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(1.中國(guó)石油大學(xué) 山東 青島 266555；2.中國(guó)石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412)

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)井壁取心儀器電路設(shè)計(jì)

王瑩1，2，楊帆2，陸敬武2，賈鑫2

(1.中國(guó)石油大學(xué) 山東 青島 266555；2.中國(guó)石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412)

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀器鉆頭的取心是液壓驅(qū)動(dòng)的，而ESCT旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀鉆頭的取心動(dòng)力是由直流無(wú)刷電機(jī)直接提供的。ESCT旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀應(yīng)用了直流無(wú)刷電機(jī)和旋轉(zhuǎn)式變壓器。通過(guò)對(duì)電子線路中的電機(jī)控制板和電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)取心鉆頭的直接驅(qū)動(dòng)和控制，達(dá)到了高效、穩(wěn)定取心的目的。介紹了直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制原理，描述了控制直流無(wú)刷電機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。

測(cè)井儀器；旋轉(zhuǎn)式井壁取心；直流無(wú)刷電機(jī)；直接驅(qū)動(dòng)

0 引 言

直接取自地層的巖心是認(rèn)識(shí)地層最直觀的資料，通過(guò)巖心既可以直觀地進(jìn)行巖性、含油性觀察,又可借助專業(yè)巖心分析設(shè)備進(jìn)行巖性、電性、物性和含油性分析化驗(yàn)。通過(guò)對(duì)巖心的分析，可以獲得地質(zhì)學(xué)家所關(guān)心的孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)。目前通過(guò)三種方式獲得巖心:鉆井取心、爆炸式取心和旋轉(zhuǎn)式井壁取心。旋轉(zhuǎn)式井壁取心[1，2]采用電纜作業(yè)的方式，和鉆井取心相比具有施工簡(jiǎn)便、成本低、適合不同硬度地層取心的優(yōu)勢(shì)；和爆炸式取心相比具有獲取的巖心規(guī)則、施工方式安全的優(yōu)勢(shì)。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)式井壁取心是目前應(yīng)用最廣泛，最具發(fā)展?jié)摿Φ娜⌒姆绞健?/p>

在二十世紀(jì)八十年代末，國(guó)外測(cè)井公司率先研制出了井壁取心儀器，Schlumberger公司的旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀器(MSCT)[3]在1985年達(dá)到實(shí)用階段，但是由于采用的是交流電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)的方式，使得儀器的取心效率低，并且在測(cè)井施工中存在較大風(fēng)險(xiǎn)。隨后，Halliburton公司[4]和BAKER ATLAS公司[5]也分別推出了各自的旋轉(zhuǎn)式取心儀器，采用的也是交流電機(jī)。大慶鉆探測(cè)井公司研發(fā)的ESCT旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀[6]應(yīng)用了直流無(wú)刷電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器，結(jié)合電子線路中的電機(jī)控制板和電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)取心鉆頭的直接驅(qū)動(dòng)，與采用交流電機(jī)的井壁取心儀器相比儀器的穩(wěn)定性和取心效率都得到了提高。

1 直驅(qū)式取心儀器電路設(shè)計(jì)原理

ESCT旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀器由取心探頭和電子線路兩部分組成。通過(guò)取心探頭的機(jī)械系統(tǒng)和液壓動(dòng)力的完美配合使儀器能夠完成推靠、巖心的鉆進(jìn)、掰斷、收集和標(biāo)記等功能。取心鉆頭的動(dòng)力由直驅(qū)電機(jī)提供，提高了儀器的供電效率和采收率。對(duì)取心鉆頭的驅(qū)動(dòng)主要由線路中的電機(jī)控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)，直驅(qū)式取心原理圖如圖1所示。

圖1 直驅(qū)式取心原理圖

電機(jī)控制板向旋轉(zhuǎn)變壓器輸出激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)接收旋轉(zhuǎn)變壓器的邏輯控制信號(hào)。電機(jī)控制板對(duì)接收到的邏輯信號(hào)進(jìn)行解碼分析后向電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板輸出一組脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板接收PWM信號(hào)后，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

2 直驅(qū)式取心儀器電路的實(shí)現(xiàn)

對(duì)取心鉆頭的驅(qū)動(dòng)主要由線路中的電機(jī)控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)。由于井下儀器采用600 V直流無(wú)刷電機(jī)，這對(duì)芯片和功率管的耐溫和耐壓都提出了很高的要求。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮器件的選型、強(qiáng)弱信號(hào)的隔離、高噪聲環(huán)境下的通訊方式等問(wèn)題。

2.1 電機(jī)控制板功能的實(shí)現(xiàn)

電機(jī)控制板主要功能：實(shí)現(xiàn)高噪聲下的通訊、為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵(lì)信號(hào)、采樣旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)后向電機(jī)輸出控制信號(hào)。

由于儀器采用的是600 V直流無(wú)刷電機(jī)，取心電機(jī)的工作電壓和電流會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，所以儀器采用載波通信的方式。這種方式選擇遠(yuǎn)離電磁干擾頻段的波段來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)增加井下濾波電容和傳輸信號(hào)幅度，使儀器的通訊穩(wěn)定可靠。

取心電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器獲取電機(jī)位置。電機(jī)控制板為旋轉(zhuǎn)變壓器提供10 VAC/5 kHz的激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)電路是由振蕩電路和功率放大電路組成，旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)電路如圖2所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)為兩路具有相位差的正弦波，這兩路正弦波的相位差通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算所獲得的數(shù)值即為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械角度。電機(jī)控制板采用的是專門用于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)解碼的芯片，該芯片采樣精度高，高溫性能可靠，采樣旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)后向電機(jī)輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的控制。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)電路圖

2.2 電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板功能的實(shí)現(xiàn)

電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板的主要功能：為直流無(wú)刷電機(jī)提供功率驅(qū)動(dòng)和儀器的電壓、電流采樣。

直流無(wú)刷電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，控制功率管的導(dǎo)通時(shí)序能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制PWM信號(hào)可以控制功率管的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。地面將直流電源通過(guò)四根纜芯和電纜外皮提供給取心儀器的直流電機(jī)，這種供電方式降低了能量在電纜上的消耗以及能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損耗，大大提高了能量轉(zhuǎn)化效率。

為了實(shí)現(xiàn)井下儀器工作狀態(tài)的記錄和監(jiān)測(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板對(duì)取心電機(jī)的電壓、電流進(jìn)行了采樣。電壓采樣使用的是分壓電阻方式，電流采樣使用的是專用電流監(jiān)視芯片采樣實(shí)現(xiàn)的，采樣方式如圖3、圖4所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板把檢測(cè)到的電機(jī)工作電壓、電流的數(shù)值和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的電機(jī)工作狀態(tài)信號(hào)傳輸給通信板，通訊板將經(jīng)過(guò)解碼后的數(shù)據(jù)上傳至地面，使操作人員能夠直觀判斷井下儀器的工作狀態(tài)是否正常。

通過(guò)對(duì)電機(jī)控制板和電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了通訊信號(hào)的傳輸、旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)、旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的采樣、直流無(wú)刷電機(jī)的控制和電機(jī)電壓和電流采樣等功能，達(dá)到了提高取心效率，對(duì)取心儀器工作狀態(tài)記錄和監(jiān)控的目的。

圖3 電機(jī)電壓信號(hào)采樣方式

3 結(jié)束語(yǔ)

1)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器獲取電機(jī)位置，精確控制直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

2)應(yīng)用直流無(wú)刷電機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)控制板和電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的控制。使得儀器的取心效率得到提高、工作性能穩(wěn)定。

3)通過(guò)對(duì)取心電機(jī)電壓、電流采樣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)取心儀器工作狀態(tài)的記錄和監(jiān)測(cè)。

圖4 電機(jī)電流信號(hào)采樣方式

[1] 王志信.井壁取心技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.測(cè)井技術(shù)[J].1997，21(1):66-70.

[2] 程林峰，馬 林，吳鳳秋.完善旋轉(zhuǎn)式井壁取心器的綜合性能.石油儀器[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] 陸敬武.新型旋轉(zhuǎn)井壁取心儀在大慶油田的應(yīng)用.測(cè)井技術(shù)[J].2016,40(6):761-764.

2017-03-01編輯高紅霞)

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特此公告。

《石油管材與儀器》編輯部

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 瑩，女，1986年生，工程師，中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)在職碩士，現(xiàn)主要從事測(cè)井儀器研制工作。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