[发明专利]动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法

说明书

一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法，根据其数学模型分别建立模拟加载装置的液压缸、磁粉制动器和比例溢流阀的传递函数；运用模糊推理方法使用模糊自适应PID控制器计算出输入和输出之间的关系，进行PID参数的最佳调整；然后应用Matlab软件中Simulink模块将所设计的控制方法与常规PID控制方法的仿真结果比较；结果显示，模糊自适应PID控制方法具有更快的响应时间、更好的抗干扰能力；研究结果表明：本发明的控制方法对于动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台的模拟加载系统是可行的，并且系统的响应速度得到提升，系统稳定性更好。

技术领域

本发明属于旋转导向钻井技术领域，特别涉及动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法。

背景技术

在石油钻井工程中，需要对动态偏置指向式旋转导向钻井工具的性能进行测试，由于动态偏置指向式旋转导向钻井工具结构复杂并且造价昂贵，目前我国还没有自主研制的能够成功进行商业化应用的动态偏置指向式旋转导向钻井工具，无法对动态偏置指向式导向钻井工具的性能进行深入专业的研究，在这试验研究方面尚有很大的探索空间。参照图1、图2，专利号CN107219084A的专利公开了一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，所涉及的动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台包括旋转装置1，指向式旋转导向钻井工具2，动态偏置指向式钻井工具夹持装置3，钻压和扭矩模拟加载装置4，膨胀螺栓5，架体6。其中动态导向模拟加载装置主要包括钻头1、轴向压力传感器2、油缸空心轴3、油缸体4、磁粉制动器5。该试验台能够进行配套的指向式旋转导向钻井工具功能性验证与一定性能的研究，还可以进行导向机构系统的稳定性与工作寿命的研究。一般传统的控制方式是在理想的情况下需要用户提供准确的数学模型，但是实际情况中由于工作环境和其它外界人为因素的影响，被控对象都会表现出一定的偏差，常规的控制方式不能满足在此种情况下的数学建模。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提出了一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台模拟加载控制方法，针对数学模型的不确定性、建模困难这一难题，提出了模糊自适应PID控制方法，运用模糊化、解模糊等一系列方法和专家经验设计模糊自适应PID控制器，然后通过计算仿真所得的曲线判断系统的动态性能和稳定性，在实验室条件下真实模拟动态偏置指向式旋转导向钻井工具在加载不同扭矩和轴向压力之后的导向能力，从而验证动态指向式旋转导向钻井工具的可靠性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法，包括以下步骤：

步骤一：建立动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台模拟加载系统的数学模型

1.建立液压缸的数学模型

液压缸在工程上认为是二阶环节和一节环节的组合，其传递函数为：

式中：A-有杆腔面积，m²；δ_h-阻尼比；w_h-无阻尼固有频率，Hz，S为传递函数复变量；

2.建立磁粉制动器的数学模型

在不考虑磁粉粘滞阻力和转动离心力产生的附加扭矩的情况下，磁粉制动器的数学模型为：

式中：B-磁感应强度，T；D-定子外径，m；L₁-宽度，m；μ₀-气隙磁导率，H/m；μ_δ-磁粉磁导率，H/m；

在制动器磁路中，由磁场欧姆定律得：