[發明專利]一種診斷鉆柱黏滑振動的觀測方法

有效

• 申請號: 201810872891.8
• 申請日: 2018-08-02
• 公開（公告）號: CN109138973B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 付蒙;李江紅;任嬌;劉科峰;馬鵬剛;宋叔飚;張文龍;侯媛媛;冀曉翔
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: E21B44/04
• 分類號: E21B44/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明特別公開了一種診斷鉆柱黏滑振動的觀測方法，以鉆進系統的電機驅動轉速實際值和電機驅動扭矩實際值為輸入，即可估計電機驅動轉速、鉆柱扭矩和井底鉆具組合轉速。觀測方法包括：通過鉆進系統的變頻器直接獲取電機驅動轉速，通過鉆進系統的變頻器直接獲取電機驅動扭矩，設計二階擾動模型獲取鉆柱扭矩估計值，通過旋轉臺動力學獲取電機驅動轉速估計值，通過鉆柱動力學獲取井底鉆具組合轉速估計值，狀態觀測器根據獲得的鉆柱扭矩估計值和井底鉆具組合轉速估計值，診斷鉆柱黏滑振動現象是否發生。本發明可以診斷井下幾千米鉆具組合的運動規律和鉆柱扭矩的大小。

技術領域

本發明屬于石油天然氣勘探與開發技術領域，特別涉及一種診斷鉆柱黏滑振動的觀測方法。

背景技術

石油、天然氣的勘探與開發，主要由鉆進系統完成。鉆進系統主要包括變頻器、驅動電機、鉆柱和井底鉆具組合等。由于鉆柱需要深入地下幾千米、井底鉆具組合轉動慣量小及非線性摩擦力的存在，鉆進系統容易出現鉆柱黏滑振動現象。鉆柱黏滑振動現象主要表現為，驅動電機為鉆柱提供恒定扭矩，電機驅動轉速低幅振動，井底鉆具組合出現“滑動—黏滯—滑動”并交替出現。鉆柱黏滑振動導致井底鉆具組合瞬間轉速非常大，容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。

井底鉆具組合位于地下幾千米，所處的環境惡劣。如果在安裝井底鉆具組合傳感器，易損壞，造價極高。因此無法直接獲取井底鉆具組合的運動狀態和鉆柱扭矩的大小，也就難以判斷井底是否發生黏滑振動現象。如果不能實時診斷鉆柱黏滑振動現象，容易導致嚴重的鉆井事故。

與此同時，在鉆柱黏滑振動控制領域，只有電機驅動轉速可測，無法獲取鉆進系統井下的狀態，也就無法完成全維控制器的設計。

發明內容

針對上述背景技術存在的缺陷或不足，本發明的目的在于提供一種診斷鉆柱黏滑振動的觀測方法，用于解決現有技術中無法直接獲取井下鉆進系統狀態的問題。采用本發明的系統能夠估計井底鉆具組合轉速(鉆頭轉速)，估計鉆柱扭矩，診斷鉆柱黏滑振動的發生。

為了實現上述技術方案，本發明采取如下技術解決方案：

本發明一種診斷鉆柱黏滑振動的觀測方法，包括下述步驟：

1)通過鉆進系統的變頻器直接獲取電機驅動轉速；

2)通過鉆進系統的變頻器直接獲取電機驅動扭矩；

3)設計二階擾動模型獲取鉆柱扭矩估計值；

4)通過鉆柱頂端旋轉臺動力學獲取電機驅動轉速估計值；

5)通過鉆柱底端動力學獲取井底鉆具組合轉速估計值；

6)狀態觀測器根據獲得的鉆柱扭矩估計值和井底鉆具組合轉速估計值，以鉆進系統的電機驅動轉速和電機驅動扭矩為輸入，以電機驅動轉速估計值、鉆柱扭矩估計值和井底鉆具組合轉速估計值為輸出，診斷鉆柱黏滑振動現象是否發生；

7)當鉆柱扭矩估計值發生不穩定波動、井底鉆具組合周期性交替出現滑動—黏滯—滑動時，即鉆進系統發生了鉆柱黏滑振動。

進一步，所述步驟3)中，鉆柱扭矩估計值通過二階擾動模型獲取：

式中，T為鉆柱扭矩，為鉆柱扭矩估計值，為鉆柱扭矩估計值的導數，為鉆柱扭矩導數的估計值，為鉆柱扭矩導數估計值的導數，ω₁為電機驅動轉速，為電機驅動轉速估計值，i為減速比，K₂和K₃為估計器增益系數。

進一步，所述步驟4)中，電機驅動轉速估計值：