电缆地层测试器泵抽排模块液压伺服控制系统研究.pdf

2 0 1 3年 6月 第 4 1 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u n e 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 2 2 电缆地层测试器泵抽排模块液压伺服控制 系统研究 周晓君 ，乔春德，刘高，夏麟 上海大学机 电工程与 自动化学院，上海 2 0 0 0 7 2 摘要基于电缆地层测试器液压伺服控制系统的工作原理 ，设计一种具有复杂流道结构的泵抽排模块；研究电缆地层 测试器液压伺服系统控制方案 ，建立系统的数学模型，运用 MA T L A B对系统的控制性能进行仿真分析。结果表明该系统 能够满足电缆地层测试器的工作需要。 关键词电缆地层测试器 ；液压伺服控制；建模与仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 0 8 3 3 Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c S e r v o Co n t r o l S y s t e m o f Pu mp． o ut M o du l e i n W i r e l i n e Fo r ma t i o n Test e r Z H 0 U X i a o j u n ，Q I A O C h u n d e 。L I U G a o ，X I A L i n S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ，S h a n g h a i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s e n r o c o n t r o l s y s t e m i n w i r e l i n e f o r ma t i o n t e s t e r ， a p u mp o u t mo d u l e wi t h c o mp l i c a t e d fl o w c h a n n e l me c h a n i c a l s t r u c t u r e w a s d e s i g n e d a n d t h e c o n t r o l s c h e me o f h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m i n w i r e l i n e f o rm a t i o n t e s t e r wa s s t u d i e d ． B y e s t a b l i s h i n g t h e ma the ma t i c al mo d e l o f t h e s y s t e m， MAT L AB wa s u s e d t o an a l y z e t h e c o n t r o l p e r f o rm a n c e o f t h e s y s t e m． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n e d s y s t e m c a n me e t t h e d e ma n d o f the wi r e l i n e f o rm a t i o n t e s t e r ． Ke y wo r d s W i r e l i n e f o rm a t i o n t e s t e r ； Hy d r a u l i c s e i v o c o n t r o l ； Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n 电缆地层测试器能够获取高质量的原始地层流体 样品，并能精确测量沿井筒各点的地层压力，是当代 高科技用于油气勘探的典范。电缆地层测试器采用模 块化的结构设计，主要 由电源模块、电子控制模块、 液压动力模块、取样探头模块、井下流体识别模块、 泵抽排模块和取样筒模块等部分组成。各个模块均具 有公共的液压管路、样品管路和电缆通路 ，可以通过 标准的模块接头进行连接，增加了仪器的使用灵活 性 ，便于仪器的装配与维护。 1 液压伺服控制系统工作原理 1 ． 1 泵抽排模块功能简介 泵抽排模块是新型电缆地层测试器的核心部件 ， 它运用液压伺服控制技术 ，能够精确控制地层流体的 抽吸速度和体积。泵抽排模块具有预测试、正向抽排 和反向注入 3个工作模式。在预测试时 ，通过控制地 层流体的抽吸速度和体积 ，记录压力恢复曲线，可以 初步获得地层渗透率的信息 。在正向抽排时，能够 以一定的速度，往复抽吸地层中的流体 ，并将其排人 到高背压的井筒中，排除泥浆滤液对地层流体 的影 响；也可以将泥浆滤液泵人到双封隔器的橡胶气囊 中 ，为其提供 密封所 需要的压力 。在反 向注入时 ，可 以将泥浆或取样筒中自带的已知特性的流体泵人需要 分析特性的储集层中，形成 “ 微裂压” ，用于油藏特 性分析[ 。 1 ． 2液压伺 服控 制 系统 工作原 理 泵抽排模块液压伺服控制系统工作原理如图 1 所 示 ⋯。液压动力模块能 够为其 提供稳定 的 2 5 MP a的 恒压油源 。双 向抽排液压缸 2的活塞上安装有线 性位 移传感器 ，能够实时监测活塞的位移 ，从而对电液伺 服阀 1 进行反馈控制。预测试和正向抽排时，泥浆单 向阀 3和 4工作在 图示位置 ；反 向注入模式 时 ，通 过 电磁换 向 ，切换 泥浆 单 向 阀的工 作 位置 。通常 情 况 下 ，二位三通电磁阀5工作在左位 ，将泥浆滤液排放 到高背压 的井筒中，当需要取样时，使其工作在右 位 ，将样品管路中的地层流体注入到取样筒中。双向 抽排液压缸 的 a 腔 和 d腔为液 压油腔 ，b腔和 C 腔 为 地层流体 ，通过电液伺服阀的控制和泥浆单向阀的配 合 ，可以使双向抽排液压缸连续地进行工作。 地 图 1 液压伺服控制系统原理图 液 伺服 阀 压 缸 磁 阀 收稿 日期 2 0 1 2 0 51 0 作者简介周晓君 1 9 6 3 一 ，男，博士，教授 ，博士生导师 ，主要研究方向为油气田开采、机械电子工程、水介质液压传 动系统的研究与应用等。E m a i l s d z h o u x j s h u ． e d u ． c n 。 8 4 机床与液压 第 4 1 卷 2 系统结构设计 电缆地层测试器各个模块中均有公共的液压管 路、样品管路和电缆通路，泵抽排模块中又需要自身 的液压管路和样品管路 ，因此作者采用内部流道的形 式，设计了一种电缆地层测试器泵抽排模块。泵抽排 模块由双向抽排液压缸、电液伺服阀、组合泥浆单向 阀和二位三通 电磁 阀组成 。双 向抽排液压缸的机械结 构如图2所示 。 a 双向抽排液压缸俯视图 - 曰- b 双向抽排液压缸剖面图 1 、2 一公共液压管路 3 、4 一公共样品管路5 一 电缆通路 6 一各个阀块的连接螺钉孔 共有4 个 7 、8 一泵抽排模块液压管路 9 、l 4 一泵抽捧模块样品管路 l O 一活塞盖安装螺钉孔 共6 个 l l 一线性位移传感器安装孔 l 2 一线性位移传感器 l 3 一传感器磁环 图2 双向抽排液压缸结构示意图 电液伺服阀、组合泥浆单向阀、三位二通电磁阀 都采用阀块结构安装 ，各个阀块的内部流道与双向抽 排液压缸相似。通过长螺钉将其连接在一起，最后装 入到泵抽排模块不锈钢外筒 中 ，通过 内花键进行周 向 定位 、模块接头进行轴向定位 。 3 系统控制方案 预测试时，泵抽排模块需要抽吸一定体积的地层 流体，抽吸体积范围要求为 1 ～2 0 c m 。正向抽排地 层流体的速度范围为 1～ 6 0 c m ／ s ，额定抽排速度设 计为 4 0 e m ／ s ，抽排过程中样 品管路 中的流体压力不 能低于其泡点压力。因此 ，预测试时，需要对活塞的 位置进行控制 ；正向抽排 时 ，需要对活塞 的移动速度 进行控制 。 3 ． 1 活塞位 置控 制 方案 预测试时，运用双向抽排液压缸的下行程。为了 准确地按照给定体积抽吸地层流体 ，采用电液位置伺 服控制技术控制活塞的位移。电液位置伺服控制系统 的方块原理 图如 图3所示 。 图3 电液位置伺服控制方块原理图 通过上位机给定预测试体积 ，P L C根据双向抽排 液压缸的有杆腔面积和线性位移传感器的增益将其转 换为控制信号 ，并与位移传感器的反馈信号 进 行比较，将偏差信号 经过 P L C的D ／ A转换模块输 送给放大器， 进而通过伺服阀控制液压缸活塞的位移。 3 ． 2活 塞移动 速度控 制 方案 为了取得高质量的原始地层流体，正向抽排地层 流体时，需要确保样品管路中的地层流体不低于其泡 点压力。 双向抽排液压缸的抽吸速度可以在 1～6 0 e m ／ s 的范 围内进行调 整。由于在 同一测试位 置 ，双 向抽排液压缸的抽吸速度基本不变，而且抽吸速度的 精度要求不是很高，因此作者采用开环速度控制方案。 正向抽排地层流体时 ，位移传感器的作用是对电 液伺服阀的供油方向进行控制。在双向抽排液压缸的 下行程时，传感器的检测信号不断增大 ，当检测信号 为 1 0 V时，通过 P L C使图 1中的电液伺服阀换向， 工作在左位 ，双向抽排液压缸转换为上行程状态工 作。上行程时，传感器的检测信号不断减小，当检测 信号为0时，P L C控制电液伺服阀换 向，工作在右 位，双向抽排液压缸转换为下行程状态工作。通过位 移传感器的位置反馈信号和 P L C的控制，可以使双 向抽排液压缸往复运动，不断地抽吸地层流体。 通过 P L C调节控制信号的强度，可以控制伺服 阀的供油量，进而控制双向抽排液压缸的活塞移动速 度。样品管路上的压力传感器反馈信号 ，不断地与地 层流体的泡点压力进行比较，通过调节活塞的移动速 第 1 1期 周晓君 等电缆地层测试器泵抽排模块液压伺服控制系统研究 8 5 度 ，能够确保样品管路中的流体压力始终在其泡点压 力 之上。 4建模与仿真 4 ． 1 电液位置伺服控 制系统数学模型 电液位置伺服控制系统中，线性位移传感器的增 益 为 1 0 0 V ／ m，放 大器 的增益 为 0 ． 2 A ／ V 。系 统所选电液伺服阀的频宽远大于系统 的液压 固有频 率 ，因此可以将其看为比例环节 ，伺服阀的流量增益 K 为 3 ． 2 3 3 1 0 m ／ A s 。 因为系统没有弹性负载，所以电液伺服阀控制双 向抽排液压缸的传递函数为 1 墨 一 ⋯ Q 。 一 f 1 1 、 h ， 式中 液压固有频率 ； 为液压 阻尼 比 ， A p V t。 液压 缸活塞有 效 面积 A 。 为 3 1 l 7 ． 2 5 m m ，活塞 及负载折算到活塞上的总质量 为 5 7 5 k g ，有效体 积 弹性模 量 取 7 0 0 01 0 P a ，总压 缩容积 约为 0． 7 71 0 m。 ，因此系统的液压固有频率为 ∞ ， 4 x 7 0 0 01 0 5 x 3 1 1 7 1 0- 6 2 ． 2 4 7 ． 9 ∞h √ u ．， ， l u 一3， 。 ‘ r a d ／s 液压阻尼比 是一个难以准确计算 的 “ 软量” 。 零位阻尼 比小、阻尼比变化范围大 ，是液压伺服系统 的一个特点。系统零位阻尼比的实测值至少为 0 ． 1～ 0 ． 2 ，或更高一些 ] 。为了确保系统性能 ，取系统的 液压 阻尼 比 0 ． 1 。 根据电液位置伺服控制系统方块原理图和各个环 节的传递函数，可以写出系统的开环传递函数为， s 鑫 1 sl s l ＼ O h ， 式中K 为系统开环增益，K 。 n p 由图3所示的方块图可求得系统的闭环传递函数 为 G R 3 4 ． 2 电液位置伺服 系统控制性能仿真分析 根据系统的开环传递函数 G s H s 与系统的闭 环传递函数 G s ， 运用 MA T L A B绘制电液位置伺服 制系统的开环伯德图和闭环伯德图如图4所示。 图4 系统的开环与闭环伯德图 在系统的阻尼 比 0 ． 1 ，开环增 益 K 2 0 ． 5 3 时，根据系统的开环伯德图可以求得 ，系统的相位裕 度 8 9 ． 0 4 。 ，幅值裕度 K g 7 ． 6 6 d B，幅值穿越频 率 ∞ 2 0 ． 6 7 r a d ／ s 。 由系统的闭环伯德图可以求得电液位置伺服系统 的频宽为 一 3 d B 2 1 ． 2 r a d ／ s 。 5结 论 基于电缆地层测试器泵抽排模块液压伺服控制系 统的工作原理，运用内部流道的结构形式，设计了一 种泵抽排模块机械结构。根据电缆地层测试器的工作 需求 ，研究了泵抽排模块电液位置伺服系统闭环控制 方案和电液速度开环控制方案，并对电液位置伺服系 统进行了建模与仿真分析。将液压伺服控制理论与实 际需求相结合 ，对 电缆地层测试器泵抽排模块进行了 研究 ，分析结果表明，系统能够满足电缆地层测试器 的工作需要 。 参考文献 【 1 】张宏， 赵玉龙 ， 蒋庄德． 电缆式地层测试器中的取样技术 研究[ J ] ． 西安石油大学学报， 2 0 0 5 ， 2 0 6 6 3 6 7 ． 【 2 】尤国平， 冯永仁． 精密数字泵抽在电缆地层测试器中的 应用[ J ] ． 测井技术， 2 0 0 8 ， 3 2 3 2 6 3 2 6 6 ． 【 3 】王春行． 液压控制系统 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 9． 【 4 】J A C K S O N R i c h a r d R， D E S A N T O l l a r i a ， WE I N H E B E R P e t e r ， e t a1． S p e c i a l i z e d T e c h n i q u e s f o r F o r ma t i o n T e s t i n g a n d F l u i d S a mp l i n g i n Un c o n s o l i d a t e d F o rm a t i o n s i n De e p w a t e r R e s e r v i r o s [ C ] ／ ／S P E Mi d d l e E a s t O i l a n d G as S h o w a n d Co n f e r e n c e， 2 0 09 1 08 91 0 95． 【 5 】R E I G N I E R P J ， J O S E P H J A ． M a n a g e m e n t o f a N o r t h s e a Re s e r v o i r C o n t a i n i n g N e a r --c r i t i c al F l u i d s Us i n g N e w Ge n e r - a t i o n S a mp l i n g a n d P r e s s u r e T e c h n o l o g y for W i r e l i n e F o r - m a t i o n T e s t e r s [ C ] ／ ／P r o c E u r P e t C o nf， 1 9 9 2 5 4 1 5 5 5 ． 【 6 】王文义， 宓哲民， 陈文轩， 等． 可编程控制器 P L C 原理 与应用[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 1 0 ． 【 7 】杨叔子， 杨克冲． 机械工程控制基础[ M] ． 6 版． 武汉 华 中科技大学出版社， 2 0 1 1 ． 【 8 】王正林， 王胜开 ， 陈国顺， 等． M A T L A B ／ S i m u l i n k 与控制 系统仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 1 2 ．