鉆柱黏滑振動(dòng)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(duì)鉆柱的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(guò)對(duì)鉆柱模型進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析了鉆井參數(shù)對(duì)黏滑振動(dòng)的影響;為了抑制鉆柱黏滑振動(dòng),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(shí)間,有效抑制鉆柱黏滑振動(dòng),它對(duì)黏滑振動(dòng)的抑制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。研究結(jié)果對(duì)抑制鉆柱黏滑振動(dòng)研究具有參考意義,對(duì)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(lái)源】：石油機(jī)械. 2020,48(03)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【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(duì)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(dòng)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(kāi)始增加，當(dāng)系統(tǒng)處于黏滯狀態(tài)時(shí)，角位移不變，處于滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，角位移增加。鉆頭處的黏滑振動(dòng)最嚴(yán)重，黏滯狀態(tài)與滑動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象。為了抑制黏滑振動(dòng)現(xiàn)象，首先分析鉆井參數(shù)的改變是否對(duì)黏滑振動(dòng)有抑制作用。圖5表示當(dāng)鉆壓Wb保持不變，改變Tm時(shí)鉆頭角速度隨時(shí)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(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩不足以帶動(dòng)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(shí)，鉆頭旋轉(zhuǎn)并趨于穩(wěn)定。由此可得，增加系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)扭矩可以抑制鉆頭的黏滑振動(dòng)，但是增加驅(qū)動(dòng)扭矩會(huì)增加鉆機(jī)負(fù)載并使鉆機(jī)壽命縮短。圖5 Tm對(duì)鉆頭角速度的影響曲線

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3329041