發(fā)布時間：2021-08-08 02:36

　　鉆柱黏滑振動是導(dǎo)致鉆井設(shè)備加速磨損、鉆井安全性下降以及鉆井效率降低的重要原因之一。針對鉆柱的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動,建立了鉆柱、鉆桿、BHA及鉆頭4自由度鉆柱系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模型。該模型考慮了扭轉(zhuǎn)自由度、鉆柱阻尼以及巖石與鉆頭相互作用的高度非線性摩擦;通過對鉆柱模型進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析了鉆井參數(shù)對黏滑振動的影響;為了抑制鉆柱黏滑振動,設(shè)計(jì)了一種分?jǐn)?shù)階PID控制器。研究結(jié)果表明:分?jǐn)?shù)階PID控制器能夠快速穩(wěn)定系統(tǒng),縮短調(diào)節(jié)時間,有效抑制鉆柱黏滑振動,它對黏滑振動的抑制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。研究結(jié)果對抑制鉆柱黏滑振動研究具有參考意義,對降低鉆井工具損害、提高鉆井效率以及增強(qiáng)作業(yè)安全性有重要的指導(dǎo)意義。 

【文章來源】：石油機(jī)械. 2020,48(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

圖2 分?jǐn)?shù)階PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

由圖3可得，改進(jìn)的Oustaloup濾波器在感興趣頻段內(nèi)的擬合效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Oustaloup濾波器，并且改進(jìn)的濾波器在端點(diǎn)處的擬合效果更佳，與原始曲線非常接近，因此使用改進(jìn)的Oustaloup濾波器近似法。筆者將改進(jìn)的濾波器封裝為分?jǐn)?shù)階微分算子模塊，再按照如圖2所示的分?jǐn)?shù)階PID控制器結(jié)構(gòu)框圖搭建仿真模型，這樣分?jǐn)?shù)階PID控制器就設(shè)計(jì)完成。3 仿真結(jié)果

對式(3)的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出，鉆柱處于明顯的黏滑振動狀態(tài)，轉(zhuǎn)盤、鉆桿、BHA及鉆頭各部分角速度都在周期性變化。圖4b中角位移從0開始增加，當(dāng)系統(tǒng)處于黏滯狀態(tài)時，角位移不變，處于滑動狀態(tài)時，角位移增加。鉆頭處的黏滑振動最嚴(yán)重，黏滯狀態(tài)與滑動狀態(tài)也非常明顯。由此也可證明本文的模型可以模擬鉆井系統(tǒng)的黏滑振動現(xiàn)象。為了抑制黏滑振動現(xiàn)象，首先分析鉆井參數(shù)的改變是否對黏滑振動有抑制作用。圖5表示當(dāng)鉆壓Wb保持不變，改變Tm時鉆頭角速度隨時間的變化曲線。由圖5可知:保持鉆壓Wb不變，將Tm由10.0 kN·m減小到9.5kN·m時，驅(qū)動扭矩不足以帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆頭處于黏著狀態(tài);當(dāng)Tm增加到10.5和11.2 k N·m時，鉆頭旋轉(zhuǎn)并趨于穩(wěn)定。由此可得，增加系統(tǒng)的驅(qū)動扭矩可以抑制鉆頭的黏滑振動，但是增加驅(qū)動扭矩會增加鉆機(jī)負(fù)載并使鉆機(jī)壽命縮短。圖5 Tm對鉆頭角速度的影響曲線

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3329041