分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

发布时间：2021-08-08 02:36

　　钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。 

【文章来源】：石油机械. 2020,48(03)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图2 分数阶PID控制器结构框图

由图3可得，改进的Oustaloup滤波器在感兴趣频段内的拟合效果明显优于传统Oustaloup滤波器，并且改进的滤波器在端点处的拟合效果更佳，与原始曲线非常接近，因此使用改进的Oustaloup滤波器近似法。笔者将改进的滤波器封装为分数阶微分算子模块，再按照如图2所示的分数阶PID控制器结构框图搭建仿真模型，这样分数阶PID控制器就设计完成。3 仿真结果

对式(3)的仿真结果如图4所示。由图4a可以看出，钻柱处于明显的黏滑振动状态，转盘、钻杆、BHA及钻头各部分角速度都在周期性变化。图4b中角位移从0开始增加，当系统处于黏滞状态时，角位移不变，处于滑动状态时，角位移增加。钻头处的黏滑振动最严重，黏滞状态与滑动状态也非常明显。由此也可证明本文的模型可以模拟钻井系统的黏滑振动现象。为了抑制黏滑振动现象，首先分析钻井参数的改变是否对黏滑振动有抑制作用。图5表示当钻压Wb保持不变，改变Tm时钻头角速度随时间的变化曲线。由图5可知:保持钻压Wb不变，将Tm由10.0 kN·m减小到9.5kN·m时，驱动扭矩不足以带动钻头旋转，钻头处于黏着状态;当Tm增加到10.5和11.2 k N·m时，钻头旋转并趋于稳定。由此可得，增加系统的驱动扭矩可以抑制钻头的黏滑振动，但是增加驱动扭矩会增加钻机负载并使钻机寿命缩短。图5 Tm对钻头角速度的影响曲线

【参考文献】：
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本文编号：3329041