童茂松,曹宇欣,孫旭光,歷程軍,史金安,顧鵬程

(中國石油集團(tuán)測井有限公司大慶分公司,黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

過鉆桿測井工藝屬于存儲式測井工藝,采用鉆井液泵送方法[1],與常規(guī)電纜測井工藝相比,過鉆桿測井工藝對儀器的要求非常嚴(yán)格[2-4]:①過鉆桿測井儀器的外徑要足夠小,以便穿過鉆具內(nèi)部水眼;②過鉆桿測井儀器要具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度,耐受儀器輸送過程中鉆具上下活動帶來的強(qiáng)烈振動;③測井儀器要具有充分的可靠性,過鉆桿存儲測井單井次用時約24 h,測井儀器在井下工作時間通常長達(dá)18 h,遠(yuǎn)大于電纜測井用時,而且如果第1次測井失敗,第2次測井的工作量幾乎與第1次測井相同。為了滿足以上要求,過鉆桿測井儀器的外徑設(shè)計(jì)為57 mm,其內(nèi)部空間狹小,增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的難度,而且在傳感器與執(zhí)行器選型方面要充分考慮小型化、高可靠、高精度[3-4]。

過鉆桿四臂井徑測井儀器采用4個獨(dú)立井徑,分別實(shí)時測量4個方位的井徑。該儀器主要由推靠傳動部分和井徑測量部分組成,推靠傳動部分在地面儀的控制下完成測量臂的推靠與收攏功能。過鉆桿四臂井徑測井儀器電機(jī)工作于高溫(175 ℃)下,且需要液壓平衡。過鉆桿測井系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式是井下數(shù)據(jù)存儲模式,在儀器輸送過程中支撐臂是收攏的,儀器到達(dá)目的層位的裸眼段后,地面下發(fā)推靠指令,將支撐臂推開,進(jìn)行測井。當(dāng)測井結(jié)束后,將儀器從裸眼段收回鉆具內(nèi)起到地面,需要再次下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)支撐臂收攏。因此,采用可控的直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)四臂井徑測井儀器的推靠傳動。

無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor,簡稱BLDC)具有效率高、壽命長、噪聲低、轉(zhuǎn)速高和良好的高速動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。按照轉(zhuǎn)子位置確定方法,分為有位置傳感器和無位置傳感器2種。相對于傳統(tǒng)的有位置傳感器控制,無位置傳感器BLDC可以降低系統(tǒng)硬件成本、減少控制器與電機(jī)的接線,體積小,可靠性高,適于高溫或液壓平衡環(huán)境等特殊場合應(yīng)用,有利于BLDC安裝與維護(hù)[5-6],滿足過鉆桿四臂井徑測井儀器的需求。

1 電機(jī)控制與驅(qū)動總體設(shè)計(jì)

過鉆桿四臂井徑測井儀器采用的電機(jī)為定制無位置傳感器無刷直流電機(jī),采用三相星型連接,直流供電電壓65 V,額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min。地面系統(tǒng)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止,井下反饋上傳電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信息。BLDC控制與驅(qū)動模塊(MCD)是一個獨(dú)立模塊,在測井應(yīng)用中,該模塊通過測井儀器的通信與管理模塊(TCC)上傳數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令。TCC是過鉆桿測井系統(tǒng)的通用模塊,應(yīng)用于全部井下儀器,主要負(fù)責(zé)測井儀器管理(監(jiān)控、模擬量采集、數(shù)據(jù)整理)、與外部通信(上傳測井?dāng)?shù)據(jù)、接受命令)以及數(shù)據(jù)存儲。該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),適度冗余,調(diào)整內(nèi)部程序以及端口配置,可以滿足所有測井儀器的需要。MCD模塊與TCC模塊的關(guān)系見圖1。

圖1 電機(jī)控制與驅(qū)動總體框圖

TCC模塊是MCD模塊與儀器總線溝通的橋梁:TCC模塊通過外部CAN總線接收井下遙測指令(來自于地面系統(tǒng)),將指令解碼后,通過TCC模塊的內(nèi)部CAN總線接口發(fā)送給MCD模塊,執(zhí)行指令;MCD將測量得到的數(shù)據(jù),通過TCC模塊內(nèi)部CAN總線將數(shù)據(jù)(電機(jī)電流、電壓、轉(zhuǎn)速等)傳送給TCC模塊,TCC模塊進(jìn)行編碼后,通過外部CAN總線發(fā)送出去。在電纜測井時,遙測將數(shù)據(jù)傳送到地面系統(tǒng)記錄、顯示;在存儲測井時,遙測將數(shù)據(jù)傳送給井下存儲短節(jié)存儲。

2 單元電路設(shè)計(jì)

BLDC控制與驅(qū)動模塊采用±5 V DC、±12 V DC供電,電機(jī)驅(qū)動電源來自于儀器總供電(TOOL-DC,65 V DC),通過3根導(dǎo)線控制BLDC電機(jī)。BLDC驅(qū)動換相采用三相六拍,兩兩導(dǎo)通方式,轉(zhuǎn)子位置采用反電動勢過零法檢測,其電路原理框圖主要由電源轉(zhuǎn)換單元、主控單元、驅(qū)動換相單元、反電動勢檢測單元、電機(jī)電壓監(jiān)控單元、電機(jī)電流監(jiān)控單元、限位單元等構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、制動、保護(hù)等功能(見圖2)。

圖2 BLDC控制與驅(qū)動模塊(MCD)原理框圖

2.1 電源轉(zhuǎn)換主控單元

該單元將來自四臂井徑測井儀器電源模塊的±5 V DC、±12 V DC轉(zhuǎn)換為BLDC控制與控制模塊所需的±5、±12、3.3 V DC、參考電壓(VREF),其中,±5 V DC、±12 V DC由輸入電源濾波得到;3.3 V DC由LDO電路實(shí)現(xiàn);VERF由2.5 V精密、微功耗、低壓差、低壓基準(zhǔn)電壓源REF192提供,該基準(zhǔn)源初始精度高(≤±2 mV)、溫度系數(shù)低(≤5 ppm/℃)、電源電流低(≤45 μA),還具有短路保護(hù)功能。

主控單元主要由1片ARM及其外圍電路(外部時鐘、CAN驅(qū)動電路、電壓監(jiān)控復(fù)位電路)組成,ARM采用STM32F207,CAN驅(qū)動采用BCF175芯片,電壓監(jiān)控復(fù)位芯片為ADM708。主控單元的主要功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、電機(jī)電壓與電流模數(shù)轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制及保護(hù)。

2.2 驅(qū)動換相單元

BLDC電機(jī)驅(qū)動原理見圖3,主要包括MOSFET驅(qū)動器和Q1～Q6等6個功率開關(guān)管構(gòu)成的三相逆變橋,Q1～Q6采用IRF644。換相采用三相六拍,兩兩導(dǎo)通,即每拍中一相流入電流,另一相流出電流,第3相不導(dǎo)通(懸空)。電機(jī)供電來自于儀器總供電電源。

圖3 電機(jī)驅(qū)動單元原理框圖

驅(qū)動器采用IRF公司專門為三相橋式驅(qū)動設(shè)計(jì)的芯片IR2132,該芯片是一種高壓、高速功率MOSFET和IGBT驅(qū)動器,電源供電電壓為10～20 V,驅(qū)動信號延時為ns級,開關(guān)頻率20 kHz以上。采用IR2132作為MOSFET的驅(qū)動電路,外圍元件少、線路較簡單、性價比高。

主控單元輸出的6路PWM信號(PWM-AH、PWM-BH、PWM-CH、PWM-AL、PWM-BL、PWM-CL)分別接到驅(qū)動芯片IR2132的HINl～HIN3、LINl～LIN3等6路輸入端,IR2I32將PWM信號電壓放大,最后輸入逆變橋驅(qū)動電機(jī)工作。IR2132芯片工作電壓取+12 V的直流電壓,高邊懸浮電源端VBl～VB3分別通過快恢復(fù)二極管(MURS160T3)與VCC的電源相連接;高邊懸浮電源地端VSl～VS3分別通過自舉電容與高邊懸浮電源端VBl～VB3相連接,通過自舉電容為3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源;同時高邊懸浮電源地端VSl～VS3分別與上橋臂功率管的源極連接在一起。6只功率開關(guān)管中,Ql、Q3和Q5為上橋臂,Q2、Q4和Q6為下橋臂。上橋臂3只功率管的漏極接+65 V的電機(jī)電壓(DC-AUX),而源極則分別與下橋臂3只功率管的漏極相連接;下橋臂3只功率管的源極與電源地之間連接1個0.5 Ω的采樣電阻(Rs),該電阻用于對電機(jī)電流進(jìn)行采樣。IR2132輸出HO1～HO3經(jīng)過3個20 Ω的限流電阻分別與逆變器上橋臂3個功率管相連接,同樣,LO1～LO3經(jīng)過3個20 Ω的限流電阻分別與逆變器下橋臂3個功率管相連接,這樣就組成了一個完整的橋式逆變電路。

2.3 反電動勢過零檢測單元

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測與估計(jì)主要用于電機(jī)換相控制以及產(chǎn)生速度控制量,也是無位置傳感器BLDC控制的一個難點(diǎn)。本文采用反電動勢過零法實(shí)現(xiàn),該方法具有電路簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),是目前技術(shù)最成熟和最常用的1種無位置傳感器控制方法,應(yīng)用于繞組星型連接、三相六狀態(tài)120°兩兩通電方式的BLDC中。

在任何時刻,電動機(jī)3相繞組只有2相導(dǎo)通,每相繞組正反相分別導(dǎo)通120°電角度。通過測量3相繞組端子及中性點(diǎn)相對于直流母線負(fù)端(或正端)的電位,當(dāng)某端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時,則此時刻該相繞組反電動勢過零。無刷直流電動機(jī)一般不引出中性點(diǎn),可以利用3個相同阻值、星形連接的電阻構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡(luò),其共同連接點(diǎn)稱為虛擬中性點(diǎn),作為反電動勢測量的電位參考點(diǎn)。

反電勢過零法檢測單元原理框圖見圖4,主要由分壓電路、過零比較電路組成,每相對應(yīng)的電路參數(shù)一致。

3相繞組的端電位經(jīng)電阻分壓后,得到分壓后的端電位信號。把得到的信號與虛擬中性點(diǎn)(RA、RB、RC的連接點(diǎn))分別接入比較器的同相端和反相端,進(jìn)行電位比較,獲得方波脈沖信號(POS-A、POS-B、POS-C),該信號輸入到ARM的中斷捕捉口,根據(jù)實(shí)時捕捉到的反電勢過零點(diǎn)信號控制電機(jī)換相。

圖4 反電動勢過零檢測單元原理框圖

2.4 電機(jī)電壓監(jiān)控單元

用于電機(jī)供電的直流電源電壓過高或過低都可能影響電機(jī)的正常運(yùn)行,甚至引起電機(jī)無法正常啟動。過高的電壓會損壞功率器件以及電機(jī)本體。負(fù)載不變,而電源電壓降低會引起電流增大,開關(guān)損耗增大,可能使功率器件因過熱而損壞;電壓過低還可能造成電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)等情況,產(chǎn)生危害,因此,需要設(shè)計(jì)電機(jī)電壓監(jiān)控單元。

圖5為電機(jī)電壓監(jiān)控單元原理框圖。其作用是控制外部電源通斷和電機(jī)電壓測量。來自于主控單元中ARM的MC-EN信號用于控制開關(guān)的通斷,該控制信號輸入比較器U1的同相端,U1為高速、低功耗、電壓比較器。為了避免MC-EN輸出低電平時,比較器可靠輸出低電平,U1的反相端不能接地,需要接固定的電壓閥值,設(shè)計(jì)中將參考電壓(VREF,2.5 V)進(jìn)行分壓,得到1.5 V電位,送入比較器U1的反相端。MC-EN與1.5 V進(jìn)行比較,控制U1的輸出,控制MOSFET管Q1,實(shí)現(xiàn)外部電源的關(guān)斷。當(dāng)MC-EN高電平時,大于反相端電壓(1.5 V),比較器U1輸出高電平,Q1導(dǎo)通,導(dǎo)致Q2的柵極為低電平,Q2導(dǎo)通,四臂井徑測井儀器供電電源TOOL-DC接入電機(jī)控制與驅(qū)動模塊,由DC-AUX接入驅(qū)動換相單元,給電機(jī)供電。

圖5 電機(jī)電壓監(jiān)控單元原理框圖

電機(jī)電源的正極DC-AUX分壓后,經(jīng)過U2隔離放大,放大后的信號經(jīng)過電壓跟隨后,得到電機(jī)電壓的測量值MOTOR-V,送入主控單元中ARM的ADC端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字量,便于MCD處理,包括在本機(jī)(過鉆桿四臂井徑測井儀器)內(nèi)存儲、向地面?zhèn)鬏?、顯示,進(jìn)行過壓、欠壓保護(hù)。一旦電機(jī)電壓超出規(guī)定范圍,表明過壓或欠壓,MCD主控單元進(jìn)行判斷后,控制信號MC-EN低電平輸出,U1比較器的同相端電壓小于反相端電壓(1.5 V),輸出低電平,Q1截止,導(dǎo)致Q2截止,切斷外部電源(TOOL-DC)。

另外本單元在測井儀器供電電源正極的接入端還串接1個1 A的保險絲(FUSE),在電源過流情況下對儀器電源進(jìn)行保護(hù),因?yàn)檫^鉆桿測井儀器在存儲測井模式下,采用電池供電,需要對電池進(jìn)行過流保護(hù),在65 V供電情況下,不允許有超過1 A的電流。

2.5 電機(jī)電流監(jiān)控單元

BLDC電機(jī)在2種情況下會出現(xiàn)過流現(xiàn)象。一種情況是電機(jī)在啟動過程或較低轉(zhuǎn)速工作時,轉(zhuǎn)子主磁通切割定子電樞繞組所產(chǎn)生的反電動勢就會相對很小,因而會產(chǎn)生很大的電流沖擊;另一種情況電機(jī)在遇到堵轉(zhuǎn)或在較重負(fù)載的狀態(tài)下工作時,長時間處于這種狀態(tài)電機(jī)電流將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機(jī)允許值。所以,電機(jī)系統(tǒng)非常有必要增加電流檢測及保護(hù)電路。

圖6為BLDC電機(jī)電流監(jiān)控單元原理框圖。其作用是為了防止電機(jī)在過載、啟動和異常運(yùn)行時由于電流過大而對功率開關(guān)管和電機(jī)本體產(chǎn)生損害而設(shè)計(jì)的。通過檢測串接在直流母線上的采樣電阻Rs(0.5 Ω)上的電壓,轉(zhuǎn)換后得到電機(jī)工作電流。Rs上的電位和地線經(jīng)過RC濾波后,分別接入隔離放大器U1的同相輸入端和反相輸入端,經(jīng)過隔離放大、RC濾波后得到代表電機(jī)電流的電壓,該電壓分成2路。①一路經(jīng)過U2進(jìn)行電壓跟隨后,得到電機(jī)電流(MOTOR-I)送給主控單元的ARM進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字量有3個方面的應(yīng)用:傳輸?shù)絻x器總線上,在地面系統(tǒng)上顯示、存儲于存儲單元內(nèi);用于PWM控制,將MOTOR-I與參考電流進(jìn)行比較,然后改變PWM占空比,實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能;作為電機(jī)保護(hù)的參數(shù),一旦MOTOR-V超過最高限制,電機(jī)工作存在燒壞的風(fēng)險,ARM控制信號MC-EN輸出低電平,圖5中Q2截止,切斷外部電源(TOOL-DC),實(shí)現(xiàn)過流的軟件保護(hù)。②另一路將該電壓經(jīng)過RC濾波后送到比較器U3的同相端,與閾值電壓(1 V)進(jìn)行比較,該閾值電壓由VERF(2.5 V)經(jīng)過分壓得到。比較結(jié)果(OVER-I)送入ARM的IO口,一旦超出該閾值,比較器輸出高電平,ARM捕捉到該電平后,控制信號MC-EN輸出低電平,圖5中Q2截止,切斷外部電源(TOOL-DC),實(shí)現(xiàn)過流硬件保護(hù)。

圖6 電機(jī)電流監(jiān)控單元框圖

2.6 限位單元

過鉆桿四臂井徑測井儀器的電機(jī)的行程是有限制的,一旦超出這個限制,可能燒毀電機(jī)、損壞機(jī)械部件,因此,必須要加以控制,限位單元控制電機(jī)在一定范圍內(nèi)工作,達(dá)到保護(hù)的目的。

限位單元包括主要由2個限位開關(guān)組成。當(dāng)電機(jī)在正常范圍內(nèi)運(yùn)動時,2路控制信號(SW-UP、SW-DOWN)輸出電壓高電平。一旦電機(jī)超出下部限位位置時,下限位開關(guān)導(dǎo)通,SW-DOWN輸出低電平,ARM捕捉到該電平后,控制信號MC-EN輸出低電平,圖5中Q2截止,切斷外部電源(TOOL-DC),實(shí)現(xiàn)過流的硬件保護(hù)。同理,一旦超出上限位位置時,也切斷外部電機(jī)電源。

3 室內(nèi)測試與現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 室內(nèi)測試

在加溫箱內(nèi)測試儀器在不同溫度下恒溫2 h的推靠性能。將儀器放置于內(nèi)徑為69 mm的鋼套管內(nèi)。儀器工作時,分別采用地面供電和電池供電,結(jié)果表明,過鉆桿四臂井徑測井儀器耐溫指標(biāo)達(dá)到175 ℃,電機(jī)工作能夠正常啟動、推靠與收攏,井徑測量正常,數(shù)據(jù)上傳與存儲正常。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

過鉆桿測井系統(tǒng)具有存儲式測井模式和電纜測井模式,能夠滿足大位移水平井、大斜度井、復(fù)雜井以及小井眼井的測井施工任務(wù)。

過鉆桿測井系統(tǒng)采用存儲式測井模式相繼在不同油田施工48口井。其中12口進(jìn)行了四臂井徑測井。井底溫度最高達(dá)到148 ℃,最長井下工作時間23 h,均取得了合格的測井資料。在大慶油田的1口復(fù)雜情況大斜度井中進(jìn)行四臂井徑測井,其主要目的是錄取井下復(fù)雜井段的井徑信息,為后續(xù)鉆井施工提供資料。在施工中,多次出現(xiàn)起鉆遇卡的情況,鉆井隊(duì)上下活動鉆具(范圍3 m),四臂井徑測井儀器起到井口后,一切正常,錄取的資料合格。

采用電纜模式進(jìn)行小井眼測井施工25口井,其中13口采用76 mm鉆頭鉆井,12口井采用101.6 mm鉆頭鉆井。測井項(xiàng)目包括:雙側(cè)向、聲波、四臂井徑、補(bǔ)償中子、自然電位、井溫、鉆井液電阻率、張力,測井成功率100%,資料合格率100%。四臂井徑測井儀器為安全測井施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在測井施工中,分3串下井,第1串采用四臂井徑與自然電位測井,通過對井況進(jìn)行探測,為隨后的電阻率儀器串和放射性儀器串下井提供準(zhǔn)確的井徑資料。

在現(xiàn)場應(yīng)用過程中,當(dāng)測井結(jié)束后,或儀器發(fā)生遇卡時均能夠通過地面下發(fā)指令,通過BLDC將支臂收回,確保了測井儀器的安全。

4 結(jié)束語

根據(jù)過鉆桿測井系統(tǒng)對井下儀器高可靠性、長壽命、低功耗的需求,在保障測量精度與機(jī)械強(qiáng)度的前提下,過鉆桿四臂井徑測井儀器采用三相星型連接的無位置傳感器無刷直流電機(jī)(BLDC)實(shí)現(xiàn)支臂推靠與收攏,研制了適合電機(jī)的控制驅(qū)動模塊。實(shí)現(xiàn)了過鉆桿四臂井徑測井儀器中BLDC的控制與驅(qū)動、過流保護(hù)、過壓欠壓、行程限位保護(hù)。

室內(nèi)測試表明,四臂井徑測井儀器耐溫達(dá)到175 ℃。在地面供電與電池供電2種情況下,電機(jī)均能可靠工作?，F(xiàn)場應(yīng)用均取得良好效果。