郝桂青，周明高，蘭 萌，馬俊全，褚曉冬，周艷敏

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部 河北 三河 605201)

0 引 言

電纜地層測試是電纜測井最重要的測試方法之一，它通過對地層流體的測壓取樣，可以有效確定壓力梯度和流體界面，計算壓力點流度[1]，分析儲層油藏等，但對一些低滲地層、稠油地層存在測壓點流度計算不準確，尤其是出砂稠油和超低滲地層無法取樣等問題。即使使用大極板探針對此類問題有一定的緩解，但并不能真正解決疏松、出砂嚴重和稠油地層無法取樣的問題，從而對于這種地層的作業(yè)需求只能使用國外油服公司的儀器，致使國內(nèi)很大一部分石油勘探市場長期被國外公司所壟斷。

現(xiàn)場應用的常規(guī)電纜地層測試儀器中，液壓動力短節(jié)的高壓直流無刷電機采用常規(guī)的控制驅動方法，會出現(xiàn)運行不穩(wěn)和堵轉的現(xiàn)象，無法滿足轉速在1 000 r/min以下的液壓動力要求，抽吸速度只能維持在3 mL/s以上。而超低滲、稠油地層如果以如此高的速度抽吸，因地層壓差增大，極易出現(xiàn)出砂、垮塌的現(xiàn)象，導致作業(yè)失敗，所以泵抽速度的精確控制，是決定作業(yè)成敗的重要因素。小壓差慢速抽吸是解決現(xiàn)有超低滲及稠油出砂地層測壓取樣問題的關鍵[2]。液壓動力電機的轉速直接影響液壓泵的排量和抽吸速度，所以降低直流無刷電機的轉速，采用低速小排量液壓動力是解決問題的關鍵，同時應兼顧并優(yōu)化常規(guī)地層測試儀器，使儀器能夠適應各種地層。新型寬頻調(diào)速液壓動力技術可以很好地解決以上問題，本文主要介紹了這種新型液壓動力技術的原理、實現(xiàn)方法、優(yōu)點及應用驗證。

1 寬頻調(diào)速液壓動力模塊的設計

在工程用的常規(guī)電纜地層測試儀器中，儀器的動力由液壓動力短節(jié)中的直流無刷電機帶定量柱塞泵構成[3]，電機轉動時，帶動柱塞泵不斷地泵液壓油，流經(jīng)裝有額定壓力的溢流閥后推動儀器后面的泵抽缸，使泵抽缸里面的活塞往復運動來完成樣品流體的抽吸與排出。由于流量與轉速成正比，所以在電機轉速和柱塞泵的排量確定的情況下，儀器的抽吸速度是確定的。為了達到寬范圍的抽吸速度，設計了一種直流無刷電機帶2個不同排量的柱塞泵即一機帶雙泵的寬頻調(diào)速液壓動力模塊，該模塊的控制由寬頻調(diào)速電機控制并驅動。

1.1 一機帶雙泵的液壓動力模塊構成與工作原理

寬頻調(diào)速液壓動力模塊由平衡體、液壓動力及直流無刷電機控制驅動電路3部分組成[4]，如圖1所示。

圖1 寬頻調(diào)速液壓動力模塊示意圖

模塊中的平衡體用于平衡泥漿柱壓力，使液壓系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。液壓動力部分由1個直流無刷電機、2個不同排量的柱塞泵、溢流閥及液壓管線構成，為儀器提供液壓動力。直流無刷電機控制驅動電路實現(xiàn)對電機的啟停控制、轉速控制和儀器通訊等功能。

如果要想實現(xiàn)寬范圍的泵抽速度，單泵無法滿足需求。設計采用了寬流量技術，用1臺電機帶2臺排量不同的泵，根據(jù)地層特點來決定采用哪個泵進行工作，這樣既保證全覆蓋，又節(jié)省空間，簡單可靠。一機帶雙泵結構示意如圖2所示。

圖2 一機帶雙泵結構示意圖

一機帶雙泵液壓動力模塊由高壓直流無刷電機、大小不同規(guī)格的2個定量高壓柱塞泵、2個相同的輸出端，即溢流閥構成。工作時，通過控制電機的轉向來選擇不同的高壓柱塞泵，電機在某個轉向時始終只有其中1臺高壓泵穩(wěn)定工作，保證了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 直流無刷電機寬頻調(diào)速控制驅動電路設計

1.2.1 硬件設計

該液壓動力采用高溫、精密、抗震動的直流無刷電動機(BLDCM)，位置傳感器為旋轉變壓器，換相控制方式為空間矢量脈寬調(diào)制[5]正弦波驅動技術，便于精密調(diào)速控制。該電機500 V高壓供電，最高轉速為4 500 r/min，控制驅動電路具有正反轉控制、轉向控制、溫度測量、上下行通訊等功能,并且在100～3 000 r/min寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)并能穩(wěn)速運行。根據(jù)儀器功能要求，直流無刷電機寬頻調(diào)速控制驅動電路總體框圖如圖3所示。

圖3 直流無刷電機寬頻調(diào)速控制驅動電路總體框圖

直流無刷電機寬頻調(diào)速控制驅動電路主要包括RS485通訊電路，數(shù)字信號處理(DSP)控制模塊、軸角變換電路、溫度測量與電流信號調(diào)理電路、功率驅動電路等[6]。選用數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為主控制芯片[7]，RS485通訊電路主要完成上位機與DSP之間測井命令的下達和數(shù)據(jù)實時上傳的功能，包括電機的轉向、起停和轉速的設定、溫度、轉速等數(shù)據(jù)的上傳。由SCITMS320F2812的I/O口控制電機的啟動或停止，溫度傳感器經(jīng)溫度測量電路放大，由A/D輸入腳輸入DSP進行測量，RS485通訊電路接受上位機的指令和給定轉速信號，并把電機轉速和狀態(tài)信號上傳，該芯片的脈寬調(diào)制(PWM)控制器根據(jù)軸角變換電路的解碼，再對信號進行邏輯運算，從而輸出6路PWM信號來控制功率驅動電路中功率管的導通與關斷，最終改變電機的換相順序，從而驅動電機正常運行。

1.2.2 軟件設計

軟件主要包括主程序、DSP初始化子程序、速度閉環(huán)調(diào)節(jié)子程序、過流過熱保護子程序、復位子程序、通訊子程序、各種中斷程序等，使系統(tǒng)具有精密調(diào)速穩(wěn)速、過流過熱保護、人機對話等功能[6]。

軟件設計的難點是帶載情況下保證小泵在100～3 000 r/min寬范圍內(nèi)的轉速調(diào)節(jié)及帶載啟動。電機閉環(huán)調(diào)速子程序在定時中斷中進行，流程圖如圖4所示。

圖4 電機閉環(huán)調(diào)速子程序流程圖

在整個軟件設計中，每次電機啟動前接收控制指令并執(zhí)行，把電機信息上傳給上位機。電機控制軟件采用了捕捉中斷、定時中斷、外部中斷、串口中斷、A/D中斷等低功耗軟件設計方法，完成對電機工作溫度的采集、速度的測量及位置信號的處理。通信子程序主要完上位機指令的接收和處理，并把關鍵數(shù)據(jù)上傳。速度閉環(huán)調(diào)節(jié)子程序根據(jù)指令對電機運行的各個參數(shù)進行設定，控制并輸出PWM信號驅動電機。復位子程序能夠清除某些軟件方面故障，確保程序不會陷入到死循環(huán)中。

電機閉環(huán)調(diào)速的主要原理是將電機的實際轉速(Speed)與接收到的速度設定命令中的給定轉速值(SpeedRef)進行比較，差值決定進行粗調(diào)還是細調(diào)，改變PWM信號輸出的占空比，最終改變電機的轉速,保證電機在設定的轉速下平穩(wěn)運行。

2 寬頻調(diào)速液壓動力短節(jié)抽吸精度測試

2.1 直流無刷電機低速泵排精度測試

為了測試超低滲直流無刷電機控制驅動電路低速運行能力，將直流無刷電機帶小柱塞泵接溢流閥后，在實驗室油槽里進行帶載測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 低速泵抽精度測試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，超低滲直流無刷電機控制驅動電路的調(diào)速穩(wěn)速性能良好，能在低速50 r/min時帶載正常工作，理論上可以達到0.038 4 mL/s的泵抽精度。

2.2 泵抽能力測試

為了測試該液壓動力短節(jié)在地層測試儀器上的泵抽能力，進行了大泵和小泵的泵抽速度上下限測試。

2.2.1 大泵泵抽速度上下限測試

為精確測試大泵泵抽速度上下限，儀器連接長纜，模擬井下作業(yè)狀態(tài)。泵抽測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 泵抽測試現(xiàn)場圖

每個泵速測試時間為20 min，電機電壓測試梯度為10 V,電機轉速小于1 000 r/min，通過記錄泵抽工作時間和抽吸量，可以計算出在不同轉速條件下的泵抽速度。儀器正常運行測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 大泵泵抽速度下限測試數(shù)據(jù)

由表2可知，儀器大泵作業(yè)抽吸速度下限為1.04 mL/s。大泵泵抽速度上限測試時，將電機的轉速增加至電機工作的最高轉速4 500 r/min，測出其泵抽速度為15.5 mL/s。

2.2.2 小泵泵抽速度上下限測試

地層測試儀器接長纜，選擇小泵工作模式，模擬井下作業(yè)狀態(tài)，泵抽速度上下限測試，除了轉速100 r/min時抽吸時間為60 min外，其他速度的測試時間均為20 min，測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 小泵泵抽速度上下限測試數(shù)據(jù)

從表3可以看出，電機轉速為4 000 r/min時，小泵泵抽速度可以達到2.61 mL/s，相當于大泵工作時電機轉速為900 r/min左右時的泵抽速度，所以大小泵工作范圍完全可以銜接。

3 寬頻調(diào)速液壓動力應用于地層測試儀器的優(yōu)勢

地層測試儀器在對地層流體的測壓取樣作業(yè)時，寬頻調(diào)速液壓動力與常規(guī)液壓動力相比有很大的優(yōu)勢。2種液壓動力的泵抽速度對比如圖6所示。

圖6 常規(guī)液壓動力與寬頻調(diào)速液壓動力泵抽速度對比圖

應用時，地面程序向井下儀器下發(fā)電機轉速設定命令，井下電機控制電路使電機按照給定轉速穩(wěn)速運行，進而控制液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和泵抽速度。常規(guī)液壓動力的泵抽速度范圍為3.75～11.65 mL/s，最低抽吸速度只有3.75 mL/s,對于低滲等非常規(guī)地層無能為力。而帶有寬頻調(diào)速液壓動力的泵抽速度范圍為0.1～15.5 mL/s，對于嚴重出砂、稠油、超低滲等特殊地層的測壓取樣，能以很低的抽吸速度抽吸流體。

4 寬頻調(diào)速液壓動力模塊在超低滲地層測試儀器中的應用

超低滲地層測試儀器利用寬頻調(diào)速技術已經(jīng)在渤海海域油井多次測壓取樣成功。在某渤中區(qū)塊一次作業(yè)，成功取得1 451.0、1 473.5、1 707.5 m地層的3個高純度樣品。

在該井作業(yè)前，先對該井和鄰井資料進行了對比分析。鄰井資料顯示目標層位為稠油層，易出砂, 若采用常規(guī)泵抽方式，在1 451.0 m及1 473.5 m深度將會出現(xiàn)出砂堵塞管道的現(xiàn)象，故采用寬頻調(diào)速液壓動力技術進行取樣作業(yè)，取樣信息見表4。

表4 渤海某井取樣信息

1 451.0 m取樣點的泥漿柱壓力為17.336 MPa，地層壓力為14.195 MPa，取樣點流度為6.13 mD/(Pa·s), 取樣開始試抽吸時常規(guī)泵抽吸壓降約為4.426 MPa，大于出砂生產(chǎn)壓差1.847 MPa，改為小泵抽吸，泵抽速度為0.96 mL/s，此時小泵正向抽吸壓降為0.951 MPa，反向抽吸壓降為1.703 MPa，均在安全生產(chǎn)壓差2.149 MPa范圍內(nèi)，最終成功取得1 100 mL的樣品。另外在1 707.5 m層位利用大小泵相結合的方式，保證了作業(yè)安全和作業(yè)時效，圓滿完成取樣任務。

5 結束語

1)寬頻調(diào)速液壓動力模塊在設計上采用寬頻精密調(diào)速控制的直流無刷伺服電機，控制驅動電路采用空間矢量脈寬調(diào)制正弦波驅動技術，可以實現(xiàn)100～3 000 r/min 電動機調(diào)速穩(wěn)速控制。

2)實現(xiàn)了地層測試儀器要求的恒速定量抽吸，特別是一機帶雙泵的泵抽能力可實現(xiàn)0.1 mL/s～15.5 mL/s范圍內(nèi)泵抽速度的連續(xù)控制，可根據(jù)地層特點任意調(diào)整抽吸速度，滿足超低滲、稠油、出砂等各種復雜地層測試的需求。

3)在設計上參照常規(guī)液壓動力模塊的外徑、接口等參數(shù)，可以直接升級原來常規(guī)儀器，兼容性好。

4)經(jīng)過嚴格的試驗測試和實井應用，寬頻調(diào)速液壓動力技術有效地拓展了地層測試儀器的作業(yè)范圍，攻克了低速抽吸的技術壁壘，大大提高了測壓取樣的作業(yè)能力。