CN109138970B - 基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别公开了一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法，系统包括油气井钻柱系统(被控对象)、变频器、控制装置及人机交互装置。控制方法采用诊断钻柱黏滑振动的算法、控制器辅给定转速控制算法和变频器嵌入的比例积分控制算法，控制器调节变频器辅给定转速指令ω_au并反馈至变频器构成闭环反馈控制系统，变频器PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器双闭环反馈控制，进一步抑制钻柱黏滑振动。本发明可以诊断井下钻柱黏滑振动是否发生，可以抑制钻柱黏滑振动现象。

Description

基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法

技术领域

本发明属于石油天然气勘探与开发技术领域，特别涉及一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法。

背景技术

石油、天然气的钻探与开发，主要由钻柱系统完成。钻柱系统主要包括由变频器控制的驱动电机、齿轮箱、井口旋转台、由若干钻杆连接成的钻柱和井底钻具组合。由于钻柱需要深入地下几千米、井底钻具组合转动惯量小及非线性摩擦力的存在，钻柱系统容易出现钻柱黏滑振动现象。钻柱黏滑振动现象主要表现为，驱动电机为钻柱提供恒定扭矩，旋转台转速低幅振动，井底钻具组合出现“滑动—黏滞—滑动”并交替出现。钻柱黏滑振动导致井底钻具组合瞬间转速非常大，容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控制方法来抑制黏滑振动。

井底钻具组合位于地下几千米，所处的环境恶劣。如果在安装井底钻具组合传感器，易损坏，造价极高。因此无法直接获取井底钻具组合的运动状态和钻柱扭矩的大小，也就难以判断井底是否发生黏滑振动现象。如果不能实时诊断钻柱黏滑振动现象，容易导致严重的钻井事故。与此同时，在钻柱黏滑振动控制领域，无法获取钻柱系统井下的状态，也就无法完成全维控制器的设计。

国外发达国家做了一些抑制钻柱黏滑振动的研究，发表了一些相关文献。这些研究仍然存在许多问题。一方面，这些控制算法的反馈量包含井底钻具组合的运动状态，但是在钻井现场，实时的井底钻具组合运动状态无法直接获取；另一方面，这些研究仅仅局限于仿真研究，不涉及电机动力学，不涉及如何控制变频器和驱动电机。导致它们只能在理论上可行，却无法应用于工程实际。

目前，国内对于抑制钻柱黏滑振动控制算法的研究还非常落后，难以找到相关的研究文献。因此设计相关的控制系统、探索其控制算法具有很好的工程应用价值。

发明内容

针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动的控制系统及控制方法，用于解决现有技术中无法诊断钻柱黏滑振动的问题和无法有效抑制钻柱黏滑振动的问题。采用本发明的系统，仅仅需要从变频器获取顶驱的驱动扭矩和驱动转速，就能够估计井底钻具组合转速，诊断钻柱的黏滑振动是否发生，设计全维控制器，有效控制变频器和电机，抑制钻柱的黏滑振动。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动的控制系统，包括油气井钻柱系统(被控对象)、变频器、控制装置及人机交互装置。其中：

油气井钻柱系统，包括顶驱、钻柱和井底钻具组合，用于实现油气井的钻进；

变频器，包含PLC，用于设定油气井钻柱系统目标转速，控制顶驱的驱动扭矩和驱动转速，并且识别实时的顶驱驱动扭矩和驱动转速；

控制装置，包括观测器和控制器；观测器以驱动转速和驱动扭矩为输入，用于估计井底钻具组合转速，诊断钻柱的黏滑振动是否发生；控制器包括辅给定转速控制算法，以从变频器获取的驱动转速和观测器估计的井底钻具组合转速为输入，用于控制变频器辅给定转速，抑制钻柱黏滑振动；

人机交互装置，通过串口与控制器相连，用于输入控制参数，并显示油气井钻柱系统驱动扭矩、驱动转速和井底钻具组合转速估计值；

所述变频器输出通过三相电路与顶驱内电机相连；控制装置通过总线与变频器相互通讯；控制装置内控制器通过串口线与人机交互装置相互通讯。

进一步，所述顶驱包括电机、减速器和旋转台，用于为油气井钻柱系统提供驱动扭矩和驱动转速。

进一步，所述钻柱由若干钻杆连接而成，用于为井底钻具组合传递扭矩、为钻井泥浆提供运输通道。

进一步，所述井底钻具组合包括重力钻杆、稳定器、钻铤和钻头，用于增大油气井钻柱系统底部转动惯量以及破岩。

进一步，所述控制器调节变频器辅给定转速指令并反馈至变频器构成闭环反馈控制系统，变频器PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器双闭环反馈控制，进一步抑制钻柱黏滑振动。

本发明上述系统的基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制方法，包括下述步骤：

1)变频器通过PLC控制系统设定顶驱目标转速输入参考值，控制顶驱，并进一步驱动油气井钻柱系统；

2)通过变频器获取实时驱动扭矩和实时驱动转速，观测器估计井底钻具组合转速，通过井底钻具组合转速估计值诊断钻柱黏滑振动是否发生；

3)如果钻柱黏滑振动发生，开启控制器；

4)按照驱动转速和井底钻具组合的转速估计值，以及控制器辅给定转速控制算法计算辅给定转速指令；

5)控制器通过总线将辅给定转速指令反馈至变频器，结合变频器内嵌入的比例积分控制算法构成双闭环反馈控制，计算所需的驱动扭矩，抑制钻柱黏滑振动；

6)同时，人机交互装置实时地保存和显示实际驱动扭矩、实际驱动转速和井底钻具组合的转速估计值数据。

进一步，所述观测器估计井底钻具组合转速通过下式计算：

式中，ω₁为驱动转速，T_m为驱动扭矩，

为驱动转速估计值，T为钻柱扭矩，

为钻柱扭矩估计值，J₁为顶驱转动惯量，K₁、K₂和K₃为估计器增益系数，k为钻柱的刚度系数，

为井底钻具组合转速估计值；

以T_e为控制系统的时间常数，估计器增益系数可通过最优阻尼方式实现：

进一步，所述控制器辅给定转速控制算法如下：

式中，ω_au为辅给定转速，K_P1为控制器增益系数；

控制器增益系数可通过最优阻尼方式实现：

式中，J₂为井底钻具组合转动惯量，Ω为钻柱系统的自振频率，k为钻柱的刚度系数。

进一步，所述变频器内嵌入的比例积分控制算法如下：

式中，ω_ref为驱动转速输入参考值，K_P2与K_I2分别为控制器增益系数，ω₁为驱动转速，ω_au为辅给定转速。

本发明系统科学、简单便捷。本发明能诊断钻柱的黏滑振动是否发生，能抑制黏滑振动，仅仅需要井口测量数据，解决了现有技术中无法直接获取井下钻柱系统状态的问题和无法有效抑制钻柱黏滑振动的问题。本发明所涉及的观测器和控制器可以通过编程嵌入于变频器的PLC，实现智能化。本发明通过控制变频器和电机实现对钻柱黏滑振动的抑制，可应用于实际钻井中有效抑制钻柱黏滑振动。

附图说明

图1是系统总体结构图；

图2是钻柱黏滑振动控制效果图。

图1中：1为顶驱；2为钻柱；3为井底钻具组合；4为变频器；5为观测器；6为控制器；7为人机交互装置；ω_ref为目标转速输入参考值；T_m为驱动扭矩；ω₁为驱动转速(井口旋转台转速)；ω_au为辅给定转速；ω₂井底钻具组合转速；

井底钻具组合转速估计值。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动的控制系统，主要包括：油气井钻柱系统(被控对象)、变频器、控制装置及人机交互装置。其中：

油气井钻柱系统，主要包括顶驱1、钻柱2和井底钻具组合3，用于实现油气井的钻进；其中，顶驱1主要包括电机、减速器和旋转台，用于为油气井钻柱系统提供驱动扭矩。其中，钻柱2可达几千米，由许多钻杆连接而成，用于为井底钻具组合3传递扭矩、为钻井泥浆提供运输通道。井底钻具组合3主要包括重力钻杆、稳定器、钻铤和钻头，用于增大油气井钻柱系统底部转动惯量，以及破岩.

变频器4，包含PLC，用于设定油气井钻柱系统目标转速ω_ref，控制顶驱的驱动扭矩T_m和驱动转速ω₁，并且可以识别实时的顶驱驱动扭矩T_m和驱动转速ω₁。

控制装置，包括观测器5和控制器6；观测器5以驱动扭矩T_m和驱动转速ω₁为输入，用于估计井底钻具组合转速ω₂，诊断钻柱的黏滑振动是否发生。控制器6包括辅给定转速控制算法，以从变频器4获取的驱动转速ω₁和观测器5获取的井底钻具组合转速估计值

为输入，用于控制变频器4辅给定转速ω_au，抑制钻柱黏滑振动。

人机交互装置7，通过串口与控制器6相连，用于输入控制参数，并显示油气井钻柱系统驱动扭矩T_m、驱动转速ω₁和井底钻具组合转速估计值ω₂。

变频器4输出通过三相电路与顶驱1内电机相连；控制装置通过总线与变频器4相互通讯；控制装置内控制器6通过串口线与人机交互装置7相互通讯。

控制器调节变频器辅给定转速指令并反馈至变频器构成闭环反馈控制系统，变频器PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器双闭环反馈控制，抑制钻柱黏滑振动。

控制系统仅仅获取驱动扭矩和井口旋转台转速，即可抑制钻柱黏滑振动现象。

其中，油气井钻柱系统的微分运动方程如下：

式中，J₁为旋转台转动惯量，J₂为井底钻具组合转动惯量，c为钻柱阻尼系数，k为钻柱刚度系数，

为旋转台角位移，

为井底钻具组合角位移，T_m为油气井钻柱系统1的输入(驱动扭矩)，T_f为非线性摩擦扭矩作为系统的扰动，ω₁为驱动转速，同时作为油气井钻柱系统的输出且

ω₂为井底钻具组合转速且

其中，控制器6调节变频器4辅给定转速指令ω_au并反馈至变频器4构成闭环反馈控制系统，变频器4PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器4双闭环反馈控制，进一步抑制钻柱黏滑振动。

其中，控制装置仅仅获取驱动扭矩T_m和驱动转速ω₁，即可抑制钻柱黏滑振动现象。

本发明下面具体给出了一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动的控制系统的控制方法，包括下述步骤：

1)变频器4通过PLC控制系统设定顶驱目标转速的输入参考值ω_ref，控制顶驱T_m，进一步驱动油气井钻柱系统；

2)通过变频器口获取实时驱动扭矩T_m和实时驱动转速ω₁，观测器估计井底钻具组合转速ω₂，通过井底钻具组合转速估计值

诊断钻柱黏滑振动是否发生；

其中，观测器估计井底钻具组合转速计算如下：

式中，ω₁为驱动转速(观测器的输入)，T_m为驱动扭矩(观测器的输入)，

为驱动转速估计值，T为钻柱扭矩，

为钻柱扭矩估计值，J₁为顶驱转动惯量，K₁、K₂和K₃为估计器增益系数，k为钻柱的刚度系数，

为井底钻具组合转速估计值(观测器的输出)。以T_e为控制系统的时间常数，估计器增益系数可通过最优阻尼方式实现：

3)如果钻柱黏滑振动发生，开启控制器6；

4)按照驱动转速ω₁和井底钻具组合的转速估计值

控制器6辅给定转速控制算法计算辅给定转速指令ω_au；

其中，控制器辅给定转速控制算法如下：

式中，ω_au为辅给定转速，K_P1为控制器增益系数。控制器增益系数可通过最优阻尼方式实现：

式中，J₂为井底钻具组合转动惯量，Ω为钻柱系统的自振频率，k为钻柱的刚度系数。

5)控制器6通过总线将辅给定转速指令ω_au反馈至变频器4，结合变频器4内嵌入的比例积分控制算法构成双闭环反馈控制，计算所需的驱动扭矩，抑制钻柱黏滑振动；

其中，变频器内嵌入的比例积分控制算法：

式中，ω_ref为驱动转速输入参考值，K_P2与K_I2分别为控制器增益系数，ω₁为驱动转速，ω_au为辅给定转速。控制器增益系数可在适宜的范围内进行调整。

6)同时，人机交互装置7实时地保存和显示实际驱动转速ω₁、实际驱动扭矩T_m和井底钻具组合的转速估计值

数据。

如图2所示，为钻柱黏滑振动控制效果图。图2中，虚线为井底钻具组合估计值

由观测器5获取；实线为驱动转速(钻转台转速实际值)ω₁。变频器4设定旋转台转速输入参考值ω_ref＝180RPM。在27秒时启动控制器6。启动控制器6前，旋转台转速ω₁低幅振动，井底钻具组合转速估计值

出现“滑动—黏滞—滑动”并交替出现。因此，可以诊断油气井钻柱系统发生了黏滑振动现象。启动控制器6后，井底钻具组合转速估计值

的振动得到了有效地抑制。同时，整个控制系统的超调比较小，控制时间低于10秒，表现出良好的动态特性。因此，本发明对钻柱黏滑振动的诊断和抑制表现出良好的效果。

从以上的描述中可以看出，本发明上述的实施方式实现了如下技术效果：

诊断方法和控制方法简单，可采用嵌入式技术；由观测器获取的井底钻具组合转速估计值可以诊断钻柱的黏滑振动是否发生；基于变频器辅给定转速的控制算法可以解决钻柱黏滑振动问题；本发明大大提高钻井效率，降低钻井成本。

以上所述，仅为本发明针对应用的一种具体实施方式，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对以上实施方式所做的任何简单的修改和变更，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统，其特征在于，包括：

油气井钻柱系统，包括顶驱、钻柱和井底钻具组合，用于实现油气井的钻进；

变频器，包含PLC，用于设定油气井钻柱系统目标转速，控制顶驱的驱动扭矩和驱动转速，并且识别实时的顶驱驱动扭矩和驱动转速；

控制装置，包括观测器和控制器；观测器以驱动转速和驱动扭矩为输入，用于估计井底钻具组合转速，诊断钻柱的黏滑振动是否发生；控制器包括辅给定转速控制算法，以从变频器获取的驱动转速和观测器估计的井底钻具组合转速为输入，用于控制变频器辅给定转速，抑制钻柱黏滑振动；

人机交互装置，通过串口与控制器相连，用于输入控制参数，并显示油气井钻柱系统驱动扭矩、驱动转速和井底钻具组合转速估计值；

所述变频器输出通过三相电路与顶驱内电机相连；控制装置通过总线与变频器相互通讯；控制装置内控制器通过串口线与人机交互装置相互通讯；

所述控制器调节变频器辅给定转速指令并反馈至变频器构成闭环反馈控制系统，变频器PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器双闭环反馈控制，进一步抑制钻柱黏滑振动。

2.根据权利要求1所述的一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统，其特征在于，所述顶驱包括电机、减速器和旋转台，用于为油气井钻柱系统提供驱动扭矩和驱动转速。

3.根据权利要求1所述的一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统，其特征在于，所述钻柱由若干钻杆连接而成，用于为井底钻具组合传递扭矩、为钻井泥浆提供运输通道。

4.根据权利要求1所述的一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统，其特征在于，所述井底钻具组合包括重力钻杆、稳定器、钻铤和钻头，用于增大油气井钻柱系统底部转动惯量以及破岩。

5.一种权利要求1-4任一项所述系统的基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1)变频器通过PLC控制系统设定顶驱目标转速输入参考值，控制顶驱，并进一步驱动油气井钻柱系统；

2)通过变频器获取实时驱动扭矩和实时驱动转速，观测器估计井底钻具组合转速，通过井底钻具组合转速估计值诊断钻柱黏滑振动是否发生；

3)如果钻柱黏滑振动发生，开启控制器；

4)按照驱动转速和井底钻具组合的转速估计值，以及控制器辅给定转速控制算法计算辅给定转速指令；

5)控制器通过总线将辅给定转速指令反馈至变频器，结合变频器内嵌入的比例积分控制算法构成双闭环反馈控制，计算所需的驱动扭矩，抑制钻柱黏滑振动；

6)同时，人机交互装置实时地保存和显示实际驱动扭矩、实际驱动转速和井底钻具组合的转速估计值数据。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述观测器估计井底钻具组合转速通过下式计算：

式中，ω₁为驱动转速，T_m为驱动扭矩，

为驱动转速估计值，T为钻柱扭矩，

为钻柱扭矩估计值，J₁为顶驱转动惯量，K₁、K₂和K₃为估计器增益系数，k为钻柱的刚度系数，

为井底钻具组合转速估计值；

以T_e为控制系统的时间常数，估计器增益系数可通过最优阻尼方式实现：

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制器辅给定转速控制算法如下：

式中，ω_au为辅给定转速，K_P1为控制器增益系数；

控制器增益系数可通过最优阻尼方式实现：

式中，J₂为井底钻具组合转动惯量，Ω为钻柱系统的自振频率，k为钻柱的刚度系数。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述变频器内嵌入的比例积分控制算法如下：

式中，ω_ref为驱动转速输入参考值，K_P2与K_I2分别为控制器增益系数，ω₁为驱动转速，ω_au为辅给定转速。

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