宽频调速液压动力模块的设计及在超低渗地层测试器中的应用*

郝桂青，周明高，兰 萌，马俊全，褚晓冬，周艳敏

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北 三河 605201)

0 引 言

电缆地层测试是电缆测井最重要的测试方法之一，它通过对地层流体的测压取样，可以有效确定压力梯度和流体界面，计算压力点流度[1]，分析储层油藏等，但对一些低渗地层、稠油地层存在测压点流度计算不准确，尤其是出砂稠油和超低渗地层无法取样等问题。即使使用大极板探针对此类问题有一定的缓解，但并不能真正解决疏松、出砂严重和稠油地层无法取样的问题，从而对于这种地层的作业需求只能使用国外油服公司的仪器，致使国内很大一部分石油勘探市场长期被国外公司所垄断。

现场应用的常规电缆地层测试仪器中，液压动力短节的高压直流无刷电机采用常规的控制驱动方法，会出现运行不稳和堵转的现象，无法满足转速在1 000 r/min以下的液压动力要求，抽吸速度只能维持在3 mL/s以上。而超低渗、稠油地层如果以如此高的速度抽吸，因地层压差增大，极易出现出砂、垮塌的现象，导致作业失败，所以泵抽速度的精确控制，是决定作业成败的重要因素。小压差慢速抽吸是解决现有超低渗及稠油出砂地层测压取样问题的关键[2]。液压动力电机的转速直接影响液压泵的排量和抽吸速度，所以降低直流无刷电机的转速，采用低速小排量液压动力是解决问题的关键，同时应兼顾并优化常规地层测试仪器，使仪器能够适应各种地层。新型宽频调速液压动力技术可以很好地解决以上问题，本文主要介绍了这种新型液压动力技术的原理、实现方法、优点及应用验证。

1 宽频调速液压动力模块的设计

在工程用的常规电缆地层测试仪器中，仪器的动力由液压动力短节中的直流无刷电机带定量柱塞泵构成[3]，电机转动时，带动柱塞泵不断地泵液压油，流经装有额定压力的溢流阀后推动仪器后面的泵抽缸，使泵抽缸里面的活塞往复运动来完成样品流体的抽吸与排出。由于流量与转速成正比，所以在电机转速和柱塞泵的排量确定的情况下，仪器的抽吸速度是确定的。为了达到宽范围的抽吸速度，设计了一种直流无刷电机带2个不同排量的柱塞泵即一机带双泵的宽频调速液压动力模块，该模块的控制由宽频调速电机控制并驱动。

1.1 一机带双泵的液压动力模块构成与工作原理

宽频调速液压动力模块由平衡体、液压动力及直流无刷电机控制驱动电路3部分组成[4]，如图1所示。

图1 宽频调速液压动力模块示意图

模块中的平衡体用于平衡泥浆柱压力，使液压系统处于相对稳定的状态。液压动力部分由1个直流无刷电机、2个不同排量的柱塞泵、溢流阀及液压管线构成，为仪器提供液压动力。直流无刷电机控制驱动电路实现对电机的启停控制、转速控制和仪器通讯等功能。

如果要想实现宽范围的泵抽速度，单泵无法满足需求。设计采用了宽流量技术，用1台电机带2台排量不同的泵，根据地层特点来决定采用哪个泵进行工作，这样既保证全覆盖，又节省空间，简单可靠。一机带双泵结构示意如图2所示。

图2 一机带双泵结构示意图

一机带双泵液压动力模块由高压直流无刷电机、大小不同规格的2个定量高压柱塞泵、2个相同的输出端，即溢流阀构成。工作时，通过控制电机的转向来选择不同的高压柱塞泵，电机在某个转向时始终只有其中1台高压泵稳定工作，保证了液压系统的稳定性。

1.2 直流无刷电机宽频调速控制驱动电路设计

1.2.1 硬件设计

该液压动力采用高温、精密、抗震动的直流无刷电动机(BLDCM)，位置传感器为旋转变压器，换相控制方式为空间矢量脉宽调制[5]正弦波驱动技术，便于精密调速控制。该电机500 V高压供电，最高转速为4 500 r/min，控制驱动电路具有正反转控制、转向控制、温度测量、上下行通讯等功能,并且在100～3 000 r/min宽范围内连续可调并能稳速运行。根据仪器功能要求，直流无刷电机宽频调速控制驱动电路总体框图如图3所示。

图3 直流无刷电机宽频调速控制驱动电路总体框图

直流无刷电机宽频调速控制驱动电路主要包括RS485通讯电路，数字信号处理(DSP)控制模块、轴角变换电路、温度测量与电流信号调理电路、功率驱动电路等[6]。选用数字信号处理器TMS320F2812作为主控制芯片[7]，RS485通讯电路主要完成上位机与DSP之间测井命令的下达和数据实时上传的功能，包括电机的转向、起停和转速的设定、温度、转速等数据的上传。由SCITMS320F2812的I/O口控制电机的启动或停止，温度传感器经温度测量电路放大，由A/D输入脚输入DSP进行测量，RS485通讯电路接受上位机的指令和给定转速信号，并把电机转速和状态信号上传，该芯片的脉宽调制(PWM)控制器根据轴角变换电路的解码，再对信号进行逻辑运算，从而输出6路PWM信号来控制功率驱动电路中功率管的导通与关断，最终改变电机的换相顺序，从而驱动电机正常运行。

1.2.2 软件设计

软件主要包括主程序、DSP初始化子程序、速度闭环调节子程序、过流过热保护子程序、复位子程序、通讯子程序、各种中断程序等，使系统具有精密调速稳速、过流过热保护、人机对话等功能[6]。

软件设计的难点是带载情况下保证小泵在100～3 000 r/min宽范围内的转速调节及带载启动。电机闭环调速子程序在定时中断中进行，流程图如图4所示。

图4 电机闭环调速子程序流程图

在整个软件设计中，每次电机启动前接收控制指令并执行，把电机信息上传给上位机。电机控制软件采用了捕捉中断、定时中断、外部中断、串口中断、A/D中断等低功耗软件设计方法，完成对电机工作温度的采集、速度的测量及位置信号的处理。通信子程序主要完上位机指令的接收和处理，并把关键数据上传。速度闭环调节子程序根据指令对电机运行的各个参数进行设定，控制并输出PWM信号驱动电机。复位子程序能够清除某些软件方面故障，确保程序不会陷入到死循环中。

电机闭环调速的主要原理是将电机的实际转速(Speed)与接收到的速度设定命令中的给定转速值(SpeedRef)进行比较，差值决定进行粗调还是细调，改变PWM信号输出的占空比，最终改变电机的转速,保证电机在设定的转速下平稳运行。

2 宽频调速液压动力短节抽吸精度测试

2.1 直流无刷电机低速泵排精度测试

为了测试超低渗直流无刷电机控制驱动电路低速运行能力，将直流无刷电机带小柱塞泵接溢流阀后，在实验室油槽里进行带载测试，测试数据见表1。

表1 低速泵抽精度测试数据

由表1可以看出，超低渗直流无刷电机控制驱动电路的调速稳速性能良好，能在低速50 r/min时带载正常工作，理论上可以达到0.038 4 mL/s的泵抽精度。

2.2 泵抽能力测试

为了测试该液压动力短节在地层测试仪器上的泵抽能力，进行了大泵和小泵的泵抽速度上下限测试。

2.2.1 大泵泵抽速度上下限测试

为精确测试大泵泵抽速度上下限，仪器连接长缆，模拟井下作业状态。泵抽测试现场如图5所示。

图5 泵抽测试现场图

每个泵速测试时间为20 min，电机电压测试梯度为10 V,电机转速小于1 000 r/min，通过记录泵抽工作时间和抽吸量，可以计算出在不同转速条件下的泵抽速度。仪器正常运行测试数据见表2。

表2 大泵泵抽速度下限测试数据

由表2可知，仪器大泵作业抽吸速度下限为1.04 mL/s。大泵泵抽速度上限测试时，将电机的转速增加至电机工作的最高转速4 500 r/min，测出其泵抽速度为15.5 mL/s。

2.2.2 小泵泵抽速度上下限测试

地层测试仪器接长缆，选择小泵工作模式，模拟井下作业状态，泵抽速度上下限测试，除了转速100 r/min时抽吸时间为60 min外，其他速度的测试时间均为20 min，测试数据见表3。

表3 小泵泵抽速度上下限测试数据

从表3可以看出，电机转速为4 000 r/min时，小泵泵抽速度可以达到2.61 mL/s，相当于大泵工作时电机转速为900 r/min左右时的泵抽速度，所以大小泵工作范围完全可以衔接。

3 宽频调速液压动力应用于地层测试仪器的优势

地层测试仪器在对地层流体的测压取样作业时，宽频调速液压动力与常规液压动力相比有很大的优势。2种液压动力的泵抽速度对比如图6所示。

图6 常规液压动力与宽频调速液压动力泵抽速度对比图

应用时，地面程序向井下仪器下发电机转速设定命令，井下电机控制电路使电机按照给定转速稳速运行，进而控制液压系统的稳定性和泵抽速度。常规液压动力的泵抽速度范围为3.75～11.65 mL/s，最低抽吸速度只有3.75 mL/s,对于低渗等非常规地层无能为力。而带有宽频调速液压动力的泵抽速度范围为0.1～15.5 mL/s，对于严重出砂、稠油、超低渗等特殊地层的测压取样，能以很低的抽吸速度抽吸流体。

4 宽频调速液压动力模块在超低渗地层测试仪器中的应用

超低渗地层测试仪器利用宽频调速技术已经在渤海海域油井多次测压取样成功。在某渤中区块一次作业，成功取得1 451.0、1 473.5、1 707.5 m地层的3个高纯度样品。

在该井作业前，先对该井和邻井资料进行了对比分析。邻井资料显示目标层位为稠油层，易出砂, 若采用常规泵抽方式，在1 451.0 m及1 473.5 m深度将会出现出砂堵塞管道的现象，故采用宽频调速液压动力技术进行取样作业，取样信息见表4。

表4 渤海某井取样信息

1 451.0 m取样点的泥浆柱压力为17.336 MPa，地层压力为14.195 MPa，取样点流度为6.13 mD/(Pa·s), 取样开始试抽吸时常规泵抽吸压降约为4.426 MPa，大于出砂生产压差1.847 MPa，改为小泵抽吸，泵抽速度为0.96 mL/s，此时小泵正向抽吸压降为0.951 MPa，反向抽吸压降为1.703 MPa，均在安全生产压差2.149 MPa范围内，最终成功取得1 100 mL的样品。另外在1 707.5 m层位利用大小泵相结合的方式，保证了作业安全和作业时效，圆满完成取样任务。

5 结束语

1)宽频调速液压动力模块在设计上采用宽频精密调速控制的直流无刷伺服电机，控制驱动电路采用空间矢量脉宽调制正弦波驱动技术，可以实现100～3 000 r/min 电动机调速稳速控制。

2)实现了地层测试仪器要求的恒速定量抽吸，特别是一机带双泵的泵抽能力可实现0.1 mL/s～15.5 mL/s范围内泵抽速度的连续控制，可根据地层特点任意调整抽吸速度，满足超低渗、稠油、出砂等各种复杂地层测试的需求。

3)在设计上参照常规液压动力模块的外径、接口等参数，可以直接升级原来常规仪器，兼容性好。

4)经过严格的试验测试和实井应用，宽频调速液压动力技术有效地拓展了地层测试仪器的作业范围，攻克了低速抽吸的技术壁垒，大大提高了测压取样的作业能力。