[发明专利]煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法

说明书

本发明为一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统；煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，非对称缸的输入端与等效负载连接，控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；控制系统包括传感器组和控制器，传感器组为控制系统的输入端，控制器为控制系统的输出端。本发明具有动态响应快，稳定性强，精度高，鲁棒性强的优点，能有效跟踪控制活塞位移轨迹，使系统更加稳定，确保理想的输出质量。

技术领域

本发明涉及煤层气水平井推进系统控制领域，具体涉及一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法。

背景技术

构造煤煤层气高效勘探开发技术与装备设计是制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要技术瓶颈之一。煤层地质不稳定性因素直接影响煤层气开发技术发展，国内外众多专家学者针对我国特有的煤层气储存地质条件开展了大量研究。但煤层气的开采技术是影响煤层气主要原因。

煤层气水平井集钻井、完井和增产措施于一体，是开发煤层气的主要手段之一。水平井推进系统承载着煤层气水平井掘进的核心任务，由于煤层负载的特殊性，推进系统采用液压方式驱动，推进工作由阀控非对称液压缸的协调活塞动作来完成。推进系统活塞位移量的控制直接关系到煤层气水平井开采中的安全性、稳定性和防坍塌性等。

现有技术中多采用PID控制法，但该方法动态响应时间长，稳定性差，精度较低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法，具有动态响应快，稳定性强，精度高，鲁棒性强的优点，能够有效跟踪控制活塞位移轨迹，使系统更加的稳定，从而确保理想的输出质量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统；其中，

所述煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，所述安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，所述伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，所述伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，所述非对称缸的输入端与等效负载连接，所述控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；

所述控制系统包括传感器组和控制器，所述传感器组为控制系统的输入端，用于检测非对称缸的参数变化信息并发送至控制器；所述控制器为控制系统的输出端，用于根据参数变化信息控制伺服阀运动。

进一步地，所述非对称缸内设置有活塞，所述活塞顶部截面半径与非对称缸内侧半径相同，所述活塞杆体底端与等效负载连接，所述非对称缸被活塞顶部分隔形成有杆腔和无杆腔。

更进一步地，所述传感器组包括位移传感器和压力传感器，所述位移传感器用于检测活塞杆体的位移变化，所述压力传感器用于检测活塞杆体底部受到来自等效负载的受力大小。

一种利用上述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统的方法，包括以下步骤：

基于液压伺服系统工作原理，构建煤层气水平井钻井液压推进系统模型，在煤层气水平井钻井液压推进系统模型的输入端分别设置等效负载和控制系统；

在非对称缸内无杆腔进油，有杆腔出油，活塞伸出时，计算负载压力p_L和流量比α，并根据输入非对称缸的流量和输出非对称缸的流量，计算负载流量q_L，得到滑阀线性化流量方程；

根据滑阀线性化流量方程，计算得到非对称缸的流量性方程和非对称缸的力平衡方程；