钻柱粘滑振动的机理分析及其抑制的研究
发布时间：2021-11-28 16:06
在石油钻井作业中,由于钻井设备与井壁井底岩石之间等摩擦,会产生各种各样等振动,这些振动分为:横向振动、纵向振动和扭转振动。其中扭转振动对钻井作业的危害最大,而钻柱粘滑振动就属于扭转振动。粘滑振动是一种钻头粘滞,滑动,再粘滞,再滑动的往复性振动形式,如果不加以抑制,则会造成很严重的钻井事故,例如钻柱粘滑振动会导致钻井设备加速磨损,钻井安全性下降,钻井效率降低和钻井周期延长等不利影响。所以对钻柱粘滑振动的抑制研究非常重要。本文为抑制钻柱粘滑振动,建立了转盘、钻杆、BHA和钻头四自由度钻柱系统扭转模型,模型考虑了扭转自由度,钻柱阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦;通过数学软件MATLAB和Simulink仿真模块对系统模型进行仿真实验,实验还原了实际钻井过程中产生等粘滑振动现象,并分析了钻井参数对粘滑振动等影响;为了抑制钻柱粘滑振动,设计了一种分数阶PIλDμ（FOPID）控制器,为了凸显分数阶PIλDμ控制器的控制效果,加入了整数阶PID控制器进行比较,在模型中加入分数阶PIλ...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钻井系统的基本组成
第二章钻柱粘滑振动的机理分析11钻柱扭转振动是引起钻柱粘滑振动的主要原因，当井底岩石与井下钻头的摩擦力矩大于旋转转盘通过钻柱传递到钻头的驱动扭矩时，钻头会出现卡顿现象，也称为粘滞状态，在粘滞状态时，旋转转盘一直在旋转，并且带动着方钻杆和钻柱一直转动，由于井下钻头一直处于静止状态，导致此时钻柱处于上半部分旋转而下半部分不动的扭曲状态，而经由钻柱传递到井下钻头的驱动扭矩不断的积累到钻头上，时间越长，积聚在钻头上的驱动扭矩就会越大，当钻头上积累的驱动扭矩远远大于井下岩石与钻头摩擦产生的摩擦力矩时，钻头就会突破粘滞，进而高速旋转切割岩石并回到原始状态后继续旋转到速度为零，此过程称为滑动状态。如此循环，不断地产生粘滞与滑动现象。钻柱的粘滑振动示意图如图2-2所示。图2-2钻柱粘滑振动示意图图2-2中，ω0为钻柱的角速度，ωr为旋转转盘的角速度，ωb为钻头的角速度。图中钻柱的角速度ω0始终与转盘的角速度ωr相等，当井下岩石与钻头之间的摩擦力矩大于旋转转盘传递到钻头的驱动扭矩时，钻头的角速度为零，即ωb=0，钻头由于无法转动而处于粘滞状态，此时转盘的角速度不变，还为ωr；而转盘与钻柱此时还在继续转动，由钻柱传递到钻头上的驱动扭矩也一直积聚在钻头上，当积聚在钻头上的驱动扭矩远远大于钻头与岩石间的摩擦力矩时，钻头角速度由零开始快速增加到最大值，钻头摆脱粘滞状态，此时钻头与岩石的运动状态为滑动状态，且ωb>ωr；当钻头高速旋转回到正常状态后，积聚在钻头上的驱动扭矩慢慢释放，又会小于钻头与岩石之间产生的摩擦力矩，此时钻头的角速度ωr=0，钻头又处于粘滞状态。如此反复出现粘滞与滑动过程，即为钻柱的粘滑振动现象。
第三章钻柱系统的建模13第三章钻柱系统的建模在上一章中对钻柱系统的组成及各种原理进行了描述，本章主要讲述钻柱系统动力学模型的建立。由于钻柱系统的复杂程度过高，其动力学模型的建立难度过大，但为了能对钻柱系统进行系统分析，必须先对钻柱系统进行结构简化，合理的简化不会影响对钻柱系统的分析，所以对简化后的钻柱系统进行动力学建模是可取的。对钻柱系统的结构简化通常会分为低自由度和多自由度模型，研究领域大多将其简化为两自由度和四自由度，两自由度一般分为旋转转盘和钻头两部分，四自由度一般包含旋转转盘、钻杆、井底钻具组合（BHA）和井底钻头四部分。本章将钻柱系统简化为四自由度模型，分别对旋转转盘、钻杆、BHA和井底钻头建立动力学方程。3.1钻柱系统的结构简化钻柱系统主要由井架、天车、游车、大钩、方钻杆、绞车、转盘、钻杆、钻铤和钻头组成，为了便于钻柱粘滑振动的研究，将钻柱系统简化为四个部分：（1）转盘；（2）钻杆；（3）BHA；（4）钻头。在此需要给出以下几个假设条件：（1）该钻柱系统必须处于垂直井中；（2）不考虑钻柱的横向振动轴向振动；（3）不考虑钻杆与井壁之间的摩擦阻力对钻井过程的影响；（4）不考虑钻井液对钻柱产生的影响；（5）对井下岩石的强度变化忽略不计。根据以上五条假设条件，钻柱系统的动力学简化模型如图3-1所示。图3-1钻柱系统简化模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进Oustaloup滤波器的分数阶PID控制器简化设计[J]. 刘勇智,李杰,戴聪,鄯成龙. 信息与控制. 2019(06)
[2]抑制油气井钻柱黏滑振动控制器设计与应用[J]. 付蒙,吴亚锋,宋叔飚,李江红,张文龙. 振动与冲击. 2019(10)
[3]基于模型参考粘滑振动自适应控制系统设计[J]. 黄勋,杨霄,李江红. 科技通报. 2019(04)
[4]基于粒子群算法倒立摆分数阶PID参数优化[J]. 魏立新,王浩,穆晓伟. 控制工程. 2019(02)
[5]新型扭转振动工具降粘特性分析及PID控制策略研究[J]. 田家林,周仪,杨琳. 机械科学与技术. 2019(10)
[6]基于支持向量机的钻柱黏滑振动等级评估方法[J]. 陈冲,张仕民,彭鹤,崔灿,刘杨. 石油机械. 2019(01)
[7]深井钻柱粘滑振动特性分析[J]. 贾晓丽,钟晓玲,刘书海,计朝晖. 石油矿场机械. 2018(06)
[8]抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹的建模与控制[J]. 张奇志,吴永强. 石油钻采工艺. 2018(05)
[9]井下粘滑振动强度量化评估方法研究与应用[J]. 崔猛,孙梦慈,刘强,郭卫红,冯雪龙. 钻采工艺. 2018(01)
[10]钻杆纵-扭耦合振动两自由度模型的动力学分析[J]. 韩善凯,李欣业,侯书军,陈涛. 燕山大学学报. 2017(03)
硕士论文
[1]分数阶PIλDμ控制及其应用研究[D]. 钱晓颖.东南大学 2016
[2]分数阶PID控制器的改进研究[D]. 熊兼海.暨南大学 2015
[3]基于群智能算法的分数阶控制器参数优化研究[D]. 于天皓.大连理工大学 2013
本文编号：3524726
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钻井系统的基本组成
第二章钻柱粘滑振动的机理分析11钻柱扭转振动是引起钻柱粘滑振动的主要原因，当井底岩石与井下钻头的摩擦力矩大于旋转转盘通过钻柱传递到钻头的驱动扭矩时，钻头会出现卡顿现象，也称为粘滞状态，在粘滞状态时，旋转转盘一直在旋转，并且带动着方钻杆和钻柱一直转动，由于井下钻头一直处于静止状态，导致此时钻柱处于上半部分旋转而下半部分不动的扭曲状态，而经由钻柱传递到井下钻头的驱动扭矩不断的积累到钻头上，时间越长，积聚在钻头上的驱动扭矩就会越大，当钻头上积累的驱动扭矩远远大于井下岩石与钻头摩擦产生的摩擦力矩时，钻头就会突破粘滞，进而高速旋转切割岩石并回到原始状态后继续旋转到速度为零，此过程称为滑动状态。如此循环，不断地产生粘滞与滑动现象。钻柱的粘滑振动示意图如图2-2所示。图2-2钻柱粘滑振动示意图图2-2中，ω0为钻柱的角速度，ωr为旋转转盘的角速度，ωb为钻头的角速度。图中钻柱的角速度ω0始终与转盘的角速度ωr相等，当井下岩石与钻头之间的摩擦力矩大于旋转转盘传递到钻头的驱动扭矩时，钻头的角速度为零，即ωb=0，钻头由于无法转动而处于粘滞状态，此时转盘的角速度不变，还为ωr；而转盘与钻柱此时还在继续转动，由钻柱传递到钻头上的驱动扭矩也一直积聚在钻头上，当积聚在钻头上的驱动扭矩远远大于钻头与岩石间的摩擦力矩时，钻头角速度由零开始快速增加到最大值，钻头摆脱粘滞状态，此时钻头与岩石的运动状态为滑动状态，且ωb>ωr；当钻头高速旋转回到正常状态后，积聚在钻头上的驱动扭矩慢慢释放，又会小于钻头与岩石之间产生的摩擦力矩，此时钻头的角速度ωr=0，钻头又处于粘滞状态。如此反复出现粘滞与滑动过程，即为钻柱的粘滑振动现象。
第三章钻柱系统的建模13第三章钻柱系统的建模在上一章中对钻柱系统的组成及各种原理进行了描述，本章主要讲述钻柱系统动力学模型的建立。由于钻柱系统的复杂程度过高，其动力学模型的建立难度过大，但为了能对钻柱系统进行系统分析，必须先对钻柱系统进行结构简化，合理的简化不会影响对钻柱系统的分析，所以对简化后的钻柱系统进行动力学建模是可取的。对钻柱系统的结构简化通常会分为低自由度和多自由度模型，研究领域大多将其简化为两自由度和四自由度，两自由度一般分为旋转转盘和钻头两部分，四自由度一般包含旋转转盘、钻杆、井底钻具组合（BHA）和井底钻头四部分。本章将钻柱系统简化为四自由度模型，分别对旋转转盘、钻杆、BHA和井底钻头建立动力学方程。3.1钻柱系统的结构简化钻柱系统主要由井架、天车、游车、大钩、方钻杆、绞车、转盘、钻杆、钻铤和钻头组成，为了便于钻柱粘滑振动的研究，将钻柱系统简化为四个部分：（1）转盘；（2）钻杆；（3）BHA；（4）钻头。在此需要给出以下几个假设条件：（1）该钻柱系统必须处于垂直井中；（2）不考虑钻柱的横向振动轴向振动；（3）不考虑钻杆与井壁之间的摩擦阻力对钻井过程的影响；（4）不考虑钻井液对钻柱产生的影响；（5）对井下岩石的强度变化忽略不计。根据以上五条假设条件，钻柱系统的动力学简化模型如图3-1所示。图3-1钻柱系统简化模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进Oustaloup滤波器的分数阶PID控制器简化设计[J]. 刘勇智,李杰,戴聪,鄯成龙. 信息与控制. 2019(06)
[2]抑制油气井钻柱黏滑振动控制器设计与应用[J]. 付蒙,吴亚锋,宋叔飚,李江红,张文龙. 振动与冲击. 2019(10)
[3]基于模型参考粘滑振动自适应控制系统设计[J]. 黄勋,杨霄,李江红. 科技通报. 2019(04)
[4]基于粒子群算法倒立摆分数阶PID参数优化[J]. 魏立新,王浩,穆晓伟. 控制工程. 2019(02)
[5]新型扭转振动工具降粘特性分析及PID控制策略研究[J]. 田家林,周仪,杨琳. 机械科学与技术. 2019(10)
[6]基于支持向量机的钻柱黏滑振动等级评估方法[J]. 陈冲,张仕民,彭鹤,崔灿,刘杨. 石油机械. 2019(01)
[7]深井钻柱粘滑振动特性分析[J]. 贾晓丽,钟晓玲,刘书海,计朝晖. 石油矿场机械. 2018(06)
[8]抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹的建模与控制[J]. 张奇志,吴永强. 石油钻采工艺. 2018(05)
[9]井下粘滑振动强度量化评估方法研究与应用[J]. 崔猛,孙梦慈,刘强,郭卫红,冯雪龙. 钻采工艺. 2018(01)
[10]钻杆纵-扭耦合振动两自由度模型的动力学分析[J]. 韩善凯,李欣业,侯书军,陈涛. 燕山大学学报. 2017(03)
硕士论文
[1]分数阶PIλDμ控制及其应用研究[D]. 钱晓颖.东南大学 2016
[2]分数阶PID控制器的改进研究[D]. 熊兼海.暨南大学 2015
[3]基于群智能算法的分数阶控制器参数优化研究[D]. 于天皓.大连理工大学 2013
本文编号：3524726
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