垂直钻井系统中央控制器设计.pdf

2 0 1 2年 第 2 6卷 第 1期 石油仪器 PETRoLEUM I NSTRUM ENI S 开发设计 垂直钻井系统中央控制器设计 吴文晋 梁 军 白玉新解庆 张 博 航天科技集团第十八研究所北京 摘 要石油钻探 中，在高陡构造、断层、盐层等地质情况下 ，容易出现井斜角过 大问题。垂直钻井系统是一种具有主 动防斜 能力的 自动化井斜控制 系统，将井下测斜和纠偏技术结合在一起，实现钻进过程中井斜角 自动测量和纠偏 垂直钻 井系统中央控制 器，是垂直钻井系统实现井下 自动化控制的核心 电子模块，主要功能包括读取测斜模块测量的井斜和高边 工具 面角信 息 ，通过 预先 设 定的控 制 策略 ，控 制 液压 执行 器 的开启和 关闭，从 而 实现 系统的纠斜 功 能 ；同时 中央控 制 器具 有 记 录井下 数据 、 同地 面设备通 信 、 系统 自捡和 现 场调 试等 功 能。下井 实验 证明 了中控 设计 的合 理性 。 关 键 词 垂 钻 系统 ；控 制 器设 计 ；控 制 策略 中图法分类 号 T E 2 4 3 文献标识码 B 文 章编号 1 0 0 4 ． 9 1 3 4 2 0 1 2 0 1 - 0 0 0 5 0 3 0 引 言 垂直钻井系统 以下简称垂钻系统是石油钻井 行业 中新兴发展起来的 自动纠偏系统， 能够在井下钻 进状态下控制井斜 。国外近年来研制 了 V DS 、S DD、 V e r t i t r a k等垂钻系统，但由于技术保密 的需要，一直 以来各大公司对我国仅提供技术服务，价格 昂贵⋯。 随着我 国石油工业的发展， 我国迫切需求拥有 自主知 识产权的垂钻设备 。 1 垂直钻 井系统 简介 垂直钻井系统 中央控制器简称中控， 是垂钴系统 的核心部件之一 。 垂钻系统主要由电子单元和液压执 行器组成，电子单元负责测量井斜和控制功能，液压 执行器能够推挤井壁，实现系统纠偏功能。中控将测 斜模块和液压执行器连接在一起， 利用测斜模块提供 的井斜信息，控制液压执行器工作。根据预先设定的 控制策略来控制液压执行器的各个电磁 阀的开启和关 闭，电磁阀开启后，执行器的滑块在液压的压力下推 靠井壁，改变钻进方向，从而实现纠斜功能_ 2 J 。同时 中控也是垂钻系统和地面设备交流的核心器件 。 系统 检测 中，中控汇集 各个 电子模块信息并传送给上位 机，用于检测各个模块工作情况；并通过设置软件状 态，手动控制液压 电磁阀开启关闭；井下部分数据需 要保存[ 3 ] ，中控还应具有记录井下数据功能，井下工 作中复杂的震动情况和垂钻设备的工作状态、 井斜和 高边工具面角信息需要实时保存，以便后续科研分 析 。中控硬件需要能够经受井下恶劣环境；软件需要 调度多个费时的功能顺序 执行，互不影响，保 证通 信 、控制功能正确执行。 2 控制策略 中控的控制策略为依据测斜模块测量井斜角和高 边工具面角，确定合适 的液压执行器 电磁阀控 制状 态，从而给出一个适当的合力矢量 指向重高边 工具 面，改变钻进方 向，保证钻具向垂直方向钻进。井斜 角的定义为钻进过程中，钻具轴线与水平面之间的 夹角， 它反映了钻具前进方向相对于水平面的倾斜程 度；工具面角位于钻具轴线垂直的平面内，钻具的斜 面法线方向与参考方 向间的夹角， 它反映了钻具下一 步钻进的造斜方 向_4 J 。 控制策略的确定和液压执行器的机械结构有关， 目前常用的执行器工作方式主要有推靠式和指向式。 推靠式是指在导 向过程 中， 导向块伸出推靠井壁产生 的钻头侧向力起主要导向作用； 指向式是指导 向块的 伸缩使近钻头处与钻头相连的旋转钻柱弯曲， 使旋转 钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角， 从而利用钻头 的转角实现的旋转导 向。此外根据导 向块 的数量不 同，又有三个或者 四个导向块的执行机构 5 J 。图 1 为 三导向块推靠式执行结构。 以导向块 A为高边工具面 角零度，当井斜角大于设定上限角度时，控制策略 中 高边工具面角和导 向块之间的关系如表 1 所示。 第一作者简介 吴文晋 ，男 ，1 9 8 5年生，助理工程师，2 O l O毕业于北京航空航 天大学机械电子专业，现在航天科技集 团第一研究 院第十八研 究 所从事电子控制器软硬件设计。邮编1 0 0 0 7 6 6 石油仪器 PETRoLEUM I NS TRUM ENI S 图 1 三导向块推靠式液压执行器示意图 表 1 井斜角超标时垂钻控制策略 3 中央控制器设计 3 ． 1 硬件设计 中央控制器由软件和硬件两部分组成， 硬件是软 件的载体和实现装置。结合中控的功能要求，其硬件 以 DS P微处理器为核心展开， 包括 RS 2 3 2通信芯片、 C A N通信芯片、时标电路 、E E P R O M 存储芯片、A D 芯片、阀驱动 电路和部分 电压调理电路。主要实现以 下功能 1 DS P控制 C A N总线模块实现中控和测斜之间 的通信功能； 2 DS P控制 R S 一 2 3 2模块实现和上位机通信，用 于实现地面测试、自检和手动控制电磁阀等功能； 3 DS P利用 AD芯片采集部分井下信息； 4 DS P通过阀驱动电路控制电磁阀开关； 5 时标电路通过 S P I 总线与 DS P连接，为 D S P 提供时间标志； 6 物理存储通过电压调理电路，和 DS P的 S P I 总线相连， D S P最终将采集的井下数据按照一定的时 间间隔存储到物理存储 中。 3 ． 2 软件设计 以控制器硬件为载体，软件实现中控所有功能， 包括利用控制策略自动控制井下电磁阀驱动器 、与 测斜模块通信、A D 采集、保存大量数据 、与地面设 备通信 、自检功能和手动控制功能。 软件在井下利用控制策略控制 电磁 阀的开闭状 态，达到垂钻系统纠斜的功能。首先，中控通过和测 斜模块通信得到井斜角和高边工具面角信息， 如果井 斜角大于设定值 例如 0 ． 5 。 ，中控根据高边工具面 角信息输出P WM 信号，经过放大后，开启对应的电 磁 阀；导 向块伸 出后将钻头推正。同时软件需要将 AD采集来的井下数据和测斜模块通信传来的信息保 存到存储器 中。地面测试和下井前准备中，需要中控 软件 同地面设备通信，以便了解系统工作状态，中控 软件需要将 自身和测斜模块的状态实时反馈给地面设 备，以便监测工作状态；同时为了监测电磁阀的工作 状态，软件需要提供手动电磁阀控制功能；下井前电 子设备 自检，自检通过方可下井，下井前要将 中控数 据存储区清零。 定时中断中需要处理的功能包括 1 通过 C A N总线向测斜模块发送命令，请求回 复井斜信息； 2 保存井下数据，井下数据包括井斜 、高边工 具面角和中控状态信息等。 中控软件需要处理上位机发送指令和测斜模块传 输数据的请求 。 中控和测斜模块之间的通信采用C A N 通信，D S P程序产生 C A N通信中断。中断指令内容 包括 1 自检指令中控模块执行 自检命令，并将结 果返回给上位机； 2 下井前准备执行下井前准备动作，将数据 存储 区清零， 执行 自检命令并将结果返回给地面控制 计算机； 3 手动测试程序根据命令状态，更改液压系 统电磁阀的控制状态。手动状态下，电磁阀状态受上 位机控制；自动状态下， 电磁 阀状态受 中控 自动控制； 4 状态监控收到中断后，中控向上位机传送 井斜、高边工具面角和中控状态信息等，用于实时监 测 ； 5 读取数据 中控向上位机传送井下保存的所 有数据 。 上位机采用 R S 2 3 2串 口来通信， 产生串 口通信 中 断。中断指令内容包括接受井斜信息，并根据控制 策略自动控制液压系统电磁阀的控制状态 手动模式 下只接受井斜信息 。 根据中断情况， 整个中控程序流程图如图2所示。 第一步硬件上电后，DS P开始工作，首先初始 化标志寄存器，初始化中断向量表； 第二步进入 AD数据采集与数据处理循环，等 待 中断，直到断电； 第三步接收到 中断后，根据中断向量表，以及 不同控制字，进行相应的中断处理。 2 0 1 2年 第 2 6卷 第 1期 吴文晋等 垂直钻井系统 中央控制器设计 图 2 中控嵌入式程序流程图 4 实验验证 为了测试系统和中控模块工作状态， 该垂钻系统 在新疆火北 2号井进行了井下实验 。 垂钻系统下井时 已经钻进 7 3 9 m，其在井下时间 9 2 ． 1个小时，钻进 1 6 3 m。整个下井期间，数据记录基本完整。 图 3为两个小时内高边工具面角和集中导向力角 对应关系。可以看出，集 中导向力角和控制策略中设 定的值相对应，说明了主控模块井下工作正常，能够 正确控制导向块的伸 出与缩回。 图4为 图3所示工作时间内中控记录的井斜角信 息。该井斜角由中控从测斜模块索要得到。两个小时 埴 H 谴 “1 1 ． 5 蘸 椒 1 o “1 2 D． 图 3 井下工作高边和集中导向力角对应图 图4 中控井下储存井斜角情况 内，井斜角从 1 ． 5 。 左右下降至 0 ． 8 。 左右。可 以看 出在 使用垂钻系统 的情况下，井斜角明显下降，钻进方向 得到 了明显控制，说明了控制策略的有效性 。 5 结束语 通过控制策略制定和通信功能实现， 设计了一种 垂直钻井系统 中央控制器。 该控制器能够满足井下工 作条件下控制钻进方 向的功能，而且具有下井前调 试 、 数据存储等功能 。满足 了垂钻系统井下工作对 中 央控制器的要求， 下井实验证明了中控的软硬件设计 的合理性和工作有效性 。 参 考 文 献 【 1 ]艾才云，王雄鹰，费维新． 一种新型垂直钻井工具 [ J ] ． 钻 采工艺，2 0 0 6 ， 5 [ 2 】苏义脑，李松林．自动垂直钻井工具的设计及 自动控制方 法 【 J ] ．石油学报，2 0 0 7 ． 2 2 4 [ 3 ]傅华明，阮静洁，罗大鹏． 一种垂钻过程检测与控制器 的 设计及室内试验 [ J ] ．石油仪器．2 0 0 4 ，1 8 1 [ 4 ]徐涛，罗武胜，杜列波，等． 水平定向钻进随钻测量及 方位校正研究 [ J ] ． 仪器仪表学报． 2 0 0 7 ，2 8 2 [ 5 ] 张 萌． 自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究 [ D ] ． 武汉 中国地质大学 【 武汉】 ，武汉 2 0 1 0 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 - 2 5 编辑 姜婷