垂直钻井系统中央控制器设计

垂直钻井系统中央控制器设计吴文晋梁军白玉新解庆张博（航天科技集团第十八研究所北京）摘要石油钻探中，在高陡构造、断层、盐层等地质情况下，容易出现井斜角过大问题垂直钻井系统是一种具有主动防斜能力的自动化井斜控制系统，将井下测斜和纠偏技术结合在一起，实现钻进过程中井斜角自动测量和纠偏垂直钻井系统中央控制器，是垂直钻井系统实现井下自动化控制的核心电子模块，主要功能包括读取测斜模块测量的井斜和高边工具面角信息，通过预先设定的控制策略，控制液压执行器的开启和关闭，从而实现系统的纠斜功能；同时中央控制器具有记录井下数据、同地面设备通信、系统自检和现场调试等功能下井实验证明了中控设计的合理性关键词垂钻系统；控制器设计；控制策略中图法分类号TE243文献标识码B文章编号1004-9134

（2012）014）005-03引言0后续科研分析中控硬件需要能够经受井下恶劣环境；软件需要调度多个费时的功能顺序执行，互不影响，保证通信、控制功能垂直钻井系统（以下简称垂钻系统）是石油钻井行业中新正确执行兴发展起来的自动纠偏系统，能够在井下钻进状态下控制井斜国外近年来研制了VDS、SDD、Vertitrak等垂钻系统，但由于控制策略2技术保密的需要，一直以来各大公司对我国仅提供技术服务，价格昂贵［1］随着我国石油工业的发展，我国迫切需求拥有自中控的控制策略为依据测斜模块测量井斜角和高边工具面主知识产权的垂钻设备角，确定合适的液压执行器电磁阀控制状态，从而给出一个适当的合力矢量指向重高边工具面，改变钻进方向，保证钻具向垂直方向钻进井斜角的定义为钻进过程中，钻具轴线与水平面之间的夹角，它反映了钻具前进方向相对于水平面的倾斜程度；垂直钻井系统中央控制器简称中控，是垂钻系统的核心部工具面角位于钻具轴线垂直的平面内，钻具的斜面法线方向与参件之一垂钻系统主要由电子单元和液压执行器组成，电子单元考方向间的夹角，它反映了钻具下一步钻进的造斜方向4负责测量井斜和控制功能，液压执行器能够推挤井壁，实现系统控制策略的确定和液压执行器的机械结构有关，目前常用纠偏功能中控将测斜模块和液压执行器连接在一起，利用测斜的执行器工作方式主要有推靠式和指向式推靠式是指在导向过模块提供的井斜信息，控制液压执行器工作根据预先设定的控程中，导向块伸出推靠井壁产生的钻头侧向力起主要导向作用；制策略来控制液压执行器的各个电磁阀的开启和关闭，电磁阀开指向式是指导向块的伸缩使近钻头处与钻头相连的旋转钻柱弯启后，执行器的滑块在液压的压力下推靠井壁，改变钻进方向，曲，使旋转钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角，从而利用钻头从而实现纠斜功能［2］同时中控也是垂钻系统和地面设备交流的转角实现的旋转导向此外根据导向块的数量不同，又有三个的核心器件系统检测中，中控汇集各个电子模块信息并传送给或者四个导向块的执行机构5］图1为三导向块推靠式执行结上位机，用于检测各个模块工作情况；并通过设置软件状态，构以导向块A为高边工具面角零度，当井斜角大于设定上限手动控制液压电磁阀开启关闭；井下部分数据需要保存［3,中控角度时，控制策略中高边工具面角和导向块之间的关系如表1所还应具有记录井下数据功能，井下工作中复杂的震动情况和垂钻示设备的工作状态、井斜和高边工具面角信息需要实时保存，以便第一作者简介吴文晋，男，年生，助理工程师，毕业于北京航空航天大学机械电子专业，现在航天科技集团第一研究院第十八研究所从19852010事电子控制器软硬件设计邮编100076石油仪器PETROLEUM INSTRUMENISAD采集来的井下数据和测斜模块通信传来的信息保存到存储器中地面测试和下井前准备中，需要中控软件同地面设备通信，以便了解系统工作状态，中控软件需要将自身和测斜模块的状态实时反馈给地面设备，以便监测工作状态；同时为了监测电磁阀的工作状态，软件需要提供手动电磁阀控制功能；下井前电子设备自检，自检通过方可下井，下井前要将中控数据存储区清零定时中断中需要处理的功能包括1）通过CAN总线向测斜模块发送命令，请求回复井斜信息；图1三导向块推靠式液压执行器示意图表1井斜角超标时垂钻控制策略2）保存井下数据，井下数据包括井斜、高边工具面角和中控状态信息等高边工具面角导向块导向块导向块集中导向力角A BC中控软件需要处理上位机发送指令和测斜模块传输数据的伸出缩回缩回330°~300°伸出伸出缩回请求中控和测斜模块之间的通信采用CAN通信，DSP程序产30°〜9060°90°〜150缩回伸出缩回120°生CAN通信中断中断指令内容包括150°~210°缩回伸出伸出180°1）自检指令中控模块执行自检命令，并将结果返回给上缩回缩回伸出210°〜270240°位机；伸出缩回伸出270°330°300°2）下井前准备执行下井前准备动作，将数据存储区清零，中央控制器设计3执行自检命令并将结果返回给地面控制计算机；

3.1硬件设计3）手动测试程序根据命令状态，更改液压系统电磁阀的中央控制器由软件和硬件两部分组成，硬件是软件的载体控制状态手动状态下，电磁阀状态受上位机控制；自动状态和实现装置结合中控的功能要求，其硬件以DSP微处理器为下，电磁阀状态受中控自动控制；核心展开，包括RS232通信芯片、CAN通信芯片、时标电路、4）状态监控收到中断后，中控向上位机传送井斜、高边EEPROM存储芯片、AD芯片、阀驱动电路和部分电压调理电工具面角和中控状态信息等，用于实时监测；路主要实现以下功能5）读取数据中控向上位机传送井下保存的所有数据1）DSP控制CAN总线模块实现中控和测斜之间的通信上位机采用RS232串口来通信，产生串口通信中断中功能；断指令内容包括接受井斜信息，并根据控制策略自动控制液2）DSP控制RS-232模块实现和上位机通信，用于实现地压系统电磁阀的控制状态（手动模式下只接受井斜信息）面测试、自检和手动控制电磁阀等功能；根据中断情况，整个中控程序流程图如图2所示3）DSP利用AD芯片采集部分井下信息；第一步硬件上电后，DSP开始工作，首先初始化标志寄存器，初始化中断向量表；4）DSP通过阀驱动电路控制电磁阀开关；5）时标电路通过SPI总线与DSP连接，为DSP提供时间第二步进入AD数据采集与数据处理循环，等待中断，直到断电；标志；第三步接收到中断后，根据中断向量表，以及不同控制6）物理存储通过电压调理电路，和DSP的SPI总线相连，字，进行相应的中断处理DSP最终将采集的井下数据按照一定的时间间隔存储到物理存储中软件设计

3.2以控制器硬件为载体，软件实现中控所有功能，包括利用控制策略自动控制井下电磁阀驱动器、与测斜模块通信、AD采集、保存大量数据、与地面设备通信、自检功能和手动控制功能软件在井下利用控制策略控制电磁阀的开闭状态，达到垂钻系统纠斜的功能首先，中控通过和测斜模块通信得到井斜角和高边工具面角信息，如果井斜角大于设定值（例如

0.5°）,中控根据高边工具面角信息输出PWM信号，经过放大后，开启对应的电磁阀；导向块伸出后将钻头推正同时软件需要将中断入4实验验证口标志寄存器保护现为了测试系统和中控模块工作状态，该垂钻系统在新疆火清零场北2号井进行了井下实验垂钻系统下井时已经钻进739m,其调用接受子淀时中断中断对应在井下时间

92.1个小时，钻进163m o整个下井期间，数据记函数操作录基本完整初始化中断向量表是*中断对应操图3为两个小时内高边工具面角和集中导向力角对应关〈外郢少作调用转换断系可以看出，集中导向力角和控制策略中设定的值相对应，说AD程序明了主控模块井下工作正常，能够正确控制导向块的伸出与缩恢复现场调用数据处理回程序图4为图3所示工作时间内中控记录的井斜角信息该井斜角由中控从测斜模块索要得到两个小时IS2中睡谢罪流傩回力2D.11:28:49”“12D.11:41:48”时“12D.11:56:50”400-j间350:——;二300-H150-恒10050-0双祈“12D.11:时间“12D.11:41:48”“12D.11:56:50”图3井下工作高边和集中导向力角对应图4中断下储制斜角情况参考文献内，井斜角从

1.5左右下降至

0.8左右可以看出在使用垂钻系统的情况下，井斜角明显下降，钻进方向得到［1］艾才云，王雄鹰，费维新.一种新型垂直钻井工具［J］.钻采工艺，2006,5了明显控制，说明了控制策略的有效性［2］苏义脑，李松林.自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法［J］.石油学报,

2007.224结束语5傅华明，阮静洁，罗大鹏.一种垂钻过程检测与控制器的设计［3］及室内试验［J

1.石油仪器.2004,181通过控制策略制定和通信功能实现，设计了一种垂直钻井⑷徐涛，罗武胜，杜列波，等.水平定向钻进随钻测量及方位校系统中央控制器该控制器能够满足井下工作条件下控制钻进方正研究［J］.仪器仪表学报.2007,282向的功能，而且具有下井前调试、数据存储等功能满足了垂钻张萌.自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究［5］M.系统井下工作对中央控制器的要求，下井实验证明了中控的软硬武汉中国地质大学［武汉］，武汉2010件设计的合理性和工作有效性收稿日期卜编辑姜婷20109~25O-OOO-O5-OOO5OO*23。