[發明專利]基于中立模型的鉆柱系統的粘滑振動抑制方法及系統

有效

• 申請號: 201710787816.7
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107450322B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 吳敏;程軍;陸承達;陳鑫;曹衛華
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 龔春來

本發明提出了一種基于中立模型的鉆柱系統的粘滑振動抑制方法及系統，針對分布參數模型描述的鉆柱系統進行簡化，得到中立時滯模型，在此基礎上構造了基于等價輸入干擾方法的粘滑振動抑制控制系統，建立控制系統的標準化狀態空間方程模型，緊接著構造合適的李雅普諾夫泛函，給出線性矩陣不等式形式的系統穩定性判據；通過求解解線性矩陣不等式的可行性問題，得到振動抑制控制系統設計參數，最后來抑制粘滑振動。本發明不需要考慮具體的擾動模型，只需對擾動進行估計，從而快速消除擾動帶來的影響，特別對于深部鉆探下的復雜地層環境，存在著鉆頭?巖石作用率不明確甚至不可知的實際情況，仍能起到很好的擾動抑制效果。

技術領域

本發明涉及資源開發的鉆進系統領域，更具體地說，涉及一種基于中立模型的鉆柱系統的粘滑振動抑制方法及系統。

背景技術

當今時代，資源能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎，以石油為主的三大能源物質不僅為全人類提供能源，同時也作為重要的化工原料服務于社會。由此可見，資源能源在當代社會中占據著不可替代的地位。立足于國情，我國傳統重要礦產資源查明程度平均為30.3％，礦產資源勘探深度平均只有500m，油氣開采深度平均也不足4500m。按照礦產資源勘探深度500m以上、油氣開采深度4500m以上來界定深部鉆探，我國深層石油資源與天然氣資源分別占剩余石油資源與剩余天然氣資源的40％和60％左右；同時我國的非常規能源如頁巖氣、煤層氣、地熱等儲量豐富。因此，隨著淺層資源的日益枯竭以及常規能源的開發難以滿足需求，深部勘探和非常規資源能源的開發成為必然。

然而在鉆進過程中，由于鉆進系統受到摩擦、信息傳播時延、非線性阻尼等不同因素的影響，使得鉆柱產生軸向、橫向以及扭矩方向的振動。在這些振動中，粘滑振動存在于50％以上的鉆進時間，是最為廣泛、危害性最大的一類。因此，進行鉆柱粘滑振動的研究，對于保持鉆進過程的穩定、提高鉆進的效率、提升鉆進的安全等都有很大的安全與經濟意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對上述的現有技術中粘滑振動對鉆進系統存在影響的技術缺陷，提供了一種基于中立模型的鉆柱系統的粘滑振動抑制方法及系統。

根據本發明的其中一方面，本發明為解決其技術問題，提供了一種基于中立模型的鉆柱系統的粘滑振動抑制方法，包括以下步驟：

S1、基于鉆柱系統的微單元的動力學模型，使用偏微分方程對鉆柱系統進行建模，得到鉆柱系統的分布參數模型以及分布參數模型的邊界條件；

S2、結合所述邊界條件，使用達朗貝爾法求解所述分布參數模型，得到中立時滯微分方程；

S3、基于所述中立時滯微分方程，通過構造鉆柱系統模型、狀態觀測器、干擾估計器、狀態反饋以及內模，以形成粘滑振動抑制控制系統；其中，在構造過程中，通過構建狀態觀測器觀測鉆柱系統狀態，結合低通濾波器來進行干擾估計器的擾動估計，并將估計的信號作用在輸入端，同時結合狀態反饋和內模實現對給定輸入的跟蹤；

S4、使用狀態空間方程對該粘滑振動抑制控制系統進行描述，得到標準的時滯系統，接著構造李雅普諾夫泛函，給出線性矩陣不等式形式的系統穩定性判據，求解線性矩陣不等式的可行性問題，得到振動抑制控制系統的設計參數，根據具有所述設計參數的粘滑振動抑制控制系統來控制鉆柱系統的運行。

優選的，在上述的粘滑振動抑制方法的步驟S1中：

鉆柱系統的分布參數模型通過下述方法得到：將鉆柱考慮成由無限多的具有轉動慣量和扭轉剛度的微小單元組成的系統，考慮鉆柱上任意質點在任意時刻的位移，使用偏微分方程描述鉆柱系統，得到鉆柱系統分布參數模型；

所述邊界條件包括頂部邊界條件以及底部邊界條件；

頂部邊界條件通過下述方法確定：對于鉆柱頂部，轉盤驅動電機的輸出轉速往往與頂部鉆柱的轉速難以完全相同，這種速度差異會導致鉆柱頂部的產生扭轉力，由此確定頂部邊界條件；