钻机旋转系统软扭矩自适应控制方法研究

发布时间：2020-09-24 22:31

　　随着钻井需求向深地层和深海地层的发展,开采难度不断增大,对钻井水平的要求也不断增加。目前,顶驱系统以其高效、稳定、安全等优点,已经被广泛应用于钻井作业中,然而在顶驱电机驱动下,井下钻头不可避免会产生粘滑振动,而粘滑振动不但会延长完井时间、缩短钻具寿命,还可能引发重大的安全事故。因此,为了防止钻机旋转系统出现粘滑振动现象,为了保障钻进效率,保护钻具设备,维护系统稳定,设计一套“软扭矩控制系统”十分重要。本文以钻机旋转系统为研究对象,首先,研究软扭矩控制系统的工作原理与流程,提出了软扭矩控制系统整体方案,并给出软扭矩系统控制方框图。其次,建立了系统中顶驱电机的数学模型,对目前使用的直接转矩控制系统进行研究,针对直接转矩控制系统的缺陷提出采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM),并对其进行了仿真分析。另外,通过对钻柱系统分析,建立了钻柱系统模型,并与顶驱电机系统联立,搭建了钻机旋转系统模型,仿真分析了在直接转矩控制系统下,粘滑振动的产生情况。最后,根据钻机旋转系统特性,分别设计了PID控制器、滑模变结构控制器和一阶积分滑模自适应控制器,在系统参数慢时变情况下,对比不同控制器的控制效果,验证了软扭矩控制系统的有效性。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE951;TP273.2
【部分图文】：

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发生严重的粘滑振动时，钻头会以高于顶驱电机的速度正转和导致钻杆旋转脱扣，钻井设备掉入井底，这需要花费很多时间钻进过程中的粘滑振动现象，不但大大增加了钻井时间，还会激发钻井事故。因此，为了避免这一现象，设计一种包含顶驱效钻柱系统集中模型的整体控制方案。为结合实际，所提出的定的钻杆刚度系数和阻尼参数。扭矩控制系统原理通过钻柱与井下加重钻杆、钻铤、钻头等设备相连，顶驱电机动井下设备旋转。目前，无论是陆地钻井还是海上平台，钻井，钻柱系统随着井深增加刚度系数降低，可以将顶驱与井下钻扭转弹簧，当底部钻头卡顿时，通过对顶驱电机转速的控制，量累积，达到避免发生粘滑振动问题，保持系统扭矩稳定。顶原理如图 2.1 所示。

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中国石油大学（北京）硕士学位论文表 3.3 逆变器开关时刻切换点与 N 的关系Table 3.3 The relationship between the switching point of the inverter switch and the NN 1 2 3 4 5 6Tcm1 TbTaTcTcm2Tcm33.3.2 SVPWM 模型仿真根据上文空间矢量脉宽调制技术原理，基于 Matlab/Simulink 对模型进行仿真，SVPWM 的 Simulink 仿真结构如图 3.3 所示。

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图 3.4 SVPWM 仿真波形Fig. 3.4 Simulation waveform of SVPWM由图 3.4 可以看出，这些比较值波形如马鞍形，故称为马鞍波，取频率较大的等腰三角波作为载波，与 SVPWM 产生的马鞍波进行比较，就可以获得幅值相等，宽度按正弦波变化的脉冲序列，将脉冲序列输入到逆变器中，从而使逆变器产生与参考电压相同的电压波形。为了验证SVPWM技术的准确性，结合3.1节电机方程，将同种电压信号分为两路，一路直接输入给电机模型，获得仿真转速曲线，另一路经过SVPWM和逆变器对电压进行处理后同样输入给电机模型，获得经SVPWM调制后的仿真转速曲线，分析比较两条曲线的变化规律与输出差值。仿真系统如图3.5所示。

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