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，涉及一種基于內(nèi)模控制法、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)動不確定，容易發(fā)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(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。

針對粘滑振動，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)生的粘滑振動現(xiàn)象，提供一種基于內(nèi)模控制法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)及方法，采用本發(fā)明的系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地獲取實際鉆桿參數(shù)，實時顯示電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩曲線及數(shù)值，能夠發(fā)出轉(zhuǎn)速命令來控制驅(qū)動電機(jī)，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、實現(xiàn)效果不理想的問題。

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

一種基于內(nèi)模控制法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)，包括：

——被控對象，包括驅(qū)動電機(jī)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(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)動電機(jī)的啟動、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)動電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)反饋至控制單元；

——控制單元，包括內(nèi)模控制器，內(nèi)模控制器用于將驅(qū)動電機(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，用于實現(xiàn)變頻器與控制單元的自由通信；

所述變頻器與驅(qū)動電機(jī)相連，驅(qū)動電機(jī)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(jī)交互裝置。

進(jìn)一步地，所述內(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)模控制器分別與變頻器和乘法器相連，變頻器分別連接被控對象、乘法器和反饋濾波器，反饋濾波器連接至前饋內(nèi)模控制器。

前饋內(nèi)模控制器根據(jù)變頻器PLC控制系統(tǒng)設(shè)定的電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速得到電機(jī)期望轉(zhuǎn)速和輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速，輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速輸出至變頻器，電機(jī)期望轉(zhuǎn)速輸出至乘法器，變頻器的輸出量電機(jī)實際扭矩和乘法器的輸出量電機(jī)期望扭矩二者的差值經(jīng)反饋濾波器傳輸至前饋內(nèi)模控制器進(jìn)行循環(huán)；同時，將輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳輸至變頻器，并用最大轉(zhuǎn)速來對輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速進(jìn)行限幅，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)速共同控制鉆桿和鉆具組合的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，抑制鉆桿粘滑振動。

相應(yīng)地，本發(fā)明進(jìn)而給出了內(nèi)模控制法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)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(tǒng)給出設(shè)定的電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，傳輸至被控對象，驅(qū)動鉆桿起轉(zhuǎn)；

2)變頻器通過CAN總線將電機(jī)實際扭矩傳輸至控制單元；

3)同時，人機(jī)交互裝置將鉆桿和鉆具組合結(jié)構(gòu)信息傳輸至控制單元；

4)控制單元將獲取電機(jī)實際扭矩和鉆桿和鉆具組合結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速，，并用最大轉(zhuǎn)速來對輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速進(jìn)行限幅；

5)控制單元通過CAN總線將限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳輸至變頻器，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)速共同控制鉆桿和鉆具組合的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，抑制鉆桿粘滑振動；