直驅式旋轉井壁取心儀器電路設計

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(1.中國石油大學 山東 青島 266555；2.中國石油集團大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

·開發設計·

直驅式旋轉井壁取心儀器電路設計

王瑩1，2，楊帆2，陸敬武2，賈鑫2

(1.中國石油大學 山東 青島 266555；2.中國石油集團大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

傳統的旋轉式井壁取心儀器鉆頭的取心是液壓驅動的，而ESCT旋轉式井壁取心儀鉆頭的取心動力是由直流無刷電機直接提供的。ESCT旋轉式井壁取心儀應用了直流無刷電機和旋轉式變壓器。通過對電子線路中的電機控制板和電機功率驅動板的設計，實現了對取心鉆頭的直接驅動和控制，達到了高效、穩定取心的目的。介紹了直流無刷電機的驅動和控制原理，描述了控制直流無刷電機的硬件實現方法。

測井儀器；旋轉式井壁取心；直流無刷電機；直接驅動

0 引 言

直接取自地層的巖心是認識地層最直觀的資料，通過巖心既可以直觀地進行巖性、含油性觀察,又可借助專業巖心分析設備進行巖性、電性、物性和含油性分析化驗。通過對巖心的分析，可以獲得地質學家所關心的孔隙度、滲透率等儲層參數。目前通過三種方式獲得巖心:鉆井取心、爆炸式取心和旋轉式井壁取心。旋轉式井壁取心[1，2]采用電纜作業的方式，和鉆井取心相比具有施工簡便、成本低、適合不同硬度地層取心的優勢；和爆炸式取心相比具有獲取的巖心規則、施工方式安全的優勢。綜合上述優點，旋轉式井壁取心是目前應用最廣泛，最具發展潛力的取心方式。

在二十世紀八十年代末，國外測井公司率先研制出了井壁取心儀器，Schlumberger公司的旋轉式井壁取心儀器(MSCT)[3]在1985年達到實用階段，但是由于采用的是交流電機和液壓驅動的方式，使得儀器的取心效率低，并且在測井施工中存在較大風險。隨后，Halliburton公司[4]和BAKER ATLAS公司[5]也分別推出了各自的旋轉式取心儀器，采用的也是交流電機。大慶鉆探測井公司研發的ESCT旋轉式井壁取心儀[6]應用了直流無刷電機和旋轉變壓器，結合電子線路中的電機控制板和電機功率驅動板的設計，實現了對取心鉆頭的直接驅動，與采用交流電機的井壁取心儀器相比儀器的穩定性和取心效率都得到了提高。

1 直驅式取心儀器電路設計原理

ESCT旋轉式井壁取心儀器由取心探頭和電子線路兩部分組成。通過取心探頭的機械系統和液壓動力的完美配合使儀器能夠完成推靠、巖心的鉆進、掰斷、收集和標記等功能。取心鉆頭的動力由直驅電機提供，提高了儀器的供電效率和采收率。對取心鉆頭的驅動主要由線路中的電機控制板和電機驅動板實現，直驅式取心原理圖如圖1所示。

圖1 直驅式取心原理圖

電機控制板向旋轉變壓器輸出激勵信號，同時接收旋轉變壓器的邏輯控制信號。電機控制板對接收到的邏輯信號進行解碼分析后向電機功率驅動板輸出一組脈寬調制(PWM)信號。電機功率驅動板接收PWM信號后，通過控制開關管的工作狀態來實現對直流無刷電機的驅動。

2 直驅式取心儀器電路的實現

對取心鉆頭的驅動主要由線路中的電機控制板和電機驅動板實現。由于井下儀器采用600 V直流無刷電機，這對芯片和功率管的耐溫和耐壓都提出了很高的要求。在設計的過程中需要考慮器件的選型、強弱信號的隔離、高噪聲環境下的通訊方式等問題。

2.1 電機控制板功能的實現

電機控制板主要功能：實現高噪聲下的通訊、為旋轉變壓器提供激勵信號、采樣旋轉變壓器的輸出信號后向電機輸出控制信號。

由于儀器采用的是600 V直流無刷電機，取心電機的工作電壓和電流會產生很強的電磁干擾，所以儀器采用載波通信的方式。這種方式選擇遠離電磁干擾頻段的波段來進行數據傳輸，同時增加井下濾波電容和傳輸信號幅度，使儀器的通訊穩定可靠。

取心電機通過旋轉變壓器獲取電機位置。電機控制板為旋轉變壓器提供10 VAC/5 kHz的激勵信號。激勵信號電路是由振蕩電路和功率放大電路組成，旋轉變壓器激勵信號電路如圖2所示。

旋轉變壓器的輸出信號為兩路具有相位差的正弦波，這兩路正弦波的相位差通過數學計算所獲得的數值即為電機轉動的機械角度。電機控制板采用的是專門用于旋轉變壓器輸出信號解碼的芯片，該芯片采樣精度高，高溫性能可靠，采樣旋轉變壓器的輸出信號后向電機輸出控制信號，實現了對直流無刷電機的控制。

圖2 旋轉變壓器激勵信號電路圖

2.2 電機功率驅動板功能的實現

電機功率驅動板的主要功能：為直流無刷電機提供功率驅動和儀器的電壓、電流采樣。

直流無刷電機由定子和轉子組成，控制功率管的導通時序能夠實現電機的轉動，控制PWM信號可以控制功率管的導通時間，從而控制電機轉動的快慢。地面將直流電源通過四根纜芯和電纜外皮提供給取心儀器的直流電機，這種供電方式降低了能量在電纜上的消耗以及能量在轉化過程中的損耗，大大提高了能量轉化效率。

為了實現井下儀器工作狀態的記錄和監測，電機驅動板對取心電機的電壓、電流進行了采樣。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視芯片采樣實現的，采樣方式如圖3、圖4所示。

電機驅動板把檢測到的電機工作電壓、電流的數值和電機驅動器發出的電機工作狀態信號傳輸給通信板，通訊板將經過解碼后的數據上傳至地面，使操作人員能夠直觀判斷井下儀器的工作狀態是否正常。

通過對電機控制板和電機功率驅動板的設計，實現了通訊信號的傳輸、旋轉變壓器的激勵、旋轉變壓器信號的采樣、直流無刷電機的控制和電機電壓和電流采樣等功能，達到了提高取心效率，對取心儀器工作狀態記錄和監控的目的。

圖3 電機電壓信號采樣方式

3 結束語

1)應用旋轉變壓器獲取電機位置，精確控制直流無刷電機的轉動速度。

2)應用直流無刷電機，設計電機控制板和電機功率驅動板，實現對直流無刷電機的控制。使得儀器的取心效率得到提高、工作性能穩定。

3)通過對取心電機電壓、電流采樣，實現了對取心儀器工作狀態的記錄和監測。

圖4 電機電流信號采樣方式

[1] 王志信.井壁取心技術的發展與應用.測井技術[J].1997，21(1):66-70.

[2] 程林峰，馬 林，吳鳳秋.完善旋轉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.新型旋轉井壁取心儀在大慶油田的應用.測井技術[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，中國石油大學(華東)地球科學與技術學院地質工程專業在職碩士，現主要從事測井儀器研制工作。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