[发明专利]一种能消除钻柱粘滑振动的柔性扭矩控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油钻井的钻柱控制方法，尤其是一种能消除钻柱粘滑振动的柔性扭矩控制系统及控制方法。

背景技术

钻柱是石油钻井工程中必不可少的重要井下工具，处在内、外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受着拉、压、弯、扭及液力等载荷，其运动的过程十分复杂。在钻井过程中，钻柱的主要运动是旋转向下的运动，同时还总伴随着各种振动，主要包括横向振动、轴向振动和扭转振动。特别是扭转振动中的粘滑振动对钻井的危害极高，在钻柱的粘滑振动过程中，钻头的转速可以在瞬间达到很大值，很容易造成钻柱损坏。另外，在粘滑振动过程中扭矩波动很大，这不仅影响钻井效率也威胁钻井安全，实际扭矩过大可能超过设备所能承受的极限扭矩，致使钻井无法进行。针对钻柱粘滑振动，目前尚没有一种行之有效的办法来有效地方法来解决这一工程技术难题。

发明内容

本发明是为解决上述已有技术中存在的不足之处，提供一种能消除钻柱粘滑振动的柔性扭矩控制系统及控制方法，以解决钻柱振动给钻井工程带来的严重影响的问题。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

一种能消除钻柱粘滑振动的柔性扭矩控制系统，其特征是，包括一个触摸屏或带显示屏的操作面板、一个可编程控制器PLC、一个带编码器的主电机、一个高速计数器、扭矩仪、伺服电机和伺服驱动器；

所述触摸屏或者操作面板，直接和可编程控制器PLC相互连接，用于显示主电机速度给定和转速转矩、设定主电机速度给定值和显示系统参数；

所述可编程控制器PLC，采集主电机扭矩实际值并将主电机的扭矩值与通过扭矩仪监测到的伺服电机的扭矩实际值进行差值比较，将比较后的偏差对整个钻柱系统进行相应的偏差补偿，从而实现消除粘滑现象；

所述主电机，用于驱动钻柱系统运动，所述主电机的转速由可编程控制器PLC来实时控制；所述编码器，用于向可编程控制器PLC实时反馈主电机的实际速度n_r；

所述高速计数器，向可编程控制器PLC实时反馈伺服电机的实际转速n_b；

所述扭矩仪，用于检测伺服电机的扭矩并将扭矩值Tb传输给可编程控制器PLC；

所述伺服电机，用来模拟钻柱的粘滑现象；

所述伺服驱动器，用于驱动所述伺服电机转动。

所述高速计数器为高速计数模块FM350-1。

一种所述的能消除钻柱粘滑振动的柔性扭矩控制系统的控制方法，如图2所示，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：开启柔性扭矩控制系统并进行柔性扭矩控制系统的初始化；判断是否满足启动条件；如果满足启动条件，则启动主电机；如果不满足启动条件，则主电机停止；

步骤2：启动主电机后，进入柔性扭矩控制系统的控制界面，设定主电机的预设速度，同时显示主电机的转速和扭矩和伺服电机的转速和扭矩；

步骤3：伺服电机启动后产生一个转速，根据转速，柔性扭矩控制系统进入非线性控制程序，产生一个扭矩控制信号，使伺服电机模拟出粘滑现象；

步骤4：当产生粘滑现象后，主电机的扭矩也会发生变化，柔性扭矩控制系统的控制程序会根据主电机的扭矩的大小给出速度补偿信号，与主电机速度给定信号叠加，通过变频器来控制主电机的转速，使下部钻具组合的状态行为能根据顶部电机的速度以及扭矩实时调整，使钻头脱离粘滑区域，从而消除下方的粘滑现象。

所述柔性扭矩控制系统中建立有钻杆扭矩数学模型；所述钻杆扭矩数学模型的表达式为：

其中， 分别是转盘、钻杆、钻头的惯性；惯性是用线性弹簧相互连接，两个线性弹簧具有扭转刚度和旋转阻尼； 是顶部驱动系统的粘性阻尼力矩， 是钻头的粘性阻尼力矩，是钻头上的干摩擦力矩， 是驱动器扭矩，由主电机提供并控制的大小。（式子（1-1）～（1-3）中， 是钻柱各个单元的角位移和角速度， 是顶部主电机的施加的扭矩。）

所述干摩擦力矩的计算过程为（如图7所示）：

首先从HMI读取转盘速度、钻头速度，然后计算以及钻头上的静摩擦力矩，反作用力矩；当钻头速度大于临界速度时，钻头上的干摩擦力矩，钻杆处于滑移阶段；当钻头速度不大于临界速度时，此时如果反作用扭矩大于静摩擦力矩，钻头上的干摩擦力矩，钻杆处于粘滑阶段；如果反作用扭矩不大于静摩擦力矩，钻头上的干摩擦力矩，钻杆处于停滞阶段。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：