直驱式旋转井壁取心仪器电路设计

， ，，

(1.中国石油大学 山东 青岛 266555；2.中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)

·开发设计·

直驱式旋转井壁取心仪器电路设计

王莹1，2，杨帆2，陆敬武2，贾鑫2

(1.中国石油大学 山东 青岛 266555；2.中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)

传统的旋转式井壁取心仪器钻头的取心是液压驱动的，而ESCT旋转式井壁取心仪钻头的取心动力是由直流无刷电机直接提供的。ESCT旋转式井壁取心仪应用了直流无刷电机和旋转式变压器。通过对电子线路中的电机控制板和电机功率驱动板的设计，实现了对取心钻头的直接驱动和控制，达到了高效、稳定取心的目的。介绍了直流无刷电机的驱动和控制原理，描述了控制直流无刷电机的硬件实现方法。

测井仪器；旋转式井壁取心；直流无刷电机；直接驱动

0 引 言

直接取自地层的岩心是认识地层最直观的资料，通过岩心既可以直观地进行岩性、含油性观察,又可借助专业岩心分析设备进行岩性、电性、物性和含油性分析化验。通过对岩心的分析，可以获得地质学家所关心的孔隙度、渗透率等储层参数。目前通过三种方式获得岩心:钻井取心、爆炸式取心和旋转式井壁取心。旋转式井壁取心[1，2]采用电缆作业的方式，和钻井取心相比具有施工简便、成本低、适合不同硬度地层取心的优势；和爆炸式取心相比具有获取的岩心规则、施工方式安全的优势。综合上述优点，旋转式井壁取心是目前应用最广泛，最具发展潜力的取心方式。

在二十世纪八十年代末，国外测井公司率先研制出了井壁取心仪器，Schlumberger公司的旋转式井壁取心仪器(MSCT)[3]在1985年达到实用阶段，但是由于采用的是交流电机和液压驱动的方式，使得仪器的取心效率低，并且在测井施工中存在较大风险。随后，Halliburton公司[4]和BAKER ATLAS公司[5]也分别推出了各自的旋转式取心仪器，采用的也是交流电机。大庆钻探测井公司研发的ESCT旋转式井壁取心仪[6]应用了直流无刷电机和旋转变压器，结合电子线路中的电机控制板和电机功率驱动板的设计，实现了对取心钻头的直接驱动，与采用交流电机的井壁取心仪器相比仪器的稳定性和取心效率都得到了提高。

1 直驱式取心仪器电路设计原理

ESCT旋转式井壁取心仪器由取心探头和电子线路两部分组成。通过取心探头的机械系统和液压动力的完美配合使仪器能够完成推靠、岩心的钻进、掰断、收集和标记等功能。取心钻头的动力由直驱电机提供，提高了仪器的供电效率和采收率。对取心钻头的驱动主要由线路中的电机控制板和电机驱动板实现，直驱式取心原理图如图1所示。

图1 直驱式取心原理图

电机控制板向旋转变压器输出激励信号，同时接收旋转变压器的逻辑控制信号。电机控制板对接收到的逻辑信号进行解码分析后向电机功率驱动板输出一组脉宽调制(PWM)信号。电机功率驱动板接收PWM信号后，通过控制开关管的工作状态来实现对直流无刷电机的驱动。

2 直驱式取心仪器电路的实现

对取心钻头的驱动主要由线路中的电机控制板和电机驱动板实现。由于井下仪器采用600 V直流无刷电机，这对芯片和功率管的耐温和耐压都提出了很高的要求。在设计的过程中需要考虑器件的选型、强弱信号的隔离、高噪声环境下的通讯方式等问题。

2.1 电机控制板功能的实现

电机控制板主要功能：实现高噪声下的通讯、为旋转变压器提供激励信号、采样旋转变压器的输出信号后向电机输出控制信号。

由于仪器采用的是600 V直流无刷电机，取心电机的工作电压和电流会产生很强的电磁干扰，所以仪器采用载波通信的方式。这种方式选择远离电磁干扰频段的波段来进行数据传输，同时增加井下滤波电容和传输信号幅度，使仪器的通讯稳定可靠。

取心电机通过旋转变压器获取电机位置。电机控制板为旋转变压器提供10 VAC/5 kHz的激励信号。激励信号电路是由振荡电路和功率放大电路组成，旋转变压器激励信号电路如图2所示。

旋转变压器的输出信号为两路具有相位差的正弦波，这两路正弦波的相位差通过数学计算所获得的数值即为电机转动的机械角度。电机控制板采用的是专门用于旋转变压器输出信号解码的芯片，该芯片采样精度高，高温性能可靠，采样旋转变压器的输出信号后向电机输出控制信号，实现了对直流无刷电机的控制。

图2 旋转变压器激励信号电路图

2.2 电机功率驱动板功能的实现

电机功率驱动板的主要功能：为直流无刷电机提供功率驱动和仪器的电压、电流采样。

直流无刷电机由定子和转子组成，控制功率管的导通时序能够实现电机的转动，控制PWM信号可以控制功率管的导通时间，从而控制电机转动的快慢。地面将直流电源通过四根缆芯和电缆外皮提供给取心仪器的直流电机，这种供电方式降低了能量在电缆上的消耗以及能量在转化过程中的损耗，大大提高了能量转化效率。

为了实现井下仪器工作状态的记录和监测，电机驱动板对取心电机的电压、电流进行了采样。电压采样使用的是分压电阻方式，电流采样使用的是专用电流监视芯片采样实现的，采样方式如图3、图4所示。

电机驱动板把检测到的电机工作电压、电流的数值和电机驱动器发出的电机工作状态信号传输给通信板，通讯板将经过解码后的数据上传至地面，使操作人员能够直观判断井下仪器的工作状态是否正常。

通过对电机控制板和电机功率驱动板的设计，实现了通讯信号的传输、旋转变压器的激励、旋转变压器信号的采样、直流无刷电机的控制和电机电压和电流采样等功能，达到了提高取心效率，对取心仪器工作状态记录和监控的目的。

图3 电机电压信号采样方式

3 结束语

1)应用旋转变压器获取电机位置，精确控制直流无刷电机的转动速度。

2)应用直流无刷电机，设计电机控制板和电机功率驱动板，实现对直流无刷电机的控制。使得仪器的取心效率得到提高、工作性能稳定。

3)通过对取心电机电压、电流采样，实现了对取心仪器工作状态的记录和监测。

图4 电机电流信号采样方式

[1] 王志信.井壁取心技术的发展与应用.测井技术[J].1997，21(1):66-70.

[2] 程林峰，马 林，吴凤秋.完善旋转式井壁取心器的综合性能.石油仪器[J].2000，14(2):12-15.

[3] Schlumberger. Mechanical Sidewall Coring Tool[Z].1986.

[4] Halliburton Company. Coring Tool Service System[Z].1992.

[5] Baker Atlas. Eclips5700 System Service Manual[Z].1996.

[6] 陆敬武.新型旋转井壁取心仪在大庆油田的应用.测井技术[J].2016,40(6):761-764.

2017-03-01编辑高红霞)

《石油管材与仪器》期刊投稿须知

《石油管材与仪器》期刊已全部实现网站在线投稿，作者需要先进行在线注册，然后按提示进行投稿操作，网站地址： www. gcyq.org 。原投稿邮箱sygcyyq@126.com已不再接收投稿，望作者周知。

《石油管材与仪器》期刊网站www. gcyq.org是本刊唯一官方网站，我刊未授权任何其它网站或机构代理我刊发表文章及投稿事宜，请作者上网投稿时注意甄别。

特此公告。

《石油管材与仪器》编辑部

CircuitDesignforDirect-driveExtendedRotarySidewallCoringTools

WANGYing,YANGFan,LUJingwu,JIAXin

(1.ChinaUniversityofPetrolum，Qingdao，Shandong266555，China；2.WellLoggingCompany,DaqingDrilling&ExplorationCorporation,CNPC,Daqing，Heilongjiang163412,China)

The traditional drilling bit of the rotary sidewall coring is powered by hydraulic drive. The ESCT drilling bit of the rotary sidewall coring is provided directly by DC brushless motor. The DC brushless motor and rotary transformer are applied to ESCT rotary sidewall coring tool, the motor control board and motor power drive board of the electronic circuit board are designed. The direct drive and control of the coring bit are realized and the purpose of high efficiency and stable coring is achieved. The paper introduces the driving and control principle of DC brushless motor, and describes the hardware implementation method to control DC brushless motor.

well logging tool; rotary sidewall coring; DC brushless motor; direct drive

王 莹，女，1986年生，工程师，中国石油大学(华东)地球科学与技术学院地质工程专业在职硕士，现主要从事测井仪器研制工作。E-mail：76347873@qq.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)05-0009-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.003