[发明专利]一种具有多自由度-变参数的钻柱系统回转运动建模方法

权利要求书

1.一种具有多自由度-变参数的钻柱系统回转运动建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：钻柱系统的建立：针对实际的钻柱系统，根据钻柱系统组成单元，建立对应的多自由度弹簧-阻尼系统；

步骤2：构建振动方程：基于振动力学，将所述多自由度弹簧-阻尼系统以2阶微分方程形式描述，并得到对应的质量、阻尼、刚度矩阵表达式；

步骤3：振动方程状态空间实现，并构建LPV模型：选取弹簧-阻尼系统各单元旋转角速度及各单元间旋转角度差为状态变量，推导出振动方程的状态空间方程实现；根据钻柱长度时变性质，计算钻柱各单元的转动惯量、刚度及所受阻尼与钻柱长度的关系式，并基于状态空间方程，得出具有钻柱长度依赖的LPV模型；

步骤4：LPV模型的线性分式表示：将钻柱长度进行归一化表达，并通过线性分式变换方法，将LPV模型分离为线性时不变部分与不确定块部分，以上线性分式变换形式描述；

步骤5：引入钻头-岩石作用模型，完成钻柱系统回转运动模型：引入Karnopp摩擦模型描述钻头-岩石作用，结合钻柱LFT模型，完成钻柱系统回转运动的动力学建模。

2.根据权利要求1所述的具有多自由度-变参数的钻柱系统回转运动建模方法，其特征在于，步骤1中，钻柱系统的建立包括如下子步骤：

(1)提取钻柱系统的井上部分的电机及转盘，井中部分的多段钻杆、加重钻杆、钻铤和钻井液，及井下部分的钻头与岩石，基于提取的组成单元，建立以多自由度弹簧-阻尼描述的钻柱系统简化模型；

(2)设置钻柱系统简化模型总自由度为n+3，其中钻杆包含n个自由度，转盘、加重钻杆和钻铤各包含1个自由度；n值通过钻杆与钻铤长度的比值或钻杆与钻铤长度的比值进行确定。

3.根据权利要求2所述的具有多自由度-变参数的钻柱系统回转运动建模方法，其特征在于，步骤2中，构建振动方程包括如下子步骤：

(1)基于振动力学，使用2阶微分方程描述n+3个自由度的钻柱系统简化模型，微分单元为转盘、钻杆、加重钻杆及钻铤所对应的旋转速度；系统输入为作用在转盘上的电机的输出力矩与来自底部钻头-岩石接触力矩；

(2)计算出振动方程中的钻柱系统n+3个单元的转动惯量矩阵、刚度矩阵和粘滞阻尼矩阵的表达式；

其中，钻柱系统中，钻杆被n等分，且钻柱整体材料属性相同，钻头转速等于钻铤转速