用于精细控压钻井的电动节流压力控制系统设计

2013-07-08 01:17孙泽秋金业权孙文俊李强

石油矿场机械 2013年4期

孙泽秋，金业权，孙文俊，李强

（1.中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州 253005；2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）①

在复杂地层中钻井，由于破裂压力（漏失压力）与地层孔隙压力（坍塌压力）之间的压力窗口狭窄，使用常规的钻井方法会出现溢流或井漏等复杂情况［1－4］。常规的近平衡压力钻井方式已不再适合于狭窄压力窗口地层的钻井，精细控制压力钻井技术（Preciese Managed Pressure Drilling Technology）是针对狭窄压力窗口情况而发展起来的一项钻井工艺技术［5－7］。

节流压力控制系统是精细控压钻井的关键技术之一，通过控制节流阀的开度来控制井口压力，最终达到快速控制井底压力在安全范围内波动的目的。目前常用的节流控制方式有“PID＋比例伺服阀”和“PLC＋PID＋高速开关阀”2种［8］，这2种方式均采用液压控制方案，液压控制存在3方面不足：

1）液压管路复杂，液压元件和管路之间易发生渗漏。

2）液压控制不适用于对信号进行放大、记忆及逻辑判断等复杂运算的场合。

3）液压系统受液压油自身弹性和外界温度的影响，难以实现节流阀小位移（0～50 mm）的精确控制。

采用电动执行器可以快速调节节流阀开度，从而精确控制节流压力。鉴于此，本文提出了基于PLC与电动执行器的电动节流压力控制方案。

1 系统方案设计

电动节流压力控制系统的设计方案如图1所示。控制系统分为传感器模块、PLC 控制模块、电动执行器控制模块以及显示和参数输入模块。

图1 电动节流压力控制系统框图

1.1 传感器模块

1.2 PLC控制模块

PLC 控制模块由PLC 控制电路、扩展模块（EMS231）以及根据要求附加的定时器等组成。所采集的各路传感器电流信号通过PLC 扩展模块（EM231）进行A／D 转化后进入PLC。并将采集的电压信号直接送入PLC 进行内部处理［1］。PLC 内置各种处理器对输入的数据进行处理以后传到电动执行器控制模块。

1.3 电动执行器控制模块

电动执行器控制模块包括内置控制器、执行器以及手动控制装置。电动执行器接收PLC 传来的控制信号，经过控制器的处理，转换成位移信号由执行器传递到节流阀阀芯。

怀疑论的难题只能由实践来解答。人们应该在实践中证明自己思维的真理性、现实性和此岸性。[50]对此，早在撰写《1844年经济学哲学手稿》时，马克思就已有非常清晰的认识：“理论的对立本身的解决，只有通过实践方式，只有借助于人的实践力量，才是可能的；因此，这种对立的解决绝对不只是认识的任务，而是现实生活的任务，而哲学未能解决这个任务，正是因为哲学把这仅仅看做理论的任务。”[51]可知论与怀疑论之间的对立之所以无法得到解决，是因为哲学将其当作仅凭观想就能解答的理论任务。

1.4 参数显示输入模块

PLC利用RS－232与工控机进行通讯，并通过组态软件将各路采集参数在控制系统电脑屏幕上显示。根据控压钻井现场施工对压力的控制要求，操作人员可以将预设控制参数通过工控机写入PLC。

2 系统功能实现

2.1 系统的控制原理

如图2所示，PLC将传感器的采集值与预先设定值进行比较确定控制量，向电动执行器的控制器输出控制命令，电动执行器的内置控制器接收控制命令，并将其转换成调制信号，驱动内置电机运动，输出位移量，作用在节流阀阀杆上，使其位置发生相应的变化。节流阀的位移传感器测量阀杆位置，并将其反馈到PLC中，实现整个系统的闭环控制。

电动执行器是电动节流压力控制系统关键部分之一，电动执行器的2个核心控制手段是阀位的速度调节和位置控制。

1）阀位速度调节实现阀位速度的快速启动、平滑调速、稳定运行。由于电机转矩与电流成线性关系，可通过调节电机电流来控制转矩。

2）位置控制使阀位快速准确地停在设定的位置。采用闭环控制来实现阀位置的准确定位。当阀实际位置接近设定值时，位置控制器对电机输出减速指令。反之，当阀实际位置达到位置设定值误差范围内时，立即输出电机制动指令。

图2 电动节流压力控制系统的控制原理

2.2 节流阀开度的精确测控

1）传感器要求钻井现场对传感器的要求有防爆、强度高、精度高和安装拆卸方便等。采用线性位移传感器（电动执行器内置或外置）将来自锥形节流阀的开度信号变送为4～20mA的电流信号。

2）PLC选择如图3所示，PLC作为节流压力控制系统的控制器，对压力变化做出准确迅速的反应，并对由传感器采集到的数据和设定值进行比较，根据其差异大小来控制电动执行器内部电机的转速和转向。系统需要PLC对数据进行A／D 转换以及实现多路数据的输入，还能够实现与计算机的通信的需要等。根据节流压力控制系统的系统设计要求，选择西门子公司的CPU226型PLC。

3）电动执行器控制实现电动执行器将接受控制器或手动操作输入的0～10 mA 电流信号，控制内置电机使其转换为角位移或线位移输出。常用电机控制方式有电流斩波控制、角度位置控制和脉宽调制控制3种。本系统由于用PLC 脉冲信号控制，所以采用脉宽调制控制。由于节流阀的节流压力控制在3～5MPa，所需的节流阀阀芯推力相对较大，考虑到推力要求以及内部磨损问题，本系统选用线位移电动执行器。

图3 电动控制系统中PLC控制示意

3 方案验证

3.1 电动执行器与节流阀的力学分析

电动执行器内置电机作用在连杆上的力为［9］

式中：Fg为连杆推力，N；θ为内部电机转子转角，rad；J为转动惯量，无因次；D为粘滞系数，无因次；T为负载转矩，N／rad。

节流阀轴向移动要求的阀杆力［1，10］为

联合式（1）～（2）得出节流阀的压降关系式为

由式（3）可以看出：该式包含电动执行器的相关参数（负载转矩T、内部电机转子转角、转动惯量J和粘滞系数D）以及节流阀相关参数（d0液压缸活塞直径、d1节流阀出口直径和d2锥形阀心直径等），给出电动执行器和节流阀的参数，就能计算出相应的节流阀压降值。由此可以从理论上证明，用电动执行器控制节流阀行程达到调节节流压降的设计思想是可行的。

3.2 电动执行器的选型及验证

电动执行器的选型是实现精确测控的关键。根据3.1节分析，电动执行器选用脉宽调制控制的线位移类型的电动执行器。3610系列执行器是常用的电动执行器之一，采用AC 可逆电机，驱动量的反馈检测采用高性能导电塑料电位器，可靠性高。与此同时，还具有自诊断、机械自锁能力，抗偏离能力强，开关量可方便选用DC 4～20 mA或DC 1～5V 信号。3610系列执行器主要技术参数如表1所示。

表1 3610系列执行器的主要技术参数

选取参数为：节流阀流量系数［11］Cq＝0.77～0.82；返出钻井液的流量系数［12］Cv＝0.8～0.9；井口回压最大值7 MPa；节流阀出口压力pn＝0.1 MPa。选用现场常用的锥形节流阀，入口和出口直径分别为Ø50mm 和Ø80mm，锥角的值为π／4。

由式（2）计算得出节流阀轴向移动要求的阀杆力Fmax＝3172N。由表1知，3611XB－50型电动执行器的输出力达5000N，且具有防爆功能，因此选用该电动执行器。

4 结论

1）在精细控压钻井系统中，现有的液压控制型节流压力控制系统存在不足。为了便于信号的放大、存储、运算等，实现精确控制，设计了电动节流压力控制系统。

2）在详细分析传感器模块、PLC 控制模块、电动执行器控制模块以及参数显示输入模块的基础上，完成了电动节流压力控制系统的方案设计。

3）通过对节流阀阀杆最大推力的计算，验证了电动执行器选型的合理性。

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