[发明专利]一种抑制钻柱黏滑振动的控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种抑制钻柱黏滑振动的控制方法及系统，方法为：设定转盘的期望转速，并抑制扰动信号，所述扰动信号至少包括钻井液阻尼信号、钻柱与井壁接触产生的摩阻和噪声信号，将抑制扰动信号后的期望转速反馈至驱动系统上；获取被控对象转速的估计值，判断是否产生钻柱黏滑振动，若产生钻柱黏滑振动，则获取抑制扰动信号后的期望转速与被控对象转速的估计值的误差；在所述消除扰动信号后的期望转速的基础上消除所述误差，形成辅给定转速，将辅给定转速反馈至驱动系统，驱动系统将辅给定转速转化为钻杆扭矩。本发明考虑了井下多因素对钻柱黏滑振动的影响，如井下涡动、钻井液阻尼和井下噪音，并将之视为扰动信号，使钻柱黏滑振动的研究更加准确，更贴近井下实际工况。

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程技术领域，具体涉及钻井工程技术。

背景技术

钻柱黏滑振动是加快钻井设备疲劳损毁和降低钻进效率的重要原因，被控对象与岩石接触产生的非线性摩阻是导致黏滑振动的主要原因，其他井下因素也会影响钻柱黏滑振动，如钻柱与井壁接触产生的摩阻和井下钻井液阻尼，这些井下因素无法被忽略。当发生黏滑振动时，被控对象将处于粘滞与滑脱交替状态，被控对象粘滞时，被控对象角速度为零，但顶驱仍继续为井下钻具提供扭矩，产生的扭转能量蓄集在钻杆和BHA上从而引起钻具组合的疲劳损毁，被控对象滑脱时，被控对象的角速度瞬间达到顶驱转速的2-3倍，易造成被控对象的损毁。故研究抑制黏滑振动的控制方法不仅能降低安全事故的产生还能在一定程度上缩短工期经费、保证钻井轨迹的平滑。

根据单因素对钻柱黏滑振动系统的动力学行为影响研究，得出抑制钻柱黏滑振动的方法：(1)增大转盘、钻铤转动惯量；(2)减少钻杆与被控对象的转动惯量；(3)降低钻铤的刚度；(4)调整钻压与转速。

目前已有井下实际情况提出抑制钻柱黏滑振动的模型和控制方法，然而现有技术仍然只涉及单因素对钻柱黏滑振动的影响，并没有将钻柱与井壁接触产生的摩阻和井下钻井液阻尼等因素考虑进行，研究者提出的控制算法的反馈量含井下钻具组合的实际数据，这些数据不能直接获取而是通过运动方程估计得到。一些抑制钻柱黏滑振动的研究建立在仿真模型上，对于变频器和驱动电机的控制则没有涉及，无法应用于工程实际。

国内有关钻柱黏滑振动的抑制方法与智能控制结合较少，有关钻柱黏滑振动的抑制研究文献中对多因素影响钻柱黏滑振动的研究不够充分，而这些干扰因素也不能忽略。

例如已有现有技术提出了基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法，控制方法采用诊断钻柱黏滑振动的算法、控制器辅给定转速控制算法和变频器嵌入的比例积分控制算法，控制器调节变频器辅给定转速指令ωau并反馈至变频器构成闭环反馈控制系统，变频器PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器双闭环反馈控制，进一步抑制钻柱黏滑振动。然而该技术并没有综合其他井下因素考虑对被控对象转速的影响，如钻井液黏滞阻力、噪音、被控对象与井壁之间的摩擦阻力等，容易导致反馈至变频器的结果失真的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种抑制钻柱黏滑振动的控制方法，以解决现有技术未考虑复杂的井下环境因素使得控制结果失真的问题；目的之二在于提供一种抑制钻柱黏滑振动的系统，基于上述方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

设定转盘的期望转速，抑制扰动信号，将抑制扰动信号后的期望转速反馈至驱动系统上，所述扰动信号至少包括钻井液阻尼信号钻柱与井壁接触产生的摩阻和噪声信号；

获取被控对象转速的估计值和转矩的估计值，判断是否产生钻柱黏滑振动，若产生钻柱黏滑振动，则进行调节，具体的：将实际电机转速和转矩输入FOPID控制器中，得到辅给定转速，将所述消除扰动信号后的期望转速与辅给定转速相叠加，成为总的转速设定值，反馈至驱动系统，控制驱动电机转速，所述被控对象为转盘、钻杆、BHA和钻头；

再一次检验是否发生钻柱黏滑振动，若是则继续进行调节，直至不发生钻柱黏滑振动。