旋转导向钻井中导向控制电机的驱动系统研究

摘要

随着钻井技术的发展，深井、超深井、水平井、定向井的技术工艺需求，传统的钻井方式已经无法满足钻井的工艺需求，旋转导向技术成为提升钻井工艺的必要手段，但是此项技术一直被发达国家掌握，并对其他国家进行技术垄断，因此对旋转导向技术进行国产化是提升我国钻井工艺的必要手段，开展旋转导向技术研究具有重要的意义，为此，本文结合国家科技重大专项2011ZX05021-005“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”，提出一种应用于旋转导向系统执行机构定位总成中的无刷电机的控制系统，以提高旋转导向工具在深井和超深井中的工作稳定性，并减小井眼轨迹误差。本文从建立电机模型开始，根据井下环境构建电机的工作状态模型，在此基础上完成了电机控制模型的设计，实现了电机控制电路，对设计的电机控制电路进行系统性试验，并利用驱动电路对整个定位总成液压系统进行整体测试，达到了设计要求。同时利用试验系统完成了电机和溢流阀的国产化测试，取得了满意的结果。在此基础上对旋转导向系统中的传感器的组合方式进行优化，通过实验验证减小了井眼轨迹误差。 论文主要成果如下： 设计了通过反向电动势对电机进行位置检测，解决了电机在起转时反向电动势较小，无法直接通过反向电动势控制电机的问题。设计了一种延时调速的方案，减小电机在转速调节时产生转速抖动。设计了一种故障检测程序，当电机出现转速故障时，对电机采用了两种故障处理的方法。设计了减小控制电机中会产生的位置误差的实时检测系统，将无传感器的无刷电机成功应用于定位总成中。通过对不同的旋转导向随钻测量工具误差进行研究，并设计采用不同测量工具进行组合，计算在不同工具的组合下的误差，并通过实际的井眼轨迹进行模拟对比，得到了一种在水平井钻井中的最小误差的测量工具组合。 最后搭建了整个实验平台进行系统实验，能够使用算法校正电机参数的改变，能够保证定位总成中的电机在井下输出功率的稳定性，保证液压油泵转速精确控制，在平均提效率高5个百分点的同时，三个定位总成的压力输出误差降低3%，精确的控制井眼轨迹。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 论文研究背景与意义

1.2 旋转导向系统研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 无刷电机的控制和位置检测

2.1 引言

2.2 无刷电机结构分析

2.3 井下电机控制

2.4 无霍尔电机控制系统原理

2.5 本章小结

第三章 基于Auto Track系统的误差研究

3.1 引言

3.2 Auto Track控制系统介绍

3.3 误差分析

3.4 不确定性的改进

3.5 本章小结

第四章 导向系统实验测试分析

4.1 电机工作环境仿真测试结果

4.2 定位总成控制系统测试与分析

4.3 油泵输出压力数据分析

4.4误差校正算法实验验证

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文主要工作

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文