[發(fā)明專利]一種抑制鉆桿粘滑振動(dòng)的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410178516.5
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103941635A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 章莉敏;李江紅;崔麗娜;王關(guān)征;李科;付蒙;侯媛媛;張文龍
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B19/05
• 分類號: G05B19/05
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石油鉆井、地質(zhì)勘探等技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于控制算法、總線通信技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)來抑制鉆桿粘滑振動(dòng)的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

石油鉆井過程中由于地層復(fù)雜、鉆桿運(yùn)動(dòng)不確定，容易發(fā)生鉆桿振動(dòng)，包括鉆桿的橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和粘滑振動(dòng)。其中，粘滑振動(dòng)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(zhuǎn)，瞬間轉(zhuǎn)速非常大，易造成鉆桿和鉆頭的性能惡化；該現(xiàn)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(dòng)。

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

目前國外已經(jīng)開發(fā)了一些抑制粘滑振動(dòng)的方法和系統(tǒng)。

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(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是這些方法都增加了鉆桿系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，且使用時(shí)不具有通用性。

1988年Halsey，Kyllingstad和Kylling提出了鉆桿扭矩負(fù)反饋的方法；2005年Canudas-de-Wit?et?al提出了鉆井振動(dòng)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(shù)。這些方法有的并不成熟，使用效果也并不十分理想。國內(nèi)目前在領(lǐng)域的研究還比較欠缺，所以這方面的研究開發(fā)具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對石油鉆井中常發(fā)生的粘滑振動(dòng)現(xiàn)象，提供一種抑制鉆桿粘滑振動(dòng)的系統(tǒng)及方法，采用本發(fā)明的系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地獲取實(shí)際鉆桿參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實(shí)際扭矩曲線及數(shù)值，能夠發(fā)出轉(zhuǎn)速命令來改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉(zhuǎn)速振蕩。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)中硬件連接復(fù)雜、系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)效果不理想的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明采取如下技術(shù)解決方案：

一種抑制鉆桿粘滑振動(dòng)的系統(tǒng)，包括：

——被控對象，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的齒輪箱，以及由齒輪箱帶動(dòng)的鉆桿和鉆具組合，用于實(shí)現(xiàn)石油鉆井；

——變頻器，包括PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和調(diào)速的工作狀態(tài)，并設(shè)定電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，變頻器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)反饋至控制單元；

——控制單元，包括抑制鉆桿粘滑控制器，抑制鉆桿粘滑控制器用于對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整，抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉(zhuǎn)速振蕩；

——人機(jī)交互裝置，包括ARM芯片，完成控制單元的數(shù)據(jù)管理、人機(jī)操控；

——CAN總線，用于實(shí)現(xiàn)變頻器與控制單元的自由通信；

所述變頻器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與由齒輪箱帶動(dòng)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(jī)交互裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述抑制鉆桿粘滑控制器包括主動(dòng)阻尼控制器，主動(dòng)阻尼控制器包括估計(jì)器和控制器，變頻器分別與估計(jì)器和控制器相連，將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實(shí)際扭矩傳輸?shù)焦烙?jì)器和控制器；估計(jì)器與控制器相連，將鉆頭轉(zhuǎn)速估計(jì)值和鉆桿扭矩估計(jì)值傳輸至控制器；控制器與變頻器相連，將限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳輸至變頻器；變頻器與被控對象連接，將電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速和限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速的疊加轉(zhuǎn)速傳輸至被控對象。

根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，所述抑制鉆桿粘滑控制器包括內(nèi)模控制器，內(nèi)模控制器包括前饋內(nèi)模控制器、乘法器和反饋濾波器，前饋內(nèi)模控制器與變頻器統(tǒng)相連，內(nèi)模控制器將得到電機(jī)期望轉(zhuǎn)速和輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速分別輸出至變頻器和乘法器，變頻器和乘法器的輸出量經(jīng)反饋濾波器連接至前饋內(nèi)模控制器；變頻器與被控對象連接，將電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速和限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速的疊加轉(zhuǎn)速傳輸至被控對象。