CN103266878A

CN103266878A - 一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置

Info

Publication number: CN103266878A
Application number: CN2013101599735A
Authority: CN
Inventors: 艾维平; 邓乐; 盛利民; 窦修荣; 喻重山; 张磊; 张海
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Drilling Research Institute Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明提供了一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置，包括：实时监测井斜角的值；根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将其发送到控制系统；所述控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转；通过该油泵的运转，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置。通过双闭环控制系统，使得纠斜推力调节无超调、稳态精度较高，提高了纠斜系统的工作可靠性，并解决了低速下因转速采样频率较低而导致电机堵转问题，使纠斜推力可在全程任意设定、推力调节范围增大、稳态误差减小、系统可靠性提高。

Description

一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别是一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置。

背景技术

钻深井或超深井时，其直井段井眼的垂直度对于钻井作业的成败至关重要，故普遍要求防斜打快和安全低成本，但由于受到地层倾角大、高陡构造带、山前逆掩推覆体区域等复杂地质条件的影响，常规的防斜钻井技术很难满足垂直钻井要求。目前，自动垂直钻井则是解决防斜打快最为有效的一种技术，其中的纠斜推力控制系统是重要组成部分。纠斜推力的作用是克服地层造斜力对井眼垂直度的影响，若井斜一旦超过容许范围，系统必须施加准确的推力及时地进行纠斜，否则系统将以相等推力支撑井壁保持其垂直钻进状态。因此，纠斜推力的精确控制是自动垂直钻井技术的关键。

受到井下空间狭小、高温、高压以及强振动与冲击等恶劣条件的影响，因此垂直钻井中纠斜推力通常由液压系统提供。但采用电磁比例阀和溢流阀作为控制纠斜推力大小的元件，却使得纠斜推力的控制精度较低、调节范围较小（参见CN2592840、CN101358520、US2006243487）。通过调节电机的转速，控制油泵输出流量的方法，能够对纠斜推力大小进行任意调节，但是由于整个推力控制系统储能元件较多，导致系统惯性较大，使得纠斜推力难以实现稳定、快速、精确地调节。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置，通过由转速内环和推力外环组成的双闭环控制系统，实现了井下高温、高压和强震动环境下，高精度，无超调，大范围调节及高可靠性的纠斜推力控制。

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，包括：

实时监测井斜角的值；

若井斜角的值超过预设阈值，则根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将该三个推力给定值发送到控制系统；

所述控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；

根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转；

通过该油泵的运转，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置；

其中，将该三个推力给定值发送到控制系统，具体为：将该三个推力给定值通过I²C总线的主从模式下发给控制系统；

其中，控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值具体为：

将所述三个推力给定值与推力反馈值进行比较，得到推力偏差值；

将所述推力偏差值发送到PI调节器进行调节，得到三个电机转速给定值。

其中，根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转，具体为：

所述三个电机通过对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频，得到三路三倍的霍尔信号，并将该三路三倍的霍尔信号换算成三个电机转速值；

所述三个电机根据该三个电机转速值通过磁力连轴器带动油泵运转。

其中，对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频具体为：

将所述三路霍尔脉冲信号两两相与后，再进行或运算，得到三倍的霍尔脉冲信号。

其中，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，具体为：

所述液压系统通过逐步逼近结合积分分离的PI控制算法驱动活塞控制三只肋板。

该方法通过实时监测井斜角的值，当井斜角超过预设阈值时，将三个推力给定值立刻通过I²C总线的主从模式下发给控制系统，控制系统的转速内环通过将霍尔信号倍频，解决了低速下因转速采样频率较低而导致电机堵转的问题，倍频后，控制油泵运转，进而控制液压系统驱动推力外环，推力外环采用逐步逼近结合积分分离的数字PI控制算法驱动活塞控制三只肋板，使井眼回到垂直位置，实现了纠斜推力调节无超调、稳态精度较高，提高了纠斜系统的工作可靠性。

本发明另一方面提供了一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，包括：

测斜单元，用于实时监测井斜角的值；

推力传送控制单元，用于当井斜角的值超过预设阈值时，根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将该三个推力给定值发送到PI调节器；

PI调节器，用于根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；

转速调节器，用于根据该三个电机转速给定值调节三个电机的转速，并通过磁力连轴器带动油泵运转；

液压系统，用于通过该油泵的运转，驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置。

其中，测斜系统和PI调节器之间的连接方式为I2C总线的主从模式。

其中，转速调节器还包括倍频电路，用于对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频，得到三路三倍的霍尔信号，并将该三路三倍的霍尔信号换算成三个电机转速值；

其中，对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频具体为，将所述三路霍尔脉冲信号两两相与后，再进行或运算，得到三倍的霍尔脉冲信号。

其中，液压系统通过逐步逼近结合积分分离的PI控制算法驱动活塞控制三只肋板。

上述装置通过测斜单元实时监测井斜角的值，当井斜角超过预设阈值时，推力传送控制单元将三个推力给定值立刻通过I²C总线的主从模式下发给控制系统，转速调节器通过将霍尔信号倍频，解决了低速下因转速采样频率较低而导致电机堵转的问题，倍频后，控制油泵运转，进而控制液压系统驱动推力外环，推力外环采用逐步逼近结合积分分离的数字PI控制算法驱动活塞控制三只肋板，使井眼回到垂直位置，实现了纠斜推力调节无超调、稳态精度较高，提高了纠斜系统的工作可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法的流程图；

图2是无刷电机霍尔信号的波形示意图；

图3是自动垂直钻井系统结构示意图；

图4是一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置的结构图

图5是纠斜推力控制原理框图；

图6是纠斜推力控制系统电路框图；

图7是无刷电机霍尔信号倍频电路；

图8是纠斜推力测量电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

以下通过具体实施例来进行说明：

实施例一

如图1所示，为本发明一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，包括以下步骤：

步骤101，实时监测井斜角的值；

步骤102，若井斜角的值超过预设阈值，则根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将该三个推力给定值发送到控制系统；

其中，将该三个推力给定值通过I²C总线的主从模式下发给控制系统。

步骤103，所述控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；

其中，将所述三个推力给定值与推力反馈值进行比较，得到推力偏差值；

步骤104，根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转；

所述三个电机通过对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频，将所述三路霍尔脉冲信号两两相与后，再进行或运算，得到三倍的霍尔脉冲信号，得到三路三倍的霍尔信号，并将该三路三倍的霍尔信号换算成三个电机转速值；

无刷电机霍尔信号的波形如图2所示，其中，灰色表示高电平，白色表示低电平。当无刷电机每转半圈时，则产生一个周期的霍尔信号，每个霍尔信号相位差为120度。通常，无刷电机转速可由采用计算霍尔信号周期计算得到，但当电机转速较低时，则霍尔信号的频率较低，会影响电机转速的采样率。为了提高无刷电机低转速下的采样频率，将无刷电机的3路霍尔脉冲信号两两相与后再进行或运算处理，从而得到3倍频的霍尔脉冲信号，也就是说每隔60度则计算一次电机转速，这样相当于将霍尔脉冲信号频率提高了3倍。这样对对转速值的大小没有影响，只是采样转速的间隔缩小了3倍，有利于提高低转速下的电机转速采样。

步骤105，通过该油泵的运转，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置。

上述液压系统通过逐步逼近结合积分分离的PI控制算法驱动活塞控制三只肋板。

本发明提出的自动垂直钻井系统纠斜推力控制装置，包括动力主轴、活套、轴承。参见图3，活套上周向均匀分布三套纠斜执行机构和测斜、控制系统电路板仓体。纠斜执行机构则主要包括直流无刷电机、压力传感器、液压元件总成以及纠斜肋板，其中无刷电机通过磁力连轴器驱动油泵，给液压系统提供动力。具体见实施例二：

如图4，为本发明实施例一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，包括：

测斜单元401，用于实时监测井斜角的值；

纠斜推力的测量精度和稳定性是纠斜推力闭环控制系统的关键。由于受到井下高温、高压及强振动恶劣因素的影响，给纠斜推力测量带来了很大困难。为了提高纠斜推力测量精度，选用精度高、线性度好的电阻应变片压力传感器，基于差动电桥比例测量原理设计推力测量电路。参见图8，压力传感器、差动放大器、A/D转换器三者由同一恒压源AVdd供电，有效抑制了温漂、噪声干扰等因素对测量结果的影响。首先，压力传感器的输出信号经过低通滤波后，接至可编程增益差动放大器AD8556的输入端进行放大后，再进入数字信号控制器（DSC）的模拟通道AN0，经ADC转换成12位数字量作为推力反馈值。DSC根据传感器输出信号的大小通过改变差动放大器增益，提高了测量系统的分辨率，从而大大提高了测量精度和动态范围。

推力传送控制单元402，用于当井斜角的值超过预设阈值时，根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将该三个推力给定值发送到PI调节器；

其中，测斜系统和PI调节器之间的连接方式为I²C总线的主从模式。纠斜控制系统电路主要包括推力采样及给定电路、电机控制电路、人机接口电路、温度测量电路以及过载保护电路几部分，参见图6。考虑到控制器件的兼容性、扩展性、功能性，设计时选用Microchip公司具有丰富外设接口功能16位数字信号控制器dsPIC30F4012作为纠斜控制系统主控器件。垂直井段的井眼垂直度与井斜测量和纠斜推力精度紧密相关。钻进时井斜和重力高边由测斜系统进行实时监测，一旦发现井斜超出容许范围，则及时并可靠地下传所需的纠斜推力给定值，故采用I²C总线的主从模式进行下传指令。纠斜推力执行机构由机、电、液多个环节组成，其系统的惯性较大，增大了纠斜推力控制难度，为了得到精确的纠斜推力，使得电机控制系统尤为关键。利用dsPIC30F4012的电平变化通知端口（CN5～CN7）检测电机位置信号，进行软件译码方式实现电机换相，并根据换相周期计算出电机转速。由于电机安装位置距离控制电路较远，电机位置信号容易被干扰后畸变，造成错误换相，于是对电机位置信号进行了硬件低通滤波和软件滤波双重处理，从而提高了电机控制系统的可靠性。电机转速调节通过改变dsPIC30F4012的MCPWM模块所产生PWM信号的占空比实现；如果功率逆变电路中母线电流超过容许值，将会对整个系统造成严重危害，所以利用dsPIC30F4012的故障输入端口FLTA设计了保护电路；电机在运行过程中的发热不可避免，温升超出电机的正常工作温度时会降低电机的工作寿命，甚至遭到损坏。因此，设计了温度测量电路则对无刷电机的外壳温度进行实时监测。

PI调节器403，用于根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；

为了提高无刷电机低转速下的采样频率，设计了霍尔脉冲信号的3倍频电路。参见图7，将无刷电机的3路霍尔脉冲信号两两相与后再进行或运算处理，从而得到3倍频的霍尔脉冲信号，并利用dsPIC30F4012输入捕捉中断模块（IC8）捕获3倍频后的霍尔信号的上下边沿，再换算成电机转速值，使得电机转速信号采样频率提高了3倍。

其中，对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频具体为，将所述三路霍尔脉冲信号两两相与后，再进行或运算，得到三倍频率的霍尔脉冲信号。

转速调节器404，用于根据该三个电机转速给定值调节三个电机的转速，并通过磁力连轴器带动油泵运转；

液压系统405，用于通过该油泵的运转，驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置。

液压系统通过逐步逼近结合积分分离的PI控制算法驱动活塞控制三只肋板。

如图5所示，本发明提出的纠斜推力控制装置，采用由推力外环和转速内环组成的双闭环控制系统实现对自动垂直钻井系统中纠斜机构推力的控制。其中，推力外环元件包括：推力PI调节器、推力测量单元、油泵、液压系统、纠斜肋板，转速内环元件包括：转速PI调节器、无刷电机、转速测量单元、功率逆变电路、磁力联轴器。电子测量系统根据井斜角计算出推力给定值，与推力反馈值进行比较后，把偏差送入PI调节器进行调节，将输出的推力值作为电机转速给定值。电机控制系统将速度反馈值与给定值进行比较后，把偏差送入PI调节器，通过调制PWM驱动信号的脉宽控制功率逆变电路，形成无刷电机的速度闭环控制，电机通过磁力连轴器驱动液压系统实现对纠斜推力控制。

自动垂直钻井中纠斜推力系统的控制精度对井眼质量影响较大，其纠斜过程较为复杂，整个系统惯性较大，影响因素多，控制对象不易准确建模。考虑到负载波动是一个缓慢变化的过程，本系统采用数字PI调节算法较为适合，从控制理论上分析，PI调节算法是综合快速性和稳态无差性的控制方法，具有简单实用、鲁棒性好等优点。同时，软件算法应着重考虑的是解决局部小范围精确快速调整，优化软件结构，减少代码量，降低耗CPU时间。

针对纠斜推力控制过程中平稳无超调的特点，纠斜推力调节算法采取逐步逼近结合积分分离的数字PI控制算法，其程序框图如图8所示，从而消除了在较大阶跃进行给定时所产生的推力超调，使得纠斜推力在整个设置范围内变化更加平稳精确。由于在推力较小时电机的转速会很低，导致电机输出的扭矩波动较大，所以推力较小时其稳定性不好，且动态响应较慢，通过增加一个转速内环后提高了纠斜推力调节速度。图8中，Rini为推力给定初值，Rd为推力期望值，Rin为推力给定值，Yout为推力实测值，step为推力给定步长，Error为当前的推力偏差，Error0为前一次的推力偏差，u(k)为PI算法的输出调节量，u(k-1)为前一次的输出调节量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，DutyMax和DutyMin分别为占空比上下限，本文中采样周期为1毫秒。

实施例三

以下通过现场实例对纠斜控制方法的过程进行说明。

推力块纠斜工作模式包括以下几种：

①当泥浆泵关闭时，使3个推力块自动收回；

②当泥浆泵打开后，使3个推力块自动张开；

③当3个推力块完全张开，等待活套稳定后，开始根据所测量的井斜值判别井眼是否倾斜；

④若井斜测量值小于等于预先设定的最大允许井斜值，3个推力块维持张开状态；

⑤一旦井斜测量值大于预先设定的最大允许井斜值，工具根据工具面角的测量值和预先确定的1#推力块安装偏置角确定3个推力块中的某个或某两个推力块收回；

⑥若井斜测量值小于等于（预先设定的最大允许井斜值－0.5°），3个推力块又重新全部自动张开；

⑦若发现工具面角改变，则根据附所提供的计算方法重新确定某个或某两个推力块收回；

⑧一旦泥浆泵关闭，使3个推力块自动收回。

纠斜推力的大小确定方法如下：

根据井斜角大小确定推力大小，假定推力范围为0～30千牛，井斜角范围为0～30度，纠斜推力为1千牛/度，也就是说井斜角越大，则纠斜力也越大。

纠斜推力的方向确定方法如下：

根据实时测量的井眼高边位于哪个推力块的作用区域，由对应的一个或者2个推力块的合力方向确定。

本领域一般技术人员在此设计思想之下所做任何不具有创造性的改造，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，其特征在于，包括：

实时监测井斜角的值；

通过该油泵的运转，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置。

2.如权利要求1所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，其特征在于：所述将该三个推力给定值发送到控制系统，具体为：将该三个推力给定值通过I²C总线的主从模式下发给控制系统。

3.如权利要求1所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，其特征在于：所述控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值具体为：

4.如权利要求1所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，其特征在于：所述根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转，具体为：

5.如权利要求4所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，其特征在于：所述对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频具体为：

将所述三路霍尔脉冲信号两两相与后，再进行或运算，得到三倍频率的霍尔脉冲信号。

6.如权利要求1所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，其特征在于：所述液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，具体为：

7.一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，其特征在于，包括：

测斜单元，用于实时监测井斜角的值；

8.如权利要求7所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，其特征在于，所述测斜系统和PI调节器之间的连接方式为I²C总线的主从模式。

9.如权利要求7所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，其特征在于，所述转速调节器还包括倍频电路，用于对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频，得到三路三倍的霍尔信号，并将该三路三倍的霍尔信号换算成三个电机转速值；

10.如权利要求7所述用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，其特征在于，所述液压系统通过逐步逼近结合积分分离的PI控制算法驱动活塞控制三只肋板。