一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法

摘要

本发明公开了一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，包括：步骤一、建立远距离供电电机的控制模型；步骤二、下井工作前，测量导线的电阻值，并根据所述电阻值修正控制模型的参数；步骤三、工作过程中实时测量电路中的电流，并根据所述电流及电流变化率得到电源的电压调整梯度；步骤四、计算控制电压，输出到电源控制器，以控制电源的输出电压；其中，在工作过程中，当电路中的电流减小的幅度超过阈值时，判断为桥塞安装完成，提示升井，控制过程结束。本发明提供的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，以实时测量的电路中的电流作为反馈信号，实时调整可编程直流稳压电源的输出电压，保证井下油田用电动桥塞投放工具的电机工作电压的稳定。

权利要求

1.一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，包括：步骤一、下井前，测量电缆的电阻值，确定电源的电压控制模型；

步骤二、工作过程中实时测量电路中的电流，并根据所述电流及电流变化率得到电源的电压调整梯度；

步骤三、计算控制电压，以控制电源的输出电压；

U(n)＝U(n-1)+ΔU；

式中，U(n)为控制电压值，U(n-1)为当前输出电压值，ΔU为电压调整梯度；

其中，在工作过程中，当电路中的电流减小的幅度超过阈值时，判断为桥塞安装完成；

所述阈值为0.5A/s。

2.根据权利要求1所述的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，所述电压调整梯度的计算方法包括：步骤1、确定目标电压值；

步骤2、计算目标电压增量；

步骤3、计算达到所述目标电压增量的控制周期数；

步骤4、计算电压调整梯度。

3.根据权利要求2所述的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述控制周期数为：式中，CNMax为最大控制周期数；CNMin为最小控制周期数；ΔIff为滤波后的电流变化率；ΔImax、ΔImin分别为最大电流增量和最小电流增量。

4.根据权利要求3所述的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，目标电压值为：Uobj＝Uload_c+RIff；

其中，Uload_c为电机额定电压；R为电缆电阻，Iff为滤波后的电流值。

5.根据权利要求3或4所述的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤2中，目标电压增量为：dU＝Uobj-U(n-1)；

式中，Uobj为目标电压值，U(n-1)为当前输出电压值。

6.根据权利要求5所述的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述电压调整梯度为：式中，dU为目标电压增量，CycNum为控制周期数。

7.根据权利要求6所述的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，其特征在于，采用一阶低通数字滤波抑制干扰信号，滤波后的电流值为：式中， 分别为第n-1和第n次滤波后的电流值； 为第n次采样电流值；a为滤波系数。

说明书

一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于远距离供电电机的控制技术领域，特别涉及一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法。

背景技术

[0002] 油田采油用的桥塞需要投放安装到几千米深的井下，投放工具以前采用火药动力，操作复杂，事故率高。电动桥塞投放工具由于安全可靠、过程可控等特点，是此类工具的发展方向。

[0003] 电动桥塞投放工具以直流电动机为动力装置，因此需要使用专用的电缆——承荷探测电缆(符合行业标准SY/T6600-2004)来供电和控制，这种电缆的结构是钢丝包裹着多芯(7芯以下)导线，这种电缆不但可以承受井下设备的吊装力，还可以传递多种井下设备的电源和信号。因为电缆直径的限制，导线截面积只能是0.24～1.01mm2，常用的WB7P-10.8七芯电缆的导线电阻是36Ω/km，由于油井的深度都在3km以上，所以电机供电线路的两条电缆的内阻至少也有200Ω以上。由于电缆的电阻已经接近甚至超过了电机的内阻，因此，电源的功率将有相当一部分消耗在电缆上，电缆的电阻对井下电机的精确控制和功率发挥造成很大的影响。

[0004] 此外，由于油井的深度差别很大，电器装置下井时会使用不同长度的电缆。而且电缆经常有损坏，修复时都会截掉破损的部分，造成每条电缆的长度都是不同的。直流电动机的工作电流会随着工作负荷的变化而改变，而电路电流变化时又会造成导线上的压降变化，相当于改变了导线电阻和电器设备的电压分配比例，电动桥塞投放工具上电机的工作电压就不能保持在额定状态。由于以上原因，固定的补偿措施无法解决这些动态问题，必须根据桥塞的工作状态，采用动态的控制方法来解决电机工作电压不稳的问题。

发明内容

[0005] 本发明的一个目的是提供一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，针对电动桥塞投放工具的电机电路和工作特点，以实时测量的电路中的电流作为反馈信号，推算出电路的电压分配情况，实时调整可编程直流稳压电源的输出电压，从而抵消电缆上的电压损失(压降)，保证井下油田用电动桥塞投放工具的电机工作电压的稳定。

[0006] 本发明的另一个目的是克服无法兼顾电压调整的效率和电机稳定性的技术问题，将电压调整过程合理化分为多个调整周期，能够在保证电机稳定工作的前提下，快速将电压调整到目标值。

[0007] 本发明提供的技术方案为：

[0008] 一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，包括：

[0009] 步骤一、下井前，测量电缆的电阻值，确定电源的电压控制模型；

[0010] 步骤二、工作过程中实时测量电路中的电流，并根据所述电流及电流变化率得到电源的电压调整梯度；

[0011] 步骤三、计算控制电压，以控制电源的输出电压；

[0012] U(n)＝U(n-1)+ΔU；

[0013] 式中，U(n)为控制电压值，U(n-1)为当前输出电压值，ΔU为电压调整梯度；

[0014] 其中，在工作过程中，当电路中的电流减小的幅度超过阈值时，判断为桥塞安装完成。

[0015] 优选的是，所述电压调整梯度的计算方法包括：

[0016] 步骤1、确定目标电压值；

[0017] 步骤2、计算目标电压增量；

[0018] 步骤3、计算达到所述目标电压增量的控制周期数；

[0019] 步骤4、计算电压调整梯度。

[0020] 优选的是，在所述步骤3中，所述控制周期数为：

[0021]

[0022] 式中，CNMax为最大控制周期数；CNMin为最小控制周期数；ΔIff为滤波后的电流变化率；ΔImax、ΔImin分别为最大电流增量和最小电流增量。

[0023] 优选的是，在所述步骤1中，目标电压值为：

[0024] Uobj＝Uload_C+RIff；

[0025] 其中，Uload_C为电机额定电压；R为电缆电阻，Iff为滤波后的电流值。

[0026] 优选的是，在所述步骤2中，目标电压增量为：

[0027] dU＝Uobj-U(n-1)；

[0028] 式中，Uobj为目标电压值，U(n-1)为当前输出电压值。

[0029] 优选的是，在所述步骤4中，所述电压调整梯度为：

[0030]

[0031] 式中，dU为目标电压增量，CycNum为控制周期数。

[0032] 优选的是，采用一阶低通数字滤波抑制干扰信号，滤波后的电流值为：

[0033]

[0034] 式中， 分别为第n-1和第n次滤波后的电流值； 为第n次采样电流值；a为滤波系数。

[0035] 优选的是，所述阈值为0.5A/s。

[0036] 本发明的有益效果是：

[0037] (1)本发明针对电动桥塞投放工具的电机电路和工作特点，以电路电流作为反馈信号，推算出电路的电压分配情况，尤其是电缆的电功率损失，再经过模型分析，调整可编程直流稳压电源的输出电压，从而抵消电缆上的电压损失(压降)，保证井下电机工作电压的稳定。

[0038] (2)本发明采用动态过程控制策略，根据可编程直流稳压电源的远程通讯信息，了解电路的工作状态(输出电压和电流)，通过分析计算，确定线路补偿措施，实时控制电源的输出参数，有效地解决了电缆阻值变化和电机负荷变化时，井下电机的工作电压保持问题。

[0039] (3)本发明将电压调整过程合理化分为多个调整周期，能够在保证电机稳定工作的前提下，快速将电压调整到目标值，既提高电压的调整效率，又避免对电机造成冲击。

附图说明

[0040] 图1为本发明所述的电动桥塞投放工具的电机控制系统结构示意图。

[0041] 图2为本发明所述的用于测定电缆电阻的电路图。

[0042] 图3为本发明所述的电压自适应控制策略示意图。

[0043] 图4为本发明所述的一次桥塞安装过程中的电压和电流的变化曲线图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0045] 本发明提供了一种油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法。如图1所示，本发明采用的电动桥塞投放工具的电机控制系统为：220V交流电源经过可编程直流稳压电源110输出直流电压，之后经过油田专用的承荷探测电缆120输送到井下电动桥塞投放工具的电机130；控制电脑140通过串口通讯控制直流稳压电源110的输出电压。

[0046] 本发明提供的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法如下：

[0047] 首先，建立基于电路电流反馈的远距离供电电机的控制模型。由于直流电机通过电压控制转速，所以电机控制模型为：

[0048] Umotor＝Usource-IRwire；

[0049] UmotorIη＝Pload；

[0050] 其中，Umotor为电机的工作电压，I为电机的工作电流，Usource为电源电压，Rwire为电缆电阻，η为电机效率，Pload为负载功率，实时改变。根据所述电机控制模型，需要在电缆电压IRwire变化时实时调整电源电压，以保证电机工作电压Umotor的稳定。

[0051] 之后，测定电缆的电阻值Rwire。在本实施例中，通过如图2所示的控制电路，来测定电缆的电阻值。利用开关K与桥塞投放工具的电机并联，设备完成了系统连接后，准备下井前，按下开关K，控制电脑命令电源输出一个电压，然后根据通讯口传来的电压和电流数据，计算出电缆的电阻Rwire。电缆上的压降IRwire仅随电流改变，而电机的工作电压需要保持恒定(稳定在额定电压)，从而得到确定的电源电压的控制模型。

[0052] 本发明提供的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法，采用自适应控制策略，设计电压梯度自适应控制器，在电路电流发生变化时，控制电脑110可以从通讯口得到实时反馈的电路中电流变化的信息，并根据反馈的电流及时调整电源电压，保证井下用电设备(负载电机)的响应速度及控制稳定性。

[0053] 如图3所示，电源电压的自适应控制策略，包括如下步骤：

[0054] 步骤1、目标电压计算模块根据负载电机额定电压Uload_C(其为电机特性参数，常数值)及电路中的实时反馈电流Iff，电缆电阻R。按照公式(1)确定目标电压值：

[0055] Uobj＝Uload_C+RIff             (1)

[0056] 之后，将计算得到的目标电压值Uobj传输到目标电压增量计算模块。其中，实时反馈电流Iff为滤波后的电流。

[0057] 在本实施例中，采用一阶低通数字滤波抑制干扰信号，采样获得的电路中的电流信号输入到滤波器，经滤波后的电流Iff分别输入到目标电压计算模块和微分模块。其中，滤波器的控制模型为：

[0058]

[0059] 其中， 分别为第n-1和第n次滤波后的电流值； 为第n次采样电流值；a为滤波系数。

[0060] 步骤2、目标电压增量计算模块根据接收到的目标电压值Uobj以及当前输出电压值U(n-1)通过减法器运算获得目标电压增量dU值，计算方法见公式(3)：

[0061] dU＝Uobj-U(n-1)             (3)

[0062] 之后，将目标电压增量dU值输出给控制周期计算模块及电压梯度计算模块。

[0063] 步骤3、控制周期数计算模块计算目标电压增量需要几个控制周期达到，并将计算出的控制周期数输出到控制电压梯度计算模块。

[0064] 其中，所述控制周期数的计算方法为：

[0065]

[0066] 式中，CNMax为最大控制周期数；CNMin为最小控制周期数；ΔIff为滤波后的电流变化率；ΔImax、ΔImin分别为最大电流增量和最小电流增量。其中，滤波后的电流变化率ΔIff为滤波后的电流Iff通过微分模块运算得到。其中，当前目标电压增量需求下的最大控制周期数CNMax为：

[0067] CNMax＝dU/ΔUmin           (5)

[0068] 最小控制周期数CNMin为：

[0069] CNMin＝dU/ΔUmax             (6)

[0070] 式中，ΔUmin为最小电压增量，由电机控制器控制分辨率决定；ΔUmax为最大电压增量，由电机响应能力确定；即CNMax为采用最小电压增量ΔUmin时的最大控制周期数；CNMin为采用最大电压增量ΔUmax时的最小控制周期数。

[0071] 步骤4、控制电压梯度计算模块接收到目标电压增量和控制周期数之后，根据公式(7)确定控制电压梯度；根据公式(8)确定当前控制电压，输出给电源控制器。

[0072]

[0073] U(n)＝U(n-1)+ΔU            (8)

[0074] 其中，U(n)为控制电压值，U(n-1)为当前输出电压值，ΔU为电压调整梯度，dU目标电压增量值，CycNum为控制周期数。

[0075] 之后，电源控制器根据所述控制电压值U(n)，控制电源输出电压，以保证井下用电设备(负载电机)的响应速度及控制稳定性。

[0076] 在工作过程中，当电机控制电路的电流下降速度超过设定的阈值(0.5A/s)时，说明井下电机的负荷突然减小，可以判断是桥塞的芯棒被拉断，桥塞投放成功，设备可以正常升井，控制程序结束。

[0077] 桥塞投放工具在井下作业过程中，由于地面操作人员无法观察井下工作进展，如果投放未完成时升井，将会造成承荷探测电缆被拉断，设备无法升井，影响油井的开采作业，造成严重的生产事故。本发明采用电路电流作为状态反馈信息，通过分析电流的变化情况，准确判断井下设备的工作情况，能够有效避免事故的发生。

[0078] 本发明提供的油田用桥塞投放工具的电机控制系统，采用可编程直流稳压电源供电，从而实现电缆压降的动态补偿。对于采用直流稳压电源为电器设备供电的系统，当电源与用电设备距离较远，导线电阻较大时，通常会提高电源的输出电压，用来补偿导线的电路损失。本发明采用可编程直流稳压电源，能够通过模型计算导线的压降，动态调整电源的输出电压，解决线路损耗的变化问题，提高电器控制精度。

[0079] 每次设备下井前，通过一个按钮K操作，电脑就能通过电压和电流的关系测得电缆的电阻，从而可以修改补偿控制模型中的参数，提高电缆压降损失补偿的准确性，保证电机始终工作在理想状态。

[0080] 采用自适应控制策略自动确定电源输出电压的控制梯度。根据输出电压的偏差大小及反馈电流的变化率，自适应调整稳压电源的电压控制梯度，使得负载电机的工作电压迅速回到额定值；保证井下用电设备(负载电机)的响应速度及控制稳定性。

[0081] 表1为采用本发明提供的油田用电动桥塞投放工具的电机控制方法在一次桥塞安装过程中的数据记录。

[0082] 表1电路中的电流电压数据记录表

[0083]时间s 电流 电源电压 电机电压
0 0.0004 60 59.94
4 0.2622 100 60.67
8 0.2827 140 97.595
12 0.3721 225.8329 170.0179
16 0.373 225.9679 170.0179
20 0.3728 225.9379 170.0179
24 0.3793 226.9132 170.0182
28 0.3868 228.0386 170.0186
32 0.3986 229.8091 170.0191
36 0.4227 233.4253 170.0203
40 0.4569 238.5569 170.0219
44 0.4978 244.6939 170.0239
48 0.5603 254.0719 170.0269
52 0.6824 272.3928 170.0328
56 0.792 288.838 170.038
60 0.9146 307.2339 170.0439
64 1.0445 326.7251 170.0501
68 1.1791 346.9216 170.0566
72 1.3209 368.1984 170.0634
76 1.4642 389.7003 170.0703
79 0.2 0 0

[0084] 如图4所示，为根据表1中数据得到的桥塞安装过程中的电压和电流的变化曲线。从图中可以看出，随着电机工作负荷的增加，反馈电流不断增大，通过控制电脑的调控，稳压电源的输出电压有规律地增大，使得电机的工作电压稳定在170V，控制效果良好。在工作过程后期，电流突然减小，说明电机的负荷迅速下降，控制逻辑判断是桥塞的芯棒被拉断，安装工作完成，稳压电源的输出电压被置零，投放工作结束。

[0085] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。