一种抑制钻杆粘滑振动的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种抑制钻杆粘滑振动的系统及方法，包括：1)变频器通过PLC控制系统给出电机主给定转速，传输至被控对象，得到电机实际转速和电机实际扭矩；2)变频器将电机实际转速和电机实际扭矩传输至控制单元；3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；4)控制单元根据控制算法进行优化运算，得到辅给定值优化转速；5)控制单元通过CAN总线将辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机的转速，该方法能够准确地获取实际钻杆参数，实时显示电机实际转速和实际扭矩，从而达到抑制石油钻井过程中钻杆粘滑振动的目的，解决了现有技术中硬件连接复杂、系统工作不稳定、实现效果不理想等问题。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括：1)变频器通过PLC控制系统给出电机主给定转速，传输至被控对象，得到电机实际转速和电机实际扭矩；2)变频器将电机实际转速和电机实际扭矩传输至控制单元；3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；4)控制单元根据控制算法进行优化运算，得到辅给定值优化转速；5)控制单元通过CAN总线将辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机的转速，该方法能够准确地获取实际钻杆参数，实时显示电机实际转速和实际扭矩，从而达到抑制石油钻井过程中钻杆粘滑振动的目的，解决了现有技术中硬件连接复杂、系统工作不稳定、实现效果不理想等问题。【专利说明】
本专利技术属于石油钻井、地质勘探等
，涉及一种基于控制算法、总线通信技术和人机交互技术来抑制钻杆粘滑振动的系统及方法。
技术介绍
石油钻井过程中由于地层复杂、钻杆运动不确定，容易发生钻杆振动，包括钻杆的横向振动、轴向振动和粘滑振动。其中，粘滑振动是由于钻头与地层的摩擦力矩引起的扭矩振荡，钻头速度或停或转，瞬间转速非常大，易造成钻杆和钻头的性能恶化；该现象不仅影响钻井效率也威胁到钻井的安全，因此需要采取合理的方法来抑制粘滑振动。针对粘滑振动，减振途径和措施主要有:(I)增大顶部转速；(2)增大系统等效扭转刚度；(3)增大系统等效阻尼；(4)顶部扭矩负反馈。目前国外已经开发了一些抑制粘滑振动的方法和系统。2004年Navarro-Lo' pez和Suarez-Cortez提出在钻杆底部安装减振器；2000年，Richardson和Kiittel提出了在钻具组合上安装液压扭矩驱动系统。但是这些方法都增加了钻杆系统的复杂性和成本，且使用时不具有通用性。1988年Halsey, Kyllingstad和Kylling提出了钻杆扭矩负反馈的方法；2005年Canudas-de-ffit et al提出了钻井振动克星Drilling Oscillation Killer (D-OSKIL),它利用钻头上的重量作为附加的控制参数。这些方法有的并不成熟，使用效果也并不十分理想。国内目前在领域的研究还比较欠缺，所以这方面的研究开发具有很好的工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对石油钻井中常发生的粘滑振动现象，提供，采用本专利技术的系统，能够准确地获取实际钻杆参数，实时显示电机实际转速和电机实际扭矩曲线及数值，能够发出转速命令来改变驱动电机的转速，从而抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡。该系统解决了现有技术中硬件连接复杂、系统工作不稳定、实现效果不理想的问题。为了实现上述技术方案，本专利技术采取如下技术解决方案:一种抑制钻杆粘滑振动的系统，包括:—被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合，用于实现石油钻井；——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态反馈至控制单元；—控制单元，包括抑制钻杆粘滑控制器，抑制钻杆粘滑控制器用于对驱动电机的当前状态进行控制调整，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡；——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控；—CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信；所述变频器与驱动电机连接，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，变频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装置。根据本专利技术的一种实施方式，所述抑制钻杆粘滑控制器包括主动阻尼控制器，主动阻尼控制器包括估计器和控制器，变频器分别与估计器和控制器相连，将电机实际转速和电机实际扭矩传输到估计器和控制器；估计器与控制器相连，将钻头转速估计值和钻杆扭矩估计值传输至控制器；控制器与变频器相连，将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器；变频器与被控对象连接，将电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速传输至被控对象。根据本专利技术的另一种实施方式，所述抑制钻杆粘滑控制器包括内模控制器，内模控制器包括前馈内模控制器、乘法器和反馈滤波器，前馈内模控制器与变频器统相连，内模控制器将得到电机期望转速和辅给定优化转速分别输出至变频器和乘法器，变频器和乘法器的输出量经反馈滤波器连接至前馈内模控制器；变频器与被控对象连接，将电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速传输至被控对象。根据本专利技术的另一种实施方式，所述抑制钻杆粘滑控制器包括自抗扰控制器，自抗扰控制器包括非线性跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性组合单元、扰动补偿单元和状态反馈单元；非线性跟踪微分器与变频器PLC控制系统相连，非线性跟踪微分器与非线性组合单元相连，非线性组合单元将得到的辅给定转速Utl传输至扰动补偿单元，再经状态反馈单元连接至扩张状态观测器得到钻头转速估计量Z1、钻头转速微分估计量Z2和扰动估计量z3，扩张状态观测器将Z3连接至扰动补偿单元得到辅给定优化转速U，扩张状态观测器将Z2连接至非线性组合单元,经非线性组合单元连接扰动补偿单元至变频器,变频器与被控对象连接，将电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速传输至被控对象。根据本专利技术的另一种实施方式，所述抑制钻杆粘滑控制器包括自适应控制器，自适应控制器包括参数估计器和控制器，参数估计器与被控对象相连获取模型参数估计值，参数估计器与控制器相连，控制器根据被控对象模型参数估计值以及控制误差得到电机控制转速，控制器与变频器相连，控制器将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，变频器与被控对象连接，将电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速传输至被控对象。相应地，给出了依据本专利技术抑制钻杆粘滑振动的系统对应的控制方法，包括下述步骤:I)变频器通过PLC控制系统设定的电机主给定转速，传输至被控对象，驱动钻杆起转；2)变频器通过CAN总线将电机实际扭矩、电机实际转速等信息传输至控制单元；3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构等信息传输至控制单元；4)控制单元根据控制算法进行优化运算，得到辅给定优化转速；5)控制单元通过CAN总线将辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机，进而控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动；6)同时，人机交互装置实时地保存和显示电机实际转速和电机实际扭矩数据。根据本专利技术的另一种实施方式，所述控制算法进行优化运算是通过主动阻尼法来实现的，包括下述步骤:【权利要求】1.一种抑制钻杆粘滑振动的系统，其特征在于，包括: —被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合，用于实现石油钻井； ——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态反馈至控制单元； ——控制单元，包括抑制钻杆粘滑控制器，抑制钻杆粘滑控制器用于对驱动电机的当前状态进行控制，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡； ——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控； ——CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信； 所述变频器与驱动电机连接，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制钻杆粘滑振动的系统，其特征在于，包括：——被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合，用于实现石油钻井；——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态反馈至控制单元；——控制单元，包括抑制钻杆粘滑控制器，抑制钻杆粘滑控制器用于对驱动电机的当前状态进行控制，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡；——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控；——CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信；所述变频器与驱动电机连接，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，变频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：章莉敏，李江红，崔丽娜，王关征，李科，付蒙，侯媛媛，张文龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61