CN104373120A - 一种测井钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；通过钻进取心地面控制箱对取心器进行数据采集和反馈控制，能够及时的通过井下仪器的电路部分对井下仪器的各种状态进行检测，利用传感器监控对井下电机以及井下仪器的供电状态，并经过对采集数据的处理，通过对变频电源进行控制，实现对井下电机的调控；本发明控制方法利用地面控制箱实现对取心器取心的自动控制，进行连续的执行电机启动，推靠臂张开，冲针伸出位移达到最小，第二泵压力达到最大，液压马达旋转，钻头伸出，当钻进位移达到掰芯位置，液压马达停转，完成掰芯钻头退钻，钻头收回等一系列连续动作。

Description

一种测井钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于地质勘探领域，涉及控制钻进式井壁取心器在井下目的地层垂直井壁钻取岩心，具体为一种钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法。

背景技术

目前，在中国专利200620008135.3中，提出一种钻进式井壁取心器，它由地面控制系统和井下取心系统组成，地面控制系统与井下取心系统通过测井绞车的集流环和车载电缆相连接，地面控制系统给井下取心系统的电机提供高电压、大电流的电源，再由电机驱动液压泵给井下取心系统提供液压能，操纵井下取心系统进行取心；其所述地面控制系统由地面调压柜、升压柜、控制柜、测井绞车组成，彼此之间通过电缆相连。

其地面控制系统由操作员根据取心过程中出现的各种现象做出判断来控制整个取心过程，尤其在钻取岩心遇卡时，操作员需要一手频繁旋转调压柜旋钮，调节井下仪器电机供电电压，一手频繁按动控制柜上的钻头进、退开关，这就要求操作员不仅要熟知仪器，而且还要熟悉操作。其地面控制系统使用井场电网，而井场电网的电压经常处于不稳定状态，当电网电压下降时、井下取心系统的供电电压就会降低，井下仪器的各种电磁阀就不能正常工作，井下仪器就会发生误动作，损坏仪器部件。

另外，在专利201110219869中，提出一种钻进式井壁取心器的井下仪器电机的驱动电源，这种电源一方面在液压油温度低时可以实现电机的软启动，避免产生较大的电机启动电流；另一方面在钻取岩心遇卡时，可以降低电机重启的启动电流。驱动电源的使用，大大减少了大电流对绞车滑环、车载电缆等设备的损坏。

但是，由于其电机驱动电源的最大输出电流远小于电机的堵转值，在钻头负荷突然增大电机电流急速增大时，驱动电源不能供出更大电流以维持电机转动，自身就会停止给电机供电，转而重新启动电机，致使在钻取岩心时不能发现发生的钻头遇卡工程事故，造成操作员不能及时做出正确判断，不能及时发出退钻指令解卡，使得钻头卡死，从而损坏井下仪器。

并且，钻进式井壁取心器在井下工作时，需要操作员根据地面控制面板显示的第一泵压力值、第二泵压力值、电机工作的电压电流、各种位移传感器的数值做出综合分析判断，然后才能进行各种控制仪器动作的操作，当操作失误时就会容易损坏液压部件，造成工程事故。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种自动智能，效率较高，工作性能稳定，安全可靠，能有效提高取心效率和成功率的测井钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；

钻进取心地面控制箱包括，用于信号处理和数据传输的核心计算机系统；用于接入市电对井下仪器进行供电的下井供电电源系统；用于接入交流电并控制变频电源供电的井下电机电源控制系统；用于对井下仪器供电电源和井下电机供电电源数据进行采集的传感器；核心计算机控制系统的输入端连接传感器，输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统；所述传感器包括设置在下井供电电源系统供电线路上的井下仪器供电电压互感器和井下仪器供电电流互感器，以及设置在变频电源供电线路上的电机电流互感器和电机电压互感器；

绞车深度装置用于为核心计算机控制系统提供井下仪器所在的地层深度、仪器在井下的运动方向和运动速度的实时信号数据；

变频电源用于根据核心计算机系统的控制给井下仪器中的电机供电；变频电源包括两组相同的分别连接在井下电机电源控制系统电源输出端的功率电源通道，用于像功率电源通道发出高低频控制信号的中央控制模块，用于对功率电源通道反馈信号进行预处理的信号预处理板，用于显示变频电源状态的液晶显示器，以及用于扩展的外围接口；功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块，BUCK调压模块，高频正弦调制升压模块和逆变换向模块；功率因数校正模块输入端连接井下电机电源控制系统的交流输出端，逆变换向模块输出端连接电机的供电端；

井下仪器电路部分用于井下仪器工作状态检测和根据核心计算机系统的控制信号控制相应电磁阀的通断；井下仪器液压部分用于根据电磁阀的通断为取心执行机构提供液压动能。

优选的，井下仪器液压部分包括由变频电源供电控制的电机，由电机驱动控制的第一泵和第二泵，连接在第一泵的输出端经液压马达电磁阀控制的液压马达，分别连接在第二泵输出端的钻头位置油缸、推靠臂油缸和岩心冲针油缸；钻头位置油缸的输入端分别连接调速阀的输出端和设置在第二泵输出管路上的钻进电磁阀，调速阀的输入端分别连接第一泵的输出端和设置有溢流阀的第二泵输出端，溢流阀由步进电机控制；第二泵的输出管路上经推靠电磁阀分别连接推靠臂油缸和岩心冲针油缸；岩心冲针油缸上设置有冲针位移传感器，液压马达与钻头位置油缸上连接钻进位移传感器，液压马达与岩心冲针油缸上连接心长传感器；第一泵和第二泵上分别设置有第一泵压力传感器和第二泵压力传感器。

进一步，核心计算机系统包括搭载有CPU的嵌入式的计算机主板，用于扩展的外围扩展接口电路，用于对数据采集进行控制的采集控制板，用于与传感器信号和绞车深度装置信号进行预处理的传感器预处理板，连接在采集控制板输出端的步进电机驱动及继电器板；计算机主板通过通讯存储板与采集控制板连接，采集控制板的输入端连接传感器预处理板的输出端；步进电机驱动及继电器板的输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统。

进一步，下井供电电源系统包括输入端连接步进电机驱动及继电器板输出端的步进电机控制器，用于接入市电的自耦调压器，连接在自耦调压器输出端的变压器；步进电机控制器连接在自耦调压器的输入端，变压器的输出端接井下电缆用于对井下仪器进行供电；所述的井下电机电源控制系统包括与依次接入电压电流连接的高压开关和接触器及反向切换器。

本发明一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，包括如下步骤，

1)地面控制箱供电，设置井下仪器的电机安全工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；2)地面控制箱给井下仪器供电，与井下仪器建立通讯；地面控制箱采集井下仪器上传的包括电机工作电流、第一泵压力值、钻头钻进位移值的仪器状态数据；3)在取心过程开始后，地面控制箱给井下仪器发液压马达转指令和钻头钻进指令；之后，地面控制箱通过采集到的仪器状态数据判断钻进是否正常，判断条件为钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，若条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；4)地面控制箱检测电机工作电流时，判断条件为电机工作电流值―前值≥电机安全工作电流变化量最大值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；5)地面控制箱检测第一泵压力值时，判断条件为第一泵压力值>前值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而地面控制箱开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；6)地面控制箱将电机工作电流前值和第一泵压力前值分别更新到对应的当前值，然后地面控制箱发出钻进遇阻和遇卡警示，地面控制箱向变频电源发出指令减降电机电压和频率，地面控制箱给井下仪器发退钻指令，退钻完成后地面控制箱解除遇阻或遇卡警示；控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；7)检查钻进取心过程是否完成时，地面控制箱判断检查条件为钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，若条件不成立说明取心进程没完成，控制转到执行步骤2继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程；若条件成立，说明取心过程已经完成；地面控制箱继续发出指令退钻；地面控制箱报告取心作业完成。

优选的，取心过程中钻头钻进时采用退钻排屑钻进取心的方法，其包括如下步骤，

a1)钻进取心地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成其初始化工作，建立起与钻进取心地面控制箱的通讯；a2)地面控制箱通过井下仪器电路部分采集井下仪器的第一泵和第二泵的压力值、液压油温度值、冲针位移值、钻头位移值、芯长位移值、电压和电流信息；设定退钻排屑位移值，冲针最小伸出状态位移值，钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置位移量，第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值；a3)启动变频电源给井下仪器的电机供电，电机带动第一泵和第二泵向液压管汇输出高速高压液压油，驱动液压执行部件；a4)地面控制箱下发推靠臂推开指令给井下仪器，推靠电磁阀改变推靠臂油缸的油路，推开推靠臂完成井下仪器在井下取心地层位置的固定工作；在推靠臂完全张开后，冲针从空心钻杆钻头里收回到最小伸出状态位移值；a5)地面控制箱通过井下仪器电路部分下发液压马达转动指令，液压马达电磁阀改变油路，液压马达带动空心钻杆钻头旋转；钻头在出钻后位移值大于第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值时，地面控制箱下发钻头出钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路控制钻头出钻，旋转的钻头钻杆伸出仪器外壳垂直向地层钻进；a6)钻头进行钻进，直至每次钻进位移达到退钻排屑位移值时进行一次退钻排屑；当钻头达到系统设定的排屑退钻位移值位置后，就更新上次退钻钻头位移最大值为上次退钻钻头位移最大值与退钻排屑位移值之和；而后地面控制箱下发钻头退钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路，液压马达收回，钻头退钻；a7)当钻头位移值不小于钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置位移量，地面控制箱就一直保持给钻进电磁阀的钻头退钻指令状态不变；在每次退钻排屑后，再次钻进前，系统检查钻头的位移值是否已经满足上次退钻钻头位移最大值不小于钻头最远伸出位移量与退钻排屑位移值之和，若条件不满足，则重复步骤a6；若条件满足说明本次取心工作已经完成，继续退钻直到钻头位移值为0的位置，钻头回到仪器内的收回位置，同时地面控制箱报告完成当前位置取心过程。

优选的，取心过程中地面控制箱控制冲针将岩心从空心钻杆钻头中取出时采用冲针和空心钻杆钻头的自动保护方法，其步骤如下；

b1)地面控制箱供电完成初始化；禁止给井下仪器的电机供电；而后，地面控制箱给井下仪器供电；b2)地面控制箱与井下仪器建立通讯；检查与井下仪器的通讯是否正常，如果通讯不正常，程序控制返回上一步，继续地面控制箱与井下仪器建立通讯的过程，直到检查到通讯正常；b3)地面控制箱开放电机供电；设置钻头处于运动状态时的冲针安全位移值，设置推靠臂处于运动状态时钻头安全位移值；地面控制箱采集冲针位移值，采集钻头位移值；b4)地面控制箱查询与井下通讯是否正常，如果通讯异常，地面控制箱就会关闭电机电源；如果通讯正常，地面控制箱就检查条件冲针位移值≤安全位移值是否成立，如果不成立，地面控制箱禁止钻头出和收指令，如果条件成立，地面控制箱开放出和收钻指令；然后，地面控制箱检查条件钻头位移≥安全位移值是否成立，如果条件不成立，地面控制箱就禁止推靠开和收指令，如果条件成立，地面控制箱就开放推靠开和收指令。

优选的，取心过程中地面控制箱通过控制变频电源的供电实现对电机和钻进取心的控制，其具体步骤如下；

c1)地面控制箱电机供电开关置在开状态，变频电源进行供电初始化；变频电源与地面控制箱建立通讯；地面控制箱放弃系统控制权；变频电源获得系统控制权；c2)变频电源设置井下仪器的电机工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；c3)变频电源接收地面控制箱传送的井下仪器和地面控制箱的状态信息；变频电源发送给地面控制箱液压马达转指令；然后变频电源通过接收到的状态信息判断钻进是否正常，判断的条件为钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，如果条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；c4)变频电源检测电机工作电流时，判断条件为电机工作电流值―前值≥电机安全工作电流变化量最大值是否成立，条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；c5)变频电源检测第一泵压力值时，判断条件为第一泵压力值>前值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，若条件成立，说明钻进过程出现异常；变频电源进而开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；c6)变频电源将电机工作电流前值和第一泵压力前值分别更新到对应的当前值，然后变频电源发出钻进遇阻或遇卡警示；变频电源发出指令减降电机电压和频率；变频电源给井下仪器发退钻指令，退钻完成后变频电源解除遇阻或遇卡警示；控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；c7)检查钻进取心过程是否完成时，变频电源判断条件为钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，若条件不成立说明取心进程没完成，控制转到执行步骤c2继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程，如果条件成立，说明取心过程已经完成；变频电源继续给井下仪器发出指令退钻；变频电源报告取心作业完成。

优选的，取心过程中地面控制箱通过控制下井供电电源的供电实现对步进电机的控制，完成对钻进速度的控制，其具体步骤如下；

d1)钻进取心地面控制箱供电完成初始化；而后，地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器与钻进取心地面控制箱建立通讯；之后，地面控制箱采集井下仪器工作状态；地面控制箱设置井下仪器步进电机调节钻进速度阈值[S1，S2]；d2)启动变频电源给井下仪器的电机供电；地面控制箱给井下仪器发推靠开指令，井下仪器推靠臂张开，冲针从空心钻杆中收回到最小伸出位置；地面控制箱给井下仪器发钻头转指令，马达电磁阀改变油路，高压油驱动液压马达带着钻头钻杆旋转；地面控制箱给井下仪器发钻头出指令，钻进电磁阀改变油路，钻进位置油缸推动液压马达运动，钻头和钻杆伸出仪器外壳；d3)地面控制箱采集钻头钻进速度值S；地面控制箱判断条件钻进速度值S<钻进速度阈值下限值S1是否成立，当条件成立时，地面控制箱发指令给井下仪器的步进电机，井下仪器的步进电机转动，而调节溢流阀减小溢流阀的溢流油量，调高调速阀的第二泵进油量而提高钻进缸的出杆速度，提高钻头的钻进速度，直到条件不成立；d4)地面控制箱再判断条件钻进速度值S>钻进速度阈值上限值S2是否成立，当条件成立时，地面控制箱发指令给井下仪器的步进电机，步进电机转动调节溢流阀增大溢流阀的溢流油量，减少调速阀的第二泵进油量而降低钻进缸的出杆速度，从而降低钻头的钻进速度，直到条件不成立；d5)地面控制箱判断条件S1<钻进速度值S<S2是否成立，当条件不成立时，控制转到执行步骤d3，重新开始地面控制箱查询钻头钻进速度值S，进而循环直到条件成立；地面控制箱报告井下仪器钻进速度正常。

优选的，取心过程中地面控制箱在控制井下仪器电路部分时，包括在井下仪器电路部分的电磁阀实现自动调压，其具体步骤如下；

e1)地面控制箱供电完成初始化过程；而后地面控制箱设置井下仪器的电磁阀的工作安全电压阈值；然后地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成初始化过程；e2)井下仪器上传工作状态给地面控制箱，地面控制箱采集井下仪器中的电磁阀的工作电压；当电磁阀工作电压≤工作安全电压阈值下限时，地面控制箱发送指令调高缆头供电电压，直到电磁阀工作电压>工作安全电压阈值下限时，缆头电压调高过程结束；当地面控制箱检查到电磁阀工作电压≥阈值上限时，地面控制箱发送指令调低缆头供电电压，直到地面控制箱检查到电磁阀工作电压<阈值上限时，缆头电压调低过程结束；e3)步骤e2中的调节过程结束后，如果满足工作安全电压阈值下限<电磁阀工作电压<工作安全电压阈值上限的条件，本次地面控制箱对电磁阀工作电压的自动调节过程结束，否侧，地面控制箱的控制过程重复步骤e2，开始调节缆头电压，直到满足自动调节过程的结束条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的控制系统通过设置核心计算机系统的钻进取心地面控制箱对取心器进行数据采集和反馈控制，能够及时的通过井下仪器的电路部分对井下仪器的各种状态进行检测，利用传感器监控对井下电机以及井下仪器的供电状态，并经过核心计算机系统对采集数据的处理，通过对变频电源进行控制，实现对井下电机的调控，通过对下井供电电源系统的调控，配合完成对钻进取心的控制；设置的变频电源能够通过对两个相同的功率电源通道的控制得到满足电机工作需要的两相交流电源，利用设置的中央处理器不仅能够满足对电源的调节，而且能够利用与地面控制箱建立的连接通信实现对电机的控制，满足经变频电源对电机控制的需要。将井下仪器的供电与电机的供电进行分离，不仅满足了对电机电源的控制要求，而且不会影响井下仪器的工作状态，各自独立的控制单元也降低了核心计算机系统的控制要求，结构合理，设计巧妙，适用范围广，效率高，控制精确，劳动强度小。

进一步的，利用井下仪器液压部分中设置的液压马达和油缸，能够完成钻进取心过程中对钻杆和钻头的各种控制动作，满足控制要求，并且利用设置配合设置的电磁阀和传感器能够实现对其动作的精确控制和运动状态的实时反馈，从而保证了地面控制箱的及时有效的指令发送。

进一步的，利用嵌入式的计算机主板，能够将数字处理和信号传递的功能集成处理，通过传感器预处理板对采集信号进行预处理，提高处理速度，通过采集控制板完成对信号采集进行控制，分担了计算机主板的处理任务并且提高了对各个信号控制以及查询的效率，针对性强，效率高。

进一步的，通过下井供电电源系统能够利用线性电源给井下仪器以及步进电机供电，保证了井下仪器的正常工作，不会受到电机电源变化的影响，通过变压器和接入步进电机控制器的自耦调压器能够满足对井下仪器不同电源的控制要求，提高取心作业工作效率和系统的工作稳定性。

本发明所述的方法利用地面控制箱实现对取心器取心的自动控制，进行连续的执行电机启动，推靠臂张开，冲针伸出位移达到最小，第二泵压力达到最大，液压马达旋转，钻头伸出，当钻进位移达到掰芯位置，液压马达停转，完成掰芯钻头退钻，钻头收回等一系列连续动作。进而降低了操作人员因长时间的手动取心操作带来的精神紧张，实现对整个操作的自动化。

进一步的，通关发出相应的控制指令自动调整取心过程中的液压马达动作，智能控制钻头的钻进退钻排屑过程，通过及时排除钻进过程中产生的岩石碎屑，提高钻进取心时效，避免岩屑拥堵带来的卡钻，而使得系统适合于软地层的钻井式井壁取心作业，扩大了钻进式井壁取心器系统作业适用的地质地层范围。

进一步的，在钻取岩心过程中钻头负荷发生变化时进行自动处理，可以自动避免人工误操作和通讯信号传输错误所造成的冲针与取心液压马达的钻头和钻杆相撞的事故，可以起到保护钻头和钻杆的作用，进而降低劳动强度提高取心效率和成功率的效果。

进一步的，钻进式井壁取心器自动化控制系统的变频电源，在取心过程中，根据井下仪器具体的状态信息与钻进取心地面控制箱进行系统控制权的交接转换，并且变频电源的自动控制反应时间比人工手动操作判断快，处理及时，可以得到大大减少在取心作业时发生钻头粘卡钻的工程事故，节省处理事故的时间，减少工程事故造成的仪器损失以及仪器维修的大量成本的效果。

进一步的，钻进式井壁取心器的自动控制步进电机调节取心钻进速度，在取心过程中仪器在井下就可以调节溢流阀的溢流量而调节钻头的钻进速度，从而不必把仪器取出井口再手工调节溢流阀的溢流量，提高了取心时效，扩大了钻进式井壁取心器取心作业所适应的取心地层的硬度范围。克服了之前的钻进式井壁取心器只能在仪器下井之前手工调节溢流阀的溢流量来预设置钻进速度，仪器在井下取心作业时无法改变已经设定的钻头钻进速度，从而造成钻进式井壁取心器对同一口井的不同硬度地层进行取心的适应性很差，且改变钻头的钻进速度只能把仪器从井里拉出来，再手工调节溢流阀的弊病。

进一步的，钻进式井壁取心器自动化控制系统井下仪器供电电压进行自动调节，自动调节电磁阀电压，电磁阀工作在安全电压阈值内，可以保证取心仪器在井下进入高温地层段后，在仪器温度升高情况下，电磁阀能够可靠地按照控制指令要求吸合，改变液压油路，所以，可以得到提高仪器工作稳定性的效果。在钻进式取心作业时，系统自动调节井下仪器供电电压可以自动补偿因为井下仪器的工作负荷变化带来的电源扰动，从而提高系统在钻进式取心作业时电路的稳定性。

附图说明

图1为本发明所述控制系统的结构原理框图，其中图1.1为本发明所述控制系统中地面控制箱与变频电源的结构原理框图。

图2为本发明实施方式1中地面控制箱控制退钻排屑钻进取心方法的N-S流程图。

图3为本发明的实施方式2中电磁阀工作电压自动调节方法的N-S流程图。

图4为本发明的实施方式3中地面控制箱控制系统控制方法的N-S流程图。

图5为本发明的实施方式4中冲针、钻头和钻杆的自动保护方法的N-S流程图。

图6为本发明的实施方式5中变频电源控制系统控制电机方法的N-S流程图。

图7为本发明的实施方式6中控制步进电机调节取心钻进速度方法的N-S流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明钻进式井壁取心器自动化控制系统，如图1所示，包括绘图仪、数据采集笔记本计算机、绞车深度装置、钻进取心地面控制箱、变频电源、井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；本系统依据取心作业控制要求，系统的控制能够通过对电机电源的使能控制实现在钻进取心地面控制箱和变频电源间进行切换；钻进取心地面控制箱与数据采集笔记本计算机之间采用以太网通讯传输数据、与变频电源之间采用串行口通讯传输数据；本发明所述的系统能够采集井下仪器液压部分工作状态信息以及电源信息，自动进行智能判断，并发出控制指令，自动调整钻进式井壁取心过程中钻头的工作状态；钻进取心地面控制箱依据绞车深度装置提供的信号计算出井下仪器在井筒内的深度以及运动方向和速度作为其它取心数据的实时信息；数据采集笔记本计算机实时记录取心的数据，其与绘图仪通过USB口连接通讯，绘图仪依照数据采集笔记本计算机的控制实时打印或回放取心的数据；井下仪器电路部分包含电源、通讯、自然伽马探测器、仪器的液压部分的传感器采集电路、液压回路电磁阀控制电路等，其接收地面系统控制指令，测量仪器所在井深位置地层的自然伽马射线，向地面传输井下仪器状态数据和自然伽马数据；自然伽马数据和绞车深度装置的深度数据一起由钻进取心地面控制箱传给数据采集笔记本计算机，再在它的显示器上显示出井下仪器对应深度的自然伽马的数据曲线，操作人员依据自然伽马数据曲线确认井下仪器所在的井下地层的位置；井下仪器电路部分作为钻进取心井下仪器液压部分的数据测量和状态控制中枢与钻进取心地面控制箱配套，使井下仪器与地面仪器构成一个完整的控制系统；井下仪器液压部分，用交流电机带动液压第一泵和液压第二泵驱动液压系统运行，给取心执行机构提供液压动能，液压动能推动井下仪器液压的推靠臂张开和收回、钻头的旋转和停转、钻头的钻进和退钻等机械动作。井下仪器电路部分在地面控制箱的控制下，用控制相应电磁阀的通电和断电来控制液压油路，改变液压油的流向，而控制推靠臂张和收、钻头进和退、钻头转和停，完成取心过程，从而实现钻进式取心过程自动化。

其中，钻进取心地面控制箱包括井下电机电源控制系统、下井供电电源系统、以及相应的传感器、液晶显示器和核心计算机系统；能够通过采集井下仪器电路供电电压和电流信息，进行智能判断，自动调节井下仪器供电电压，控制井下仪器的控制推靠臂的推开收回动作的推靠控制电磁阀的工作电压、以及控制钻头的进退动作的钻进控制电磁阀的工作电压、以及控制马达的转停动作的马达控制电磁阀的工作电压在安全电压范围内。设定井下仪器三个电磁阀工作安全电压阈值，钻进取心地面控制箱在运行取心应用程序时，定时用程序的查询工作方式检测检查缆头电压，将采集到的仪器供电的电缆缆头电压与设定的安全电压阈值进行数值比较，低于下限就自动进行升压，高于上限就自动进行降压，而使得井下仪器的三个电磁阀工作电压自动调节到设定的安全电压阈值内。因此，钻进取心地面控制箱能够实时采集井下仪器电机工作电压、电流、频率等信息，进行智能判断，自动调节驱动电机的变频电源的供电电压和频率，在钻取岩心过程中钻头负荷发生变化时自动进行处理。

本发明中钻进取心地面控制箱设置井下仪器的电机安全工作电流最大值、系统最大功率值、以及钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS。在取心过程中，地面控制箱检测钻头位移值、第一泵压力值、电机电流等，当出现钻头单位时间内钻进位移变化量小于设置的最小值ΔS的情况时，地面控制箱将采集的电机工作电流与前一次采集的电机工作电流进行比较，当出现电机供电电流、第一泵压力两者都持续增大的条件时，确定为发生钻头遇阻或遇到卡钻问题，电机驱动电源向控制系统发出警示，同时降低电机供电的电压和频率以降低电流，当自动控制系统遇到警示状态，控制系统就发退钻指令，同时，钻头钻进位移在某一单位时间内的变化量大于设定值ΔS时，钻进进入正常后，驱动电源调整工作状态，解除警示，自动控制系统就即刻发钻进指令，继续进行钻进取心作业。

本系统钻进取心地面控制箱可以自动取心的控制，因而能够避免因为人工误操作和通讯信号传输错误所造成的冲针与取心液压马达的钻头和钻杆相撞的事故；系统钻进取心地面控制箱设置钻头处在运动状态时冲针的安全位移值，以及设置在推靠臂处于运动状态时钻头的安全位移值；在控制系统下发控制指令时，将刚采集到的位移值和安全位移值进行比较，当不满足安全位移值时，人工操作时发出的控制指令不被系统执行，以保证冲针与钻头和钻杆不相撞；在出现通讯故障时，自动控制系统自动关闭电机电源，确保不出现冲针与钻头和钻杆都处在运动状态，以保证冲针与钻头和钻杆不相撞。

本发明中钻进取心地面控制箱接收由井下仪器电路部分上传的井下仪器液压部分内部的第一泵、第二泵压力传感器、液压油温度传感器、冲针位移传感器、钻进位移传感器，以及井下仪器电路部分内部的电机电压互感器、电路供电电源电压互感器、电路温度传感器的电信号转换为的数字量，如图1所示，记录或显示出井下仪器的液压第一泵和第二泵压力值、液压油温度、仪器工作温度、钻头钻进位移值、冲针位移值、井下电机工作电压电流、井下仪器电源的缆头电压、电流等状态信息。根据采集到的井下仪器上传的信息，以及钻进取心地面控制箱的工作状态信息，钻进取心地面控制箱通过核心计算机的对数据和信号的处理，做出判断，再发出相应的控制指令，控制钻进控制电磁阀和马达控制电磁阀的动作，而自动调整液压回路，控制液压马达进退和转停的动作，完成钻头的钻出、钻进、退钻过程和自动进行取心过程中排屑操作。

地面控制箱中的井下电机电源控制系统由高压开关、接触器及接触器反向切换器组成，输入给变频电源的电压电流经过高压开关，到接触器及接触器反向切换器，再接入到变频电源，而后变频电源输出的电压电流再经过下井电缆，给井下电机供电。接触器反向切换器用于控制接触器输入到变频电源的电压电流的反向切换，从而满足井下电机的转向切换要求。从而控制变频电源给井下仪器的电机供电，如图1.1所示。

其中，下井供电电源系统由自耦调压器、变压器、步进电机及控制器组成，从地面控制箱外边接入的市电，经过自耦调压器和变压器，再接入下井电缆，给井下仪器供电。步进电机及控制器调节自耦调压器而调节变压器的输出电压，满足井下仪器电路的供电要求，从而给井下电路电源供电，如图1.1所示。

其中，传感器包括检测给井下电机供电的电压互感器和电流互感器、以及检测给井下仪器供电的电压和电流互感器，检测电机供电以及井下仪器供电电源的电流、电压、频率等信号传给核心计算机系统，液晶显示器显示井下仪器和地面控制箱的大第二泵压力、温度、电压、电流等信息，如图1.1所示。

其中，核心计算机系统由直接插在母板上的计算机主板、C8051F060采集控制板、通讯存储板、步进电机驱动及继电器板，以及传感器预处理板、外围扩展出的接口电路组成。计算机板上面搭载一块符合ETX3规范的CPU模块，内部装有Windows XP操作系统，CPU模块采用研华生产的SOM-4455，配有AMD Geode^TM LX处理器和AMDGeode^TM CS5536辅助设备，可实现高速运算性能，外围扩展出的接口电路包括3个USB接口，两个串行口，一个以太网接口，TFT-LCD接口以及一个44针2.5寸硬盘接口，接口设有驱动电路。核心计算机系统配合相应的对钻进式井壁取心进行控制的方法，通过显示器触摸屏及人机界面完成人机交互来控制取芯过程、进行井下仪器刻度、控制井下电机供电、自动控制下井电路供电，可以通过显示屏上的信息，及时调整仪器工作状态，从而顺利完成取心任务，如图1.1所示。

本发明中通过在井下仪器液压部分内的油浸步进电机、溢流阀和调速阀，三者按照顺序调节的方式自动控制钻头的钻进速度。钻进取心地面控制箱设置井下仪器钻头钻进速度，发指令给井下仪器控制井下仪器的步进电机的转动方向和角度，来调节与其连在一起的溢流阀的液压油的溢流量，而控制调节阀的第二泵来油量，控制钻进缸的出杆速度，从而控制钻头的钻进速度。

本发明中，如图1.1所示，变频电源有A、B两个相同的功率电源通道，包括功率因数校正模块PFC、BUCK调压模块、高频正弦调制升压模块、逆变换向模块、以及发出高低频控制信号的中央控制模块、传感器预处理板和液晶显示器、以及外围接口功能单元模块。来自钻进取心地面控制箱的井下电机电源控制系统的A、B两相交流220V电，输入给频电源的A、B两个功率电源通道，首先经过各自的功率因数校正模块PFC而获得较高功率因数的360V直流电压，再在中央控制模块控制下，360V直流电压经过BUCK调压模块，得到电压输出范围为0～370V的可调控直流电压，而后直流输入到高频正弦调制升压模块，在中央控制模块控制下，先将直流电压调制成按照正弦规律变化的高频信号，再经过高频升压和高频整流过程，得到按照正弦规律变化的高频脉冲序列，再经过低通滤波过程得到与中央控制模块发出的低频控制信号一致的低频半波正弦高压信号，高频正弦调制升压模块输出的高压低频半波正弦信号输入到逆变换向模块，中央控制模块向逆变换向模块发出频率同步的低频换向方波信号，中央控制模块通过控制A、B两个通道的模块的低频正弦调制波形的相位，使变频电源输出相位差90度的A、B两相正弦波形交流，而得到满足电机需要的变频调压的两相交流电源。

本发明的电机驱动电源采用如上所述的专用的变频电源，与钻进取心地面控制箱通过串行口进行相互通讯，根据钻进取心地面控制箱的指令要求从钻进取心地面控制箱取得系统的控制权，从钻进取心地面控制箱获得井下仪器和钻进取心地面控制箱的工作状态信息，变频电源智能控制钻进式取心进行的过程。变频电源从地面控制箱采集到系统的仪器工作状态信息，对信息做出判断，再对井下仪器的电机供电进行相应的调压和调频处理，使得井下仪器电机驱动的液压马达的钻进式取心过程适应井下仪器所在的不同深度、不同硬度的地层，以及在钻进过程中发生钻头粘卡钻工程问题时，根据地面控制箱采集到的相应的仪器工作状态信息做出判断，接管地面控制箱的系统控制权，及时快速地自动启动解除钻头粘卡钻工程问题的进程，而进行退钻以及电机关电等操作程序。

本发明所述的控制系统和控制方法，实现了钻取岩心作业时钻进式井壁取心器系统根据取心时井下仪器的状态信息，自动调节仪器的工作状态、发出各种控制指令，实现取心作业过程的自动化控制提高钻进式井壁取心工作效率。能够根据井下仪器工作状态信息，自动进行判断，发出相应的控制指令自动完成取心操作过程，并且系统在使用过程中对井下仪器的液压机构运动部件具有自动保护功能。而且能偶自动调节井下仪器电磁阀工作电压功能的钻进取心地面控制箱，根据取心所用车载电缆的长度、电网电压波动情况随时调节井下仪器工作电压，使井下仪器的各种电磁阀工作正常，各种信号传输正常。利用设置的变频电源作为专用的电机驱动电源，可以根据井下仪器的电机工作状态自动调节供电电压，使电机达到最佳工作状态。通过井壁取心器井下仪器电路，使其能够完成钻进式井壁取心器井下仪器液压部分的测量和控制电路与钻进取心地面控制箱配套，使井下仪器与地面仪器构成一个完整的控制系统，实现钻进式井壁取心过程自动化。本发明具体的系统组成和控制方法如下所述的六个实施方式。

实施方式1

如图1所示，本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统，其包含用于取心数据实时记录功能的数据采集笔记本计算机；用于取心数据纸化记录功能的绘图仪；用于给井下仪器电机供电功能的变频电源；用于信号处理和数据采集，以及井下仪器状态控制和供电的钻进取心地面控制箱；用于向钻进取心地面控制箱提供井下仪器在井筒内的运动信号的绞车深度装置；钻进取心地面控制箱根据接收到的运动信号得出井下仪器在井筒内的深度以及运动方向和速度数据，作为其它取心数据的实时信息。还包括用于钻进式井壁取心操作和能量传递的井下仪器液压部分；用于井下仪器工作状态检测和控制液压部分工作状态的井下仪器电路部分。

其中，如图1所示，井下仪器液压部分包括用于把电能转化为机械能并传递给第一泵和第二泵的电机；用于改变推靠臂油缸进油方向完成推靠臂开合功能的推靠电磁阀；用于改变钻进缸进油方向完成钻头的进钻和退钻的钻进电磁阀；用于改变液压马达进油和停油完成液压马达的旋转和停转的液压马达电磁阀；用于把机械能转化为液压能的第一泵和第二泵；用于把第一泵输出的动力液压油的压力转化为电信号的第一泵压力传感器；用于把第二泵输出的动力液压油的压力转化为电信号的第二泵压力传感器；用于把液压油温度转化为电信号的液压油温度传感器；用于将冲针的位移转化为电信号的冲针位移传感器；用于把液压能转化为机械能的液压马达；用于将液压马达及钻头的位移转化为电信号的钻进位移传感器；用于将所取得的岩心的长度转化为电信号的心长传感器。其中，空心钻杆钻头用于向地层钻取岩心，冲针用于在取完岩心后从液压马达的空心钻杆钻头里取出岩心；岩心冲针油缸用于控制冲针运动，钻头位置油缸用于控制空心钻杆钻头运动；用于液压能传递及能量分配的液压部件及管汇。

如图1所示，本发明测井钻进式井壁取心器的控制系统的控制下钻进式井壁取心的工作过程。在取心作业时，井下仪器与测井绞车车载的电缆连接被下放至取心的目的地层，变频电源给井下仪器的电机供电，电机带动第一泵和第二泵给液压执行机构提供液压动力，钻进取心地面控制箱发推靠臂推开指令，井下仪器的推靠臂打开，把取心仪器固定在井筒的取心目的层的取心位置上，钻进取心地面控制箱发液压马达旋转指令和钻头出钻指令，液压马达驱动旋转的空心钻杆钻头在井壁的垂直方向钻取岩心，当钻头到达最远的钻进位置后，钻头掰断岩心，地面控制箱发钻头收回指令和马达停转指令，岩心被收回到仪器体内，在地面控制箱发推靠臂收回指令，且推靠臂收回后，冲针把岩心从空心钻杆钻头内捅出，岩心落入仪器尾部的岩心收集筒里，至此一个取心作业过程结束。在取心过程中数据采集笔记本计算机实时记录取心过程中仪器的工作状态，同时绘图仪在数据采集笔记本计算机的控制下打印输出数据的纸质形式。在钻进式取心作业前，数据采集笔记本计算机记录仪器内自然伽马探头测出的井筒方向的自然伽马曲线，根据自然伽马曲线确定仪器所在井下的地层位置，来帮助仪器完成钻进式井壁取心位置的停靠定位。

井下仪器电路部分包括电机电压互感器和电路电源电压互感器。

本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统工作时，由钻进取心地面控制箱控制完成取心，其中的退钻排屑钻进取心过程如图2所示。

在钻进取心过程中，空心钻杆钻头在垂直井壁的地层中旋转连续地切削与钻头接触的岩石产生岩石碎屑，岩屑存在于钻头钻进过程中形成的空洞壁和钻头钻杆之间的间隙中，积累多了就会造成卡钻问题，这使得在钻进过程中必须及时地用退钻的方式把岩屑带出空洞，而后才能再钻进，其称为钻进式取心过程中的退钻排屑钻进取心过程。

为了解决钻进式取心过程中的退钻排屑钻进问题，如图2所示，首先，钻进取心地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成其初始化工作，建立起与钻进取心地面控制箱的通讯；而后井下仪器电路部分采集井下仪器的第一泵和第二泵的压力值、液压油温度值、冲针位移值、钻头位移值、芯长位移值、电压和电流信息，设定退钻排屑位移值，冲针最小伸出状态位移值，钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置位移量，第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值；再传递给地面控制箱；地面控制箱把采集到的井下仪器的信息在显示器上显示；之后，启动变频电源给井下仪器的电机供电，电机带动第一泵和第二泵向液压管汇输出高速高压液压油，驱动液压执行部件；地面控制箱下发推靠臂推开指令给井下仪器，推靠电磁阀改变推靠臂油缸的油路，推开推靠臂完成井下仪器在井下取心地层位置的固定工作；在推靠臂完全张开后，冲针从空心钻杆钻头里收回到最小的伸出状态，冲针的最小伸出状态在地面控制箱上显示为冲针位移值≤150，也就是其最小伸出状态位移值设定为150，这时冲针从空心的钻头钻杆里全部收回；地面控制箱下发液压马达转动指令给井下仪器的电路，液压马达电磁阀改变油路，液压马达带动空心钻杆钻头旋转；钻头在出钻后位移值大于400时，钻头就伸出了仪器外壳的包络面，位移值400被设定为在钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置，同时也设定400为第一次排屑退钻的上次退钻钻头位移最大值；地面控制箱下发钻头出钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路控制钻头出钻，旋转的钻头钻杆伸出仪器外壳垂直向地层钻进；由于在钻进过程中，要求退钻排屑，设定其退钻排屑位移值为50，从而系统要求钻头位移每次钻进加深50进行一次退钻排屑，只要钻头没有达到排屑退钻位移的要求值就处在钻进状态，这就要求必须是钻头位移≤上次退钻钻头位移最大值+50；当钻头达到系统设定的排屑退钻位移值位置后，就更新上次退钻钻头位移最大值，即把原来值+50再赋给上次退钻钻头位移最大值；而后地面控制箱下发钻头退钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路，开始液压马达收回，钻头退钻；只要钻头位移值≥400，地面控制箱就一直保持给钻进电磁阀的钻头退钻指令状态不变；在每次退钻排屑后，再次钻进前，系统检查钻头的位移值是否已经满足上次退钻钻头位移最大值≥1050，钻头位移值1000是钻头达到最远伸出并完成掰芯的位移值，条件如果已经满足说明本次取心工作已经完成，在正常情况下掰断的岩心已经滞留在了空心的钻杆里，这时系统就不再出钻了，而是继续退钻，直到钻头回到仪器内的收回位置，即钻头位移值为0的位置，同时地面控制箱报告完成当前位置取心过程。

实施方式2

本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统工作时，由钻进取心地面控制箱控制完成取心，电磁阀工作电压自动调节的方法。如图3所示，

首先，地面控制箱供电完成初始化过程；而后地面控制箱设置井下仪器的电磁阀的工作安全电压；之后，地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成初始化过程；井下仪器上传工作状态给地面控制箱，地面控制箱查询井下仪器中的电磁阀的工作电压，开始对电磁阀工作电压的自动调节过程；当电磁阀工作电压≤工作安全电压阈值下限时，地面控制箱发送指令调高缆头供电电压，直到电磁阀工作电压>工作安全电压阈值下限时，缆头电压调高过程结束；当地面控制箱检查到电磁阀工作电压≥阈值上限时，地面控制箱发送指令调低缆头供电电压，直到地面控制箱检查到电磁阀工作电压<阈值上限时，缆头电压调低过程结束；以上两个调节过程结束后，如果电磁阀工作电压在工作安全电压阈值内，即工作安全电压阈值下限<电磁阀工作电压<工作安全电压阈值上限，本次地面控制箱对电磁阀工作电压的自动调节过程结束，否侧，地面控制箱的控制过程重新返回到前面，开始检测电磁阀的工作电压，开始调节缆头电压，直到满足自动调节过程的结束条件。

实施方式3

本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统工作时，由钻进取心地面控制箱控制完成取心，如图4所示，其整体的方法步骤如下。

首先，地面控制箱供电后，设置井下仪器的电机安全工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax等，地面控制箱给井下仪器供电，与井下仪器建立通讯；而后，地面控制箱采集井下仪器上传的电机工作电流、第一泵压力值、钻头钻进位移值仪器状态数据；在取心过程开始后，地面控制箱给井下仪器发马达转指令和钻头钻进指令；之后，地面控制箱判断条件钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；电机安全工作电流变化量最大值设定为0.5A，从而地面控制箱判断条件电机工作电流值―前值≥0.5A是否成立，条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；地面控制箱判断条件第一泵压力值>前值是否成立，条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常；地面控制箱进而开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；地面控制箱发出钻进遇阻和遇卡警示；地面控制箱向变频电源发出指令减降电机电压和频率；地面控制箱给井下仪器发退钻指令；而后，地面控制箱解除遇阻或遇卡警示；地面控制箱判断检查条件钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，条件不成立说明取心进程没完成，程序控制转到前边继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程，如果条件成立，说明取心过程已经完成；地面控制箱继续发出指令退钻；地面控制箱报告取心作业完成。

在本实施方式3的取心过程控制中，能够启动地面控制箱的自动控制开关，地面控制箱就可以自动连续执行电机启动，推靠臂张开，冲针伸出位移达到最小，第二泵压力达到最大，液压马达旋转，钻头伸出，当钻进位移达到掰芯位置，液压马达停转，完成掰芯钻头退钻，钻头收回等一系列连续动作。进而降低了操作人员因长时间的手动取心操作带来的精神紧张。

实施方式4

本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统工作时，由钻进取心地面控制箱控制完成取心，如图5所示，其中冲针、空心钻杆钻头的自动保护方法如下。

首先，地面控制箱供电完成初始化；禁止给井下仪器的电机供电；而后，地面控制箱给井下仪器供电；之后，地面控制箱与井下仪器建立通讯；地面控制箱检查与井下仪器的通讯是否正常，如果通讯不正常，程序控制返回上一步，继续地面控制箱与井下仪器建立通讯的过程，直到检查到通讯正常；地面控制箱开电机供电；而后，地面控制箱设置钻头处于运动状态时的冲针安全位移值；而后，设置推靠臂处于运动状态时钻头安全位移值；地面控制箱采集冲针位移值；地面控制箱采集钻头位移值；而后，地面控制箱查询与井下通讯是否正常，如果，通讯异常地面控制箱就会关闭电机电源；如果，通讯正常，地面控制箱就检查条件冲针位移值≤安全位移值是否成立，如果不成立，地面控制箱禁止钻头出和收指令，如果条件成立，地面控制箱开放出和收钻指令；而后，地面控制箱检查条件钻头位移≥安全位移值是否成立，如果条件不成立，地面控制箱就禁止推靠开和收指令，如果条件成立，地面控制箱就开放推靠开和收指令。

实施方式5

本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统工作时，由钻进取心地面控制箱控制完成取心，变频电源控制电机进行取心，如图6所示，其中方法如下。

首先，地面控制箱电机供电开关置在开状态，即地面控制箱使得电机电源在使能状态；而后，变频电源供电初始化；变频电源与地面控制箱建立通讯；地面控制箱放弃系统控制权；变频电源获得系统控制权；变频电源设置井下仪器的电机工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；之后，变频电源接收地面控制箱传送的井下仪器和地面控制箱的状态信息；变频电源发送给地面控制箱液压马达转指令；变频电源检查条件钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，如果条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；电机安全工作电流变化量最大值设定为0.5A，因此变频电源判断条件电机工作电流值―前值≥0.5A是否成立，条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；变频电源判断条件第一泵压力值>前值是否成立，条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常；变频电源进而开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；变频电源发出钻进遇阻或遇卡警示；变频电源发出指令减降电机电压和频率；变频电源给井下仪器发退钻指令；而后，变频电源解除遇阻或遇卡警示；变频电源判断条件为钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，条件不成立说明取心进程没完成，程序控制转到前边继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程，如果条件成立，说明取心过程已经完成；变频电源继续给井下仪器发出指令退钻；变频电源报告取心作业完成。

实施方式6

本发明所述测井钻进式井壁取心器的控制系统工作时，由钻进取心地面控制箱控制完成取心，如图7所示，其中控制步进电机调节取心钻进速度的方法如下。

首先，钻进取心地面控制箱供电完成初始化；而后，地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器与钻进取心地面控制箱建立通讯；之后，地面控制箱采集井下仪器工作状态；地面控制箱设置井下仪器步进电机调节钻进速度阈值[S1，S2]；启动变频电源给井下仪器的电机供电；地面控制箱给井下仪器发推靠开指令，井下仪器推靠臂张开，冲针从空心钻杆中收回到最小伸出位置；地面控制箱给井下仪器发钻头转指令，马达电磁阀改变油路，高压油驱动液压马达带着钻头钻杆旋转；地面控制箱给井下仪器发钻头出指令，钻进电磁阀改变油路，钻进缸推动液压马达运动，钻头和钻杆伸出仪器外壳；地面控制箱查询钻头钻进速度值S；地面控制箱判断条件钻进速度值S<钻进速度阈值下限值S1是否成立，当条件成立时，地面控制箱发指令给井下仪器的步进电机，井下仪器的步进电机转动，而调节溢流阀减小溢流阀的溢流油量，调高调速阀的第二泵进油量而提高钻进缸的出杆速度，从而提高钻头的钻进速度，直到条件不成立；而后，地面控制箱再判断条件钻进速度值S>钻进速度阈值上限值S2是否成立，当条件成立时，地面控制箱发指令给井下仪器的步进电机，步进电机转动调节溢流阀增大溢流阀的溢流油量，减少调速阀的第二泵进油量而降低钻进缸的出杆速度，从而降低钻头的钻进速度，直到条件不成立；之后，地面控制箱判断条件S1<钻进速度值S<S2是否成立，当条件不成立时，程序控制转向前边，重新开始地面控制箱查询钻头钻进速度值S，进而程序循环，直到条件成立；而后，地面控制箱报告井下仪器钻进速度正常。

Claims (10)

1.一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；

所述的钻进取心地面控制箱包括，用于信号处理和数据传输的核心计算机系统；用于接入市电对井下仪器进行供电的下井供电电源系统；用于接入交流电并控制变频电源供电的井下电机电源控制系统；用于对井下仪器供电电源和井下电机供电电源数据进行采集的传感器；核心计算机控制系统的输入端连接传感器，输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统；所述传感器包括设置在下井供电电源系统供电线路上的井下仪器供电电压互感器和井下仪器供电电流互感器，以及设置在变频电源供电线路上的电机电流互感器和电机电压互感器；

所述的绞车深度装置用于为核心计算机控制系统提供井下仪器所在的地层深度、仪器在井下的运动方向和运动速度的实时信号数据；

所述的变频电源用于根据核心计算机系统的控制给井下仪器中的电机供电；变频电源包括两组相同的分别连接在井下电机电源控制系统电源输出端的功率电源通道，用于像功率电源通道发出高低频控制信号的中央控制模块，用于对功率电源通道反馈信号进行预处理的信号预处理板，用于显示变频电源状态的液晶显示器，以及用于扩展的外围接口；功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块，BUCK调压模块，高频正弦调制升压模块和逆变换向模块；功率因数校正模块输入端连接井下电机电源控制系统的交流输出端，逆变换向模块输出端连接电机的供电端；

所述的井下仪器电路部分用于井下仪器工作状态检测和根据核心计算机系统的控制信号控制相应电磁阀的通断；

所述的井下仪器液压部分用于根据电磁阀的通断为取心执行机构提供液压动能。

2.根据权利要求1所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，所述的井下仪器液压部分包括由变频电源供电控制的电机，由电机驱动控制的第一泵和第二泵，连接在第一泵的输出端经液压马达电磁阀控制的液压马达，分别连接在第二泵输出端的钻头位置油缸、推靠臂油缸和岩心冲针油缸；钻头位置油缸的输入端分别连接调速阀的输出端和设置在第二泵输出管路上的钻进电磁阀，调速阀的输入端分别连接第一泵的输出端和设置有溢流阀的第二泵输出端，溢流阀由步进电机控制；第二泵的输出管路上经推靠电磁阀分别连接推靠臂油缸和岩心冲针油缸；岩心冲针油缸上设置有冲针位移传感器，液压马达与钻头位置油缸上连接钻进位移传感器，液压马达与岩心冲针油缸上连接心长传感器；第一泵和第二泵上分别设置有第一泵压力传感器和第二泵压力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，所述的核心计算机系统包括搭载有CPU的嵌入式的计算机主板，用于扩展的外围扩展接口电路，用于对数据采集进行控制的采集控制板，用于与传感器信号和绞车深度装置信号进行预处理的传感器预处理板，连接在采集控制板输出端的步进电机驱动及继电器板；计算机主板通过通讯存储板与采集控制板连接，采集控制板的输入端连接传感器预处理板的输出端；步进电机驱动及继电器板的输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统。

4.根据权利要求3所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，所述的下井供电电源系统包括输入端连接步进电机驱动及继电器板输出端的步进电机控制器，用于接入市电的自耦调压器，连接在自耦调压器输出端的变压器；步进电机控制器连接在自耦调压器的输入端，变压器的输出端接井下电缆用于对井下仪器进行供电；所述的井下电机电源控制系统包括与依次接入电压电流连接的高压开关和接触器及反向切换器。

5.一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)地面控制箱供电，设置井下仪器的电机安全工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；

2)地面控制箱给井下仪器供电，与井下仪器建立通讯；地面控制箱采集井下仪器上传的包括电机工作电流、第一泵压力值、钻头钻进位移值的仪器状态数据；

3)在取心过程开始后，地面控制箱给井下仪器发液压马达转指令和钻头钻进指令；之后，地面控制箱通过采集到的仪器状态数据判断钻进是否正常，判断条件为钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，若条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；

4)地面控制箱检测电机工作电流时，判断条件为电机工作电流值―前值≥电机安全工作电流变化量最大值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；

5)地面控制箱检测第一泵压力值时，判断条件为第一泵压力值>前值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而地面控制箱开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；

6)地面控制箱将电机工作电流前值和第一泵压力前值分别更新到对应的当前值，然后地面控制箱发出钻进遇阻和遇卡警示，地面控制箱向变频电源发出指令减降电机电压和频率，地面控制箱给井下仪器发退钻指令，退钻完成后地面控制箱解除遇阻或遇卡警示；控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；

7)检查钻进取心过程是否完成时，地面控制箱判断检查条件为钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，若条件不成立说明取心进程没完成，控制转到执行步骤2继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程；若条件成立，说明取心过程已经完成；地面控制箱继续发出指令退钻；地面控制箱报告取心作业完成。

6.根据权利要求5所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，取心过程中钻头钻进时采用退钻排屑钻进取心的方法，其包括如下步骤，

a1)钻进取心地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成其初始化工作，建立起与钻进取心地面控制箱的通讯；

a2)地面控制箱通过井下仪器电路部分采集井下仪器的第一泵和第二泵的压力值、液压油温度值、冲针位移值、钻头位移值、芯长位移值、电压和电流信息；设定退钻排屑位移值，冲针最小伸出状态位移值，钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置位移量，第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值；

a3)启动变频电源给井下仪器的电机供电，电机带动第一泵和第二泵向液压管汇输出高速高压液压油，驱动液压执行部件；

a4)地面控制箱下发推靠臂推开指令给井下仪器，推靠电磁阀改变推靠臂油缸的油路，推开推靠臂完成井下仪器在井下取心地层位置的固定工作；在推靠臂完全张开后，冲针从空心钻杆钻头里收回到最小伸出状态位移值；

a5)地面控制箱通过井下仪器电路部分下发液压马达转动指令，液压马达电磁阀改变油路，液压马达带动空心钻杆钻头旋转；钻头在出钻后位移值大于第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值时，地面控制箱下发钻头出钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路控制钻头出钻，旋转的钻头钻杆伸出仪器外壳垂直向地层钻进；

a6)钻头进行钻进，直至每次钻进位移达到退钻排屑位移值时进行一次退钻排屑；当钻头达到系统设定的排屑退钻位移值位置后，就更新上次退钻钻头位移最大值为上次退钻钻头位移最大值与退钻排屑位移值之和；而后地面控制箱下发钻头退钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路，液压马达收回，钻头退钻；

a7)当钻头位移值不小于钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置位移量，地面控制箱就一直保持给钻进电磁阀的钻头退钻指令状态不变；在每次退钻排屑后，再次钻进前，系统检查钻头的位移值是否已经满足上次退钻钻头位移最大值不小于钻头最远伸出位移量与退钻排屑位移值之和，若条件不满足，则重复步骤a6；若条件满足说明本次取心工作已经完成，继续退钻直到钻头位移值为0的位置，钻头回到仪器内的收回位置，同时地面控制箱报告完成当前位置取心过程。

7.根据权利要求5所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，取心过程中地面控制箱控制冲针将岩心从空心钻杆钻头中取出时采用冲针和空心钻杆钻头的自动保护方法，其步骤如下；

b1)地面控制箱供电完成初始化；禁止给井下仪器的电机供电；而后，地面控制箱给井下仪器供电；

b2)地面控制箱与井下仪器建立通讯；检查与井下仪器的通讯是否正常，如果通讯不正常，程序控制返回上一步，继续地面控制箱与井下仪器建立通讯的过程，直到检查到通讯正常；

b3)地面控制箱开放电机供电；设置钻头处于运动状态时的冲针安全位移值，设置推靠臂处于运动状态时钻头安全位移值；地面控制箱采集冲针位移值，采集钻头位移值；

b4)地面控制箱查询与井下通讯是否正常，如果通讯异常，地面控制箱就会关闭电机电源；如果通讯正常，地面控制箱就检查条件冲针位移值≤安全位移值是否成立，如果不成立，地面控制箱禁止钻头出和收指令，如果条件成立，地面控制箱开放出和收钻指令；然后，地面控制箱检查条件钻头位移≥安全位移值是否成立，如果条件不成立，地面控制箱就禁止推靠开和收指令，如果条件成立，地面控制箱就开放推靠开和收指令。

8.根据权利要求5所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，取心过程中地面控制箱通过控制变频电源的供电实现对电机和钻进取心的控制，其具体步骤如下；

c1)地面控制箱电机供电开关置在开状态，变频电源进行供电初始化；变频电源与地面控制箱建立通讯；地面控制箱放弃系统控制权；变频电源获得系统控制权；

c2)变频电源设置井下仪器的电机工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；

c3)变频电源接收地面控制箱传送的井下仪器和地面控制箱的状态信息；变频电源发送给地面控制箱液压马达转指令；然后变频电源通过接收到的状态信息判断钻进是否正常，判断的条件为钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，如果条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；

c4)变频电源检测电机工作电流时，判断条件为电机工作电流值―前值≥电机安全工作电流变化量最大值是否成立，条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，如果条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；

c5)变频电源检测第一泵压力值时，判断条件为第一泵压力值>前值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，若条件成立，说明钻进过程出现异常；变频电源进而开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；

c6)变频电源将电机工作电流前值和第一泵压力前值分别更新到对应的当前值，然后变频电源发出钻进遇阻或遇卡警示；变频电源发出指令减降电机电压和频率；变频电源给井下仪器发退钻指令，退钻完成后变频电源解除遇阻或遇卡警示；控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；

c7)检查钻进取心过程是否完成时，变频电源判断条件为钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，若条件不成立说明取心进程没完成，控制转到执行步骤c2继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程，如果条件成立，说明取心过程已经完成；变频电源继续给井下仪器发出指令退钻；变频电源报告取心作业完成。

9.根据权利要求5所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，取心过程中地面控制箱通过控制下井供电电源的供电实现对步进电机的控制，完成对钻进速度的控制，其具体步骤如下；

d1)钻进取心地面控制箱供电完成初始化；而后，地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器与钻进取心地面控制箱建立通讯；之后，地面控制箱采集井下仪器工作状态；地面控制箱设置井下仪器步进电机调节钻进速度阈值[S1，S2]；

d2)启动变频电源给井下仪器的电机供电；地面控制箱给井下仪器发推靠开指令，井下仪器推靠臂张开，冲针从空心钻杆中收回到最小伸出位置；地面控制箱给井下仪器发钻头转指令，马达电磁阀改变油路，高压油驱动液压马达带着钻头钻杆旋转；地面控制箱给井下仪器发钻头出指令，钻进电磁阀改变油路，钻进位置油缸推动液压马达运动，钻头和钻杆伸出仪器外壳；

d3)地面控制箱采集钻头钻进速度值S；地面控制箱判断条件钻进速度值S<钻进速度阈值下限值S1是否成立，当条件成立时，地面控制箱发指令给井下仪器的步进电机，井下仪器的步进电机转动，而调节溢流阀减小溢流阀的溢流油量，调高调速阀的第二泵进油量而提高钻进缸的出杆速度，提高钻头的钻进速度，直到条件不成立；

d4)地面控制箱再判断条件钻进速度值S>钻进速度阈值上限值S2是否成立，当条件成立时，地面控制箱发指令给井下仪器的步进电机，步进电机转动调节溢流阀增大溢流阀的溢流油量，减少调速阀的第二泵进油量而降低钻进缸的出杆速度，从而降低钻头的钻进速度，直到条件不成立；

d5)地面控制箱判断条件S1<钻进速度值S<S2是否成立，当条件不成立时，控制转到执行步骤d3，重新开始地面控制箱查询钻头钻进速度值S，进而循环直到条件成立；地面控制箱报告井下仪器钻进速度正常。

10.根据权利要求5所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，取心过程中地面控制箱在控制井下仪器电路部分时，包括在井下仪器电路部分的电磁阀实现自动调压，其具体步骤如下；

e1)地面控制箱供电完成初始化过程；而后地面控制箱设置井下仪器的电磁阀的工作安全电压阈值；然后地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成初始化过程；

e2)井下仪器上传工作状态给地面控制箱，地面控制箱采集井下仪器中的电磁阀的工作电压；

当电磁阀工作电压≤工作安全电压阈值下限时，地面控制箱发送指令调高缆头供电电压，直到电磁阀工作电压>工作安全电压阈值下限时，缆头电压调高过程结束；

当地面控制箱检查到电磁阀工作电压≥阈值上限时，地面控制箱发送指令调低缆头供电电压，直到地面控制箱检查到电磁阀工作电压<阈值上限时，缆头电压调低过程结束；

e3)步骤e2中的调节过程结束后，如果满足工作安全电压阈值下限<电磁阀工作电压<工作安全电压阈值上限的条件，本次地面控制箱对电磁阀工作电压的自动调节过程结束，否侧，地面控制箱的控制过程重复步骤e2，开始调节缆头电压，直到满足自动调节过程的结束条件。