[發明專利]一種基于自適應法抑制鉆桿粘滑振動的系統及方法

有效

• 申請號: 201410177583.5
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103941632A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 付蒙;李江紅;伍志強;孫大鵬;劉琳;劉旭禮;姜慶巍;章莉敏
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司
• 主分類號: G05B19/05
• 分類號: G05B19/05;E21B44/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明屬于石油鉆井、地質勘探等技術領域，涉及一種基于自適應法、總線通信技術和人機交互技術來抑制鉆桿粘滑振動的系統及方法。

背景技術

石油鉆井過程中由于地層復雜、鉆桿運動不確定，容易發生鉆桿振動，包括鉆桿的橫向振動、軸向振動和粘滑振動。其中，粘滑振動是由于鉆頭與地層的摩擦力矩引起的扭矩振蕩，鉆頭速度或停或轉，瞬間轉速非常大，易造成鉆桿和鉆頭的性能惡化；該現象不僅影響鉆井效率也威脅到鉆井的安全，因此需要采取合理的方法來抑制粘滑振動。

針對粘滑振動，減振途徑和措施主要有：(1)增大頂部轉速；(2)增大系統等效扭轉剛度；(3)增大系統等效阻尼；(4)頂部扭矩負反饋。

目前國外已經開發了一些抑制粘滑振動的方法和系統。

2004年Navarro-Lo′pez和Suarez-Cortez提出在鉆桿底部安裝減振器；2000年，Richardson和Küttel提出了在鉆具組合上安裝液壓扭矩驅動系統。但是這些方法都增加了鉆桿系統的復雜性和成本，且使用時不具有通用性。

1988年Halsey，Kyllingstad和Kylling提出了鉆桿扭矩負反饋的方法；2005年Canudas-de-Wit?et?al提出了鉆井振動克星Drilling?Oscillation?Killer(D-OSKIL)，它利用鉆頭上的重量作為附加的控制參數。這些方法有的并不成熟，使用效果也并不十分理想。國內目前在領域的研究還比較欠缺，所以這方面的研究開發具有很好的工程應用價值。

發明內容

本發明的目的是針對石油鉆井中常發生的粘滑振動現象，提供一種基于自適應法抑制鉆桿粘滑振動的系統及方法，采用本發明的系統，實時顯示電機實際轉速和電機實際扭矩曲線及數值，能夠發出轉速命令來控制驅動電機的轉速，從而抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉速振蕩。該系統解決了現有技術中硬件連接復雜、系統工作不穩定、實現效果不理想的問題。

為了實現上述技術方案，本發明采取如下技術解決方案：

一種基于自適應法抑制鉆桿粘滑振動的系統，包括：

——被控對象，包括驅動電機連接的齒輪箱，以及由齒輪箱帶動的鉆桿和鉆具組合，用于實現石油鉆井；

——變頻器，包括PLC控制系統，PLC控制系統控制驅動電機的啟動、停止和調速的工作狀態，并能夠設定電機主給定轉速，變頻器將驅動電機的當前狀態反饋至控制單元；

——控制單元，包括自適應控制器，用于對驅動電機的當前狀態進行控制調整，抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉速振蕩；

——人機交互裝置，包括ARM芯片，完成控制單元的數據管理、人機操控；

——CAN總線，用于實現變頻器與控制單元的自由通信；

所述變頻器與驅動電機連接，驅動電機與由齒輪箱帶動的鉆桿和鉆具組合相連，變頻器通過CAN總線連接控制單元，控制單元通過串口連接人機交互裝置。

進一步地，所述自適應控制器包括參數估計器和控制器，參數估計器與控制器相連，控制器與變頻器連接，變頻器連接至被控對象，被控對象分別連接控制器和參數估計器。

相應地，本發明進而給出了自適應法抑制鉆桿粘滑振動的系統的控制方法，該方法包括下述步驟：

1)變頻器通過PLC控制系統給出設定的電機主給定轉速，傳輸至被控對象，驅動鉆桿起轉；

2)變頻器通過CAN總線將電機實際轉速和電機實際扭矩傳輸至控制單元；

3)控制單元將鉆頭轉速結合電機主給定轉速進行優化算法，得到輔給定優化轉速，并用最大轉速來對輔給定優化轉速進行限幅；

4)控制單元通過CAN總線將限幅后的輔給定優化轉速傳輸至變頻器，電機主給定轉速和限幅后的輔給定優化轉速的疊加值共同控制鉆桿和鉆具組合的旋轉鉆進，抑制鉆桿粘滑振動；

5)同時，人機交互裝置實時地保存和顯示電機實際轉速和電機實際扭矩數據。

進一步地，所述控制單元的優化運算是通過下述方法來實現的：

a)構建參數估計器，參數估計器根據觀測到的被控對象的輸入輸出數據獲取被控對象的參數估計值，參數估計器通過最小二乘參數估計算法來實現；

b)構建控制器，控制器由最小方差控制律來實現，控制器根據控制器參數以及控制誤差來計算得到電機控制轉速，結合電機主給定轉速得到輔給定優化轉速。

進一步地，所述最小二乘參數估計算法得到被控對象的參數估計值的方法如下：

①給出被控對象的二階表達式：