用于精細控壓鉆井的電動節流壓力控制系統設計

孫澤秋，金業權，孫文俊，李強

（1.中國石化石油工程技術研究院德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253005；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）①

在復雜地層中鉆井，由于破裂壓力（漏失壓力）與地層孔隙壓力（坍塌壓力）之間的壓力窗口狹窄，使用常規的鉆井方法會出現溢流或井漏等復雜情況［1－4］。常規的近平衡壓力鉆井方式已不再適合于狹窄壓力窗口地層的鉆井，精細控制壓力鉆井技術（Preciese Managed Pressure Drilling Technology）是針對狹窄壓力窗口情況而發展起來的一項鉆井工藝技術［5－7］。

節流壓力控制系統是精細控壓鉆井的關鍵技術之一，通過控制節流閥的開度來控制井口壓力，最終達到快速控制井底壓力在安全范圍內波動的目的。目前常用的節流控制方式有“PID＋比例伺服閥”和“PLC＋PID＋高速開關閥”2種［8］，這2種方式均采用液壓控制方案，液壓控制存在3方面不足：

1）液壓管路復雜，液壓元件和管路之間易發生滲漏。

2）液壓控制不適用于對信號進行放大、記憶及邏輯判斷等復雜運算的場合。

3）液壓系統受液壓油自身彈性和外界溫度的影響，難以實現節流閥小位移（0～50 mm）的精確控制。

采用電動執行器可以快速調節節流閥開度，從而精確控制節流壓力。鑒于此，本文提出了基于PLC與電動執行器的電動節流壓力控制方案。

1 系統方案設計

電動節流壓力控制系統的設計方案如圖1所示。控制系統分為傳感器模塊、PLC 控制模塊、電動執行器控制模塊以及顯示和參數輸入模塊。

圖1 電動節流壓力控制系統框圖

1.1 傳感器模塊

相關參數的測量方法：

1）采用壓力傳感器將立管壓力、套管壓力、分離器壓力的模擬信號變送為4～20 mA的電流信號。

2）采用氣體流量傳感器、液體流量傳感器將分離器出口的氣體及液體流量信號變送為4～20 mA的電流信號。

3）采用泵沖傳感器測量鉆井泵沖次，從而得到鉆井泵的泵速值，并將信號變送為24V 電壓信號。

4）采用溫度傳感器將分離器出口的鉆井液溫度信號變送為4～20mA 電流信號。

1.2 PLC控制模塊

PLC 控制模塊由PLC 控制電路、擴展模塊（EMS231）以及根據要求附加的定時器等組成。所采集的各路傳感器電流信號通過PLC 擴展模塊（EM231）進行A／D 轉化后進入PLC。并將采集的電壓信號直接送入PLC 進行內部處理［1］。PLC 內置各種處理器對輸入的數據進行處理以后傳到電動執行器控制模塊。

1.3 電動執行器控制模塊

電動執行器控制模塊包括內置控制器、執行器以及手動控制裝置。電動執行器接收PLC 傳來的控制信號，經過控制器的處理，轉換成位移信號由執行器傳遞到節流閥閥芯。

懷疑論的難題只能由實踐來解答。人們應該在實踐中證明自己思維的真理性、現實性和此岸性。[50]對此，早在撰寫《1844年經濟學哲學手稿》時，馬克思就已有非常清晰的認識：“理論的對立本身的解決，只有通過實踐方式，只有借助于人的實踐力量，才是可能的；因此，這種對立的解決絕對不只是認識的任務，而是現實生活的任務，而哲學未能解決這個任務，正是因為哲學把這僅僅看做理論的任務。”[51]可知論與懷疑論之間的對立之所以無法得到解決，是因為哲學將其當作僅憑觀想就能解答的理論任務。

1.4 參數顯示輸入模塊

PLC利用RS－232與工控機進行通訊，并通過組態軟件將各路采集參數在控制系統電腦屏幕上顯示。根據控壓鉆井現場施工對壓力的控制要求，操作人員可以將預設控制參數通過工控機寫入PLC。

2 系統功能實現

2.1 系統的控制原理

如圖2所示，PLC將傳感器的采集值與預先設定值進行比較確定控制量，向電動執行器的控制器輸出控制命令，電動執行器的內置控制器接收控制命令，并將其轉換成調制信號，驅動內置電機運動，輸出位移量，作用在節流閥閥桿上，使其位置發生相應的變化。節流閥的位移傳感器測量閥桿位置，并將其反饋到PLC中，實現整個系統的閉環控制。

電動執行器是電動節流壓力控制系統關鍵部分之一，電動執行器的2個核心控制手段是閥位的速度調節和位置控制。

1）閥位速度調節實現閥位速度的快速啟動、平滑調速、穩定運行。由于電機轉矩與電流成線性關系，可通過調節電機電流來控制轉矩。

2）位置控制使閥位快速準確地停在設定的位置。采用閉環控制來實現閥位置的準確定位。當閥實際位置接近設定值時，位置控制器對電機輸出減速指令。反之，當閥實際位置達到位置設定值誤差范圍內時，立即輸出電機制動指令。

圖2 電動節流壓力控制系統的控制原理

2.2 節流閥開度的精確測控

1）傳感器要求鉆井現場對傳感器的要求有防爆、強度高、精度高和安裝拆卸方便等。采用線性位移傳感器（電動執行器內置或外置）將來自錐形節流閥的開度信號變送為4～20mA的電流信號。

2）PLC選擇如圖3所示，PLC作為節流壓力控制系統的控制器，對壓力變化做出準確迅速的反應，并對由傳感器采集到的數據和設定值進行比較，根據其差異大小來控制電動執行器內部電機的轉速和轉向。系統需要PLC對數據進行A／D 轉換以及實現多路數據的輸入，還能夠實現與計算機的通信的需要等。根據節流壓力控制系統的系統設計要求，選擇西門子公司的CPU226型PLC。

3）電動執行器控制實現電動執行器將接受控制器或手動操作輸入的0～10 mA 電流信號，控制內置電機使其轉換為角位移或線位移輸出。常用電機控制方式有電流斬波控制、角度位置控制和脈寬調制控制3種。本系統由于用PLC 脈沖信號控制，所以采用脈寬調制控制。由于節流閥的節流壓力控制在3～5MPa，所需的節流閥閥芯推力相對較大，考慮到推力要求以及內部磨損問題，本系統選用線位移電動執行器。

圖3 電動控制系統中PLC控制示意

3 方案驗證

3.1 電動執行器與節流閥的力學分析

電動執行器內置電機作用在連桿上的力為［9］

式中：Fg為連桿推力，N；θ為內部電機轉子轉角，rad；J為轉動慣量，無因次；D為粘滯系數，無因次；T為負載轉矩，N／rad。

節流閥軸向移動要求的閥桿力［1，10］為

聯合式（1）～（2）得出節流閥的壓降關系式為

由式（3）可以看出：該式包含電動執行器的相關參數（負載轉矩T、內部電機轉子轉角、轉動慣量J和粘滯系數D）以及節流閥相關參數（d0液壓缸活塞直徑、d1節流閥出口直徑和d2錐形閥心直徑等），給出電動執行器和節流閥的參數，就能計算出相應的節流閥壓降值。由此可以從理論上證明，用電動執行器控制節流閥行程達到調節節流壓降的設計思想是可行的。

3.2 電動執行器的選型及驗證

電動執行器的選型是實現精確測控的關鍵。根據3.1節分析，電動執行器選用脈寬調制控制的線位移類型的電動執行器。3610系列執行器是常用的電動執行器之一，采用AC 可逆電機，驅動量的反饋檢測采用高性能導電塑料電位器，可靠性高。與此同時，還具有自診斷、機械自鎖能力，抗偏離能力強，開關量可方便選用DC 4～20 mA或DC 1～5V 信號。3610系列執行器主要技術參數如表1所示。

表1 3610系列執行器的主要技術參數

選取參數為：節流閥流量系數［11］Cq＝0.77～0.82；返出鉆井液的流量系數［12］Cv＝0.8～0.9；井口回壓最大值7 MPa；節流閥出口壓力pn＝0.1 MPa。選用現場常用的錐形節流閥，入口和出口直徑分別為?50mm 和?80mm，錐角的值為π／4。

由式（2）計算得出節流閥軸向移動要求的閥桿力Fmax＝3172N。由表1知，3611XB－50型電動執行器的輸出力達5000N，且具有防爆功能，因此選用該電動執行器。

4 結論

1）在精細控壓鉆井系統中，現有的液壓控制型節流壓力控制系統存在不足。為了便于信號的放大、存儲、運算等，實現精確控制，設計了電動節流壓力控制系統。

2）在詳細分析傳感器模塊、PLC 控制模塊、電動執行器控制模塊以及參數顯示輸入模塊的基礎上，完成了電動節流壓力控制系統的方案設計。

3）通過對節流閥閥桿最大推力的計算，驗證了電動執行器選型的合理性。

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