王朗,胡少兵,李雄軍,付嘉瑋,王軍民,3

(1.長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院,湖北武漢430100;2.長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430100;3.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430100)

0 引 言

頁巖油氣是蘊(yùn)藏在頁巖層中可供開采的能源,由于頁巖油氣儲層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開采技術(shù)要求高,頁巖油氣水平井壓裂的效果對頁巖油氣的開采非常重要。為了能夠更好地反映地層中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與油氣分布,本文通過在水平模擬井中使用測井儀器對施工過程進(jìn)行模擬,找出影響施工效果的因素,發(fā)現(xiàn)施工中的潛在風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而解決實(shí)際工作中的勘探開發(fā)問題[1-3]。

本文設(shè)計(jì)了一套在水平模擬井中的雙向牽引絞車控制系統(tǒng),以解決驅(qū)使測井儀器在水平井中運(yùn)動的問題。對雙向牽引絞車伺服電機(jī)的運(yùn)動模式進(jìn)行了研究,將傳統(tǒng)的人力驅(qū)動測井儀器運(yùn)動模式升級為自動的雙向牽引測井儀器運(yùn)動模式,以便精確獲取水平模擬井中分段巖層結(jié)構(gòu)與油氣分布的情況。

1 雙向牽引絞車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了研究水平井測井,長江大學(xué)建設(shè)了1口位于地表的水平模擬井,實(shí)驗(yàn)平臺長40 m,地層巖心長16 m,前后端引井長度各為10 m,兩端分別預(yù)留2 m長的位置用于收放線纜,引井兩端采用牽引絞車拖拽井中的測井儀器,如圖1所示[4]。動力絞車采用鎧裝七芯電纜,在拖動儀器的同時(shí)還負(fù)責(zé)供電和測井信號傳輸;仿重絞車采用普通鋼纜,該絞車只需輸出一個(gè)恒定的反向拉力,當(dāng)儀器下放時(shí)拖動儀器至后端,即模擬垂直井中的重力作用,儀器收放的速度完全取決于動力絞車[5]。

圖1 測井實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

本文設(shè)計(jì)的雙向牽引絞車控制系統(tǒng),將傳統(tǒng)的人力驅(qū)使的機(jī)械運(yùn)動升級為依靠觸摸屏操作的自動運(yùn)動控制系統(tǒng)。采用伺服電機(jī)的速度模式、位移模式和轉(zhuǎn)矩模式可以解決測井儀器在井中收放電纜的運(yùn)動問題[6]。

為了使水平模擬井前后端絞車協(xié)調(diào)工作,采用伺服電機(jī)驅(qū)動絞車,測井實(shí)驗(yàn)平臺主要由動力絞車、仿重絞車和測井儀器組成(見圖1)。平臺的基礎(chǔ)設(shè)施是一口36m的橫向水平井,在水平井中放置測井儀器,由測井電纜連接;動力絞車主要由動力電機(jī)和多個(gè)轉(zhuǎn)軸組成,用來模仿在豎直井中收放連接的測井儀器;仿重絞車主要由仿重電機(jī)和多個(gè)轉(zhuǎn)軸組成,用來模仿豎直井中測井儀器的自由重力下放過程。

圖2為雙向牽引絞車控制系統(tǒng)的控制原理圖。在電腦上用實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabVIEW)編寫控制軟件,通過串口設(shè)置可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的參數(shù),使LabVIEW與PLC建立通信,最后PLC發(fā)出運(yùn)動控制指令,讓伺服驅(qū)動器驅(qū)動動力電機(jī)和仿重電機(jī)進(jìn)行工作,從而實(shí)現(xiàn)動力絞車和仿重絞車牽引測井儀器運(yùn)動的目的[7-8]。

圖2 控制原理圖

2 雙向牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 動力絞車的設(shè)計(jì)

動力絞車采用松下PLC、編程軟件FPWIN-GR和松下伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn),通過PLC給伺服控制器發(fā)送指令,控制伺服電機(jī)的運(yùn)動方向、速度及加減速時(shí)間等。

動力絞車的動力電機(jī)部分采用速度模式和位移模式。速度模式通過模擬量的輸入或脈沖的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制,速度模式可以應(yīng)用在有上位機(jī)控制的外環(huán)PID(Proportion、Integral、Differential)算法控制的裝置;位移模式可以通過外環(huán)檢測位置信號,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速由軸端的編碼器檢測,位置信號由負(fù)載端的裝置檢測[9]。

PLC需要讀取伺服電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)地址(見圖3),通過改變地址參數(shù)改變運(yùn)動狀態(tài)。PLC發(fā)送速度指令和方向指令:速度指令K(每秒通過的脈沖個(gè)數(shù)),通過單位時(shí)間的脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)化伺服電機(jī)的線速度;方向指令CW(Clock Wise,順時(shí)針旋轉(zhuǎn))和CCW(Counter Clock Wise,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)),驅(qū)使電機(jī)正、反轉(zhuǎn)[10]。

圖3 PLC控制指令圖

由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸與機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換較多,通過單位時(shí)間的脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)化伺服電機(jī)的線速度來計(jì)算測井儀器的位移量誤差較大。因此,采用在負(fù)載端電纜線上加上1個(gè)光電碼盤,直接測量線速度以滿足速度控制需求[10-11]。

圖4為光電碼盤安裝圖,光電碼盤依據(jù)光電轉(zhuǎn)化的原理將輸入的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖量。在伺服系統(tǒng)中,伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí),光電碼盤也跟隨伺服電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動,通過傳感器檢測裝置檢測輸出的脈沖信號,然后通過計(jì)算得到電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速[12]。

圖4 光電碼盤安裝圖

光電碼盤為歐姆龍光電旋轉(zhuǎn)增量型編碼器,光電碼盤上有5根線,分別為A、B、Z相輸出信號線和電源正負(fù)極輸入線。A、B相信號通道相位差為90°,光電碼盤每轉(zhuǎn)1圈輸出1個(gè)零位Z相脈沖。當(dāng)光電碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí),A、B相的相位差反映電機(jī)是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),可用于判斷動力絞車運(yùn)動的方向(即收放線過程)。

2.2 仿重絞車的設(shè)計(jì)

仿重絞車采用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模式,轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩[13]。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩基本上不受時(shí)間的影響而變化、或者變化很小很慢,當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí),靜態(tài)轉(zhuǎn)矩不變,傳動軸勻速轉(zhuǎn)動。而動態(tài)轉(zhuǎn)矩受時(shí)間影響,動態(tài)轉(zhuǎn)矩的值會隨著時(shí)間的變化發(fā)生周期性或者不確定性的變化。

仿重絞車的仿重電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式,即讓伺服電機(jī)按給定的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外部負(fù)載的轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)設(shè)定的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩會保持不變,并且被動地跟隨外部負(fù)載來運(yùn)動;當(dāng)外部負(fù)載的轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)設(shè)定的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)會拉動負(fù)載主動轉(zhuǎn)動,直到電機(jī)加速到超出允許的最大轉(zhuǎn)速后報(bào)警停機(jī)。本文采用的測井儀器包括鋼管(質(zhì)量為100 kg)和測井電纜,電纜全長50 m、總質(zhì)量2 kg,在電纜從全部收起到全部釋放至水平井的過程中,動力絞車需要拉動0～100 kg的測井電纜。當(dāng)測井儀器在豎直井中處于下放狀態(tài)時(shí),可以依靠自身重力順利下放到待測位置。但是在水平井中,測井儀器平放在水平井槽中,不存在自然動力拉動測井儀器在水平方向運(yùn)動,也不可能通過動力電機(jī)依靠電纜線推動測井鋼管在井中前進(jìn)。這里就需要一個(gè)模仿重力的下放拉力,拉動測井鋼管在水平井中前進(jìn),同時(shí),這個(gè)拉力還需要克服測井儀器橫向運(yùn)動時(shí)與水平井壁產(chǎn)生的摩擦力。

圖5是松下伺服電機(jī)的控制器中轉(zhuǎn)矩模式接線圖,采用這種接線方式,可以通過模擬量控制輸出功率來控制輸出拉力。COM+為公共端正,SRV-ON為伺服開啟,COM-為公共端負(fù),SPR/TRQR為轉(zhuǎn)矩指令輸入端,GND為接地端,DC為直流電源。伺服控制器輸入電壓為12～24 V直流電,可調(diào)轉(zhuǎn)矩(用電壓控制)的輸入電壓為10 V直流電。

圖5 轉(zhuǎn)矩模式接線圖

仿重絞車采用松下A6-SF系列的伺服電機(jī),該伺服電機(jī)輸出功率最大1 000 W,外接10 V電源和0～10 V可調(diào)電位器,通過手動調(diào)節(jié)電位電機(jī)中0～10 V的旋鈕,控制伺服電機(jī)輸出0～1 000 W的功率[14]。

為了協(xié)調(diào)仿重絞車和動力絞車完成牽引動作,需要給仿重電機(jī)提供合適的功率。通過式(1)、式(2)可初步計(jì)算仿重電機(jī)的功率。鋼材與鋼材之間的摩擦系數(shù)在無潤滑的情況下是0.10～0.15,因此,仿重電機(jī)需要足夠的拉力拉動測井儀器前進(jìn)。

f=μmg

(1)

P=Fv

(2)

式中,f為測井儀器與水平井的摩擦力,N;μ為摩擦系數(shù)(0～1);m為測井儀器的總質(zhì)量,kg;g為重力常數(shù),N/kg;P為仿重電機(jī)需要提供的功率,W;F為仿重電機(jī)的拉力,N;v為測井儀器在水平井中的運(yùn)動速度,m/s。調(diào)節(jié)仿重電機(jī)的輸出功率使拉力F與摩擦力f相等,此時(shí)測井儀器就可以在水平井中按照預(yù)期速度勻速前進(jìn)。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在上位機(jī)中采用LabVIEW編寫人機(jī)界面,可以直接對雙向牽引絞車的運(yùn)動進(jìn)行控制。通過RS232連接PC和PLC,建立它們之間的通信,上位機(jī)控制面板上的人機(jī)界面如圖6所示[15-16]。

圖6 人機(jī)界面

人機(jī)界面功能主要包括方向控制和速度控制。圖6左上方顯示當(dāng)前PLC與單片機(jī)通訊狀態(tài),有2個(gè)按鈕分別用于通信暫停和通信重置,速度設(shè)置旋鈕用于控制動力絞車的轉(zhuǎn)動速度。圖6左下方4個(gè)按鈕分別用于控制動力絞車進(jìn)行電纜收縮、電纜釋放、啟動和急停的動作。圖6右上方顯示測井儀器在水平井中的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)速度。本文采用的水平井長40 m,井中儀器包含聲波、伽馬等測量短節(jié),測井儀器全長約為6 m,故圖6中的綠色柱體相對于整個(gè)白色柱體的位置即為實(shí)際測井儀器相對與水平中的實(shí)時(shí)位置。圖6右下方顯示測井儀器運(yùn)動的實(shí)時(shí)速度,實(shí)時(shí)速度指測井電纜收放的線速度。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺如圖7所示,兩端分別是動力絞車和仿重絞車,測井儀器在水平井槽中做來回往復(fù)運(yùn)動,中間建筑中放置待測的各種巖石材料。前后兩端引井半開口裸露在外,測井鋼管在兩端引井處下放。定義動力絞車收線方向?yàn)檎?放線方向?yàn)樨?fù),實(shí)驗(yàn)記錄的測井儀器數(shù)據(jù)見表1和表2。

圖7 水平模擬井實(shí)驗(yàn)平臺

表1 收線輸出功率及拉力測試數(shù)據(jù)

表2 放線輸出功率及拉力測試數(shù)據(jù)

測井儀器及電纜的總質(zhì)量在運(yùn)動時(shí)保持在100～200 kg,由式(1)可算出摩擦力為100～200 N。在動力絞車收線過程中,要求仿重絞車的線速度和動力絞車保持一致,不受轉(zhuǎn)矩模式下輸出功率的影響。由表1和表2數(shù)據(jù)可得到,在動力絞車放線過程中,當(dāng)轉(zhuǎn)矩模式輸出電壓為2 V(輸出功率為200 W)時(shí),仿重絞車?yán)粍觾x器,直到提高輸出電壓至4 V(輸出功率為400 W)及以上時(shí),可以拉動儀器運(yùn)動,保持電纜線的緊繃狀態(tài)。

當(dāng)速度為0.01 m/s時(shí),完成單向運(yùn)動需要40 min,當(dāng)速度為0.02 m/s時(shí),完成單向運(yùn)動需要20 min。因此,可以通過設(shè)置不同的絞車牽引速度來安排實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,仿重絞車的轉(zhuǎn)矩模式可以滿足測井儀器克服摩擦力在水平井中運(yùn)動的要求。在儀器下放過程中,可以適當(dāng)提高電位器的電壓,保證測井儀器可以勻速有效地水平運(yùn)動,且不會因?yàn)闇y井儀器兩端受力不均勻?qū)е陆g車?yán)瓑膬x器。

圖8為使用自然伽馬能譜測井儀(EILog-05)采集的測井曲線部分測量圖,結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的雙向牽引絞車控制系統(tǒng)能夠滿足實(shí)驗(yàn)測量要求。

圖8 測井曲線部分測量圖

5 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)的雙向牽引絞車控制系統(tǒng),在動力絞車設(shè)計(jì)中,采用上位機(jī)—PLC—伺服電機(jī)整套的控制流程;在仿重絞車設(shè)計(jì)中,采用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模式輸出恒定拉力(模仿重力),通過電位器改變外部模擬量輸入的大小來改變力矩,避免動力絞車和仿重絞車?yán)Σ粎f(xié)調(diào)而導(dǎo)致測井儀器損壞。

(2)由動力絞車、仿重絞車、PLC和LabVIEW編制的軟件組成雙向牽引絞車控制系統(tǒng)滿足了在水平模擬井中測井儀器的運(yùn)動需求。通過具體的雙向牽引絞車控制系統(tǒng)的測井實(shí)驗(yàn),得到水平模擬井中的測井曲線,驗(yàn)證了該套控制系統(tǒng)的可行性,并且對水平井模擬實(shí)驗(yàn)有較好的應(yīng)用意義。