水平模擬井中雙向牽引絞車控制系統的設計與實現

王朗,胡少兵,李雄軍,付嘉瑋,王軍民,3

(1.長江大學地球物理與石油資源學院,湖北武漢430100;2.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室,湖北武漢430100;3.油氣鉆井技術國家工程實驗室,湖北武漢430100)

0 引 言

頁巖油氣是蘊藏在頁巖層中可供開采的能源,由于頁巖油氣儲層結構復雜、開采技術要求高,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結構與油氣分布,本文通過在水平模擬井中使用測井儀器對施工過程進行模擬,找出影響施工效果的因素,發現施工中的潛在風險,進而解決實際工作中的勘探開發問題[1-3]。

本文設計了一套在水平模擬井中的雙向牽引絞車控制系統,以解決驅使測井儀器在水平井中運動的問題。對雙向牽引絞車伺服電機的運動模式進行了研究,將傳統的人力驅動測井儀器運動模式升級為自動的雙向牽引測井儀器運動模式,以便精確獲取水平模擬井中分段巖層結構與油氣分布的情況。

1 雙向牽引絞車控制系統設計方案

為了研究水平井測井,長江大學建設了1口位于地表的水平模擬井,實驗平臺長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,在拖動儀器的同時還負責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恒定的反向拉力,當儀器下放時拖動儀器至后端,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 測井實驗平臺示意圖

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

為了使水平模擬井前后端絞車協調工作,采用伺服電機驅動絞車,測井實驗平臺主要由動力絞車、仿重絞車和測井儀器組成(見圖1)。平臺的基礎設施是一口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和多個轉軸組成,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和多個轉軸組成,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的控制原理圖。在電腦上用實驗室虛擬儀器工程平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabVIEW)編寫控制軟件,通過串口設置可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的參數,使LabVIEW與PLC建立通信,最后PLC發出運動控制指令,讓伺服驅動器驅動動力電機和仿重電機進行工作,從而實現動力絞車和仿重絞車牽引測井儀器運動的目的[7-8]。

圖2 控制原理圖

2 雙向牽引系統設計

2.1 動力絞車的設計

動力絞車采用松下PLC、編程軟件FPWIN-GR和松下伺服電機實現,通過PLC給伺服控制器發送指令,控制伺服電機的運動方向、速度及加減速時間等。

動力絞車的動力電機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行轉動速度的控制,速度模式可以應用在有上位機控制的外環PID(Proportion、Integral、Differential)算法控制的裝置;位移模式可以通過外環檢測位置信號,此時電機轉速由軸端的編碼器檢測,位置信號由負載端的裝置檢測[9]。

PLC需要讀取伺服電機的運動狀態地址(見圖3),通過改變地址參數改變運動狀態。PLC發送速度指令和方向指令:速度指令K(每秒通過的脈沖個數),通過單位時間的脈沖數量轉化伺服電機的線速度;方向指令CW(Clock Wise,順時針旋轉)和CCW(Counter Clock Wise,逆時針旋轉),驅使電機正、反轉[10]。

圖3 PLC控制指令圖

由于電機轉軸與機械齒輪的轉軸轉換較多,通過單位時間的脈沖數量轉化伺服電機的線速度來計算測井儀器的位移量誤差較大。因此,采用在負載端電纜線上加上1個光電碼盤,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,光電碼盤依據光電轉化的原理將輸入的機械幾何位移量轉換成脈沖量。在伺服系統中,伺服電機轉動時,光電碼盤也跟隨伺服電機同時轉動,通過傳感器檢測裝置檢測輸出的脈沖信號,然后通過計算得到電機的實時轉速[12]。

圖4 光電碼盤安裝圖

光電碼盤為歐姆龍光電旋轉增量型編碼器,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極輸入線。A、B相信號通道相位差為90°,光電碼盤每轉1圈輸出1個零位Z相脈沖。當光電碼盤旋轉時,A、B相的相位差反映電機是正轉或反轉,可用于判斷動力絞車運動的方向(即收放線過程)。

2.2 仿重絞車的設計

仿重絞車采用伺服電機的轉矩模式,轉矩可分為靜態轉矩和動態轉矩[13]。靜態轉矩基本上不受時間的影響而變化、或者變化很小很慢,當電機穩定工作時,靜態轉矩不變,傳動軸勻速轉動。而動態轉矩受時間影響,動態轉矩的值會隨著時間的變化發生周期性或者不確定性的變化。

仿重絞車的仿重電機采用轉矩控制模式,即讓伺服電機按給定的轉矩進行旋轉。當外部負載的轉矩大于電機設定的輸出轉矩時,電機輸出的轉矩會保持不變,并且被動地跟隨外部負載來運動;當外部負載的轉矩小于電機設定的輸出轉矩時,電機會拉動負載主動轉動,直到電機加速到超出允許的最大轉速后報警停機。本文采用的測井儀器包括鋼管(質量為100 kg)和測井電纜,電纜全長50 m、總質量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。當測井儀器在豎直井中處于下放狀態時,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動,也不可能通過動力電機依靠電纜線推動測井鋼管在井中前進。這里就需要一個模仿重力的下放拉力,拉動測井鋼管在水平井中前進,同時,這個拉力還需要克服測井儀器橫向運動時與水平井壁產生的摩擦力。

圖5是松下伺服電機的控制器中轉矩模式接線圖,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,SPR/TRQR為轉矩指令輸入端,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,可調轉矩(用電壓控制)的輸入電壓為10 V直流電。

圖5 轉矩模式接線圖

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

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

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(0～1);m為測井儀器的總質量,kg;g為重力常數,N/kg;P為仿重電機需要提供的功率,W;F為仿重電機的拉力,N;v為測井儀器在水平井中的運動速度,m/s。調節仿重電機的輸出功率使拉力F與摩擦力f相等,此時測井儀器就可以在水平井中按照預期速度勻速前進。

3 人機界面設計

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

圖6 人機界面

人機界面功能主要包括方向控制和速度控制。圖6左上方顯示當前PLC與單片機通訊狀態,有2個按鈕分別用于通信暫停和通信重置,速度設置旋鈕用于控制動力絞車的轉動速度。圖6左下方4個按鈕分別用于控制動力絞車進行電纜收縮、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時位置和實時速度。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,測井儀器全長約為6 m,故圖6中的綠色柱體相對于整個白色柱體的位置即為實際測井儀器相對與水平中的實時位置。圖6右下方顯示測井儀器運動的實時速度,實時速度指測井電纜收放的線速度。

4 實驗與驗證

實驗平臺如圖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運動,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為正,放線方向為負,實驗記錄的測井儀器數據見表1和表2。

圖7 水平模擬井實驗平臺

表1 收線輸出功率及拉力測試數據

表2 放線輸出功率及拉力測試數據

測井儀器及電纜的總質量在運動時保持在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,不受轉矩模式下輸出功率的影響。由表1和表2數據可得到,在動力絞車放線過程中,當轉矩模式輸出電壓為2 V(輸出功率為200 W)時,仿重絞車拉不動儀器,直到提高輸出電壓至4 V(輸出功率為400 W)及以上時,可以拉動儀器運動,保持電纜線的緊繃狀態。

當速度為0.01 m/s時,完成單向運動需要40 min,當速度為0.02 m/s時,完成單向運動需要20 min。因此,可以通過設置不同的絞車牽引速度來安排實驗的時間。

實驗數據顯示,仿重絞車的轉矩模式可以滿足測井儀器克服摩擦力在水平井中運動的要求。在儀器下放過程中,可以適當提高電位器的電壓,保證測井儀器可以勻速有效地水平運動,且不會因為測井儀器兩端受力不均勻導致絞車拉壞儀器。

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,結果表明本文設計的雙向牽引絞車控制系統能夠滿足實驗測量要求。

圖8 測井曲線部分測量圖

5 結 論

(1)本文設計的雙向牽引絞車控制系統,在動力絞車設計中,采用上位機—PLC—伺服電機整套的控制流程;在仿重絞車設計中,采用伺服電機的轉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拉力不協調而導致測井儀器損壞。

(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滿足了在水平模擬井中測井儀器的運動需求。通過具體的雙向牽引絞車控制系統的測井實驗,得到水平模擬井中的測井曲線,驗證了該套控制系統的可行性,并且對水平井模擬實驗有較好的應用意義。