費(fèi)了冷卻水資源。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀圖

1.4 技改需求

電動(dòng)機(jī)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(tài)下，本文系統(tǒng)應(yīng)讓電動(dòng)機(jī)執(zhí)行恒定功率的運(yùn)行模式，而在工況較差的狀態(tài)下，本文系統(tǒng)要讓電動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為恒定扭矩的模式。同時(shí)，本文系統(tǒng)應(yīng)該能夠與給進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，在工況較差時(shí)，通知給進(jìn)系統(tǒng)減少給進(jìn)壓力，在工況較好時(shí)，通知給進(jìn)系統(tǒng)增加給進(jìn)壓力。以確保系統(tǒng)最大程度的運(yùn)行在1000～1200rpmin的適中負(fù)荷條件下。

2 控制器總體設(shè)計(jì)

ARM7作為全32位的單片機(jī)控制系統(tǒng)，最近5年來在我國的自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到了較為全面的發(fā)展，因?yàn)锳RM7擁有多達(dá)4個(gè)I/O并行接口，可以讓全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加自由。同時(shí)，ARM7系列高達(dá)800MHz的運(yùn)行主頻和高達(dá)256MB的運(yùn)行RAM，可以更大限度的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速穩(wěn)定運(yùn)行。目前市面上ARM7開發(fā)板有著多種形式，本文計(jì)劃采用LPC2200系列開發(fā)板作為開發(fā)基礎(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置了高達(dá)4GB的輔助 FLASH存儲(chǔ)器，1MB的內(nèi)置 ROM，以及包括 RJ45和USB2.0在內(nèi)的豐富的輸入輸出電氣接口。

如圖2所示，因?yàn)锳RM7擁有A0～A31和D0～D31兩個(gè)I/O接口，我們采用兩者分別構(gòu)建地址總線和數(shù)據(jù)總線。形成一個(gè)達(dá)到64位的背板總線。而PC0～PC7是一個(gè)8位核心板總線，LPC2200已經(jīng)將其開發(fā)為了顯示總線，可以提供多達(dá)256種數(shù)據(jù)顯示模式，而PB作為LPC2200系統(tǒng)本身的控制總線已經(jīng)占用，用于控制板付存儲(chǔ)器和I/O接口的控制，所以本文系統(tǒng)不再進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。系統(tǒng)已經(jīng)集成的RESET、POWER、REFRESH等按鈕，直接與ARM7核心板的相應(yīng)接口對(duì)接，本文也不再進(jìn)行探討。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

本文系統(tǒng)的兩個(gè)輸出信號(hào)同樣通過AD總線輸出:(1)用于切換兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式的順動(dòng)重動(dòng)開關(guān)，為了保證兩個(gè)開關(guān)的動(dòng)作統(tǒng)一性，其轉(zhuǎn)換模式采用同步輸出鏡像動(dòng)作的模式實(shí)現(xiàn)，總線地址使用B00110011-0-0-00000001，系統(tǒng)功能板采用同步光電耦合器法實(shí)現(xiàn)功能。光電耦合器擬采用PC817C;(2)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)開關(guān)，包括意外大扭矩保護(hù)、過熱保護(hù)、雙電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異動(dòng)保護(hù)等，在AD總線上通過B00110011-0-0-00000002輸出。不經(jīng)過電動(dòng)機(jī)跳閘保護(hù)斷路器的PLC，直接使用RS232專用接口與開關(guān)的斷路繼電器連接;(3)給予動(dòng)力頭給進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)，使用PA接口控制的系統(tǒng)RS232接口輸出，該信號(hào)需要給進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的配合和解讀，本文僅考慮輸出4種信號(hào)(最大給進(jìn)壓力、增大給進(jìn)壓力、減少給進(jìn)壓力、撤出給進(jìn)壓力)的模式，對(duì)于對(duì)方系統(tǒng)的解讀算法不再研究;(4)給予水冷系統(tǒng)的信號(hào)輸出，采用AD總線上的B00110011-0-0-00000003進(jìn)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(dòng)調(diào)節(jié)水泵的星三角連接方式瞬態(tài)調(diào)整。

3 控制器軟件實(shí)現(xiàn)

因?yàn)榭刂破鞑捎昧嘶贏RM7架構(gòu)的LPC2200系列開發(fā)板進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該開發(fā)板整合了完整的UNIX操作系統(tǒng)，支持包括VC++在內(nèi)的高級(jí)語言開發(fā)，且系統(tǒng)800MHz的運(yùn)行主頻遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)本文系統(tǒng)的運(yùn)行要求。所以，本文計(jì)劃在VC++平臺(tái)上開發(fā)本文的應(yīng)用系統(tǒng)，而不用逐一考慮系統(tǒng)的運(yùn)行CPU周期問題。

本系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)方式如下:(1)構(gòu)建變量，讀入鉆桿轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)溫度、差速器溫度、兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別轉(zhuǎn)速等信息;(2)將鉆桿鉆速與系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速對(duì)比，如果鉆桿轉(zhuǎn)速低于系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速的15%則輸出策略，使得兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步進(jìn)入到恒定扭矩的運(yùn)行狀態(tài)中。如果系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速始終接近于給定轉(zhuǎn)速且狀態(tài)持續(xù)1秒(20周期)以上，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)到恒定功率的運(yùn)行狀態(tài)中。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的切換方式采用不允許中斷的進(jìn)程，防止出現(xiàn)系統(tǒng)變化模式中鉆桿失速的狀態(tài)發(fā)生。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是直接作用于動(dòng)力頭PLC的輸入端，切換過程基本由動(dòng)力頭PLC實(shí)現(xiàn)，所以，切換過程的鉆桿速度控制壓力較小;(3)根據(jù)溫度信號(hào)給出鉆機(jī)動(dòng)力頭保護(hù)信號(hào)和冷卻水轉(zhuǎn)速控制信號(hào);(4)通過PA接口上的RS232輸出動(dòng)力頭給進(jìn)電動(dòng)機(jī)的聯(lián)合控制信號(hào)。

以上循環(huán)由UNIX內(nèi)建的時(shí)鐘控件給出循環(huán)喚醒信號(hào)，一般采用每50ms進(jìn)行循環(huán)的方式進(jìn)行。

4 結(jié)束語

通過本文研究的聯(lián)合控制系統(tǒng)的實(shí)施，DQ70型鉆機(jī)的大部分手動(dòng)操作功能可以實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)的手動(dòng)操作，且本系統(tǒng)斷電關(guān)閉狀態(tài)下，DQ70系統(tǒng)的手動(dòng)操作仍然有效，屬于典型的外掛型系統(tǒng)。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的逐漸提升，自動(dòng)化控制系統(tǒng)勢(shì)必取代大部分手動(dòng)操作，以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)在更高效率和更加安全的工況下運(yùn)行。

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

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