扭转振动工具滑模控制降黏分析

发布时间：2020-12-15 11:04

　　在深部硬地层钻井领域,扭转振动工具具有破岩效果明显和抑制钻头黏滑的作用,但其相应的降黏机理和控制机理研究还不完善。为此,在现有通过扭转振动工具解决黏滑问题的基础之上,建立了钻柱系统的扭转振动方程,提出U1和U2两种滑模控制降黏方法,并在有工具作用时,结合理论方程、给定参数对两种控制方式的降黏效果进行了分析。结果表明:当存在参数摄动时,钻柱系统处于黏滑状态附近,参数的变化会导致钻柱系统的脆弱性,钻柱系统需要加以控制;两种滑模控制方式均能有效对钻柱的黏滑振动进行控制;通过对在不同条件下各控制器的控制性能、鲁棒性的对比可知,滑模控制方式U2整体控制性能较好,且滑模控制方式U2具有更强的鲁棒性,有利于提高钻柱系统的稳定性和可靠性。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020年14期 北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

钻柱系统的扭转振动模型

滑模控制是能够对钻柱系统进行鲁棒控制一种简单有效方法,其主要有滑模面、滑模控制器两部分组成[13]。本文中滑模面是一种双滑模面,一个控制转盘转速,另一个则控制钻头速度,使得钻头速度跟踪并达到转盘转速;滑模控制器由状态估计器和控制器两部分构成,状态估计器根据被控对象的扭矩和转速来估计此时被控对象的状态,控制器根据滑模控制原理计算出被控对象的所需扭矩。通过滑模控制,钻头速度、转盘速度与设定值之间的跟踪误差在滑模控制器作用下由滑模面之外向滑模面运动[14],一旦到达滑模面,滑模控制器最终将使转盘转速、钻头转速趋向于所设定的参数值,即为 θ ˙ b → θ ˙ r , θ ˙ r →Ω ,从而有效控制了钻柱系统的黏滑现象。滑模控制系统整体结构简图,如图2所示。考虑一般情况,设非线性系统为

从图3与图4可知,相同条件下,cpc与Jp分别单独存在摄动时,加入了扭转振动工具的钻柱系统均出现了黏滑现象,表明系统处于不稳定状态。由此可知,当由于某些原因,系统某些参数发生变化时,系统将出现与之前结果不同的状态,说明原始钻柱系统的鲁棒性较差,整体性能比较脆弱,尤其是当钻柱系统处于黏滑状态附近时,此时参数的变化及模型的误差将对系统的稳定性产生较大影响,故而必须对系统加以控制。由此,在设定的转盘转速下分别对各控制方式的降黏效果进行对比分析,以便分析更佳的控制方式,从而与扭转振动工具协作来共同抑制黏滑,使钻头能够迅速破岩。

【参考文献】：
期刊论文
[1]新型恒扭矩工具动力学模型与降黏机理研究[J]. 田家林,张堂佳,程文明,袁长福,杨琳,董燚,林晓月.  振动与冲击. 2018(19)
[2]钻柱黏滑振动动力学研究[J]. 吕苗荣,沈诗刚.  西南石油大学学报(自然科学版). 2014(06)
[3]试论深井钻井技术的发展现状[J]. 汪华成,董孟坤,王海涛,包成虎.  中国石油和化工标准与质量. 2014(10)
[4]变结构控制系统的品质控制[J]. 高为炳,程勉.  控制与决策. 1989(04)



本文编号：2918161