垂直钻井系统中央控制器设计.pdf

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1、石油仪器2012年第26卷第1期PETRoLEUMINSTRUMENIS·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

2、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：TE243文献标识码：B文章编号：1004．9134(2012)01-0005—03高边工具面角信息需要实时保存，以便后续科研分0引言析。中控硬件需要能够经受井下恶劣环境；软件需要垂直钻井系统(以下简称垂钻系统)是石油钻井调度多个费时的功能顺序执行，互不影响，保证通行业中新兴发展起来的自动纠偏系统，能够在井下钻信、控制功能正确执行。进状态下控制井斜。国外近年来研制了VDS、SDD、2控制策略Vertitrak等垂钻系统，但由于技术保密的需要，一直以来

3、各大公司对我国仅提供技术服务，价格昂贵⋯。中控的控制策略为依据测斜模块测量井斜角和高随着我国石油工业的发展，我国迫切需求拥有自主知边工具面角，确定合适的液压执行器电磁阀控制状识产权的垂钻设备。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1垂直钻井系统简介角的定义为：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垂直钻井系统中央控制器简称中控，是垂钴系统度；工具面角位于钻具轴线垂直的平面内，钻具的斜的核心部件之一。垂钻系统主要由电子单元和液压执面法线方向与参考方向间的夹角，它反映了钻具下一行器组成，电子单元

4、负责测量井斜和控制功能，液压步钻进的造斜方向_4J。执行器能够推挤井壁，实现系统纠偏功能。中控将测控制策略的确定和液压执行器的机械结构有关，斜模块和液压执行器连接在一起，利用测斜模块提供目前常用的执行器工作方式主要有推靠式和指向式。的井斜信息，控制液压执行器工作。根据预先设定的推靠式是指在导向过程中，导向块伸出推靠井壁产生控制策略来控制液压执行器的各个电磁阀的开启和关的钻头侧向力起主要导向作用；指向式是指导向块的闭，电磁阀开启后，执行器的滑块在液压的压力下推伸缩使近钻头处与钻头相连的旋转钻柱弯曲，使旋转靠井壁，改变钻进方向，从而实现纠斜功能_2J。同时钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角

5、，从而利用钻头中控也是垂钻系统和地面设备交流的核心器件。系统的转角实现的旋转导向。此外根据导向块的数量不检测中，中控汇集各个电子模块信息并传送给上位同，又有三个或者四个导向块的执行机构5J。图1为机，用于检测各个模块工作情况；并通过设置软件状三导向块推靠式执行结构。以导向块A为高边工具面态，手动控制液压电磁阀开启关闭；井下部分数据需角零度，当井斜角大于设定上限角度时，控制策略中要保存[3]，中控还应具有记录井下数据功能，井下工高边工具面角和导向块之间的关系如表1所示。作中复杂的震动情况和垂钻设备的工作状态、井斜和第一作者简介：吴文晋，男，1985年生，助理工程师，2OlO毕业于北京航

6、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：100076石油仪器PETRoLEUMINSTRUMENIS·6·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PWM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

7、提供手动电磁阀控制功能；下井前电图1三导向块推靠式液压执行器示意图子设备自检，自检通过方可下井，下井前要将中控数表1井斜角超标时垂钻控制策略据存储区清零。定时中断中需要处理的功能包括：1)通过CAN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CAN3中央控制器设计通信，DSP程序产生CAN通信中断。中断指令内容