[發明專利]一種能消除鉆柱粘滑振動的柔性扭矩控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 201410173668.6
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN104018821B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 劉曙光;武學星
• 申請（專利權）人: 安徽多杰電氣有限公司
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及一種石油鉆井的鉆柱控制方法，尤其是一種能消除鉆柱粘滑振動的柔性扭矩控制系統及控制方法。

背景技術

鉆柱是石油鉆井工程中必不可少的重要井下工具，處在內、外充滿鉆井液的狹長井眼里工作，通常承受著拉、壓、彎、扭及液力等載荷，其運動的過程十分復雜。在鉆井過程中，鉆柱的主要運動是旋轉向下的運動，同時還總伴隨著各種振動，主要包括橫向振動、軸向振動和扭轉振動。特別是扭轉振動中的粘滑振動對鉆井的危害極高，在鉆柱的粘滑振動過程中，鉆頭的轉速可以在瞬間達到很大值，很容易造成鉆柱損壞。另外，在粘滑振動過程中扭矩波動很大，這不僅影響鉆井效率也威脅鉆井安全，實際扭矩過大可能超過設備所能承受的極限扭矩，致使鉆井無法進行。針對鉆柱粘滑振動，目前尚沒有一種行之有效的辦法來有效地方法來解決這一工程技術難題。

發明內容

本發明是為解決上述已有技術中存在的不足之處，提供一種能消除鉆柱粘滑振動的柔性扭矩控制系統及控制方法，以解決鉆柱振動給鉆井工程帶來的嚴重影響的問題。

本發明為解決技術問題采用以下技術方案。

一種能消除鉆柱粘滑振動的柔性扭矩控制系統，其特征是，包括一個觸摸屏或帶顯示屏的操作面板、一個可編程控制器PLC、一個帶編碼器的主電機、一個高速計數器、扭矩儀、伺服電機和伺服驅動器；

所述觸摸屏或者操作面板，直接和可編程控制器PLC相互連接，用于顯示主電機速度給定和轉速轉矩、設定主電機速度給定值和顯示系統參數；

所述可編程控制器PLC，采集主電機扭矩實際值并將主電機的扭矩值與通過扭矩儀監測到的伺服電機的扭矩實際值進行差值比較，將比較后的偏差對整個鉆柱系統進行相應的偏差補償，從而實現消除粘滑現象；

所述主電機，用于驅動鉆柱系統運動，所述主電機的轉速由可編程控制器PLC來實時控制；所述編碼器，用于向可編程控制器PLC實時反饋主電機的實際速度n_r；

所述高速計數器，向可編程控制器PLC實時反饋伺服電機的實際轉速n_b；

所述扭矩儀，用于檢測伺服電機的扭矩并將扭矩值Tb傳輸給可編程控制器PLC；

所述伺服電機，用來模擬鉆柱的粘滑現象；

所述伺服驅動器，用于驅動所述伺服電機轉動。

所述高速計數器為高速計數模塊FM350-1。

一種所述的能消除鉆柱粘滑振動的柔性扭矩控制系統的控制方法，如圖2所示，其特征是，包括如下步驟：

步驟1：開啟柔性扭矩控制系統并進行柔性扭矩控制系統的初始化；判斷是否滿足啟動條件；如果滿足啟動條件，則啟動主電機；如果不滿足啟動條件，則主電機停止；

步驟2：啟動主電機后，進入柔性扭矩控制系統的控制界面，設定主電機的預設速度，同時顯示主電機的轉速和扭矩和伺服電機的轉速和扭矩；

步驟3：伺服電機啟動后產生一個轉速，根據轉速，柔性扭矩控制系統進入非線性控制程序，產生一個扭矩控制信號，使伺服電機模擬出粘滑現象；

步驟4：當產生粘滑現象后，主電機的扭矩也會發生變化，柔性扭矩控制系統的控制程序會根據主電機的扭矩的大小給出速度補償信號，與主電機速度給定信號疊加，通過變頻器來控制主電機的轉速，使下部鉆具組合的狀態行為能根據頂部電機的速度以及扭矩實時調整，使鉆頭脫離粘滑區域，從而消除下方的粘滑現象。

所述柔性扭矩控制系統中建立有鉆桿扭矩數學模型；所述鉆桿扭矩數學模型的表達式為：

其中， 分別是轉盤、鉆桿、鉆頭的慣性；慣性是用線性彈簧相互連接，兩個線性彈簧具有扭轉剛度和旋轉阻尼； 是頂部驅動系統的粘性阻尼力矩， 是鉆頭的粘性阻尼力矩，是鉆頭上的干摩擦力矩， 是驅動器扭矩，由主電機提供并控制的大小。（式子（1-1）～（1-3）中， 是鉆柱各個單元的角位移和角速度， 是頂部主電機的施加的扭矩。）

所述干摩擦力矩的計算過程為（如圖7所示）：

首先從HMI讀取轉盤速度、鉆頭速度，然后計算以及鉆頭上的靜摩擦力矩，反作用力矩；當鉆頭速度大于臨界速度時，鉆頭上的干摩擦力矩，鉆桿處于滑移階段；當鉆頭速度不大于臨界速度時，此時如果反作用扭矩大于靜摩擦力矩，鉆頭上的干摩擦力矩，鉆桿處于粘滑階段；如果反作用扭矩不大于靜摩擦力矩，鉆頭上的干摩擦力矩，鉆桿處于停滯階段。

與已有技術相比，本發明有益效果體現在：