海洋石油-奧帝斯完井服務(wù)有限公司連續(xù)油管技術(shù)

1、Hydra-Blast Pro是我公司從哈里伯頓引進的利用高壓流體清除管壁積垢的新一代工具。其主要特點為： 利用流體壓力的變化，通過棘輪裝置改變沖洗頭的角度，每次可以旋轉(zhuǎn)30。 利用計算機模擬計算，通過多程并改變沖洗頭角度達到?jīng)_洗整個360范圍的生產(chǎn)管柱。 使用聚合物可以達到更有效的沖洗效果。 可根據(jù)需要更換噴嘴。 獨立的井下馬達及齒輪減速裝置。功能測試管柱處理前 管柱處理后Coil Sweep技術(shù)是一種用于清潔大井眼、大斜度、水平井的連續(xù)油管新技術(shù)。大井眼、大斜度、水平井中有效地沖砂所涉及的工程和機械要求要比直井復(fù)雜得多，盲目地使用聚合物清洗和傳統(tǒng)的經(jīng)驗法往往導(dǎo)致失敗率增加和清洗效果不好。C

2、oil Sweep是對于在大斜度井眼中一次性成功沖洗的綜合方案，包括以下三個內(nèi)容: 設(shè)計軟件-泡沫設(shè)計及沖洗程序軟件，實時監(jiān)測軟件，連續(xù)油管設(shè)計軟件 專業(yè)的液體體系-液體體系種類繁多，對于配合正確的洗井液設(shè)計大有裨益 CoilSweep 工具-結(jié)合正確的設(shè)計, CoilSweep工具能幫助在大尺寸井筒內(nèi)進行有效的除砂，包括在井下工具串周圍造紊流。Cerberus連續(xù)油管模擬軟件：Cerberus 是基于Windows平臺的模擬軟件，對于連續(xù)油管作業(yè)來說是極其重要的，它主要由管理和編輯、模擬程序、模型程序、報告以及其他工具幾部分組成。通過它我們能夠掌控油管動態(tài)變化、設(shè)計作業(yè)流程、實時跟蹤連續(xù)油管

3、作業(yè)進度等。ReelTrack 和 Achilles 用來計算油管壽命并繪出圖表，有了它我們就能夠在油管達到疲勞上限之前及時更換油管或者切除疲勞部分；Orpheus 用來計算油管在井下的遇阻深度、下壓力、上提力以及受力分布范圍等；Hercules 用來計算油管的破裂值、崩潰值、拉伸上限和壓縮上限等；Hydraulic 用來計算從油管到井筒的所有位置的流量和壓力；當(dāng)和CTES Orion 數(shù)采系統(tǒng)一起使用時，Cerberus能夠?qū)崟r監(jiān)控油管的工作狀態(tài)。Cerberus模擬實例圖： 懸重讀數(shù)與深度關(guān)系圖 井筒軌跡圖 連續(xù)油管壽命圖連續(xù)油管噴砂切割雙管實驗2012年4月10日和4月17日，我公司進行

4、了兩次連續(xù)油管噴砂切割雙管實驗，實驗結(jié)果達到預(yù)期。 實驗采取完全模擬實際切割作業(yè)注入器切割管柱待切割油管切割進行中切割結(jié)果連續(xù)油管噴砂切割技術(shù)管柱切割是井下處理事故時比較常見的作業(yè)，通常的切割方式主要有化學(xué)/爆破切割，機械式割刀切割及水力切割等幾種，其中水力切割相對于其他方法來說具有切割范圍大，無需使用危險化學(xué)品和爆炸物，以及可在水平井及大斜度井作業(yè)等優(yōu)點。目前我公司可利用連續(xù)油管將攜砂膠液通過噴嘴以高壓形式釋放以達到切割管柱的目的。下圖顯示的是 Hydra-blast 切割工具在 4”外徑 2.25”內(nèi)徑的螺旋式鉆鋌內(nèi)的切割作業(yè)，圖片是在鉆鋌剛被切割后拍下的；整個切割作業(yè)持續(xù)了 20 分鐘左

5、右；雖然切割剖面有些粗糙，但是完成切割后，鉆鋌內(nèi)外徑?jīng)]有產(chǎn)生任何毛刺及喇叭口變形（導(dǎo)致大部分打撈作業(yè)失敗的關(guān)鍵部分）； 該項測試使用 1.8”切割頭，使用 0.093”碳合金噴嘴；右圖顯示的是使用Hydra-blast工具切割 3.5”油管及側(cè)面的電泵電纜的圖片；其他例如爆破或化學(xué)切割等方式是不能完全切掉電纜的。作業(yè)所需設(shè)備：l連續(xù)油管設(shè)備：盡量使用大尺寸的油管，減少摩阻；l泵送設(shè)備：為作業(yè)提供穩(wěn)定的低排量；l攪拌設(shè)備：用于均勻攪拌膠液；l混砂設(shè)備：能夠均勻混砂的設(shè)備，要求砂比??；l過濾設(shè)備：保證配制膠液使用的液體干凈；井下工具的使用：l標(biāo)準(zhǔn)工具串組合：盡量使用內(nèi)徑較大尺寸的工具，減少摩阻；l

6、錨定裝置：根據(jù)不同管柱選擇合適的錨定工具，防止工具上下移動；l扶正器：根據(jù)不同管柱選擇合適的扶正器，保證工具的居中，減少切割時間；lHydra-blast 高壓沖洗工具：用于切割作業(yè)；l碳合金噴嘴：在常規(guī)作業(yè)中，使用 5-6 次后需要更換；l切割頭：根據(jù)要切割管柱的尺寸，選擇切割頭尺寸，需要提前制作，使用 5-6 次更換；切割材料的使用：l砂子，膠液及添加劑噴砂切割作為一項連續(xù)油管新技術(shù)，有著成本投入小，作業(yè)時間短，效果顯著等優(yōu)勢,有著非常廣泛的市場前景；同時，我們在其他連續(xù)油管服務(wù)公司在踏進該服務(wù)領(lǐng)域之間完成了地面測試，并獲得成功以及客戶認可，填補了海油以及國內(nèi)連續(xù)油管服務(wù)在該領(lǐng)域的空白，也

7、是我們公司引進先進技術(shù)的一項重大突破。連續(xù)油管徑向水射流技術(shù)應(yīng)用的探討摘要:連續(xù)油管徑向水射流技術(shù)以零半徑從現(xiàn)有井筒內(nèi)徑向鉆入地層，主要用于注水井改善地層，老井、邊際井、低滲透油氣藏和煤層氣開發(fā)的恢復(fù)或提高單井產(chǎn)量。使用徑向射流鉆分支井技術(shù)，利用連續(xù)油管起下工具，能在指定地層進行多分支井鉆進，水平鉆孔長度達到20米以上。而噴嘴的牽引能力和鉆孔性能是影響水平鉆孔長度及適應(yīng)地層范圍的關(guān)鍵因素。最后從實例中指出目前這種技術(shù)需要在現(xiàn)場改進的一些細節(jié)。關(guān)鍵詞:連續(xù)油管，徑向井，高速水射流，分支井，增產(chǎn)增注引言目前，我國東西部大部分油田儲量屬于低品位儲量，東部大部分油田都已進入中后期開發(fā)。油田越來越老、低

8、品位儲量造成了多井低產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)能建設(shè)投資逐年增加，成本控制難度加大。為此，進一步研究和開發(fā)成本更低、能有效提高單井產(chǎn)量的技術(shù)，實現(xiàn)少井高產(chǎn)、降低噸油成本，意義重大。而側(cè)鉆井、水平井、分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井是其中有效的技術(shù)手段。在連續(xù)油管高壓水射流的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的徑向射流鉆井技術(shù)能獲得最經(jīng)濟的效果。連續(xù)油管徑向射流鉆井技術(shù)能在井筒完成由垂直水平方向轉(zhuǎn)向。這種技術(shù)使用高壓水射流沖蝕地層鉆孔,并利用高壓軟管作為送進噴管。高壓軟管的柔性能很好地適應(yīng)小半徑鉆向。而使用的射流噴嘴尺寸小、無需鉆壓，并能提供牽引力，這樣噴嘴不僅能適應(yīng)狹小的鉆向空間，同時也能滿足較長水平孔鉆井時噴管送進的需要。無需復(fù)雜的造斜、軌

9、跡控制等操作，能在現(xiàn)有井筒內(nèi)鉆出多個徑向分支井，能以更低的成本有效提高單井產(chǎn)量，連續(xù)油管徑向射流鉆井技術(shù)主要作為老井、邊際井、低滲透油氣藏和煤層氣開發(fā)的一種經(jīng)濟有效的手段?！?】1徑向射流鉆井原理與基本工藝過程1.1徑向射流鉆井技術(shù)的原理 徑向射流鉆井技術(shù)的主要原理是使用射流泵將液體經(jīng)連續(xù)油管送至井下，流體經(jīng)噴射工具的噴嘴，高壓勢能轉(zhuǎn)換成動能，產(chǎn)生高速射流，射流液以沖量做功射穿近井地層，形成一定直徑和深度的射孔孔眼?！?】公式如下：（1-1）式中 為射流液的重率； g為重力加速度； 為噴嘴的截面積； 為射流液的速度。射流只要能夠在噴射面上垂直形成的沖擊力大于該材質(zhì)的抗壓強度時，就能產(chǎn)生切割效果

10、。從理論上講，這項技術(shù)即可以進行切割套管，開孔，也能沖蝕巖石，進行徑向鉆井，配套后續(xù)工藝，進而進行射孔壓裂。在本文中，我們主要介紹徑向射流鉆井。在射流鉆井的過程中，區(qū)別于沖擊套管的柔性材料磨蝕，沖擊巖石時產(chǎn)生的是脆性材料沖蝕。沖擊初期，強大的沖擊載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力首先在巖石表面引起環(huán)狀的赫茲錐形裂紋。在沖擊的后期，沙礫開始卸載、離開巖石時，殘余應(yīng)力會形成一系列近似于與沖擊表面平行的橫向裂紋。這些橫向裂紋延伸到巖石表面，引起破碎屑或稱破碎坑。當(dāng)沖擊力大大超過巖石的破裂壓力時，就能有效地切割和破碎巖石。在射流液沖擊巖石產(chǎn)生裂紋的同時，射流液在水楔壓力作用下擠入裂紋，起到延伸和擴展裂紋的附加作用，從而

11、增加沖蝕破碎能力。【3】由伯努利方程（Bernoullis equation）原理，流體流線上任意兩點的壓力、勢能、動能與位勢能之和保持不變。我們在徑向射流技術(shù)的應(yīng)用中采取的就是改變地面泵壓以及射流噴頭噴眼的尺寸，來獲取足夠大的沖擊力來沖蝕巖石。連續(xù)油管徑向射流鉆井技術(shù)中由于使用高壓軟管做噴管且鉆井距離較長，噴管不能通過后續(xù)推力送進而必須依靠前端噴嘴的牽引拖動，所以使用的噴嘴必須具有自牽引能力，這種噴嘴分前向鉆孔噴嘴和后向推進噴嘴兩個部分。前向噴嘴利用高速射流鉆入底層形成容許噴嘴噴管進入的導(dǎo)向孔；后向噴嘴利用高速射流產(chǎn)生向前的牽引力拖動高壓軟管實現(xiàn)送進，同時起到擴孔和輔助排屑的作用?！?】1.

12、2徑向射流鉆井基本工藝過程徑向射流鉆井技術(shù)基本作業(yè)過程主要分四步,需要多次起下連續(xù)油管工具串。1.2.1下入導(dǎo)向器。用油管下入導(dǎo)向器并校深，必要時借助陀螺儀定向。1.2.2對套管鉆孔。用連續(xù)油管下入套管鉆孔工具串，到預(yù)定深度后鉆頭和萬向接頭在導(dǎo)向器內(nèi)由垂直轉(zhuǎn)向水平，起泵由螺桿馬達驅(qū)動鉆頭對套管鉆孔。套管鉆穿后起出工具串。1.2.3對地層水平鉆孔。用連續(xù)油管下入射流鉆井工具串，到達預(yù)定深度后噴嘴和高壓軟管在導(dǎo)向器內(nèi)由垂直轉(zhuǎn)向水平，起泵利用噴嘴射出的高速射流切割地層鉆孔，由連續(xù)油管控制送進速度。水平孔鉆達預(yù)定深度后，起出射流鉆井工具串。1.2.4導(dǎo)向器換向。用連續(xù)油管下入導(dǎo)向器換向工具，到達換向位

13、置后進行換向操作。重復(fù)上述1.2.2,1.2.3進行下一個水平分支的作業(yè)。圖2-12徑向射流鉆井設(shè)備及工具簡介2.1常規(guī)設(shè)備 2.1.1連續(xù)油管 2.1.2帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制房 2.1.3連續(xù)油管動力源系統(tǒng) 2.1.4注入器 2.1.5防噴器 圖2-1所展示的是連續(xù)油管在海上現(xiàn)場作業(yè)情況,包括的設(shè)備有1.5”連續(xù)油管，控制房，動力源系統(tǒng)，注入器與防噴器。2.2射流工具圖2-22.2.1導(dǎo)向器2.2.2換向器在本次現(xiàn)場作業(yè)中使用的換向器是專門設(shè)計并制造的,其設(shè)計思路主要在于使用連續(xù)油管滑套開關(guān)工具上提換向器芯軸,使其在換向軌道槽中運動,從而實現(xiàn)換向的功能。圖2-2所示即為換向器。2.2.3套管

14、鉆孔工具串圖2-3所示為套管鉆孔工具及導(dǎo)向器。圖2-3 2.2.4換向器換向工具串圖2-4圖 2-5 2.2.5射流鉆井工具串圖2-5所展示的就是射流鉆井用噴嘴。如前文所述，由于連接連續(xù)油管工具串與噴嘴的高壓軟管無法靠后續(xù)推力前進，所以必須由前段噴嘴產(chǎn)生自牽引力拖動。這種噴嘴分前向鉆孔噴嘴和后向推進噴嘴兩個部分。前向噴嘴利用高速射流鉆入底層形成容許噴嘴噴管進入的導(dǎo)向孔；后向噴嘴利用高速射流產(chǎn)生向前的牽引力拖動高壓軟管實現(xiàn)送進，同時起到擴孔和輔助排屑的作用。而高壓軟管在徑向井孔道中前進，必然產(chǎn)生摩擦阻力。這樣徑向射流能否成功，或者說最大鉆進深度的計算，必然滿足以下條件：【5】【6】a) 噴嘴的牽

15、引力至少能拖動進入水平段得高壓軟管；b) 前向噴嘴能鉆出導(dǎo)向孔，并在給定地層條件下達到一定的鉆進速度；c) 泵工作壓力不能超過限制。由此,噴嘴的牽引力F計算式如下： （2-1） 式中 前、后向噴嘴的流量； 、 前、后向噴嘴的射流速度； 前、后向噴嘴的射流傾角。而噴嘴牽引力F必須大于高壓軟管在孔道中的摩擦阻力，即（2-2）式中f 高壓軟管在孔道中的摩擦阻力； 管體與孔壁的摩擦系數(shù)；L 高壓軟管鉆進的長度； 軟管在液體中的單位重力。3現(xiàn)場應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析圖3- 1 以我們最近進行徑向射流鉆井作業(yè)的井作為范例，由于井況復(fù)雜，所以現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，需要就地解決，這些解決方案雖然比較粗糙，但為我們后續(xù)的作業(yè)

16、提供了不少值得借鑒的東西。圖3-1為試驗井的測試管柱圖。 本次的實驗井是一口產(chǎn)能比較充足的產(chǎn)油井，為防止出現(xiàn)地層出液，原油污染流程的情況，所以在測試管柱3020.70米處安裝有一個 LPR-N閥。在作業(yè)前期，由于沒有考慮到這個N閥開啟時，上下壓差對高壓軟管的影響，甚至出現(xiàn)了連續(xù)油管被卡的現(xiàn)象。這一情況在下文中會有詳細的介紹?？紤]到要保證3134.71米處換向器在換向過程中靠重力向下運動改變方向，所以在換向器下增加了兩根2-7/8油管，后來的作業(yè)情況證明這個細節(jié)為檢測換向作業(yè)成功與否提供了依據(jù)。另外在這次試驗中主要測試徑向射流鉆井技術(shù)，所以減少了套管鉆孔的步驟。采用了在裸眼井中徑向射流鉆井的工藝

17、。3.1徑向射流現(xiàn)場作業(yè)3.1.1連續(xù)油管射流工具下井操作 在連續(xù)油管射流工具下井的情況下,由于我們所選用的Packer公司的高壓軟管本身無法保證其垂直的狀態(tài)，所以就需要在下入的過程中保持地面泵入的壓力，使噴頭在下入過程中對軟管產(chǎn)生拖拽的效果。所以在下入的過程中，我們一直保持著3000PSI的泵壓，這樣既保證軟管的拖拽狀態(tài)，又盡量減少了噴頭在正常射孔鉆進前的磨損。3.1.2開關(guān)井下N閥前后的操作注意事項 由于此次作業(yè)的井況比較復(fù)雜，井下產(chǎn)油層壓力較高，為防止溢油，所以采用了連續(xù)油管工具串到達采油層前，井下N閥關(guān)閉，到達N閥以上后再打開的措施。在N閥開啟前后，由于前期未遇到過類似情況，出現(xiàn)了高壓

18、軟管被井下突然上涌液體托舉的情況，造成第一次下井軟管纏繞連續(xù)油管，最終卡在油管與連續(xù)油管之間的情況。 出現(xiàn)這種情況后，在相關(guān)步驟的操作上進行了改進。主要的改動在于，開啟N閥前，停止下入連續(xù)油管。開啟N閥以后，首先上提連續(xù)油管一段距離，待井下壓力穩(wěn)定以后再繼續(xù)下入連續(xù)油管。采取了這種步驟以后，像連續(xù)油管遇卡的情況就不再出現(xiàn)了。3.1.3可滑動式加重桿 該隨連續(xù)油管射流工具串下井工具，是現(xiàn)場作業(yè)時臨時設(shè)計加工并添加的。其主要作用在于保持高壓軟管的垂直狀態(tài)。這個工具的設(shè)計思路在于高壓軟管的外徑要小于噴頭外徑，這樣加重桿就能在高壓軟管處自由滑動而不會落井。3.2徑向射流鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析圖3-2 圖3-2所

19、示，為本次作業(yè)的數(shù)據(jù)圖，圖中a為地面泵壓，b為井口壓力，而c為連續(xù)油管懸重指示。從圖上看，徑向井射流鉆進過程從19:05開始到19:29結(jié)束，總共花時24分鐘，鉆進深度為23米，平均鉆進速度為0.95米/分鐘。整個鉆進過程可以分為4個部分： 圖上所指的階段1，是射流噴頭剛進入導(dǎo)向器，這時地面提高泵壓，準(zhǔn)備射流鉆進。 到階段2時，壓力曲線上出現(xiàn)了一個較大的增加，這個時候是噴頭經(jīng)過導(dǎo)向器造斜部分，我們可以從上文圖2-3中看到，造斜部分呈問號形狀。由于在噴頭經(jīng)過這一形狀位置時射流受阻，所以出現(xiàn)壓力陡增。 當(dāng)曲線到達階段3時，這時噴頭已經(jīng)穿過造斜部分，與地層水平。這時壓力就降了下來。 而階段4這個部分

20、，就是噴頭正常鉆進地層的階段。在這個階段，泵壓變化基本保持一個較小的波動狀態(tài)，而連續(xù)油管繼續(xù)緩慢下入不出現(xiàn)憋壓的情況，這就是最理想的徑向射流鉆井曲線。當(dāng)連續(xù)油管帶著高壓軟管下入時，由于噴頭的后向噴嘴對軟管的拖拽作用，使軟管向射流鉆孔中爬行。噴頭前向噴嘴靠近巖層，由于巖層對射流液的阻礙作用，地面泵壓就會有上升的幅度，但同時射流液又沖蝕破壞巖層，這種阻礙作用減小，地面泵壓又會下降。實際上，這一個步驟在整個鉆進的過程中是不斷出現(xiàn)的，如果我們從更短的時間軸來看泵壓曲線的話，我們會發(fā)現(xiàn)近似為一個振動曲線。當(dāng)徑向鉆進的曲線處于這個階段的時候，我們就認定為正常鉆進。3.3關(guān)于導(dǎo)向器換向作業(yè)圖3-3在成功射流

21、鉆進一個徑向孔以后，我們必須對井下導(dǎo)向器進行換向，這樣才能實現(xiàn)在同一個深度多分支徑向井的目標(biāo)。在實際的作業(yè)中，成功換向主要由連續(xù)油管懸重指示的瞬間變化來判斷。從圖3-3中，我們可以看到當(dāng)連續(xù)油管到達預(yù)定位置，進行上提活動時，4:29:30至4:29:40這10秒之間，出現(xiàn)了一個明顯的懸重上升陡降的現(xiàn)象。因為換向器芯軸及其以下的導(dǎo)向器部分重量相對較輕，我們設(shè)計測試管柱時添加了兩根2-7/8油管來增加重量，這樣的設(shè)計也使連續(xù)油管懸重在換向時的變化幅度增大，便于確認。根據(jù)對換向器的設(shè)計，上提心軸，改變45的方向，芯軸自身下落，由改變45角，這樣在作業(yè)中就實現(xiàn)了一次起下連續(xù)油管，導(dǎo)向器方向轉(zhuǎn)動90的結(jié)

22、果。4徑向射流鉆井試驗總結(jié)徑向射流鉆井技術(shù)可以利用換向器設(shè)計，來實現(xiàn)同一深度多分支井的鉆進。而使用上提下放管柱，實現(xiàn)短時間內(nèi)多層作業(yè)，比較傳統(tǒng)工藝大大節(jié)省了時間成本。另外由于是以柔和的方式實現(xiàn)油層的深穿透射孔，擴大有效井眼直徑，可以有效地減少地層油流阻力和壓降。對于低產(chǎn)井，注水井的改造有著顯著的效果。該技術(shù)適用于砂巖、碳酸巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥頁巖、煤層等。在不同性質(zhì)的巖層中，徑向射流的效果也不盡相同。本次試驗井的作業(yè)巖層主要為砂巖。由于試驗井的井況以及現(xiàn)場的實際情況，試驗并未達到預(yù)期的鉆進長度，一共進行了三次徑向射流鉆井，孔道長度分別為15米、21米、23米，對于這口高產(chǎn)井的改造，其增長的幅度遠

23、不及低產(chǎn)井改造中那么明顯。但本次試驗證明了連續(xù)油管徑向射流鉆井理論的正確性。另一個方面，噴頭工藝的設(shè)計以及高壓軟管的選用等方面仍有需要改進的地方。參考文獻：【1】（胡強法，朱峰，于東兵，水射流鉆徑向水平孔技術(shù)的發(fā)展與增產(chǎn)效果預(yù)期C第八屆石油鉆井院所長會議論文集，2008:712-718.）【2】（李東傳，郭金榮，劉亞芬，等。射孔損害機理研究。大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2004,23（2）：47-48）【3】（邰英樓，張永利，章夢濤，等。水力噴砂破巖技術(shù)應(yīng)用于油井?dāng)U孔的試驗研究。遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1998,17（3）：269-271）【4】（胡強法，朱峰，張友軍。零半徑水射流徑向鉆井

24、技術(shù)的研究與應(yīng)用。石油機械，2009,第37卷，第12期：1215）【5】（Raul A C, Juan F T. First experience in application of radial perforation technology in deep wells R .SPE 107182, 2007）【6】（Bruni M, Biassotti H, Sulomone G, Radial drilling in Argentina R .SPE 107382, 2007）永磁交流伺服電機位置反饋傳感器檢測相位與電機磁極相位的對齊方式2008-11-07來源：internet瀏覽：5

25、04 主流的伺服電機位置反饋元件包括增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等。為支持永磁交流伺服驅(qū)動的矢量控制，這些位置反饋元件就必須能夠為伺服驅(qū)動器提供永磁交流伺服電機的永磁體磁極相位，或曰電機電角度信息，為此當(dāng)位置反饋元件與電機完成定位安裝時，就有必要調(diào)整好位置反饋元件的角度檢測相位與電機電角度相位之間的相互關(guān)系，這種調(diào)整可以稱作電角度相位初始化，也可以稱作編碼器零位調(diào)整或?qū)R。下面列出了采用增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等位置反饋元件的永磁交流伺服電機的傳感器檢測相位與電機電角度相位的對齊方式。增量式編碼器的相位對齊方式 在此討論中，增量式編碼器的輸出

26、信號為方波信號，又可以分為帶換相信號的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，普通的增量式編碼器具備兩相正交方波脈沖輸出信號A和B，以及零位信號Z；帶換相信號的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號外，還具備互差120度的電子換相信號UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致。帶換相信號的增量式編碼器的UVW電子換相信號的相位與轉(zhuǎn)子磁極相位，或曰電角度相位之間的對齊方法如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察編碼器的U相信號和Z信號； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U相信

27、號跳變沿，和Z信號，直到Z信號穩(wěn)定在高電平上（在此默認Z信號的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，Z信號都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。 撤掉直流電源后，驗證如下： 1.用示波器觀察編碼器的U相信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，編碼器的U相信號上升沿與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合，編碼器的Z信號也出現(xiàn)在這個過零點上。 上述驗證方法，也可以用作對齊方法。 需要注意的是，此時增量式編碼器的U相信號的相位零點即與電機UV線反電勢的相位零點對齊，由于電機的U相反電勢，與UV線反電勢之間相差30度，因

28、而這樣對齊后，增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機U相反電勢的-30度相位點對齊，而電機電角度相位與U相反電勢波形的相位一致，所以此時增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機電角度相位的-30度點對齊。 有些伺服企業(yè)習(xí)慣于將編碼器的U相信號零點與電機電角度的零點直接對齊，為達到此目的，可以： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機的U相反電勢波形； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的U

29、相信號上升沿和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使上升沿和過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系，完成對齊。 由于普通增量式編碼器不具備UVW相位信息，而Z信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備直接的相位對齊潛力，因而不作為本討論的話題。 絕對式編碼器的相位對齊方式 絕對式編碼器的相位對齊對于單圈和多圈而言，差別不大，其實都是在一圈內(nèi)對齊編碼器的檢測相位與電機電角度的相位。早期的絕對式編碼器會以單獨的引腳給出單圈相位的最高位的電平，利用此電平的0和1的翻轉(zhuǎn)，也可以實現(xiàn)編碼器和電機的相位對齊，方法如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定

30、向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察絕對編碼器的最高計數(shù)位電平信號； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察最高計數(shù)位信號的跳變沿，直到跳變沿準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，跳變沿都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 這類絕對式編碼器目前已經(jīng)被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行協(xié)議，以及日系專用串行協(xié)議的新型絕對式編碼器廣泛取代，因而最高位信號就不符存在了，此時對齊編碼器和電機相位的方法也有所變化，其中一種非常實用的方法是利用編碼器內(nèi)部的EEPROM，存儲編碼器隨機安

31、裝在電機軸上后實測的相位，具體方法如下： 1.將編碼器隨機安裝在電機上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸，以及編碼器外殼與電機外殼； 2.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 3.用伺服驅(qū)動器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內(nèi)部記錄電機電角度初始相位的EEPROM中； 4.對齊過程結(jié)束。 由于此時電機軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的編碼器內(nèi)部EEPROM中的位置檢測值就對應(yīng)電機電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻的單圈位置檢測數(shù)據(jù)與這個存儲值做差，并根據(jù)電機極對數(shù)進行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的

32、電機電角度相位。這種對齊方式需要編碼器和伺服驅(qū)動器的支持和配合方能實現(xiàn)，日系伺服的編碼器相位之所以不便于最終用戶直接調(diào)整的根本原因就在于不肯向用戶提供這種對齊方式的功能界面和操作方法。這種對齊方法的一大好處是，只需向電機繞組提供確定相序和方向的轉(zhuǎn)子定向電流，無需調(diào)整編碼器和電機軸之間的角度關(guān)系，因而編碼器可以以任意初始角度直接安裝在電機上，且無需精細，甚至簡單的調(diào)整過程，操作簡單，工藝性好。 如果絕對式編碼器既沒有可供使用的EEPROM，又沒有可供檢測的最高計數(shù)位引腳，則對齊方法會相對復(fù)雜。如果驅(qū)動器支持單圈絕對位置信息的讀出和顯示，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定

33、電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示絕對編碼器的單圈位置值； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的單圈絕對位置值充分接近根據(jù)電機的極對數(shù)折算出來的電機-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的單圈絕對位置點，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 如果用戶連絕對值信息都無法獲得，那么就只能借助原廠的專用工裝，一邊檢測絕對位置檢測值，一邊檢測電機電角度相位，利用工裝，調(diào)整編碼器和電機的相對角位置關(guān)系，將編碼器相位與電機電角度相位相互對齊，然

34、后再鎖定。這樣一來，用戶就更加無從自行解決編碼器的相位對齊問題了。 個人推薦采用在EEPROM中存儲初始安裝位置的方法，簡單，實用，適應(yīng)性好，便于向用戶開放，以便用戶自行安裝編碼器，并完成電機電角度的相位整定。 正余弦編碼器的相位對齊方式 普通的正余弦編碼器具備一對正交的sin，cos 1Vp-p信號，相當(dāng)于方波信號的增量式編碼器的AB正交信號，每圈會重復(fù)許許多多個信號周期，比如2048等；以及一個窄幅的對稱三角波Index信號，相當(dāng)于增量式編碼器的Z信號，一圈一般出現(xiàn)一個；這種正余弦編碼器實質(zhì)上也是一種增量式編碼器。另一種正余弦編碼器除了具備上述正交的sin、cos信號外，還具備一對一圈只出

35、現(xiàn)一個信號周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號，如果以C信號為sin，則D信號為cos，通過sin、cos信號的高倍率細分技術(shù)，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細分后，就可以達到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率，當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)廠家尚不多見；此外帶C、D信號的正余弦編碼器的C、D信號經(jīng)過細分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置信息，比如每轉(zhuǎn)2048個絕對位置，因此帶C、D信號的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對編碼器。 采用這種編碼器的伺服電機的初始電角度相位對齊方式如下：

36、 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察正余弦編碼器的C信號波形； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察C信號波形，直到由低到高的過零點準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 撤掉直流電源后，驗證如下： 1.用示波器觀察編碼器的C相信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 這種驗證方

37、法，也可以用作對齊方法。 此時C信號的過零點與電機電角度相位的-30度點對齊。如果想直接和電機電角度的0度點對齊，可以考慮： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機的U相反電勢波形； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的C相信號由低到高的過零點和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使2個過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系，完成對齊。 由于普通正余弦編碼器不具備一圈之內(nèi)的相位信息，而Index信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備直

38、接的相位對齊潛力，因而在此也不作為討論的話題。 如果可接入正余弦編碼器的伺服驅(qū)動器能夠為用戶提供從C、D中獲取的單圈絕對位置信息，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示從C、D信號中獲取的單圈絕對位置信息； 3.調(diào)整旋變軸與電機軸的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機的極對數(shù)折算出來的電機-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算絕對位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

39、 此后可以在撤掉直流電源后，得到與前面基本相同的對齊驗證效果： 1.用示波器觀察正余弦編碼器的C相信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，驗證編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 如果利用驅(qū)動器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲器，也可以存儲正余弦編碼器隨機安裝在電機軸上后實測的相位，具體方法如下： 1.將正余弦隨機安裝在電機上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸，以及編碼器外殼與電機外殼； 2.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 3.用伺服驅(qū)動器讀取由C、D信號解析出來的單圈絕對位置值，并存入

40、驅(qū)動器內(nèi)部記錄電機電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲器中； 4.對齊過程結(jié)束。 由于此時電機軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應(yīng)電機電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻由編碼器解析出來的與電角度相關(guān)的單圈絕對位置值與這個存儲值做差，并根據(jù)電機極對數(shù)進行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機電角度相位。 這種對齊方式需要伺服驅(qū)動器的在國內(nèi)和操作上予以支持和配合方能實現(xiàn)，而且由于記錄電機電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅(qū)動器中，因此一旦對齊后，電機就和驅(qū)動器事實上綁定了，如果需要

41、更換電機、正余弦編碼器、或者驅(qū)動器，都需要重新進行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機和驅(qū)動器的配套關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)變壓器的相位對齊方式 旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是由經(jīng)過特殊電磁設(shè)計的高性能硅鋼疊片和漆包線構(gòu)成的，相比于采用光電技術(shù)的編碼器而言，具有耐熱，耐振。耐沖擊，耐油污，甚至耐腐蝕等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力，因而為武器系統(tǒng)等工況惡劣的應(yīng)用廣泛采用，一對極（單速）的旋變可以視作一種單圈絕對式反饋系統(tǒng)，應(yīng)用也最為廣泛，因而在此僅以單速旋變?yōu)橛懻搶ο?，多速旋變與伺服電機配套，個人認為其極對數(shù)最好采用電機極對數(shù)的約數(shù)，一便于電機度的對應(yīng)和極對數(shù)分解。 旋變的信號引線一般為6根，分為3組，分別對應(yīng)一個激勵

42、線圈，和2個正交的感應(yīng)線圈，激勵線圈接受輸入的正弦型激勵信號，感應(yīng)線圈依據(jù)旋變轉(zhuǎn)定子的相互角位置關(guān)系，感應(yīng)出來具有SIN和COS包絡(luò)的檢測信號。旋變SIN和COS輸出信號是根據(jù)轉(zhuǎn)定子之間的角度對激勵正弦信號的調(diào)制結(jié)果，如果激勵信號是sint，轉(zhuǎn)定子之間的角度為，則SIN信號為sintsin，則COS信號為sintcos，根據(jù)SIN，COS信號和原始的激勵信號，通過必要的檢測電路，就可以獲得較高分辨率的位置檢測結(jié)果，目前商用旋變系統(tǒng)的檢測分辨率可以達到每圈2的12次方，即4096，而科學(xué)研究和航空航天系統(tǒng)甚至可以達到2的20次方以上，不過體積和成本也都非?？捎^。 商用旋變與伺服電機電角度相位的對

43、齊方法如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出； 2.然后用示波器觀察旋變的SIN線圈的信號引線輸出； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整電機軸上的旋變轉(zhuǎn)子與電機軸的相對位置，或者旋變定子與電機外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變SIN信號的包絡(luò)，一直調(diào)整到信號包絡(luò)的幅值完全歸零，鎖定旋變； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，信號包絡(luò)的幅值過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效 。 撤掉直流電源，進行對齊驗證： 1.用示波器觀察旋變的SIN信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，驗證旋變的SIN信號包絡(luò)過零點與電機的UV線反電

44、勢波形由低到高的過零點重合。 這個驗證方法，也可以用作對齊方法。 此時SIN信號包絡(luò)的過零點與電機電角度相位的-30度點對齊。如果想直接和電機電角度的0度點對齊，可以考慮： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機的U相反電勢波形； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變的SIN信號包絡(luò)的過零點和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使這2個過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系，完成對齊。 需要指出的是，在上述操作中需有效區(qū)分旋變的SIN包絡(luò)信號中的正半周和負半周。由于SIN信號是以轉(zhuǎn)定子之間的角度為的sin值對激勵信號的調(diào)制結(jié)果，因而與sin的正半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號同相，而與sin的負半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號反相，據(jù)此可以區(qū)別和判斷旋變輸出的SIN包絡(luò)信號波形中的正半周和負半周。對齊時，需要取sin由負半周向正半周過渡點對應(yīng)的SIN包絡(luò)信號的過零點，如果取反了，或者未加準(zhǔn)確判斷的話，對齊后的電角度有可能錯位180度，從而造成速度外環(huán)進入正反饋。如果可