在石油鉆井作業(yè)中,由于鉆井設(shè)備與井壁井底巖石之間等摩擦,會(huì)產(chǎn)生各種各樣等振動(dòng),這些振動(dòng)分為:橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。其中扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)鉆井作業(yè)的危害最大,而鉆柱粘滑振動(dòng)就屬于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。粘滑振動(dòng)是一種鉆頭粘滯,滑動(dòng),再粘滯,再滑動(dòng)的往復(fù)性振動(dòng)形式,如果不加以抑制,則會(huì)造成很嚴(yán)重的鉆井事故,例如鉆柱粘滑振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鉆井設(shè)備加速磨損,鉆井安全性下降,鉆井效率降低和鉆井周期延長(zhǎng)等不利影響。所以對(duì)鉆柱粘滑振動(dòng)的抑制研究非常重要。本文為抑制鉆柱粘滑振動(dòng),建立了轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆桿、BHA和鉆頭四自由度鉆柱系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模型,模型考慮了扭轉(zhuǎn)自由度,鉆柱阻尼和巖石鉆頭相互作用等高度非線性摩擦;通過(guò)數(shù)學(xué)軟件MATLAB和Simulink仿真模塊對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)還原了實(shí)際鉆井過(guò)程中產(chǎn)生等粘滑振動(dòng)現(xiàn)象,并分析了鉆井參數(shù)對(duì)粘滑振動(dòng)等影響;為了抑制鉆柱粘滑振動(dòng),設(shè)計(jì)了一種分?jǐn)?shù)階PI^λD^μ（FOPID）控制器,為了凸顯分?jǐn)?shù)階PI^λD^μ控制器的控制效果,加入了整數(shù)階PID控制器進(jìn)行比較,在模型中加入分?jǐn)?shù)階PI^λ... 

【文章來(lái)源】：西安石油大學(xué)陜西省

【文章頁(yè)數(shù)】：60 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鉆井系統(tǒng)的基本組成

第二章鉆柱粘滑振動(dòng)的機(jī)理分析11鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是引起鉆柱粘滑振動(dòng)的主要原因，當(dāng)井底巖石與井下鉆頭的摩擦力矩大于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)鉆柱傳遞到鉆頭的驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)，鉆頭會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，也稱為粘滯狀態(tài)，在粘滯狀態(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)一直在旋轉(zhuǎn)，并且?guī)?dòng)著方鉆桿和鉆柱一直轉(zhuǎn)動(dòng)，由于井下鉆頭一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致此時(shí)鉆柱處于上半部分旋轉(zhuǎn)而下半部分不動(dòng)的扭曲狀態(tài)，而經(jīng)由鉆柱傳遞到井下鉆頭的驅(qū)動(dòng)扭矩不斷的積累到鉆頭上，時(shí)間越長(zhǎng)，積聚在鉆頭上的驅(qū)動(dòng)扭矩就會(huì)越大，當(dāng)鉆頭上積累的驅(qū)動(dòng)扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于井下巖石與鉆頭摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩時(shí)，鉆頭就會(huì)突破粘滯，進(jìn)而高速旋轉(zhuǎn)切割巖石并回到原始狀態(tài)后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到速度為零，此過(guò)程稱為滑動(dòng)狀態(tài)。如此循環(huán)，不斷地產(chǎn)生粘滯與滑動(dòng)現(xiàn)象。鉆柱的粘滑振動(dòng)示意圖如圖2-2所示。圖2-2鉆柱粘滑振動(dòng)示意圖圖2-2中，ω0為鉆柱的角速度，ωr為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)的角速度，ωb為鉆頭的角速度。圖中鉆柱的角速度ω0始終與轉(zhuǎn)盤(pán)的角速度ωr相等，當(dāng)井下巖石與鉆頭之間的摩擦力矩大于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)傳遞到鉆頭的驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)，鉆頭的角速度為零，即ωb=0，鉆頭由于無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而處于粘滯狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)的角速度不變，還為ωr；而轉(zhuǎn)盤(pán)與鉆柱此時(shí)還在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，由鉆柱傳遞到鉆頭上的驅(qū)動(dòng)扭矩也一直積聚在鉆頭上，當(dāng)積聚在鉆頭上的驅(qū)動(dòng)扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆頭與巖石間的摩擦力矩時(shí)，鉆頭角速度由零開(kāi)始快速增加到最大值，鉆頭擺脫粘滯狀態(tài)，此時(shí)鉆頭與巖石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為滑動(dòng)狀態(tài)，且ωb>ωr；當(dāng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)回到正常狀態(tài)后，積聚在鉆頭上的驅(qū)動(dòng)扭矩慢慢釋放，又會(huì)小于鉆頭與巖石之間產(chǎn)生的摩擦力矩，此時(shí)鉆頭的角速度ωr=0，鉆頭又處于粘滯狀態(tài)。如此反復(fù)出現(xiàn)粘滯與滑動(dòng)過(guò)程，即為鉆柱的粘滑振動(dòng)現(xiàn)象。

第三章鉆柱系統(tǒng)的建模13第三章鉆柱系統(tǒng)的建模在上一章中對(duì)鉆柱系統(tǒng)的組成及各種原理進(jìn)行了描述，本章主要講述鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立。由于鉆柱系統(tǒng)的復(fù)雜程度過(guò)高，其動(dòng)力學(xué)模型的建立難度過(guò)大，但為了能對(duì)鉆柱系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，必須先對(duì)鉆柱系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，合理的簡(jiǎn)化不會(huì)影響對(duì)鉆柱系統(tǒng)的分析，所以對(duì)簡(jiǎn)化后的鉆柱系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模是可取的。對(duì)鉆柱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化通常會(huì)分為低自由度和多自由度模型，研究領(lǐng)域大多將其簡(jiǎn)化為兩自由度和四自由度，兩自由度一般分為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)和鉆頭兩部分，四自由度一般包含旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆桿、井底鉆具組合（BHA）和井底鉆頭四部分。本章將鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)化為四自由度模型，分別對(duì)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆桿、BHA和井底鉆頭建立動(dòng)力學(xué)方程。3.1鉆柱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化鉆柱系統(tǒng)主要由井架、天車、游車、大鉤、方鉆桿、絞車、轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆桿、鉆鋌和鉆頭組成，為了便于鉆柱粘滑振動(dòng)的研究，將鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)化為四個(gè)部分：（1）轉(zhuǎn)盤(pán)；（2）鉆桿；（3）BHA；（4）鉆頭。在此需要給出以下幾個(gè)假設(shè)條件：（1）該鉆柱系統(tǒng)必須處于垂直井中；（2）不考慮鉆柱的橫向振動(dòng)軸向振動(dòng)；（3）不考慮鉆桿與井壁之間的摩擦阻力對(duì)鉆井過(guò)程的影響；（4）不考慮鉆井液對(duì)鉆柱產(chǎn)生的影響；（5）對(duì)井下巖石的強(qiáng)度變化忽略不計(jì)。根據(jù)以上五條假設(shè)條件，鉆柱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖3-1所示。圖3-1鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3524726