DQ70型顶驱井装置动力驱动系统研究

■郑 苇 ■川庆钻探国际工程公司，四川 成都 610056

从上世纪80年代起，顶驱钻井装置就开始在西方钻井行业逐渐兴起，被称为近代钻井技术的四大发明之一。我国的钻井驱动装置的研究在上世纪80年代末期就开始逐渐推出了DQ20系列、DQ30系列、DQ60系列、DQ70系列等四个大系列十余款各类钻机，其中DQ70系列钻机是其中最为成功的型号之一，其部分指标已经达到了国际先进水平，且直到今天其改型仍在我国的油田中广泛使用。近30年来，我国的实际油田赋存状况日益复杂化，包括DQ70型钻机的升级改造工作也成为了油田技改工作中的重点。

1 工况及设备现状分析

1.1 震动捕捉

钻头钻入岩层中，因为其切削原理的不同，不同的钻头的横向震动和纵向震动的负荷也有所不同。现代化的钻机应该充分的对于这些震动进行捕捉，以减少在钻进过程中工况对于钻头的损坏。而在长距离钻进的过程中，因为大部分钻机都无法将加速度计安装在钻头上且捕捉到实时反馈信息，所以本文研究系统重点考察给进装置对于钻杆纵向震动的捕捉。该信息可以从一个侧面反映出钻头在岩层中发生的震动情况，以通知系统进行实时的变频处理。

1.2 扭矩控制

当钻头进入到坚硬岩层或者破碎岩层时，因为其受力环境的复杂化，可能造成钻头的被动扭矩增大，如果驱动装置不能加大扭矩，很可能造成卡钻的事故发生。本文研究系统从鼠笼电极的异步驱动原理出发，通过捕捉钻杆的实际钻速与系统给定转速的对比，可以得到系统被动扭矩的变化，从而实时的调整变频器频率，以在最高效率下给出最大的扭矩，实现钻机的“自动挡”。

1.3 设备现状

目前设备选用两台4×8/6开关磁阻电机(SRM)作为顶驱电机，额定电压600V，每台额定功率为294kW，额定转速为1000rpmin。因为电机采用了内置的转速控制系统，所以，在恒定扭矩模式下，电机可以提供0～1100rpmin的转速，在恒定功率的模式下，电机可以提供1100～2000rpmin的转速。

同时，如图1所示，因为电动机、驱动减速箱等部件采用水冷的方式进行冷却保护，传统模式下为了保证电机的稳定，操作人员往往将冷却水开到最大，因为本系统冷却水属于开式循环，此过程较为严重的浪费了冷却水资源。

图1 系统结构现状图

1.4 技改需求

电动机的模式输入为恒定扭矩和恒定功率两种模式，在工况较好的状态下，本文系统应让电动机执行恒定功率的运行模式，而在工况较差的状态下，本文系统要让电动机自动转为恒定扭矩的模式。同时，本文系统应该能够与给进控制系统实现联动，在工况较差时，通知给进系统减少给进压力，在工况较好时，通知给进系统增加给进压力。以确保系统最大程度的运行在1000～1200rpmin的适中负荷条件下。

2 控制器总体设计

ARM7作为全32位的单片机控制系统，最近5年来在我国的自动化控制领域得到了较为全面的发展，因为ARM7拥有多达4个I/O并行接口，可以让全系统的设计更加自由。同时，ARM7系列高达800MHz的运行主频和高达256MB的运行RAM，可以更大限度的实现系统的高速稳定运行。目前市面上ARM7开发板有着多种形式，本文计划采用LPC2200系列开发板作为开发基础系统，该系统配置了高达4GB的辅助 FLASH存储器，1MB的内置 ROM，以及包括 RJ45和USB2.0在内的丰富的输入输出电气接口。

如图2所示，因为ARM7拥有A0～A31和D0～D31两个I/O接口，我们采用两者分别构建地址总线和数据总线。形成一个达到64位的背板总线。而PC0～PC7是一个8位核心板总线，LPC2200已经将其开发为了显示总线，可以提供多达256种数据显示模式，而PB作为LPC2200系统本身的控制总线已经占用，用于控制板付存储器和I/O接口的控制，所以本文系统不再进行后续开发。系统已经集成的RESET、POWER、REFRESH等按钮，直接与ARM7核心板的相应接口对接，本文也不再进行探讨。

图2 系统结构图

本文需要采集的四路信号来自四个传感器:(1)来自钻杆转速发电机传感器的电压模拟信号，经过AD0804电压数字化芯片的转化，使用B00110111-0-0-00000001地址与门与AD总线连接。向ARM7提供钻杆转速信息;(2)来自动力头上安装的加速度模块的数字化模型，通过RS232总线在ARM-PA接口输入系统;(3)来自两台电动机和中央差速机的温度信号，使用三个温度传感器采集电阻信号，分别采用分压法转化为电压信号后，采用AD0804电压数字化芯片转化，形成的温度信号，分别通过B00110111-0-0-00000002到B001101111-0-0-00000004三个与门地址控制器与AD总线连接。

本文系统的两个输出信号同样通过AD总线输出:(1)用于切换两个电动机运行模式的顺动重动开关，为了保证两个开关的动作统一性，其转换模式采用同步输出镜像动作的模式实现，总线地址使用B00110011-0-0-00000001，系统功能板采用同步光电耦合器法实现功能。光电耦合器拟采用PC817C;(2)电动机的综合保护开关，包括意外大扭矩保护、过热保护、双电动机转速异动保护等，在AD总线上通过B00110011-0-0-00000002输出。不经过电动机跳闸保护断路器的PLC，直接使用RS232专用接口与开关的断路继电器连接;(3)给予动力头给进电动机的控制信号，使用PA接口控制的系统RS232接口输出，该信号需要给进电动机系统的配合和解读，本文仅考虑输出4种信号(最大给进压力、增大给进压力、减少给进压力、撤出给进压力)的模式，对于对方系统的解读算法不再研究;(4)给予水冷系统的信号输出，采用AD总线上的B00110011-0-0-00000003进行输出。输出方式包括高速给水和低速给水两种模式，通过自动调节水泵的星三角连接方式瞬态调整。

3 控制器软件实现

因为控制器采用了基于ARM7架构的LPC2200系列开发板进行实现，该开发板整合了完整的UNIX操作系统，支持包括VC++在内的高级语言开发，且系统800MHz的运行主频远可以实现本文系统的运行要求。所以，本文计划在VC++平台上开发本文的应用系统，而不用逐一考虑系统的运行CPU周期问题。

本系统算法实现方式如下:(1)构建变量，读入钻杆转速、电动机温度、差速器温度、两台电动机分别转速等信息;(2)将钻杆钻速与系统设定转速对比，如果钻杆转速低于系统设定转速的15%则输出策略，使得两台电动机同步进入到恒定扭矩的运行状态中。如果系统实际转速始终接近于给定转速且状态持续1秒(20周期)以上，将系统转到恒定功率的运行状态中。电动机系统的切换方式采用不允许中断的进程，防止出现系统变化模式中钻杆失速的状态发生。因为本系统是直接作用于动力头PLC的输入端，切换过程基本由动力头PLC实现，所以，切换过程的钻杆速度控制压力较小;(3)根据温度信号给出钻机动力头保护信号和冷却水转速控制信号;(4)通过PA接口上的RS232输出动力头给进电动机的联合控制信号。

以上循环由UNIX内建的时钟控件给出循环唤醒信号，一般采用每50ms进行循环的方式进行。

4 结束语

通过本文研究的联合控制系统的实施，DQ70型钻机的大部分手动操作功能可以实现无人干预的手动操作，且本系统断电关闭状态下，DQ70系统的手动操作仍然有效，属于典型的外挂型系统。随着自动化控制技术的逐渐提升，自动化控制系统势必取代大部分手动操作，以实现钻进在更高效率和更加安全的工况下运行。

［1］曾会平.从控制原理看顶驱释放反扭矩的操作［J］.钻采工艺，2012(11):55-57.

［2］邓丽，常珍.顶驱控制系统抗干扰性能分析［J］.电子制作，2013(09):69-71.