[发明专利]基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法及系统

说明书

本发明提出了一种基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法及系统，针对分布参数模型描述的钻柱系统进行简化，得到中立时滞模型，在此基础上构造了基于等价输入干扰方法的粘滑振动抑制控制系统，建立控制系统的标准化状态空间方程模型，紧接着构造合适的李雅普诺夫泛函，给出线性矩阵不等式形式的系统稳定性判据；通过求解解线性矩阵不等式的可行性问题，得到振动抑制控制系统设计参数，最后来抑制粘滑振动。本发明不需要考虑具体的扰动模型，只需对扰动进行估计，从而快速消除扰动带来的影响，特别对于深部钻探下的复杂地层环境，存在着钻头‑岩石作用率不明确甚至不可知的实际情况，仍能起到很好的扰动抑制效果。

技术领域

本发明涉及资源开发的钻进系统领域，更具体地说，涉及一种基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法及系统。

背景技术

当今时代，资源能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，以石油为主的三大能源物质不仅为全人类提供能源，同时也作为重要的化工原料服务于社会。由此可见，资源能源在当代社会中占据着不可替代的地位。立足于国情，我国传统重要矿产资源查明程度平均为30.3％，矿产资源勘探深度平均只有500m，油气开采深度平均也不足4500m。按照矿产资源勘探深度500m以上、油气开采深度4500m以上来界定深部钻探，我国深层石油资源与天然气资源分别占剩余石油资源与剩余天然气资源的40％和60％左右；同时我国的非常规能源如页岩气、煤层气、地热等储量丰富。因此，随着浅层资源的日益枯竭以及常规能源的开发难以满足需求，深部勘探和非常规资源能源的开发成为必然。

然而在钻进过程中，由于钻进系统受到摩擦、信息传播时延、非线性阻尼等不同因素的影响，使得钻柱产生轴向、横向以及扭矩方向的振动。在这些振动中，粘滑振动存在于50％以上的钻进时间，是最为广泛、危害性最大的一类。因此，进行钻柱粘滑振动的研究，对于保持钻进过程的稳定、提高钻进的效率、提升钻进的安全等都有很大的安全与经济意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述的现有技术中粘滑振动对钻进系统存在影响的技术缺陷，提供了一种基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法及系统。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法，包括以下步骤：

S1、基于钻柱系统的微单元的动力学模型，使用偏微分方程对钻柱系统进行建模，得到钻柱系统的分布参数模型以及分布参数模型的边界条件；

S2、结合所述边界条件，使用达朗贝尔法求解所述分布参数模型，得到中立时滞微分方程；

S3、基于所述中立时滞微分方程，通过构造钻柱系统模型、状态观测器、干扰估计器、状态反馈以及内模，以形成粘滑振动抑制控制系统；其中，在构造过程中，通过构建状态观测器观测钻柱系统状态，结合低通滤波器来进行干扰估计器的扰动估计，并将估计的信号作用在输入端，同时结合状态反馈和内模实现对给定输入的跟踪；

S4、使用状态空间方程对该粘滑振动抑制控制系统进行描述，得到标准的时滞系统，接着构造李雅普诺夫泛函，给出线性矩阵不等式形式的系统稳定性判据，求解线性矩阵不等式的可行性问题，得到振动抑制控制系统的设计参数，根据具有所述设计参数的粘滑振动抑制控制系统来控制钻柱系统的运行。

优选的，在上述的粘滑振动抑制方法的步骤S1中：

钻柱系统的分布参数模型通过下述方法得到：将钻柱考虑成由无限多的具有转动惯量和扭转刚度的微小单元组成的系统，考虑钻柱上任意质点在任意时刻的位移，使用偏微分方程描述钻柱系统，得到钻柱系统分布参数模型；

所述边界条件包括顶部边界条件以及底部边界条件；

顶部边界条件通过下述方法确定：对于钻柱顶部，转盘驱动电机的输出转速往往与顶部钻柱的转速难以完全相同，这种速度差异会导致钻柱顶部的产生扭转力，由此确定顶部边界条件；