等離子脈沖解堵裝置的自反饋送絲裝置設(shè)計(jì)

郭巖寶,王 斌,王德國,韓 飛2,郭慧娟2, 韓忠星,譚 海

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 ,北京 102249；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

隨著我國大部分油田油層的孔隙滲透率日益下降，單井產(chǎn)量也隨之大幅減少。因此，進(jìn)行油氣井解堵作業(yè)對(duì)提高油氣采收率具有重要意義。目前，井下等離子脈沖解堵裝置作為一種新型的提高油田采收率的技術(shù)裝備，在采油井以及注水井的解堵增產(chǎn)方面具有良好的應(yīng)用前景[1-4]。等離子脈沖解堵裝置的工作原理如圖1所示。當(dāng)金屬絲受到2 000 V以上的電壓作用時(shí)，瞬間發(fā)生氣化爆炸，形成具有破壞性較強(qiáng)的等離子脈沖沖擊波[5-6]。該波能通過射孔孔眼通道直接與地層巖石和流體發(fā)生沖擊，從而形成數(shù)以萬計(jì)的徑向裂縫。該裂縫將與天然油氣裂縫連通，從而提高地層的滲透率及油氣井產(chǎn)量。

圖1 等離子脈沖解堵裝置工作原理

在進(jìn)行井下等離子脈沖解堵作業(yè)過程中，送絲裝置具有重要作用。金屬絲能否以直線形式高效、準(zhǔn)確地進(jìn)入爆炸腔體，控制金屬絲的輸送精度，檢測(cè)金屬絲是否被消耗，以及整個(gè)電路的保護(hù)措施等方面是該技術(shù)的研究核心。王永[7]對(duì)輪盤式的自動(dòng)連續(xù)送絲裝置做了研究；郝艷彭等人[8]研究了能解決傳送阻力大等問題的送絲裝置；梁居瑾等人[9]為了提高金屬絲的輸送精確，研究了一種同軸式送絲裝置；張心怡等人[10]研究了一種能矯正金屬絲的送絲裝置；張海峰[11]研究了能通過控制電磁鐵通斷電并借助彈簧實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)的送絲裝置。上述研究雖然在金屬絲傳送的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性方面有很大的創(chuàng)新，但是在反饋控制、送絲精確度等方面還不夠完善。

針對(duì)等離子脈沖解堵裝置的工作條件， 以及內(nèi)部硬件電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 研究了一種基于STM32型單片機(jī)控制的、具有智能自反饋控制及信號(hào)采集功能的送絲裝置。本文通過對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)理計(jì)算及反饋信號(hào)的采集試驗(yàn)，研究金屬絲被傳送的準(zhǔn)確性，證明該機(jī)構(gòu)能有效提高送絲的成功率，具有良好的應(yīng)用前景。

1 送絲裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

送絲裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。金屬絲的傳送動(dòng)力由主動(dòng)輪提供，并帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而配合從動(dòng)輪帶動(dòng)金屬絲移動(dòng)。金屬絲的位移由激光位移傳感器檢測(cè)。矯正輪與壓線板保證金屬絲以直線形式傳送。從動(dòng)輪預(yù)緊絲杠與預(yù)緊器配合工作，保證金屬絲能穩(wěn)定傳送。為了避免金屬絲爆炸瞬間對(duì)整個(gè)電路的沖擊，設(shè)計(jì)了保護(hù)電路(上極片與步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊串聯(lián)，通過繼電器(常閉)與STM32單片機(jī)的負(fù)極引腳連接，下極片連接A2引腳)。

當(dāng)送絲裝置工作時(shí)，金屬絲從絲盤上被引出，在主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和從動(dòng)摩擦輪的嚙合運(yùn)動(dòng)下被穩(wěn)定傳送。金屬絲被矯正輪和壓線板矯正后，通過送絲軟管進(jìn)入爆炸腔體內(nèi)。此時(shí)，金屬絲首先經(jīng)過上極片，當(dāng)金屬絲接觸下極片時(shí)，單片機(jī)會(huì)接收到1個(gè)低電平信號(hào)，此時(shí)構(gòu)成完整保護(hù)電路，繼電器由常閉變?yōu)槌ｉ_狀態(tài)，電路斷開，送絲電機(jī)停止工作，從而為下一步進(jìn)行等離子脈沖解堵工作做準(zhǔn)備。

圖2 送絲裝置的結(jié)構(gòu)原理

2 金屬絲傳送穩(wěn)定性分析

2.1 輪系傳動(dòng)分析

送絲裝置的傳動(dòng)輪系如圖3所示。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度分別為ω1和ω2，主動(dòng)輪的直徑為d1，從動(dòng)輪的直徑為d2，則傳動(dòng)比i為：

(1)

對(duì)上式全微分得[12]：

(2)

由式(2)得主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的半徑的相對(duì)誤差的參數(shù)差由傳動(dòng)比的相對(duì)變化量決定，送絲裝置的傳動(dòng)裝置的速度波動(dòng)與回旋半徑誤差有著緊密聯(lián)系。

送絲裝置齒輪的圓周力分析如圖3所示，α1和α2分別代表主、從動(dòng)輪分度圓壓力角，當(dāng)分度圓壓力角α1=α2時(shí)(假設(shè)等于α)，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩為T1時(shí)，其圓周力Ft為：

(3)

主動(dòng)輪與從動(dòng)輪嚙合的徑向力Fr為：

(4)

圓周力與徑向力的合力，即法向力Fn為：

(5)

圖3 主、從動(dòng)輪嚙合過程中的受力示意

為了分析主、從動(dòng)齒輪齒面的接觸強(qiáng)度σH，根據(jù)赫茲公式可求得：

(6)

式中：L為齒輪厚度；E1、E2分別為主、從動(dòng)輪的彈性模量，μ1、μ2分別主、從動(dòng)輪的泊松比。

兩個(gè)齒輪在節(jié)點(diǎn)C處的曲率半徑ρ1、ρ2分別為：

(7)

(8)

令:μ=z2/z1得：

(9)

式中：z1、z2分別為主、從動(dòng)輪的齒數(shù)。

令L=η，載荷系數(shù)為K，將以上參數(shù)代入式(6)得：

(10)

當(dāng)接觸應(yīng)力σH小于等于許用接觸應(yīng)力[σH]時(shí)，設(shè)計(jì)合理。即：

σH≤[σH]

(11)

所以，主動(dòng)輪直徑d1的設(shè)計(jì)范圍為：

(12)

式中：

η=Ψd·d1

(13)

其中，Ψd代表齒寬系數(shù)。

2.2 驅(qū)動(dòng)力分析

送絲裝置的從動(dòng)輪采用V型輪，從動(dòng)摩擦輪采用防滑、高硬度的材料制作而成，有效提高送絲的驅(qū)動(dòng)作用力。送絲過程的受力分析如圖4所示。

圖4 金屬絲在傳送過程中的受力示意

對(duì)金屬絲進(jìn)行受力分析可得：

Fz=F1+F2+F3≈2f·N3

(14)

其中，F(xiàn)1是從動(dòng)輪與金屬絲相互作用產(chǎn)生的摩擦力，方向向外(由于從動(dòng)輪與金屬絲之間的摩擦屬于滾動(dòng)摩擦，其摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于金屬絲與主動(dòng)輪的摩擦，故可忽略不計(jì))；F2和F3是金屬絲分別與V型輪的兩個(gè)相鄰輪齒相互作用產(chǎn)生的摩擦力，方向向內(nèi)；Fz表示金屬絲所受合外力；f為金屬絲與從動(dòng)摩擦輪的摩擦因數(shù)；N′為從動(dòng)輪輪齒對(duì)金屬絲作用力N3、N4的合力，N3與N4相等。

根據(jù)三角函數(shù)的余弦定理可得：

(15)

(16)

由式(15)～(17)知，F(xiàn)z的值隨β的增大而減小?？紤]到實(shí)際送絲情況，本文將β角度值設(shè)計(jì)為π/3，可使驅(qū)動(dòng)力提高1倍。

3 送絲系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

等離子脈沖解堵裝置的控制系統(tǒng)是具有智能自反饋功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制流程如圖5所示。等離子脈沖解堵裝置開關(guān)打開，單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)是否有故障。如果系統(tǒng)正常，單片機(jī)控制送絲裝置開始進(jìn)行金屬絲傳送工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到金屬絲接觸下極片的低電平信號(hào)后，說明解堵裝置滿足爆炸條件。此時(shí)，控制系統(tǒng)控制爆炸電路開啟，完成等離子脈沖解堵工作。

圖5 送絲裝置控制系統(tǒng)框圖

本文控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模糊PID控制原理[13]，如圖6所示。將系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得的電弧電壓和理論電壓的誤差值e和誤差變化率ec作為輸入，將比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)作為輸出。

本文設(shè)計(jì)的送絲裝置系統(tǒng)會(huì)根據(jù)給定參數(shù)值和電壓的反饋信號(hào)來判斷誤差變化，通過查表選擇合適的去模糊化和模糊化方法，并對(duì)比例項(xiàng)Kp、積分項(xiàng)Ki和微分項(xiàng)Kd進(jìn)行參數(shù)的整定。設(shè)PID控制系統(tǒng)的初值為Kp1、Ki1和Kd1,則：

Kp=Kp1+ΔKp

(17)

Ki=Ki1+ΔKi

(18)

Kd=Kd1+ΔKd

(19)

圖6 送絲裝置的模糊PID控制流程

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過查表以及模糊邏輯運(yùn)算，進(jìn)行PID參數(shù)的在線自整定[14]。反饋下極片作為整個(gè)送絲裝置的反饋環(huán)節(jié)[15]，通過單片機(jī)對(duì)電壓和低電平信號(hào)的采集分析，再反饋給送絲系統(tǒng)，構(gòu)成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 送絲裝置的反饋調(diào)節(jié)示意

4 送絲效果測(cè)試分析

為了驗(yàn)證送絲裝置的控制及反饋效果，需通過試驗(yàn)測(cè)試等離子脈沖解堵裝置中電平信號(hào)的采集和金屬絲的爆炸成功率。由于實(shí)際發(fā)生的等離子電爆炸脈沖的威力巨大，危險(xiǎn)系數(shù)較高，且會(huì)耗費(fèi)大量的爆炸專用金屬絲。所以，在程序調(diào)試階段，使用JCY-1型轉(zhuǎn)動(dòng)源來模擬脈沖信號(hào)，從而間接模擬金屬絲到達(dá)反饋下極片的時(shí)間，模擬試驗(yàn)裝置如圖8所示。霍爾傳感器用于檢測(cè)模擬的等離子脈沖信號(hào)，小鐵片分散在轉(zhuǎn)盤上，提供模擬的等離子脈沖信號(hào)(如圖8a)。信號(hào)采集裝置在STM32型單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制下采集反饋系統(tǒng)接收到的低電平信號(hào)和等離子脈沖信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析(如圖8b)。在整個(gè)裝置中，送絲動(dòng)作的完成是通過STM32單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)而帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，傳送金屬絲(如圖8c)。

a JCY-1型轉(zhuǎn)動(dòng)源模擬脈沖信號(hào)系統(tǒng)

b 信號(hào)采集裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

c 送絲驅(qū)動(dòng)模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)JCY-1型轉(zhuǎn)動(dòng)源及信號(hào)分析裝置的模擬試驗(yàn)結(jié)果，繪制了模擬等離子脈沖信號(hào)采集的信號(hào)曲線，如圖9所示，橫坐標(biāo)為JCY-1型轉(zhuǎn)動(dòng)源轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，縱坐標(biāo)表示信號(hào)的幅值大小，四組散點(diǎn)圖(球體、正方體、四面體和五角星)分別為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為0.02、0.04、0.06和0.08 m/s的效果圖。

1) 轉(zhuǎn)盤的線速度為0.04～0.06 m/s時(shí)，效果圖中突變的頻率較穩(wěn)定、均勻，脈沖信號(hào)的采集結(jié)果比較穩(wěn)定。

2) 當(dāng)轉(zhuǎn)盤的線速度大于0.06 m/s時(shí)，效果圖的突變無規(guī)律性，反饋系統(tǒng)不能有效檢測(cè)脈沖信號(hào)，送絲裝置的穩(wěn)定性降低。

圖9 等離子脈沖模擬信號(hào)采集效果圖

3) 當(dāng)轉(zhuǎn)盤的線速度小于0.02 m/s時(shí)，效果圖的突變頻率較快，不滿足工作環(huán)境需求。

該試驗(yàn)結(jié)果間接說明金屬絲的傳送速度影響著等離子脈沖爆炸的穩(wěn)定性。傳送速度在0.04～0.06 m/s時(shí)，該裝置的穩(wěn)定性和送絲成功率較高。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該送絲裝置反饋控制系統(tǒng)的精確性，使用示波器檢測(cè)試驗(yàn)過程中金屬絲每次觸及反饋下極片時(shí)的脈沖信號(hào)。示波器檢測(cè)到的瞬時(shí)波形如圖10所示，圖中a、b、c3點(diǎn)位置代表金屬絲觸及下極片的瞬時(shí)位置，且Lab的距離與Lbc的距離近似相等，證明金屬絲能被穩(wěn)定地傳送到下極片，并發(fā)生爆炸，產(chǎn)生等離子脈沖波，且反饋控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高。

圖10 示波器檢測(cè)到的脈沖信號(hào)瞬時(shí)波形

5 結(jié)論

1) 針對(duì)現(xiàn)有井下等離子脈沖解堵裝置的金屬絲傳送精度問題，設(shè)計(jì)了具有自反饋控制功能的送絲裝置。

2) 為了提高金屬絲的傳送效率和精度，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)分析和受力分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用閉環(huán)自反饋控制技術(shù)及模糊PID控制原理，設(shè)計(jì)了送絲裝置的控制方案。

3) 采用JCY-1型轉(zhuǎn)動(dòng)源進(jìn)行模擬試驗(yàn)，證明該裝置能高效、穩(wěn)定地將金屬絲送達(dá)指定位置，并發(fā)生爆炸反應(yīng)，為油氣井的解堵作業(yè)提供了保障，對(duì)促進(jìn)石油和天然氣井的增產(chǎn)具有重要意義。