随行振动固井胶塞控制系统研制
发布时间：2022-09-30 18:37
固井是石油工程中的重要作业过程。传统振动固井技术由于振源安装在井口或者井底,振动波在阻尼的作用下不断衰减,对井深达数千米的井振动效果不理想。随行振动固井技术,在充分发挥传统振动固井作用的基础上,随着激振器在套管柱中的不断下行,可以实现全井段的共振响应,很大程度地提升了固井质量。本文利用有限元分析软件得到最佳激振频率,以无刷直流电机为执行元件,通过模糊PID算法进行控制,并设计控制系统的硬件电路和软件程序,试制出物理样机完成上位机调试。建立套管柱欧拉-伯努利梁力学模型,利用牛顿力学公式推导出套管柱横向固有频率计算公式;在有限元分析软件Ansys Workbench中建立套管柱-钻井液-水泥浆流固耦合模型,通过模态分析得到固有频率和模态振型,通过谐响应分析得到使得套管柱子结构振动位移幅值最大的激振频率,为激振器控制系统设计提供依据;控制系统采用无刷直流电机作为执行元件,对无刷直流电机的数学模型和运动方程加以分析,采用模糊PID算法对转速闭环进行控制,通过Matlab Simulink模块搭建控制系统框图,验证了模糊PID控制算法可以使控制系统的响应速度更快、鲁棒性更好;对控制系统的硬件进行...
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 研究现状及趋势
1.2.1 振动固井技术机理研究现状
1.2.2 振动固井装置研究现状
1.2.3 动态振动固井技术研究现状
1.2.4 无刷直流电机研究现状
1.3 研究内容和研究方法
2 套管柱耦合系统横向振动特性
2.1 套管柱耦合系统力学模型建立
2.2 套管柱振动模态及谐响应分析
2.2.1 套管柱耦合系统振动模态分析
2.2.2 套管柱振动响应分析
2.3 本章小结
3 振动胶塞用无刷直流电机控制算法
3.1 无刷直流电机数学模型
3.2 无刷直流电机控制方案
3.2.1 反电动势过零检测法
3.2.2 无刷直流电机起动方法
3.2.3 控制方案的选择
3.3 模糊PID控制原理
3.3.1 PID参数对系统的影响
3.3.2 模糊控制原理
3.3.3 模糊PID控制原理
3.4 模糊PID控制器设计
3.4.1 模糊化与各变量隶属度函数的确定
3.4.2 模糊规则库的建立
3.4.3 解模糊
3.5 模糊PID控制算法仿真
3.5.1 软件仿真总体设计
3.5.2 PWM输出子系统
3.5.3 仿真结果分析
3.6 本章小结
4 随行振动固井胶塞控制系统硬件设计
4.1 总体方案设计
4.2 各模块硬件电路设计
4.2.1 主芯片选择
4.2.2 电源及电源降压模块
4.2.3 电机驱动电路
4.2.4 反电动势检测电路
4.2.5 电流采样电路的设计
4.2.6 串口通信电路的设计
4.3 本章小结
5 随行振动固井胶塞控制系统软件设计
5.1 主程序设计
5.2 中断子程序设计
5.2.1 反电动势检测程序设计
5.2.2 模糊PID算法程序设计
5.3 PWM调制方式
5.4 本章小结
6 随行振动固井胶塞的实验应用
6.1 室内实验
6.1.1 控制系统测试平台的搭建
6.1.2 测试结果分析
6.2 井下实验
6.2.1 随行振动固井胶塞的研制
6.2.2 固井质量评价曲线
6.3 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁无刷直流电机PWM调制模式仿真研究[J]. 熊欢,罗辑,钟文,姜钦,童中宽,鲁睿其,汤飞球. 船电技术. 2020(01)
[2]机械振动对油井水泥性能影响规律研究[J]. 王友文,袁进平,王兆会,尹宜勇,王微. 天然气与石油. 2019(05)
[3]流固耦合对油气井管柱振动特性的影响分析[J]. 曹银萍,郭璐,窦益华. 机械设计与制造. 2019(06)
[4]套管柱在钻井液-水泥浆耦合系统中振动特性的数值模拟[J]. 王友文,袁进平,王兆会,王海柱,曲从锋,王微. 西安石油大学学报(自然科学版). 2019(03)
[5]随行振动固井技术应用的试验效果分析[J]. 陶冠合,郑永生,孙栓科,单维忠. 新疆石油科技. 2018(04)
[6]随行振动固井技术应用的试验效果分析[J]. 陶冠合,郑永生,孙栓科,单维忠. 新疆石油科技. 2018 (04)
[7]电力振动器激振作用下的套管串振动特性[J]. 尹宜勇,苏义脑,王兆会. 天然气工业. 2017(05)
[8]智能振动胶塞在雁673井的应用[J]. 王恩合,王学成,魏拓,李辉,陈杰,王军. 新疆石油天然气. 2016(04)
[9]模糊PID控制在BLDC系统中的应用[J]. 邵博,王宝超,尚静,胡建辉,邹继斌. 微电机. 2016(08)
[10]振动固井电力振动器激振力和振幅分析[J]. 尹宜勇,刘硕琼,王兆会. 石油钻采工艺. 2016(03)
博士论文
[1]油管柱振动机理研究与动力响应分析[D]. 黄桢.西南石油学院 2005
硕士论文
[1]高产气井油管柱振动力学特性研究[D]. 盛泽东.西南石油大学 2018
[2]基于STM32的无刷直流电机控制系统设计及仿真研究[D]. 王国宇.广西师范大学 2016
[3]直流无刷电机自适应模糊控制系统设计[D]. 蔡宝京.电子科技大学 2016
[4]有刷直流电机模糊PID自整定方法实验研究[D]. 吴春杨.哈尔滨工程大学 2016
[5]基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计[D]. 王蕊.郑州大学 2014
[6]统一潮流控制器的控制策略研究[D]. 陈芝奔.西南交通大学 2012
[7]基于模糊PID算法的无刷直流电机调速研究与实现[D]. 常波.电子科技大学 2012
[8]基于自适应模糊算法的无刷直流电机控制器设计与开发[D]. 王莅斌.电子科技大学 2008
[9]基于Fuzzy-PID控制算法的校直机电液伺服系统的仿真与应用研究[D]. 卢检兵.合肥工业大学 2007
[10]基于DSP的无刷直流电机高性能调速系统的研究[D]. 张焱.西安电子科技大学 2007
本文编号：3684062
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 研究现状及趋势
1.2.1 振动固井技术机理研究现状
1.2.2 振动固井装置研究现状
1.2.3 动态振动固井技术研究现状
1.2.4 无刷直流电机研究现状
1.3 研究内容和研究方法
2 套管柱耦合系统横向振动特性
2.1 套管柱耦合系统力学模型建立
2.2 套管柱振动模态及谐响应分析
2.2.1 套管柱耦合系统振动模态分析
2.2.2 套管柱振动响应分析
2.3 本章小结
3 振动胶塞用无刷直流电机控制算法
3.1 无刷直流电机数学模型
3.2 无刷直流电机控制方案
3.2.1 反电动势过零检测法
3.2.2 无刷直流电机起动方法
3.2.3 控制方案的选择
3.3 模糊PID控制原理
3.3.1 PID参数对系统的影响
3.3.2 模糊控制原理
3.3.3 模糊PID控制原理
3.4 模糊PID控制器设计
3.4.1 模糊化与各变量隶属度函数的确定
3.4.2 模糊规则库的建立
3.4.3 解模糊
3.5 模糊PID控制算法仿真
3.5.1 软件仿真总体设计
3.5.2 PWM输出子系统
3.5.3 仿真结果分析
3.6 本章小结
4 随行振动固井胶塞控制系统硬件设计
4.1 总体方案设计
4.2 各模块硬件电路设计
4.2.1 主芯片选择
4.2.2 电源及电源降压模块
4.2.3 电机驱动电路
4.2.4 反电动势检测电路
4.2.5 电流采样电路的设计
4.2.6 串口通信电路的设计
4.3 本章小结
5 随行振动固井胶塞控制系统软件设计
5.1 主程序设计
5.2 中断子程序设计
5.2.1 反电动势检测程序设计
5.2.2 模糊PID算法程序设计
5.3 PWM调制方式
5.4 本章小结
6 随行振动固井胶塞的实验应用
6.1 室内实验
6.1.1 控制系统测试平台的搭建
6.1.2 测试结果分析
6.2 井下实验
6.2.1 随行振动固井胶塞的研制
6.2.2 固井质量评价曲线
6.3 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁无刷直流电机PWM调制模式仿真研究[J]. 熊欢,罗辑,钟文,姜钦,童中宽,鲁睿其,汤飞球. 船电技术. 2020(01)
[2]机械振动对油井水泥性能影响规律研究[J]. 王友文,袁进平,王兆会,尹宜勇,王微. 天然气与石油. 2019(05)
[3]流固耦合对油气井管柱振动特性的影响分析[J]. 曹银萍,郭璐,窦益华. 机械设计与制造. 2019(06)
[4]套管柱在钻井液-水泥浆耦合系统中振动特性的数值模拟[J]. 王友文,袁进平,王兆会,王海柱,曲从锋,王微. 西安石油大学学报(自然科学版). 2019(03)
[5]随行振动固井技术应用的试验效果分析[J]. 陶冠合,郑永生,孙栓科,单维忠. 新疆石油科技. 2018(04)
[6]随行振动固井技术应用的试验效果分析[J]. 陶冠合,郑永生,孙栓科,单维忠. 新疆石油科技. 2018 (04)
[7]电力振动器激振作用下的套管串振动特性[J]. 尹宜勇,苏义脑,王兆会. 天然气工业. 2017(05)
[8]智能振动胶塞在雁673井的应用[J]. 王恩合,王学成,魏拓,李辉,陈杰,王军. 新疆石油天然气. 2016(04)
[9]模糊PID控制在BLDC系统中的应用[J]. 邵博,王宝超,尚静,胡建辉,邹继斌. 微电机. 2016(08)
[10]振动固井电力振动器激振力和振幅分析[J]. 尹宜勇,刘硕琼,王兆会. 石油钻采工艺. 2016(03)
博士论文
[1]油管柱振动机理研究与动力响应分析[D]. 黄桢.西南石油学院 2005
硕士论文
[1]高产气井油管柱振动力学特性研究[D]. 盛泽东.西南石油大学 2018
[2]基于STM32的无刷直流电机控制系统设计及仿真研究[D]. 王国宇.广西师范大学 2016
[3]直流无刷电机自适应模糊控制系统设计[D]. 蔡宝京.电子科技大学 2016
[4]有刷直流电机模糊PID自整定方法实验研究[D]. 吴春杨.哈尔滨工程大学 2016
[5]基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计[D]. 王蕊.郑州大学 2014
[6]统一潮流控制器的控制策略研究[D]. 陈芝奔.西南交通大学 2012
[7]基于模糊PID算法的无刷直流电机调速研究与实现[D]. 常波.电子科技大学 2012
[8]基于自适应模糊算法的无刷直流电机控制器设计与开发[D]. 王莅斌.电子科技大学 2008
[9]基于Fuzzy-PID控制算法的校直机电液伺服系统的仿真与应用研究[D]. 卢检兵.合肥工业大学 2007
[10]基于DSP的无刷直流电机高性能调速系统的研究[D]. 张焱.西安电子科技大学 2007
本文编号：3684062
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