[发明专利]一种基于主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井、地质勘探等技术领域，涉及一种基于主动阻尼法、总线通信技术和人机交互技术来抑制钻杆粘滑振动的系统及方法。

背景技术

石油钻井过程中由于地层复杂、钻杆运动不确定，容易发生钻杆振动，包括钻杆的横向振动、轴向振动和粘滑振动。其中，粘滑振动是由于钻头与地层的摩擦力矩引起的扭矩振荡，钻头速度或停或转，瞬间转速非常大，易造成钻杆和钻头的性能恶化；该现象不仅影响钻井效率也威胁到钻井的安全，因此需要采取合理的方法来抑制粘滑振动。

针对粘滑振动，减振途径和措施主要有：(1)增大顶部转速；(2)增大系统等效扭转刚度；(3)增大系统等效阻尼；(4)顶部扭矩负反馈。

目前国外已经开发了一些抑制粘滑振动的方法和系统。

2004年Navarro-Lo′pez和Suarez-Cortez提出在钻杆底部安装减振器；2000年，Richardson和Küttel提出了在钻具组合上安装液压扭矩驱动系统。但是这些方法都增加了钻杆系统的复杂性和成本，且使用时不具有通用性。

1988年Halsey，Kyllingstad和Kylling提出了钻杆扭矩负反馈的方法；2005年Canudas-de-Wit et al提出了钻井振动克星Drilling Oscillation Killer(D-OSKIL)，它利用钻头上的重量作为附加的控制参数。这些方法有的并不成熟，使用效果也并不十分理想。国内目前在领域的研究还比较欠缺，所以这方面的研究开发具有很好的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对石油钻井中常发生的粘滑振动现象，提供一种基于主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法，采用本发明的系统，能够准确地获取实际钻杆参数，实时显示电机实际转速和电机实际扭矩的数值，能够发出转速命令来控制驱动电机的转速，从而抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡。该系统解决了现有技术中硬件连接复杂、系统工作不稳定、实现效果不理想的问题。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

一种基于主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统，包括：

——被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合，用于实现石油钻井；

——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态反馈至控制单元；

——控制单元，包括主动阻尼控制器，用于对驱动电机的当前状态进行控制，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡；

——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控；

——CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信。

所述变频器与驱动电机相连，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，变频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装置。

进一步地，所述主动阻尼控制器包括估计器和控制器，估计器与控制器相连，控制器连接至变频器，变频器分别连接被控对象、估计器和控制器。

相应地，本发明进而给出了主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统的控制方法，该方法包括下述步骤：

1)变频器通过PLC控制系统给出设定的电机主给定转速，传输至被控对象，驱动钻杆起转；

2)变频器通过CAN总线将电机实际转速和电机实际扭矩传输至控制单元；

3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；

4)控制单元对获取的电机实际转速和电机实际扭矩和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运算，得到辅给定优化转速，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅；

5)控制单元通过CAN总线将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动；

6)同时，人机交互装置实时地保存和显示电机实际转速和电机实际扭矩数据。

进一步地，所述控制单元的优化运算是通过下述方法来实现的：

a)构建估计器，估计器根据电机转速和电机扭矩实时地获取钻头转速估计值和钻杆扭矩估计值，估计器通过二阶扰动模型来得到钻杆扭矩估计值和钻头转速估计值；

b)控制器将电机扭矩和所述钻杆扭矩估计值与变频器PLC控制系统设定的电机主给定转速进行比较运算，得到辅给定优化转速。

进一步地，所述通过二阶扰动模型得到钻杆扭矩估计值和钻头转速估计值的方法如下：