垂直钻井系统纠斜机构脉宽调制控制研究

2015-04-08刘白雁

石油钻探技术 2015年2期

关键词：断电油泵钻具

王燕，刘白雁, 王科

(1.东风康明斯发动机有限公司，湖北襄阳 441004；2.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉 430081)

垂直钻井系统纠斜机构脉宽调制控制研究

王燕1，刘白雁2, 王科1

(1.东风康明斯发动机有限公司，湖北襄阳 441004；2.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉 430081)

为解决自动防斜垂直钻井系统在井下纠斜时纠斜方位难以准确控制的问题，开展了垂直钻井系统井下纠斜力连续控制的研究。在不改变钻具组合、元件和参数的前提下，建立了钻具导向纠斜机构机电液系统的动力学模型，推导出控制元件二位二通电磁阀在钻杆一个旋转周期内的通断时间与机构输出纠斜力的幅值及钻杆转速之间的函数关系；根据钻杆转速确定脉宽周期T，再根据目标纠斜力计算出电磁阀的断电持续时间Δt，在脉宽周期T内让电磁阀断电Δt，即可使纠斜机构输出预期的纠斜力。结果表明，试验模拟钻杆转速为65 r/min，在1个脉宽周期内对电磁阀分别断电50，60或70 ms时，液压缸目标控制压力(即纠斜力)分别稳定在7.0，5.0和3.5 MPa左右。研究结果表明，采用脉宽调制控制方法调节自动垂直钻具的井下纠斜力，能将纠斜力控制在稳定的目标值。

自动垂直钻井纠斜机构重力高边脉宽调制

对于高陡构造带的深井、超深井钻井而言，自动垂直钻井工具是首选钻具[1-4]。自动垂直钻井工具实施井下纠斜控制包括井眼重力高边的检测以及产生与重力高边对应的纠斜力[5-9]。国外Schlumberger公司开发的Power V钻具,采用与不旋转电子测斜平台[2,10]相连的纠斜方位控制机构，锁定与重力高边对应的纠斜方位；Baker Hughes公司的VTK[11]和Smart Drilling公司的ZBE通过连续调节各纠斜单元输出的纠斜力，使钻具合成纠斜力的方向与井眼重力高边一致。国内具有自主知识产权的自动防斜垂直钻井系统(AADDS)[12-13]因为受井下狭小空间以及有限的电池驱动功率、电能的限制，其纠斜机构上的控制元件——电磁阀只能采用微小驱动功率的二位二通电磁换向阀，导致纠斜机构输出的纠斜力不能连续调节，在实际井下纠斜中也不能保证钻具合成纠斜力的方向与重力高边一致，从而影响了纠斜效率和井身质量。这种以单柱塞泵为动力源的开关型液控系统，具有流量小且不连续、电磁阀响应速度较慢等缺点，导致纠斜力的脉宽调制(PWM)控制难度较大。因此，笔者在分析系统流量-压力特性的基础上，探讨了利用PWM技术对其纠斜力进行连续控制的有效方法。

1 垂直钻具纠斜力合成分析

AADDS的导向装置由液压纠斜机构组成，镶嵌在一浮动导向套上，依靠电磁阀控制导向块向外伸出，压靠井壁以产生纠斜导向力。钻井时，首先将3个导向块全部伸出，压靠在井壁上，导向套与井壁之间保持静止，钻杆处于井眼中心位置；当监测到井斜时，则缩回1或2个导向块，进行纠斜。

采用外部推靠式纠斜的垂直钻具，基本上都是在近钻头处沿径向对称布置3～4个导向纠斜的执行机构，文献[14]讨论了采用4个导向纠斜机构且各机构输出的纠斜力不可调时，钻具合成纠斜力(即导向集中力)的分布情况，指出通过4个导向块的协调组合可使钻具沿井眼产生8个不同方向的导向集中力，2个相邻导向力的夹角为45°，这意味着合成纠斜力与重力高边之间的夹角最大为22.5°，而对于采用3个导向纠斜机构的AADDS垂直钻具而言，这个夹角为30°(见图1)。

当导向块输出力不可调时，可能产生6个不同方向的合成纠斜力F1—F6，从图1可以看出，F1,F3,F5分别为1、2、3号导向块所对应位置输出的纠斜力，F2，F4，F6分别由其相邻2个导向块的合力生成。因此，钻具输出合成纠斜力的作用方位是有限的，且不一定在井眼高边位置上，会产生纠斜误差。

假定井眼重力高边与F1的夹角为β，则当导向力可调时，可由1、2号导向块合成与重力高边一致的导向纠斜力F。F1和F3的幅值计算公式为：

(1)

由以上分析可知，只要导向块输出的推力连续可调，自动垂直钻具就可以沿井眼进行全方位的准确纠斜。

2 AADDS井下纠斜机构液压系统工作原理及特点

AADDS的导向纠斜机构的液压系统工作原理如图2所示。镶嵌在钻杆上的偏心轴承将钻杆的转动转换为平动，在复位弹簧的配合下实现柱塞泵中柱塞的往复运动，并在吸油单向阀和排油单向阀的共同作用下完成柱塞泵的吸、排油动作；溢流阀用于调节和限制纠斜缸无杆腔的控制压力；二位二通电磁阀由井斜控制器输出的控制信号控制，用于接通和断开油泵与纠斜缸之间的油路。

该液压系统具有以下特点：1)油泵输出的流量受钻杆转速的限制，钻杆每转一圈，油泵完成一次吸、排油动作；2)油泵输出的流量是断续的，其仅在柱塞右移的排油行程(约半个工作周期)才有油液输出；3)液压系统的有效容积非常小。由于3套纠斜机构必须通过导向活套径向分布在井下的一个环形区域中，并且该环形区域还要预留出钻井时返程钻井液的通道[12]，所以可以供纠斜机构使用的空间区域十分狭小，φ311.1 mm井眼的导向活套可用环形空间宽度仅约70 mm。液压系统的有效容积小，导致柱塞泵因排量小而输出的流量也较小，同时因为纠斜缸的容积较小，使纠斜缸无杆腔的控制压力对进出纠斜缸流量的变化十分敏感。

根据系统的执行机构具有低通滤波特性这一特点，可以通过脉宽调制对液压系统实现连续控制，这也意味系统应具有足够的连续流量，电磁阀的开关频率足够高。而井下纠斜机构液压系统中的电磁阀并不是专门的开关电磁阀，且系统的流量很小且不连续，因此对井下纠斜机构液压系统实施常规的PWM控制具有较大的难度。

3 井下液压导向纠斜系统PWM控制机理分析

由图2可知，当钻具需要纠斜时，电磁阀通电，柱塞缸在钻杆上偏心轴承推动下输出压力油进入纠斜缸的无杆腔，推力块伸出顶向井壁并使纠斜力不断增加直至溢流阀开启，机构输出的纠斜力F达到最大Fmax，显然Fmax可由溢流阀调定。从理论上讲，在钻具纠斜过程中，对机构中电磁阀的通断进行适当控制，就可以将其输出的纠斜力F稳定在某个定值Fc。显然0

设与Fc对应的纠斜缸无杆腔控制压力为pc，钻杆旋转周期为T，在周期T内电磁阀进行一次断-通电操作(即电磁阀的脉宽调制周期与钻杆旋转周期一致)，且断电持续时间为Δt,则在一个脉宽周期T内，通过电磁阀的流量Qv可以表示为：

(2)

式中：Qv为电磁阀的流量，m3/s；Cd为流量系数；A为阀口通流面积，m2；△p为电磁阀进出口压降，Pa；ρ为液压油密度，kg/m3；t0为电磁阀在周期T内的断电时刻，s；Δt为电磁阀断电持续时间，s。

设系统的回油压力为零，则式(2)中的△p即为纠斜缸的控制压力pc。不考虑纠斜缸、柱塞泵的泄漏(实际上可忽略)，设V1、V2分别为纠斜缸和柱塞泵经电磁阀排出油的体积，在一个脉宽信号周期T内，由电磁阀排出油的体积V△t=V1+V2。由于V2等于油泵柱塞面积Ap与其行程L的乘积而且为定值，因此只要适当选取Δt，使V△t=V2，则V1=0，即可维持纠斜缸中的pc为某一定值，可确定电磁阀在周期T内的断电持续时间为：

(3)

式中：pc为纠斜缸无杆腔控制压力，Pa；Ap为油泵柱塞面积，m2；L为油泵柱塞行程，m。

由式(3)可知，电磁阀在周期T内的断电持续时间仅与所要求的纠斜缸控制压力pc或纠斜力Fc有关，因此可以根据所要求的纠斜力确定Δt。需要说明的是，式(3)仅是一个近似式，因为纠斜缸控制压力在电磁阀断电期间是变化的，但由于电磁阀的断电时间很短，且阀口液阻较大[15]，使pc的变化范围十分有限，因此式(3)还是有效的。

利用电磁阀对纠斜机构进行PWM控制的另一个关键问题是确定在周期T内电磁阀的断电时刻t0。从脉宽调制的效果上讲，t0最好选在柱塞泵的排油阶段的中点，但实钻中无法刻意选择t0在T内的位置。当t0分别落在油泵的吸油阶段和排油阶段时，控制压力的变化情况如图3所示。

图3中的脉宽调制周期为1 s(对应钻杆转速60 r/min)，纠斜缸控制压力pc为5 MPa。图3反映了对钻具导向纠斜机构的控制压力进行PWM控制时可能出现的几种情况：

1)t0(T/2，T)，即电磁阀在油泵吸油阶段开始断电。其又分为2种情况：其一是T/2

2)t0(0，T/2)，即电磁阀在油泵排油阶段开始断电。在(0，t0)期间，油泵排出的油将直接进入纠斜缸，导致控制压力升高；在(t0，t0+△t)期间，油缸和油泵均会通过电磁阀排出油，此时纠斜缸压力会下降；在(t0+△t，T/2)期间，油泵的油又进入纠斜缸,导致缸内压力升至pc。t0T/4等不同情况下，其所对应的纠斜压力波动幅度是不同的，当t0≈T/4时,pc的波动幅度最小，如图3(b)所示。

由图3可看出：1)尽管纠斜缸控制压力pc在电磁阀断电泄油期间是变化的，但其变化的范围有限(图3中最大约0.1 MPa)，因此在一个脉宽调制周期T内，可以由式(4)根据所要求的纠斜缸控制压力pc计算得到电磁阀断电持续时间△t；2)在一个脉宽调制周期T内，电磁阀断电时刻t0的取值对于系统PWM控制的效果有一定影响，表现为pc波动幅度大小不同，但均能够对pc(即导向机构的纠斜力)进行连续调节，因此在实钻中对导向纠斜机构进行PWM控制时，可以不考虑t0的位置。

由以上分析可知，在一个脉宽调制周期或钻杆旋转周期T中，仅需对纠斜机构中的电磁阀进行一次开关操作，因此，即使钻杆以240 r/min转速转动，电磁阀的开关频率也仅为4 Hz，普通的电磁阀即可胜任纠斜机构的脉宽调制工作，下面通过试验进行验证说明。

4 试验分析

纠斜机构液压系统的PWM控制实际上分为3个阶段：第一阶段，电磁阀通电，纠斜缸推力块伸出直至顶到井壁，这时纠斜缸产生的纠斜力达到最大；第二阶段，电磁阀断电△t'，通过释放纠斜缸中适量的压力油，使纠斜缸中的控制压力由原来的最大值降至所要求的目标控制压力pc；第三阶段，为系统控制压力的脉宽调制阶段。

为检验以上理论和仿真分析的结果，进行了AADDS钻具上的纠斜集成块PWM控制的试验分析。试验中模拟钻杆的转速约65 r/min，对应的PWM控制周期为0.91 s。设纠斜缸目标控制压力分别为7.0,5.0和3.5 MPa，由(4)式计算所得到的对应的电磁阀断电持续时间△t分别为50.0，60.0和70.0 ms，试验结果分别如图4—图6所示。

试验结果表明，只要根据钻杆的转速确定系统的脉宽调制周期T，就可以根据式(3)预先计算出电磁阀的断电持续时间Δt，以T为周期让电磁阀断电Δt，即可使纠斜机构输出预期的纠斜力。尽管由于存在液压系统内部泄漏、电磁阀通电延时以及摩擦、纠斜缸的动态特性等诸多难以准确预估的因素，纠斜缸的控制压力存在一定波动，但其波动幅度并不大，在工程误差允许的范围内[16]。

5 结论

1) 详细讨论了由单柱塞泵、阀、液缸所构成的AADDS自动防斜垂直钻具井下纠斜机构的液控系统通过PWM实现纠斜力连续控制的基本原理和方法。该方法的基本思想就是利用纠斜液控系统上的电磁阀通过实施主动泄油，使纠斜缸在某一目标控制压力下的油液体积达到动态平衡，从而输出指定的纠斜力。

2) 脉宽调制控制方法可避免压力油中的微小颗粒在电磁阀口长期堆积而导致电磁阀堵塞，有利于提高系统的可靠性。

3) 利用控制理论与技术，将电气、机械、液压等元件有机地结合在一起开发出新型的井下控制机构，是井下控制工程学的一项重要研究内容。

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景观石，指天然形成的、有一定观赏价值和知名度的、不可移动的大型观赏石。如贵州平塘的救星石、清镇巢凤寺的巢凤石、云南石林的阿诗玛、广东丹霞的元阳石、阴元石及等。

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[编辑滕春鸣]

PWM Control of the Anti-Deviation Mechanism
in the Vertical Drilling System

Wang Yan1, Liu Baiyan2， Wang Ke1

(1.MorketingDepartment,DongfengCummisEngineeringCorporationLimited,Xiangyang,Hubei,441004,China;2.SchoolofMachinery&Automation,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei,430081,China)

For an automatic vertical drilling system,it is difficult to accurately control the anti-deviation azimuth downhole.Therefore,a study was conducted on the continuous control over downhole anti-deviation force of the drilling tool.The dynamical model of the mechanical-hydraulic system for the anti-deviation mechanism was established,without changing the tool structure,component and parameters.Using the model,the function relationship between the on-off time of the two-position two-way solenoid valve in a moment of one revolution of the drill pipe,the amplitude of the output anti-deviation force of the mechanism and the rotary speed of the drill pipe was derived.To obtain an expected anti-deviation force output by the anti-deviation mechanism,the duration time Δtfor switching off the solenoid valve was calculated by the target anti-deviation force,and the pulse width cycleTthat determines the Δtwas determined by the rotary speed of drill pipe.Accordingly,the target control pressure of the hydraulic cylinder was respectively stabilized at 7.0 MPa,5.0 MPa and 3.5 MPa in the experiment when the rotary speed of the drill pipe was set to 65 r/min and the solenoid valve was switched off for 50 ms,60 ms and 70 ms respectively in one PWM cycle.The results showed that the downhole anti-deviation force of the automatic vertical drilling system could be stabilized at an expected range by PWM control.

automatic vertical drilling；anti-deviation mechanism；high gravity boundary；pulse width modulation (PWM)

2014-07-21；改回日期：2014-12-21。

王燕(1987—)，女，湖北黄石人，2010年毕业于武汉科技大学机械电子工程专业，2014年获武汉科技大学机械电子工程专业工学硕士学位，现在东风康明斯发动机有限公司从事发动机的控制研究工作。

国家高技术研究发展计划(“863”计划)重大专项“自动垂直钻井技术”(编号：2006AA06A102)和国家自然科学基金项目“自动垂直钻井导向液压系统设计理论及技术”(编号：51175386)部分研究内容。

◀钻采机械▶

10.11911/syztjs.201502021

TE921+.2

1001-0890(2015)02-0120-06

联系方式：18871017011，604277221@qq.com。