一种测井钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；通过钻进取心地面控制箱对取心器进行数据采集和反馈控制，能够及时的通过井下仪器的电路部分对井下仪器的各种状态进行检测，利用传感器监控对井下电机以及井下仪器的供电状态，并经过对采集数据的处理，通过对变频电源进行控制，实现对井下电机的调控；本发明专利技术控制方法利用地面控制箱实现对取心器取心的自动控制，进行连续的执行电机启动，推靠臂张开，冲针伸出位移达到最小，第二泵压力达到最大，液压马达旋转，钻头伸出，当钻进位移达到掰芯位置，液压马达停转，完成掰芯钻头退钻，钻头收回等一系列连续动作。

【技术实现步骤摘要】
一种测井钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法
本专利技术属于地质勘探领域，涉及控制钻进式井壁取心器在井下目的地层垂直井壁钻取岩心，具体为一种钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法。
技术介绍
目前，在中国专利200620008135.3中，提出一种钻进式井壁取心器，它由地面控制系统和井下取心系统组成，地面控制系统与井下取心系统通过测井绞车的集流环和车载电缆相连接，地面控制系统给井下取心系统的电机提供高电压、大电流的电源，再由电机驱动液压泵给井下取心系统提供液压能，操纵井下取心系统进行取心；其所述地面控制系统由地面调压柜、升压柜、控制柜、测井绞车组成，彼此之间通过电缆相连。其地面控制系统由操作员根据取心过程中出现的各种现象做出判断来控制整个取心过程，尤其在钻取岩心遇卡时，操作员需要一手频繁旋转调压柜旋钮，调节井下仪器电机供电电压，一手频繁按动控制柜上的钻头进、退开关，这就要求操作员不仅要熟知仪器，而且还要熟悉操作。其地面控制系统使用井场电网，而井场电网的电压经常处于不稳定状态，当电网电压下降时、井下取心系统的供电电压就会降低，井下仪器的各种电磁阀就不能正常工作，井下仪器就会发生误动作，损坏仪器部件。另外，在专利201110219869中，提出一种钻进式井壁取心器的井下仪器电机的驱动电源，这种电源一方面在液压油温度低时可以实现电机的软启动，避免产生较大的电机启动电流；另一方面在钻取岩心遇卡时，可以降低电机重启的启动电流。驱动电源的使用，大大减少了大电流对绞车滑环、车载电缆等设备的损坏。但是，由于其电机驱动电源的最大输出电流远小于电机的堵转值，在钻头负荷突然增大电机电流急速增大时，驱动电源不能供出更大电流以维持电机转动，自身就会停止给电机供电，转而重新启动电机，致使在钻取岩心时不能发现发生的钻头遇卡工程事故，造成操作员不能及时做出正确判断，不能及时发出退钻指令解卡，使得钻头卡死，从而损坏井下仪器。并且，钻进式井壁取心器在井下工作时，需要操作员根据地面控制面板显示的第一泵压力值、第二泵压力值、电机工作的电压电流、各种位移传感器的数值做出综合分析判断，然后才能进行各种控制仪器动作的操作，当操作失误时就会容易损坏液压部件，造成工程事故。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种自动智能，效率较高，工作性能稳定，安全可靠，能有效提高取心效率和成功率的测井钻进式井壁取心器的控制系统及控制方法。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；钻进取心地面控制箱包括，用于信号处理和数据传输的核心计算机系统；用于接入市电对井下仪器进行供电的下井供电电源系统；用于接入交流电并控制变频电源供电的井下电机电源控制系统；用于对井下仪器供电电源和井下电机供电电源数据进行采集的传感器；核心计算机控制系统的输入端连接传感器，输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统；所述传感器包括设置在下井供电电源系统供电线路上的井下仪器供电电压互感器和井下仪器供电电流互感器，以及设置在变频电源供电线路上的电机电流互感器和电机电压互感器；绞车深度装置用于为核心计算机控制系统提供井下仪器所在的地层深度、仪器在井下的运动方向和运动速度的实时信号数据；变频电源用于根据核心计算机系统的控制给井下仪器中的电机供电；变频电源包括两组相同的分别连接在井下电机电源控制系统电源输出端的功率电源通道，用于像功率电源通道发出高低频控制信号的中央控制模块，用于对功率电源通道反馈信号进行预处理的信号预处理板，用于显示变频电源状态的液晶显示器，以及用于扩展的外围接口；功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块，BUCK调压模块，高频正弦调制升压模块和逆变换向模块；功率因数校正模块输入端连接井下电机电源控制系统的交流输出端，逆变换向模块输出端连接电机的供电端；井下仪器电路部分用于井下仪器工作状态检测和根据核心计算机系统的控制信号控制相应电磁阀的通断；井下仪器液压部分用于根据电磁阀的通断为取心执行机构提供液压动能。优选的，井下仪器液压部分包括由变频电源供电控制的电机，由电机驱动控制的第一泵和第二泵，连接在第一泵的输出端经液压马达电磁阀控制的液压马达，分别连接在第二泵输出端的钻头位置油缸、推靠臂油缸和岩心冲针油缸；钻头位置油缸的输入端分别连接调速阀的输出端和设置在第二泵输出管路上的钻进电磁阀，调速阀的输入端分别连接第一泵的输出端和设置有溢流阀的第二泵输出端，溢流阀由步进电机控制；第二泵的输出管路上经推靠电磁阀分别连接推靠臂油缸和岩心冲针油缸；岩心冲针油缸上设置有冲针位移传感器，液压马达与钻头位置油缸上连接钻进位移传感器，液压马达与岩心冲针油缸上连接心长传感器；第一泵和第二泵上分别设置有第一泵压力传感器和第二泵压力传感器。进一步，核心计算机系统包括搭载有CPU的嵌入式的计算机主板，用于扩展的外围扩展接口电路，用于对数据采集进行控制的采集控制板，用于与传感器信号和绞车深度装置信号进行预处理的传感器预处理板，连接在采集控制板输出端的步进电机驱动及继电器板；计算机主板通过通讯存储板与采集控制板连接，采集控制板的输入端连接传感器预处理板的输出端；步进电机驱动及继电器板的输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统。进一步，下井供电电源系统包括输入端连接步进电机驱动及继电器板输出端的步进电机控制器，用于接入市电的自耦调压器，连接在自耦调压器输出端的变压器；步进电机控制器连接在自耦调压器的输入端，变压器的输出端接井下电缆用于对井下仪器进行供电；所述的井下电机电源控制系统包括与依次接入电压电流连接的高压开关和接触器及反向切换器。本专利技术一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，包括如下步骤，1)地面控制箱供电，设置井下仪器的电机安全工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；2)地面控制箱给井下仪器供电，与井下仪器建立通讯；地面控制箱采集井下仪器上传的包括电机工作电流、第一泵压力值、钻头钻进位移值的仪器状态数据；3)在取心过程开始后，地面控制箱给井下仪器发液压马达转指令和钻头钻进指令；之后，地面控制箱通过采集到的仪器状态数据判断钻进是否正常，判断条件为钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，若条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；4)地面控制箱检测电机工作电流时，判断条件为电机工作电流值―前值≥电机安全工作电流变化量最大值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；5)地面控制箱检测第一泵压力值时，判断条件为第一泵压力值>前值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而地面控制箱开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；6)地面控制箱将电机工作电流前值和第一泵压力前值分别更新到对应的当前值，然后地面控制箱发出钻进遇阻和遇卡警示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；所述的钻进取心地面控制箱包括，用于信号处理和数据传输的核心计算机系统；用于接入市电对井下仪器进行供电的下井供电电源系统；用于接入交流电并控制变频电源供电的井下电机电源控制系统；用于对井下仪器供电电源和井下电机供电电源数据进行采集的传感器；核心计算机控制系统的输入端连接传感器，输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统；所述传感器包括设置在下井供电电源系统供电线路上的井下仪器供电电压互感器和井下仪器供电电流互感器，以及设置在变频电源供电线路上的电机电流互感器和电机电压互感器；所述的绞车深度装置用于为核心计算机控制系统提供井下仪器所在的地层深度、仪器在井下的运动方向和运动速度的实时信号数据；所述的变频电源用于根据核心计算机系统的控制给井下仪器中的电机供电；变频电源包括两组相同的分别连接在井下电机电源控制系统电源输出端的功率电源通道，用于像功率电源通道发出高低频控制信号的中央控制模块，用于对功率电源通道反馈信号进行预处理的信号预处理板，用于显示变频电源状态的液晶显示器，以及用于扩展的外围接口；功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块，BUCK调压模块，高频正弦调制升压模块和逆变换向模块；功率因数校正模块输入端连接井下电机电源控制系统的交流输出端，逆变换向模块输出端连接电机的供电端；所述的井下仪器电路部分用于井下仪器工作状态检测和根据核心计算机系统的控制信号控制相应电磁阀的通断；所述的井下仪器液压部分用于根据电磁阀的通断为取心执行机构提供液压动能。...

【技术特征摘要】
1.一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，包括钻进取心地面控制箱，绞车深度装置，变频电源，井下仪器电路部分和井下仪器液压部分；所述的钻进取心地面控制箱包括，用于信号处理和数据传输的核心计算机系统；用于接入市电对井下仪器进行供电的下井供电电源系统；用于接入交流电并控制变频电源供电的井下电机电源控制系统；用于对井下仪器供电电源和井下电机供电电源数据进行采集的传感器；核心计算机控制系统的输入端连接传感器，输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统；所述传感器包括设置在下井供电电源系统供电线路上的井下仪器供电电压互感器和井下仪器供电电流互感器，以及设置在变频电源供电线路上的电机电流互感器和电机电压互感器；所述的绞车深度装置用于为核心计算机控制系统提供井下仪器所在的地层深度、仪器在井下的运动方向和运动速度的实时信号数据；所述的变频电源用于根据核心计算机系统的控制给井下仪器中的电机供电；变频电源包括两组相同的分别连接在井下电机电源控制系统电源输出端的功率电源通道，用于向功率电源通道发出高低频控制信号的中央控制模块，用于对功率电源通道反馈信号进行预处理的信号预处理板，用于显示变频电源状态的液晶显示器，以及用于扩展的外围接口；功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块，BUCK调压模块，高频正弦调制升压模块和逆变换向模块；功率因数校正模块输入端连接井下电机电源控制系统的交流输出端，逆变换向模块输出端连接电机的供电端；所述的井下仪器电路部分用于井下仪器工作状态检测和根据核心计算机系统的控制信号控制相应电磁阀的通断；所述的井下仪器液压部分用于根据电磁阀的通断为取心执行机构提供液压动能；所述的核心计算机系统包括搭载有CPU的嵌入式的计算机主板，用于扩展的外围扩展接口电路，用于对数据采集进行控制的采集控制板，用于对传感器信号和绞车深度装置信号进行预处理的传感器预处理板，连接在采集控制板输出端的步进电机驱动及继电器板；计算机主板通过通讯存储板与采集控制板连接，采集控制板的输入端连接传感器预处理板的输出端；步进电机驱动及继电器板的输出端分别连接下井供电电源系统和井下电机电源控制系统。2.根据权利要求1所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，所述的井下仪器液压部分包括由变频电源供电控制的电机，由电机驱动控制的第一泵和第二泵，连接在第一泵的输出端经液压马达电磁阀控制的液压马达，分别连接在第二泵输出端的钻头位置油缸、推靠臂油缸和岩心冲针油缸；钻头位置油缸的输入端分别连接调速阀的输出端和设置在第二泵输出管路上的钻进电磁阀，调速阀的输入端分别连接第一泵的输出端和设置有溢流阀的第二泵输出端，溢流阀由步进电机控制；第二泵的输出管路上经推靠电磁阀分别连接推靠臂油缸和岩心冲针油缸；岩心冲针油缸上设置有冲针位移传感器，液压马达与钻头位置油缸上连接钻进位移传感器，液压马达与岩心冲针油缸上连接心长传感器；第一泵和第二泵上分别设置有第一泵压力传感器和第二泵压力传感器。3.根据权利要求1所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制系统，其特征在于，所述的下井供电电源系统包括输入端连接步进电机驱动及继电器板输出端的步进电机控制器，用于接入市电的自耦调压器，连接在自耦调压器输出端的变压器；步进电机控制器连接在自耦调压器的输入端，变压器的输出端接井下电缆用于对井下仪器进行供电；所述的井下电机电源控制系统包括与依次接入电压电流连接的高压开关和接触器及反向切换器。4.一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤，1)地面控制箱供电，设置井下仪器的电机安全工作电流最大值、系统最大功率值、电机安全工作电流变化量最大值、钻头单位时间内钻进位移变化量最小值ΔS、钻头位移最大值Smax；2)地面控制箱给井下仪器供电，与井下仪器建立通讯；地面控制箱采集井下仪器上传的包括电机工作电流、第一泵压力值、钻头钻进位移值的仪器状态数据；3)在取心过程开始后，地面控制箱给井下仪器发液压马达转指令和钻头钻进指令；之后，地面控制箱通过采集到的仪器状态数据判断钻进是否正常，判断条件为钻头单位时间内钻进位移变化量≤ΔS是否成立，若条件不成立，说明钻进过程正常，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测电机工作电流；4)地面控制箱检测电机工作电流时，判断条件为电机工作电流值―前值≥电机安全工作电流变化量最大值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而检测第一泵压力值；5)地面控制箱检测第一泵压力值时，判断条件为第一泵压力值>前值是否成立，若条件不成立，说明只是钻进减速，控制过程转到检查钻进取心过程是否完成，若条件成立，说明钻进过程出现异常，进而地面控制箱开始更新电机工作电流前值和第一泵压力前值；6)地面控制箱将电机工作电流前值和第一泵压力前值分别更新到对应的当前值，然后地面控制箱发出钻进遇阻和遇卡警示，地面控制箱向变频电源发出指令减降电机电压和频率，地面控制箱给井下仪器发退钻指令，退钻完成后地面控制箱解除遇阻或遇卡警示；控制过程转到检查钻进取心过程是否完成；7)检查钻进取心过程是否完成时，地面控制箱判断检查条件为钻头钻进位移值≥钻头位移最大值Smax是否成立，若条件不成立说明取心进程没完成，控制转到执行步骤2继续检测井下仪器参数，重新开始钻进过程；若条件成立，说明取心过程已经完成；地面控制箱继续发出指令退钻；地面控制箱报告取心作业完成。5.根据权利要求4所述的一种测井钻进式井壁取心器的控制方法，其特征在于，取心过程中钻头钻进时采用退钻排屑钻进取心的方法，其包括如下步骤，a1)钻进取心地面控制箱给井下仪器供电，井下仪器电路部分完成其初始化工作，建立起与钻进取心地面控制箱的通讯；a2)地面控制箱通过井下仪器电路部分采集井下仪器的第一泵和第二泵的压力值、液压油温度值、冲针位移值、钻头位移值、芯长位移值、电压和电流信息；设定退钻排屑位移值，冲针最小伸出状态位移值，钻头退钻排屑过程中退钻的最远位置位移量，第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值；a3)启动变频电源给井下仪器的电机供电，电机带动第一泵和第二泵向液压管汇输出高速高压液压油，驱动液压执行部件；a4)地面控制箱下发推靠臂推开指令给井下仪器，推靠电磁阀改变推靠臂油缸的油路，推开推靠臂完成井下仪器在井下取心地层位置的固定工作；在推靠臂完全张开后，冲针从空心钻杆钻头里收回到最小伸出状态位移值；a5)地面控制箱通过井下仪器电路部分下发液压马达转动指令，液压马达电磁阀改变油路，液压马达带动空心钻杆钻头旋转；钻头在出钻后位移值大于第一次排屑退钻的上次排屑退钻钻头位移最大值时，地面控制箱下发钻头出钻指令给井下仪器，钻进电磁阀改变油路控制钻头出钻，旋转的空心钻杆钻头伸出仪器外壳垂直向地层钻进；a6)钻头进行钻进，直至每次钻进位移达到退钻排屑位移值时进行一次退钻排屑；当钻头达到系统设定的排屑退钻位移值位置后，就更新上次退钻钻头...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱新，刘文革，方旭红，田亚锋，田丽萍，贺海龙，陈金宏，陈川，李珊，纪志伟，葛海娅，张志敏，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团测井有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11