捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具伺服控制設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

王義峰，劉慶龍，劉文庭，高麗萍，孫 峰

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

井斜控制是油氣井鉆井中一個非常重要的問題，易斜地層中直井鉆進(jìn)的防斜打快是國內(nèi)尚未完全解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。常規(guī)的糾斜、防斜技術(shù)存在許多問題，如鐘擺鉆具組合的降斜能力受鉆壓影響較大［1－6］，只能采取輕壓吊打的方式，犧牲鉆速換取井身質(zhì)量。自動垂直鉆井技術(shù)［7－12］是解決該問題的一種有效方法，目前只有國外少數(shù)幾家公司掌握該項(xiàng)技術(shù)［13－20］，但因引進(jìn)價格昂貴，難以在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具，可以在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中通過隨鉆測量解算及井下伺服控制，實(shí)現(xiàn)主動糾斜、防斜控制，有效解決直井鉆進(jìn)過程中的防斜打快問題，確保井身質(zhì)量，提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本。捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具［21－22］主要由渦輪發(fā)電機(jī)、測控短節(jié)、力矩電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，測控短節(jié)包括測量解算模塊與伺服控制模塊2部分。測量解算模塊利用捷聯(lián)算法采集并解算出井斜角、井斜方位角以及鉆鋌工具面角等信息，然后通過CAN（controller area network）總線發(fā)送到伺服控制模塊。伺服控制模塊是一個反捷聯(lián)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)解算出來的井斜方位角、糾斜工具面角和鉆鋌工具面角控制力矩電機(jī)輸出軸驅(qū)動上盤閥，與下盤閥組成開關(guān)閥對過流鉆井液進(jìn)行控制，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)翼肋推靠井壁，產(chǎn)生具有糾斜作用的側(cè)向推靠力。伺服控制模塊能否控制力矩電機(jī)輸出軸穩(wěn)定在井斜方位角上，是實(shí)現(xiàn)糾斜的關(guān)鍵所在。為此，筆者對伺服控制模塊進(jìn)行了設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)對力矩電機(jī)輸出軸的精確控制。

1 伺服控制方案

捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具為井下全閉環(huán)控制，因此筆者將伺服控制模塊設(shè)計為閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，采用增量式數(shù)字PID（proportion integral derivative）調(diào)節(jié)，完成對力矩電機(jī)的控制。

1.1 三環(huán)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)模型

伺服控制模塊采用包括位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。由測量解算模塊解算出的位置信息作為位置環(huán)的給定輸入，由旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的位置信息作為位置環(huán)的反饋輸入，二者形成偏差，經(jīng)過位置環(huán)PID運(yùn)算調(diào)節(jié)，產(chǎn)生速度輸出，使位置給定輸入跟蹤上位置反饋輸入；由位置環(huán)PID運(yùn)算產(chǎn)生的速度輸出作為速度環(huán)的給定輸入，由旋轉(zhuǎn)變壓器提供的位置信息解算出的電機(jī)速度作為速度環(huán)的反饋輸入，二者形成偏差，經(jīng)過速度環(huán)PID運(yùn)算調(diào)節(jié)，產(chǎn)生電流輸出，使速度給定輸入跟蹤上速度反饋輸入；由速度環(huán)PID運(yùn)算產(chǎn)生的電流輸出作為電流環(huán)的給定輸入，由電流采樣電路采集電機(jī)三相繞組中的電流作為電流環(huán)的反饋輸入，二者形成偏差，經(jīng)過電流環(huán)PID運(yùn)算調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM（pulse width modulation）輸出，使電流給定輸入跟蹤上電流反饋輸入；DSP（digital signal processor）的PWM生成模塊產(chǎn)生6路PWM波，通過控制功率逆變器驅(qū)動電機(jī)。

1.2 增量式數(shù)字PID控制算法

數(shù)字PID控制是一種廣泛使用的、成熟的電機(jī)控制策略。數(shù)字PID控制算法原理是根據(jù)輸入給定信號r（n）與輸出反饋信號c（n）的偏差e（n），將偏差e（n）的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量u（n），對被控對象進(jìn)行控制。

一般位置式數(shù)字PID算法控制容易出現(xiàn)電機(jī)電流波動大，電機(jī)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)等問題，電機(jī)控制效果不理想。增量式數(shù)字PID算法是對位置式數(shù)字PID算法的改進(jìn)，其輸出為相對增量，輸出結(jié)果受控制芯片誤動作的影響小，每次采樣的輸出只與最近3個時刻的偏差有關(guān)，避免了偏差的累加，系統(tǒng)可靠性得到改善，運(yùn)行更加平穩(wěn)。

數(shù)字PID控制依靠合理的采樣周期來實(shí)時獲取控制偏差，假設(shè)ts為系統(tǒng)的采樣周期，u（n）為第n次采樣的輸出值，e（n）為第n次采樣給定值與測量值之差。

第n次采樣輸出值：

式中：Kp為比例系數(shù)；ti為積分時間；td為微分時間。

第n次采樣輸出值與第n－1次采樣輸出值的增量：

采樣開始后，通過獲取給定值r（n）以及反饋值c（n）來計算偏差值e（n），根據(jù)實(shí)用遞推算式的組成以及系統(tǒng)確定系數(shù)A，B和C，計算求取Δu（n）。

2 伺服控制硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

伺服控制模塊以TMS320F2812DSP作為控制單元，結(jié)合了整流模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、IPM（intelligent power module）功率驅(qū)動模塊、電壓電流檢測模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器及激勵模塊、RDC（resolver to digital converter）位置檢測模塊、無刷直流電機(jī)等外圍設(shè)備而構(gòu)成。伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware configuration diagram of the servo control system

2.1 DSP處理器

TMS320F2812是TI公司為數(shù)字電機(jī)控制和運(yùn)動控制優(yōu)化設(shè)計的32位高性能定點(diǎn)DSP控制器，是整個電機(jī)控制系統(tǒng)的核心，運(yùn)算速度為150 MIPS，其高速運(yùn)算能力使一些復(fù)雜控制算法得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時運(yùn)算。F2812集成了適合高速電機(jī)控制的內(nèi)部模塊，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺。

F2812接收測量解算模塊、電流檢測模塊、位置檢測模塊的信號，通過運(yùn)算處理得到相應(yīng)的PWM，通過功率驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。F2812有2個事件管理器：EVA和EVB，它們是電機(jī)控制中非常重要的外設(shè)。每個事件管理器包括通用定時器、比較器、PWM單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路?？刂葡到y(tǒng)采用一個比較單元和一個通用定時器產(chǎn)生輸出脈沖。計數(shù)器根據(jù)所配置時鐘計數(shù)，工作模式為連續(xù)增連續(xù)減模式。在計數(shù)過程中，比較器的值不斷與計數(shù)器的值比較，當(dāng)計數(shù)器的值與比較器的設(shè)定值匹配時，輸出脈沖波，同時相應(yīng)的比較中斷標(biāo)志被置位。F2812經(jīng)過電流環(huán)PID運(yùn)算后，通過修改比較器的值，產(chǎn)生不同占空比的PWM波。

2.2 電流檢測模塊

電流檢測模塊獲取電機(jī)的三相電流以實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制。電流檢測模塊使用HNC015ANJ型霍爾電流傳感器檢測電機(jī)電流，電流測量范圍－15～15A，輸出電流范圍0～25mA（DC），線性度≤±0.5%FSD，測量精度≤±1.0%FSD（25℃）。由于霍爾元件輸出的是有正負(fù)方向的弱電流信號，因此應(yīng)將該電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過濾波處理，進(jìn)入電壓偏移電路。為防止電壓過高或過低，加入了由二極管組成的限幅電路，將傳感器采樣信號轉(zhuǎn)換為滿足DSP輸入要求的信號，由DSP的AD對調(diào)理電路輸出的電壓信號進(jìn)行采樣。

2.3 位置檢測模塊

位置檢測模塊獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息以實(shí)現(xiàn)位置環(huán)及速度環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)使用AD2S80A芯片檢測電機(jī)位置信息。AD2S80A芯片是一種專用的軸角轉(zhuǎn)換器芯片，16位分辨率，最大跟蹤速度975r／min，角度精度±2＋1LSB弧分，工作頻率設(shè)定10kHz，系統(tǒng)使用SNJ54LVTH573FK芯片將AD2S80A芯片輸出的5.0V電平信號轉(zhuǎn)換為滿足DSP輸入要求的3.3V電平信號。

2.4 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊將DSP輸出的PWM信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動IPM模塊，控制電機(jī)的通電順序和通電時間，實(shí)現(xiàn)功率變換，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)采用PM75RLA120作為驅(qū)動電機(jī)的IPM智能功率模塊，內(nèi)含7個IGBT（insulated gate bipolar transistor），其中1個IGBT做制動用，其余6個IGBT構(gòu)成3相逆變電路，直流母線電壓＜800V，驅(qū)動電壓15V，載波頻率＜20kHz，工作結(jié)溫－20～150℃，短路保護(hù)，過溫保護(hù)，驅(qū)動電壓欠壓保護(hù)等。該模塊用于三相電路時，只需利用光耦隔離電路和DSP處理器向模塊提供控制電源及驅(qū)動信號，并且該模塊采用軟開關(guān)，具有低浪涌、低噪聲等特征，符合EMC要求。

由于電機(jī)系統(tǒng)采用的是PWM方波控制輸出，即為開關(guān)量控制，進(jìn)入IPM大電流控制過程時產(chǎn)生的高頻諧波分量較多，當(dāng)工作電壓逐步升高時，由高頻諧波分量產(chǎn)生的空間輻射和電路耦合能量也在不斷增強(qiáng)，從而在控制信號上衍生出高頻噪聲，影響系統(tǒng)的正常工作。在設(shè)計中將整個電路分成2部分：信號處理電路負(fù)責(zé)對DSP輸出的控制信號進(jìn)行隔離和調(diào)理；驅(qū)動電路對信號處理電路的輸出進(jìn)行二次隔離和驅(qū)動處理。6路PWM信號由DSP輸出后，首先經(jīng)過ADuM1100完成3.3V到5.0V的電平轉(zhuǎn)換，同時進(jìn)行一級隔離，接著通過三極管2N2222A進(jìn)行二級隔離。由于采用了兩級隔離處理，阻斷了元器件耦合的電磁干擾，大大減小了電磁干擾的影響。針對電機(jī)PWM控制信號的特征，在信號調(diào)理電路中采用了電流環(huán)的設(shè)計，即無論該路有無控制信號通過，電路中始終有5mA電流存在，雖然增加了電路的功耗，但是電容可以降低電源對地的阻抗，進(jìn)而有效地吸收空間輻射能量對信號的干擾。

3 伺服控制軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 伺服控制主程序流程

系統(tǒng)上電后，首先完成初始化工作，對系統(tǒng)參數(shù)、初始狀態(tài)進(jìn)行配置、檢測，確認(rèn)系統(tǒng)安全及檢測完必要的啟動狀態(tài)參數(shù)后，進(jìn)入主程序等待。中斷服務(wù)子程序主要包括AD轉(zhuǎn)換、電流環(huán)控制、速度環(huán)控制和位置環(huán)控制。CAN中斷觸發(fā)位置環(huán)控制，獲取當(dāng)前位置信息；定時器中斷觸發(fā)速度環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)速度計算、速度調(diào)節(jié)等功能；定時器中斷觸發(fā)電流及位置的AD采樣任務(wù)及電流環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電流的獲取和調(diào)節(jié)，計算PWM占空比等任務(wù)，并觸發(fā)PWM輸出任務(wù)；PWM輸出任務(wù)配置事件管理器的相關(guān)寄存器，控制PWM輸出波形。主程序流程如圖2所示。

圖2 伺服控制主程序流程Fig.2 Flow chart of the main program

3.2 電流環(huán)設(shè)計

電流環(huán)控制是三環(huán)控制的基礎(chǔ)。電流環(huán)的給定值為速度環(huán)的輸出，電流環(huán)的反饋值為霍爾電流傳感器的輸出。電流環(huán)調(diào)節(jié)的目的是為了確定電機(jī)定子繞組導(dǎo)通所需要的PWM占空比。電流環(huán)的設(shè)計必須考慮到電流的快速響應(yīng)，當(dāng)給定電流發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)必須迅速做出響應(yīng)，使輸出電流跟蹤給定電流的變化。電流環(huán)調(diào)節(jié)時，遵循PID調(diào)節(jié)的規(guī)律，在保證電流穩(wěn)態(tài)輸出的前提下，盡量減小瞬態(tài)響應(yīng)時間。經(jīng)PID調(diào)節(jié)，電流環(huán)頻率10kHz，階躍輸入的響應(yīng)時間＜1.2ms，穩(wěn)態(tài)輸出誤差＜±0.1A，基本滿足控制要求。

3.3 速度環(huán)設(shè)計

速度環(huán)控制是三環(huán)控制的中間環(huán)節(jié)，在三環(huán)控制中起著承上啟下的作用。速度環(huán)的給定值為位置環(huán)的輸出，速度環(huán)的反饋值由旋轉(zhuǎn)變壓器位置信息解算得到。速度環(huán)調(diào)節(jié)是為了確定電流環(huán)的給定電流。速度環(huán)調(diào)節(jié)時，應(yīng)具有精度高、響應(yīng)快的特性，具體反映為速度脈動率小、頻率響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬等。經(jīng)PID調(diào)節(jié)，速度環(huán)頻率1kHz，階躍輸入的響應(yīng)時間＜20ms，調(diào)速范圍0～300r／min。

3.4 位置環(huán)設(shè)計

位置環(huán)控制是三環(huán)控制的最外環(huán)，直接決定伺服控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，也是控制器設(shè)計中最關(guān)鍵的部分之一。位置環(huán)的給定值為測量解算模塊輸出的位置信息，位置環(huán)的反饋值為旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信息。位置環(huán)調(diào)節(jié)是為了確定速度環(huán)的給定速度。位置環(huán)調(diào)解時，應(yīng)具有較快的跟蹤響應(yīng)速度、較高的位置控制精度，同時又具有較小的超調(diào)量和較好的靜態(tài)性能。經(jīng)PID調(diào)節(jié)，位置環(huán)頻率100Hz，階躍輸入的響應(yīng)時間＜0.2s，穩(wěn)態(tài)輸出誤差＜0.5°。電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的中斷服務(wù)子程序流程如圖3所示。

圖3 中斷服務(wù)子程序流程Fig.3 Flow chart of interrupting service subprogram

4 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

三環(huán)閉環(huán)控制時，給定位置為模擬鉆鋌旋轉(zhuǎn)的位置信息，模擬井下鉆鋌以120r／min速度旋轉(zhuǎn)（見圖4），測量解算模塊利用捷聯(lián)算法，計算出糾斜工具面，即電機(jī)輸出軸所指向的執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠方向，經(jīng)過伺服控制，使盤閥工具面穩(wěn)定在該方向，控制精度誤差小于0.5°。同時，隨機(jī)對給定位置疊加階躍跳變，電機(jī)迅速響應(yīng)，體現(xiàn)在盤閥工具面的控制上會有少許的超調(diào)。經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后的盤閥工具面角見圖5。

圖4 鉆鋌旋轉(zhuǎn)模擬Fig.4 Simulation of drill collar rotation

圖5 電機(jī)軸工具面角Fig.5 Motor shaft tool face angle and restoring tool face angle

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

安順1井是中國石化在黔南坳陷部署的一口風(fēng)險探井，設(shè)計垂深5 600.00m，鉆遇地層易斜、研磨性強(qiáng)。應(yīng)用捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具之前，采用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)，井斜角持續(xù)增大，鉆至井深2 436.00m時井斜角增至6.25°。常規(guī)鉆具組合：φ311.1mm PDC鉆頭＋浮閥＋φ228.6mm 短鉆鋌（機(jī)械式測斜儀）＋φ228.6mm鉆鋌（4根）＋φ203.2mm無磁鉆鋌＋φ203.2mm鉆鋌（8根）＋φ177.8mm鉆鋌（6根）＋φ127.0mm鉆桿。

捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具應(yīng)用井段2 436.00～2 610.79m，純鉆時間172h，進(jìn)尺174.79m，井斜角持續(xù)減小，鉆至井深2 595.59m時井斜角降至0.24°，與使用垂直鉆井工具前相比，井斜角由6.25°降至0.24°，完全達(dá)到糾斜目標(biāo)。垂直鉆井鉆具組合：φ311.1mm牙輪鉆頭＋φ228.6mm 捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具＋浮閥＋φ228.6mm短鉆 鋌 （機(jī) 械 式 測 斜 儀 ）＋φ228.6mm 鉆 鋌 ＋φ306.00mm 穩(wěn) 定 器 ＋φ228.6mm 鉆鋌（2根）＋φ203.2mm 無磁鉆鋌＋φ203.2mm 鉆鋌（8根）＋φ177.8mm鉆鋌（6根）＋φ127.0mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓160～220kN，轉(zhuǎn)速50～60r／min，排量44～46L／s，泵壓18～21MPa。

電測井斜角曲線與工具內(nèi)部井斜角曲線對比見圖6。從圖6可以看出：使用捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具前，井斜角一直增大，鉆至井深2 425.00m時井斜角增至5.20°；使用捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具后，井斜角迅速減小，鉆至井深2 600.00m時井斜角降至0.33°，完全達(dá)到糾斜目標(biāo)。

圖6 井斜曲線Fig.6 Curve of well deviation angle

伺服控制的目標(biāo)——電機(jī)軸工具面角，代表盤閥工具面的指向，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)側(cè)向推靠力的方向，其控制結(jié)果應(yīng)與井斜方位角一致。從垂直鉆井工具內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)回放來看，電機(jī)軸工具面角與井斜方位角基本一致，偏差不超過2°（見圖7）。

圖7 方位角與電機(jī)軸工具面角曲線Fig.7 Curves of azimuth angle and the motor shaft tool face angle

由圖7可知：使用捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具前，方位角一直穩(wěn)定在增斜方位，井深2 425.00m處的方位角為230.7°（電測數(shù)據(jù)）；使用捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具后，在井斜角下降的同時，方位角并沒有穩(wěn)定在原方位上，而是呈逆時針漂移，井深2 600.00m處的方位角為77.6°（電測數(shù)據(jù)），與原增斜方位基本相反。這說明捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具實(shí)際降斜的軌跡不是理想的直線指向方位角的反方向，而是呈逆時針螺旋狀的軌跡。其原因有2個：一是在小井斜角情況下方位角的測量精度降低；二是降斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)翼肋推出的側(cè)向推靠力并不是嚴(yán)格指向方位角方向，而是有一個延遲角度，導(dǎo)致實(shí)際降斜方向始終向右偏移，捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具持續(xù)測量井斜角和方位角，調(diào)整電機(jī)軸工具面角和翼肋推出的方向，從而產(chǎn)生軌跡逆時針漂移的降斜效果，影響了捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具自身實(shí)際降斜能力的充分體現(xiàn)。

5 結(jié)論與建議

1）捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具伺服控制模塊設(shè)計合理，能夠快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)精確可靠，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，在直井鉆進(jìn)過程中能自動糾斜、防斜。

2）伺服控制是影響捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具糾斜、防斜效果的主要因素之一，還有其他重要影響因素如數(shù)據(jù)測量解算精度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能等，需要進(jìn)一步研究解決存在的問題，使捷聯(lián)式自動垂直鉆井工具的性能完全體現(xiàn)出來。

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