CN109138973A - 一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别公开了一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，以钻进系统的电机驱动转速实际值和电机驱动扭矩实际值为输入，即可估计电机驱动转速、钻柱扭矩和井底钻具组合转速。观测方法包括：通过钻进系统的变频器直接获取电机驱动转速，通过钻进系统的变频器直接获取电机驱动扭矩，设计二阶扰动模型获取钻柱扭矩估计值，通过旋转台动力学获取电机驱动转速估计值，通过钻柱动力学获取井底钻具组合转速估计值，状态观测器根据获得的钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值，诊断钻柱黏滑振动现象是否发生。本发明可以诊断井下几千米钻具组合的运动规律和钻柱扭矩的大小。

Description

一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法

技术领域

本发明属于石油天然气勘探与开发技术领域，特别涉及一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法。

背景技术

石油、天然气的勘探与开发，主要由钻进系统完成。钻进系统主要包括变频器、驱动电机、钻柱和井底钻具组合等。由于钻柱需要深入地下几千米、井底钻具组合转动惯量小及非线性摩擦力的存在，钻进系统容易出现钻柱黏滑振动现象。钻柱黏滑振动现象主要表现为，驱动电机为钻柱提供恒定扭矩，电机驱动转速低幅振动，井底钻具组合出现“滑动—黏滞—滑动”并交替出现。钻柱黏滑振动导致井底钻具组合瞬间转速非常大，容易造成钻杆和钻头的性能恶化；该现象不仅影响钻井效率也威胁到钻井的安全。

井底钻具组合位于地下几千米，所处的环境恶劣。如果在安装井底钻具组合传感器，易损坏，造价极高。因此无法直接获取井底钻具组合的运动状态和钻柱扭矩的大小，也就难以判断井底是否发生黏滑振动现象。如果不能实时诊断钻柱黏滑振动现象，容易导致严重的钻井事故。

与此同时，在钻柱黏滑振动控制领域，只有电机驱动转速可测，无法获取钻进系统井下的状态，也就无法完成全维控制器的设计。

发明内容

针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，用于解决现有技术中无法直接获取井下钻进系统状态的问题。采用本发明的系统能够估计井底钻具组合转速(钻头转速)，估计钻柱扭矩，诊断钻柱黏滑振动的发生。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

本发明一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，包括下述步骤：

1)通过钻进系统的变频器直接获取电机驱动转速；

2)通过钻进系统的变频器直接获取电机驱动扭矩；

3)设计二阶扰动模型获取钻柱扭矩估计值；

4)通过钻柱顶端旋转台动力学获取电机驱动转速估计值；

5)通过钻柱底端动力学获取井底钻具组合转速估计值；

6)状态观测器根据获得的钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值，以钻进系统的电机驱动转速和电机驱动扭矩为输入，以电机驱动转速估计值、钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值为输出，诊断钻柱黏滑振动现象是否发生；

7)当钻柱扭矩估计值发生不稳定波动、井底钻具组合周期性交替出现滑动—黏滞—滑动时，即钻进系统发生了钻柱黏滑振动。

进一步，所述步骤3)中，钻柱扭矩估计值通过二阶扰动模型获取：

式中，T为钻柱扭矩，为钻柱扭矩估计值，为钻柱扭矩估计值的导数，为钻柱扭矩导数的估计值，为钻柱扭矩导数估计值的导数，ω₁为电机驱动转速，为电机驱动转速估计值，i为减速比，K₂和K₃为估计器增益系数。

进一步，所述步骤4)中，电机驱动转速估计值：

式中，T_m为电机驱动扭矩实际值，为钻柱扭矩估计值，i为减速比，J₁为钻柱顶端旋转台转动惯量，K₁为估计器增益系数，ω₁为电机驱动转速，为电机驱动转速估计值，为电机驱动转速估计值的导数。

进一步，所述步骤5)中，井底钻具组合转速估计值通过下式获取：

式中，为钻柱扭矩导数的估计值，i为减速比，为电机驱动转速估计值，为钻头转速估计值，k为钻柱的刚度系数。

进一步，所述井底钻具组合转速估计值周期性交替出现滑动—黏滞—滑动为井底钻具组合转速估计值波动—零—波动。

本发明解决了现有技术中无法直接获取井下钻进系统状态的问题。所涉及的状态观测器及诊断算法，可采用嵌入式技术，实现智能化。本发明系统科学、简单便捷。采用本发明方法能大大提高井下钻进系统状态估计值的准确性，获取的状态估计值不仅可以诊断钻柱的黏滑振动是否发生，还可以作为控制器的反馈变量。

附图说明

图1是状态观测器诊断钻柱黏滑振动的结构示意图。

图2是状态观测器内部结构图。

图3是钻柱扭矩估计效果图。

图4是井底钻具组合转速(钻头转速)估计效果图。

图1中：1、状态观测器；2、变频器；3、电机；4、钻柱；5、井底钻具组合。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明通过诊断钻柱黏滑振动的状态观测器1的输入为电机3的驱动转速ω₁和电机3的驱动扭矩T_m，输出为电机3的转速估计值钻柱4的扭矩估计值和井底钻具组合5的转速估计值来进行诊断钻柱黏滑振动现象是否发生。其中，变频器2、电机3、钻柱4和井底钻具组合5组成钻进系统，且钻柱4和井底钻具组合5位于地下。状态观测器1的主要功能在于估计钻柱4的扭矩和井底钻具组合5的转速，并进一步诊断是否发生钻柱黏滑振动。

如图2所示，本发明下面具体给出了一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，具体包括以下步骤：

1)通过钻进系统的变频器2直接获取电机驱动转速ω₁；

2)通过钻进系统的变频器2直接获取电机驱动扭矩T_m；

3)设计二阶扰动模型获取钻柱扭矩估计值

4)通过钻柱顶端旋转台动力学获取电机驱动转速估计值

5)通过钻柱底端动力学获取井底钻具组合转速(钻头转速)估计值

6)状态观测器根据获得的钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值以钻进系统的电机驱动转速和电机驱动扭矩为输入，以电机驱动转速估计值、钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值为输出，诊断钻柱黏滑振动现象是否发生；

7)当钻柱扭矩估计值发生不稳定波动、井底钻具组合周期性交替出现“滑动—黏滞—滑动”时，即可诊断钻进系统发生了钻柱黏滑振动。井底钻具组合转速估计值周期性交替出现滑动—黏滞—滑动为井底钻具组合转速估计值波动—零—波动。

其中，钻柱扭矩估计值通过二阶扰动模型获取：

式中，为钻柱扭矩估计值的导数，为钻柱扭矩导数的估计值，为钻柱扭矩导数估计值的导数，i为减速比，K₂和K₃为估计器增益系数。

其中，电机驱动转速估计值通过下式获取：

式中，J₁为旋转台转动惯量，K₁为估计器增益系数。

其中，井底钻具组合转速估计值通过下式获取：

式中，k为钻柱的刚度系数。

如图3所示，为钻柱扭矩估计效果图，实线为钻柱扭矩实际值T，虚线为钻柱扭矩估计值其中，钻柱扭矩估计值可以很好地跟踪钻柱扭矩实际值T。

如图4所示，井底钻具组合转速(钻头转速)估计效果图，实线为井底钻具组合转速实际值，虚线为井底钻具组合转速估计值其中，井底钻具组合转速估计值可以很好地跟踪井底钻具组合转速实际值。由图3钻柱扭矩估计值的波动和图4井底钻具组合周期性交替出现“滑动—黏滞—滑动”，可以诊断钻进系统发生了钻柱黏滑振动。

从以上的描述中可以看出，本发明上述的实施方式实现了如下技术效果：

诊断方法简单，可采用嵌入式技术；获取的状态估计值不仅可以诊断钻柱的黏滑振动是否发生，还可以作为控制器的反馈变量；提高井下钻进系统状态估计值的准确性；大大降低钻井成本。

以上所述，仅为本发明针对应用的一种具体实施方式，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对以上实施方式所做的任何简单的修改和变更，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过钻进系统的变频器直接获取电机驱动转速；

2)通过钻进系统的变频器直接获取电机驱动扭矩；

3)设计二阶扰动模型获取钻柱扭矩估计值；

4)通过钻柱顶端旋转台动力学获取电机驱动转速估计值；

5)通过钻柱底端动力学获取井底钻具组合转速估计值；

6)状态观测器根据获得的钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值，以钻进系统的电机驱动转速和电机驱动扭矩为输入，以电机驱动转速估计值、钻柱扭矩估计值和井底钻具组合转速估计值为输出，诊断钻柱黏滑振动现象是否发生；

7)当钻柱扭矩估计值发生不稳定波动、井底钻具组合周期性交替出现滑动—黏滞—滑动时，即钻进系统发生了钻柱黏滑振动。

2.根据权利要求1所述的诊断钻柱黏滑振动的观测方法，其特征在于，所述钻柱扭矩估计值通过二阶扰动模型获取：

式中，T为钻柱扭矩，为钻柱扭矩估计值，为钻柱扭矩估计值的导数，为钻柱扭矩导数的估计值，为钻柱扭矩导数估计值的导数，ω₁为电机驱动转速，为电机驱动转速估计值，i为减速比，K₂和K₃为估计器增益系数。

3.根据权利要求1所述的诊断钻柱黏滑振动的观测方法，其特征在于，所述电机驱动转速估计值通过下式获取：

式中，T_m为电机驱动扭矩实际值，为钻柱扭矩估计值，i为减速比，J₁为钻柱顶端旋转台转动惯量，K₁为估计器增益系数，ω₁为电机驱动转速，为电机驱动转速估计值，为电机驱动转速估计值的导数。

4.根据权利要求1所述的诊断钻柱黏滑振动的观测方法，其特征在于，所述井底钻具组合转速估计值通过下式获取：

式中，为钻柱扭矩导数的估计值，i为减速比，为电机驱动转速估计值，为钻头转速估计值，k为钻柱的刚度系数。

5.根据权利要求1所述的诊断钻柱黏滑振动的观测方法，其特征在于，所述井底钻具组合周期性交替出现滑动—黏滞—滑动为井底钻具组合转速估计值波动—零—波动。