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石油钻机钻井中钻杆粘滑振动的建模和控制方法.pdf
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1、2023年第45卷第4期第1页文章编号:10 0 5-7 2 7 7(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 6石油钻机钻井中钻杆粘滑振动的建模和控制方法电气传动自动化ELECTRIC DRIVEAUTOMATIONVol.45,No.42023,45(4):16尤立春1,白德宇,马志鑫,王录阳3(1.天水电气传动研究所集团有限公司,甘肃天水7 410 0 0;2.中国石油技术开发有限公司,北京10 0 0 2 8;3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司国际工程分公司,天津30 0 450)摘要:石油钻机钻井作业过程中,由于强烈扭矩振动和井下摩阻所引起的钻杆粘滑振动现象不仅对作业效率有影响,
2、还会带来钻杆钻头损伤问题,由此提出一种钻杆粘滑振动的建模及控制方法。将钻杆划分为较小扭矩部分,对整个系统进行动态建模,通过扭矩模型和粘滑振动模型关联分析,为了减少控制过程的粘滑振动,提出转速控制、钻头重量控制和钻杆底部阻尼控制三部分,当钻杆长度划分为受力部分时,利用数学模型使得每种控制策略均对部分分析适用,而钻头重量控制与钻杆底部阻尼控制则采用两种控制方案。实验表明,该方法对底层钻并参数的控制要比表面参数控制更有效,可提高钻井作业效率、降低作业成本。关键词:粘滑振动数学模型;扭矩模型;钻井过程分解;粘滑振动控制中图分类号:TE922Modeling and Control Method of
3、Stick-slip Vibration of DrillYOU Lichun,BAI Deyu,MA Zhixin,WANG Luyang3(1.Tianshui Electric Transmission Research Institute Group Co.,Ltd.,Tianshui 741000,Gansu,China;2.China petroleum technology and development corporation,Beijing 100028,China;3.China PetroleumGroup Bohai Drilling Engineering Co.,L
4、td.International Engineering Branch,Tianjin 300450,China)Abstract:During the drlling operation of oil drilling rig,the stick-slip vibration of drll pipe caused by strongtorque vibration and downhole friction not only affects the operation efficiency,but also causes the damage of drillpipe bit.A mode
5、ling and control method of stick-slip vibration of drll pipe is proposed.The drill pipe is dividedinto a smaller torque part,and the whole system is dynamically modeled.Through the correlation analysis of thetorque model and the stick-slip vibration model,in order to reduce the stick-slip vibration
6、of the control process,three parts of speed control,bit weight control and drill pipe bottom damping control are proposed.When thelength of the drll pipe is divided into the force part,the mathematical model is used to make each control strategyapplicable to the partial analysis,while the bit weight
7、 control and the drill pipe bottom damping control adopt twocontrol schemes.Experiments show that the control of bottom drlling parameters is more effective than the controlof surface parameters,which can improve the efficiency of drilling operations and reduce operating costs.Key words:Stick-slip v
8、ibration mathematical model;Torque model;Drilling process decomposition;Stick-slipvibration control文献标志码:APipe in Oil Drilling Rig钻杆的粘滑振动是造成钻井性能下降的主要原因之一,它导致钻井效率下降,从而增加作业成本。在粘滑、BHA旋流、侧向冲击、钻头振动等影响因素下,扭矩粘滑振动对钻杆系统的影响最大,如钻杆部分过早破坏、钻头磨损程度增大等1-4。对钻杆粘滑振动现象进行建模分析,并设计适合的减震控制器,是减少该类问题的主要解决途径,壳牌公司做了相关问题的研究,通过减轻
9、钻杆振动钻2电气传动自动化2023年第4期井参数穿透率已经提高约2 5%。在许多研究中,对钻杆振动建模、振动数据分析及设计有效的减震控制器,都做了相关的论述。Navarro-L5等人研究了井下钻杆干摩擦引起的粘滑振动现象,运用不同非线性微分方程来模拟钻杆,实现棒状粘滑振动钻杆动态模型,并评估一些基于经验的控制策略,以分散控制的方式分别控制钻杆顶部和钻头的旋转速度减轻棒状粘滑振动的影响;Gulyayev6等人提出一个三维曲线钻孔钻杆临界屈曲的问题,研究表明,摩擦效应导致了内部轴向力的再分配,并且引起特征模式的形状及位置发生改变;Fredy Coral7等人对钻杆粘滑振动非线性动态行为进行建模,与
10、纵向振动相互作用;Vromen8分析和开发了减少钻杆粘滑振动的主动反馈控制策略,并且利用开发的井下装置来减弱粘滑振动现象。本文首先建立垂直井中钻杆动态模型,包括管道、底部组件和钻头,将钻杆划分为若干相等的扭矩段,然后利用推导的钻柱扭矩模型对粘滑振动进行建模,这些数学模型都用于控制系统设计,并需对钻井参数如岩石刚度、钻头转速等进行预估,为了主动控制粘滑振动,提出基于扭矩控制钻压和底部阻尼的方法。而且将顶驱转速作为控制目标,运用数学手段比较分析钻杆扭矩段对控制策略及性能的影响,通过平方误差积分计算性能好坏。1粘滑振动建模当钻头卡入岩石中无法继续自由旋转时,钻柱开始振动。振动同时向侧向、轴向和扭转三
11、个方向运行,其中,频率域为0.0 0 1Hz5Hz时扭转粘滑振动对钻柱影响最大,对钻头和井底钻具组合破坏最为严重。这种振动是非正常旋转,钻头每隔一定时间暂停旋转,导致钻柱周期性上下扭动,然后以几倍的平均速度自由旋转9-1。钻柱扭矩模型可简化为扭摆模型,将常微分方程表示质量-弹簧-阻尼系统模型替代实际钻柱模型,换言之,钻杆被描述为扭矩刚度K线性弹簧和阻尼C,对应地将钻杆划分为n+1段,即在n次迭代过程中有k段扭转刚度、阻尼、惯量。钻杆动力学方程如公式(1)(5)所示。1,0+C(,)+K(p,-i)=Tm-T,(0)l101-C($,-201+P2)-K(,-2P1+P2)=-T(w)l2P2-
12、C(p1-242+3)-(1-22+p3)=-T()Is Pk-C(Ph-1-2Ph+Ph+I)-K(Ph-1-20u+P+1)=-T()lsP+C(n-I-P)+K(n-I-$)=-T,(w)其中,n表示钻杆扭矩段,I,表示钻柱顶部侧面转动惯量,I.表示第k段的转动惯量,.表示钻柱底侧转动惯量,表示钻柱旋转位置,T,表示钻柱顶部侧的干摩擦加粘性阻尼扭矩,T.表示第k段的干摩擦加粘性阻尼扭矩,T,表示钻柱底部侧的干摩擦加粘性阻尼扭矩。I,=Ire+1n+IpJ.N,L,1I=-pJ,N,L,k=1,2,n-1n+1Ii=pJLi+n+1其中,I表示顶部驱动转动惯量,p表示钻杆和BHA的密度,J
13、,表示整体转动惯量,L,表示钻杆长度,N,表示总钻杆数量。2其中,r表示钻杆外径,r表示钻杆内径,Tbo表示BHA外径,ri表示BHA内径,G表示钻杆的剪切模量。公式(8)是Stribeck干摩擦模型,利用开关模型来近似替代,通过Karnopp模型可知,Te必须克服静摩擦力T才能使钻头运动外加扭矩,当0ueus1 时,库伦摩擦力系数小于静摩擦系数,关于钻杆k段的相关变量数学模型如公式(6)(10)所示。T,(w)=cWk其中,表示钻柱转速,c表示钻柱第k段阻尼粘带系数,W表示钻柱第k段转速。(1)(2)(3)pJN,L,(4)N,Lp(6)2023年第4期T,(w)=c,w,+Tersign(
14、o,)其中,c,表示钻柱顶部阻尼粘带系数,,表示钻柱顶部转速,T。表示钻柱顶部侧摩擦扭矩。T,(w)=chwi+Tasign(w,)(8)其中,c.表示钻柱底部阻尼粘带系数,W,表示钻柱底部转速,Tp表示Stribeck摩擦和干摩擦力矩的变化。Te(o)lw,/Da,|Teb/TsbTa=Tasign(Te(w)w,/T.b(9)Tausign(w,)/o,/D.Tes(w)=C.(w,-wb)+K(w,-w,)-cbWb其中,T。表示施加外力矩,T,表示底部静摩擦力矩,Tl表示底部干摩擦力矩。Ts=RWusbTau=RWu(wr)Tea=RWueb由公式(11)(14)可知,钻柱下侧的静摩擦
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