CN110633514B - 一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法，首先根据套管螺纹的锥度、螺纹升角、螺距、泊松比和弹性模量，对套管上扣过程进行力学分析，计算螺纹过盈量与套管螺纹参数、上扣扭矩和转角之间的关系，并以此建立套管上扣的过程模型；采集和记录多件样本套管上扣过程的转角值、上扣扭矩值，并对上扣扭矩值进行滤波处理；计算扭转系数，对经过滤波处理后的扭矩值和扭转系数进行归一化处理，并用于支持向量机训练，建立套管螺纹连接零点的检测模型；计算套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量；根据套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量，设计套管上扣控制方法。本发明可实现对套管上扣控制。

Description

一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法

技术领域

本发明属于石油钻井行业中套管上扣控制技术领域，涉及一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法。

背景技术

随着对油气能源的不断开发，工程上对于油气能源的开采钻探技术的要求也不断提高。油气资源的采集主要依赖于钻井开采，油套管是油气钻井开采中必需且用量最大的专用管材。油套管柱工作时一般要承受很高的内外压力和由于自重而引起的拉伸载荷的作用，螺纹联接部位即螺纹接头是整个油套管柱中最薄弱的环节，也是最容易损坏的部位。因此提高油套管螺纹连接的强度，及提高套管的上扣质量具有重要意义。

在现有的螺纹拧紧技术中，主要有扭矩控制法、扭矩—转角控制法、屈服点控制法等多种控制方法。目前，铁钻工的套管上扣控制方法是扭矩控制法，即以套管设定的上扣扭矩为控制点，在套管上扣的过程中实时采集套管的上扣扭矩，将实时上扣扭矩与设定上扣扭矩对比，若达到上扣扭矩则判断套管上扣完成。上扣所需扭矩是由给定的螺纹拧紧过盈量，并将油套管螺纹的几何参数、材料特性以及摩擦系数等条件代入计算得到。以实际测量上扣扭矩为判断依据的上扣控制方法虽然具有一定的适用性，但其只是对螺纹拧紧过盈量的间接判断，并且受拧紧过程中润滑油的摩擦系数、轴向力等实际工况的影响，不能反映上扣过程中的实际螺纹过盈量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法，以检测套管上扣时的螺纹连接过盈量来代替检测上扣扭矩实现对套管上扣控制，实现对套管上扣控制。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立套管上扣的过程模型：根据套管螺纹的锥度、螺纹升角、螺距、泊松比和弹性模量，对套管上扣过程进行力学分析，计算螺纹过盈量与套管螺纹参数、上扣扭矩和转角之间的关系，并以此建立套管上扣的过程模型；

步骤2、采集和记录多件样本套管上扣过程的转角值、上扣扭矩值，并对上扣扭矩值进行滤波处理；

步骤3、根据步骤2所记录的多件样本套管的上扣过程参数，建立套管螺纹连接零点的检测模型：计算扭转系数，对经过滤波处理后的扭矩值和扭转系数进行归一化处理，并用于支持向量机训练，建立套管螺纹连接零点的检测模型；

步骤4、采集套管上扣过程数据，结合步骤3建立的套管螺纹连接零点的检测模型，计算套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量；

步骤5、根据步骤4计算得到的套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量，设计套管上扣控制方法。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明通过控制套管螺纹连接的过盈量来判别套管上扣程度，与传统方法通过控制上扣扭矩来判别套管上扣程度相比，降低了摩擦系数等外界因素误差的影响，能够从本质上反映套管上扣状态，提高了套管上扣的质量和效率。

(2)本发明采用支持向量机构造螺纹连接零点检测模型，能够准确获取套管上扣时螺纹连接零点的转角值。

(3)本发明采用扭矩-转角法控制套管上扣，结合套管螺纹连接零点的检测，能够精确控制套管螺纹连接的过盈量，实现对套管上扣的精确控制。

附图说明

图1为基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法流程图；

图2为套管螺纹连接零点处的上扣扭矩、转角的特征示意图。

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的介绍。

本发明提供一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法，所述套管为一类采用管螺纹连接的螺纹连接件，管螺纹拧紧时通过产生一定的螺纹过盈量来确保螺纹连接的质量。螺纹过盈量可通过管螺纹参数、螺纹紧密贴合后的拧进角度计算，故实现控制螺纹过盈量的套管上扣，就要获取套管上扣时的转角值、螺纹连接零点(内螺纹和外螺纹刚好紧密贴合状态)角度和零点后所需拧进角度。所述螺纹连接零点通过获取套管实时上扣扭矩及转角值计算得到。

结合图1，本发明的一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立套管上扣的过程模型：

计算套管上扣扭矩，建立套管上扣的过程模型，得到螺纹连接零点处的上扣扭矩、转角的特征。

根据套管螺纹的锥度、螺纹升角、螺距、泊松比和弹性模量。对套管上扣过程进行力学分析，计算螺纹过盈量与套管螺纹参数、上扣扭矩和转角之间的关系，并以此建立套管上扣的过程模型。由此可得到上扣扭矩公式：

式中：T为上扣扭矩；μ为套管摩擦系数；F_Z为套管轴向力；r_t为套管螺纹中经；E为套管材料弹性模量；θ₁为螺纹连接零点后转角增加量；A为常量，由套管几何参数计算得到。

图2为套管螺纹连接零点处的上扣扭矩、转角的特征示意图，根据上述得到的套管上扣过程模型，上扣扭矩对转角的斜率在螺纹连接零点之前比螺纹连接零点之后小。

步骤2、采集和记录多件样本套管上扣过程的转角值、上扣扭矩值，并对上扣扭矩值进行滤波处理：

选取多件同一型号的样本套管进行上扣作业，通过扭矩传感器和编码器实时采集套管上扣过程的上扣扭矩和转角值，按一定的转角间隔Δθ来记录转角值θ_n，检测转角值为θ_n时的上扣扭矩并记录为T_n。对记录的扭矩值T_n进行滤波处理，滤波方法为：

式中：T_n′为经过滤波处理后的扭矩值；

T_n为检测得到的扭矩值；

n为记录的转角值和扭矩值的序号。

步骤3、根据步骤2所记录的多件样本套管的上扣过程参数，建立套管螺纹连接零点的检测模型：

计算扭转系数，对经过滤波处理后的扭矩值和扭转系数进行归一化处理，并用于支持向量机训练，建立套管螺纹连接零点的检测模型。

3.1、根据转角间隔Δθ和经过滤波处理后的扭矩值T_n′计算扭转系数k_n，扭转系数计算公式为：

3.2、对经过滤波处理后的扭矩值T_n′和扭转系数k_n进行归一化处理：

为了方便套管螺纹连接零点检测模型的建立，同时保证所建立的检测模型具有良好的适用性，对经过滤波处理后的扭矩值和计算得到的扭转系数这两个特征值进行归一化处理，将经过滤波处理后的扭矩值和计算得到的扭转系数线性的转换到[0,1]区间。归一化处理方法为：

式中：T_n ^*为经过归一化处理后的扭矩值；

T_max′为滤波处理后的最大扭矩值；

T_min′为滤波处理后的最小扭矩值；

k_n ^*为经过归一化处理后的扭转系数；

k_max为最大扭转系数；

k_min为最小扭转系数。

3.3、将归一化处理后的扭矩值和扭转系数组成特征向量，用于支持向量机的训练和预测：

特征向量

表示为：

初始训练样本集包含记录的N个历史数据样本，表示为：

式中：

为样本的特征向量；

y_n∈{+1,-1}为样本的类别标签。

类别标签y_n的值为-1时为反例点，表示当前记录的转角值在螺纹连接零点之前。类别标签y_n的值为+1时为正例点，表示当前记录的转角值在螺纹连接零点之后。

3.4、根据上述得到的特征向量

和样本的类别标签y_n，训练支持向量机目标函数：

考虑到上述特征向量用于支持向量机训练时可能存在误差，引入松弛变量ξ_i≥0，i＝1,2,...,N。训练目标函数为：

约束条件为：

式中：

表示系数矩阵，b为阈值，C为惩罚参数。

采用拉格朗日乘子法，上述目标函数可以转化为：

约束条件为：

0≤α_i≤C,i＝1,2,...,N

0≤α_j≤C,i＝1,2,...,N

式中：α_i和α_j为拉格朗日乘子。

3.5求解得到拉格朗日乘子的最优解α^*，然后计算出系数矩阵

和阈值b的最优解。计算式子如下：

式中：

为系数矩阵

的最优解，b^*为阈值b的最优解。

步骤4、采集套管上扣过程数据，结合步骤3建立的套管螺纹连接零点的检测模型，计算套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量：

4.1、计算套管螺纹连接零点位置：

将采集到的上扣过程数据进行滤波处理，滤波处理方法如步骤2所述。滤波后计算扭转系数和归一化处理，如步骤3所述。

将上述处理后的扭矩值和扭转系数构成特征向量

并将其输入到预测函数。预测函数的形式为：

式中：

b^*为步骤3得到的最优解，y_n为求解得到对应的类别标签。

上述预测函数得到的类别标签y_n的值为-1时表示当前记录的转角值在螺纹连接零点之前，类别标签y_n的值为+1时表示当前记录的转角值在螺纹连接零点之后。类别标签y_n的值在-1向+1跳变时对应的转角值θ₀为套管螺纹连接零点位置。

4.2、计算套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量：

根据对应套管所需的过盈量δ，由下式计算套管螺纹连接零点之后的所需转角量θ_c：

式中：P为螺距；

为套管螺纹锥角。

步骤5、根据步骤4计算得到的套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量，设计套管上扣控制方法。

控制铁钻工对套管进行上扣，初始阶段采用扭矩控制。当上扣扭矩值到达设定的计算扭矩值时，采用转角控制，同时将已采集到的转角值和上扣扭矩用于套管螺纹连接零点位置转角值θ₀计算。套管完全上扣的额定转角值θ_f由下式计算：

θ_f＝θ₀+θ_c

式中：θ_c为上述套管螺纹连接零点之后的所需转角量。

采用转角控制方法控制套管上扣，套管上扣转角值达到额定转角值θ_f时，套管上扣完成。

本发明建立的套管螺纹连接零点的检测模型，能够精确计算套管螺纹连接零点位置，并采用扭矩-转角法控制套管上扣，能够直接控制套管螺纹连接的过盈量，实现对套管完全上扣的控制效果。

Claims (6)

1.一种基于螺纹过盈量的套管上扣控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立套管上扣的过程模型：根据套管螺纹的锥度、螺纹升角、螺距、泊松比和弹性模量，对套管上扣过程进行力学分析，计算螺纹过盈量与套管螺纹参数、上扣扭矩和转角之间的关系，并以此建立套管上扣的过程模型：

式中T为上扣扭矩；μ为套管摩擦系数；F_Z为套管轴向力；r_t为套管螺纹中经；E为套管材料弹性模量；θ₁为螺纹连接零点后转角增加量；A为常量；

步骤2、采集和记录多件样本套管上扣过程的转角值、上扣扭矩值，并对上扣扭矩值进行滤波处理；

步骤3、根据步骤2所记录的多件样本套管的上扣过程参数，建立套管螺纹连接零点的检测模型：计算扭转系数，对经过滤波处理后的扭矩值和扭转系数进行归一化处理，并用于支持向量机训练，建立套管螺纹连接零点的检测模型；

步骤4、采集套管上扣过程数据，结合步骤3建立的套管螺纹连接零点的检测模型，计算套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量；

步骤5、根据步骤4计算得到的套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量，设计套管上扣控制方法。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，套管上扣控制方法为初始阶段采用扭矩控制，上扣扭矩值到达设定的计算扭矩值时，采用转角控制。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，套管完全上扣的额定转角值θ_f为：θ_f＝θ₀+θ_c

式中，θ_c为上述套管螺纹连接零点之后的所需转角量；θ₀套管螺纹连接零点位置对应的转角值。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤2对上扣扭矩值进行滤波处理具体方法为：

式中T_n′为经过滤波处理后的扭矩值；T_n为检测得到的扭矩值；n为记录的转角值和扭矩值的序号。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤3建立套管螺纹连接零点的检测模型，具体包括以下步骤：

3.1、根据转角间隔Δθ和经过滤波处理后的扭矩值T_n′计算扭转系数k_n；

3.2、对经过滤波处理后的扭矩值T_n′和扭转系数k_n进行归一化处理；

3.3、将归一化处理后的扭矩值和扭转系数组成特征向量：

3.4、根据上述得到的特征向量

和样本的类别标签y_n，训练支持向量机目标函数；

3.5求解得到拉格朗日乘子的最优解α^*，然后计算出系数矩阵

和阈值b的最优解。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤4计算套管螺纹连接零点位置和套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量，具体包括以下步骤：

4.1、计算套管螺纹连接零点位置：

将扭矩值和扭转系数构成特征向量

输入到预测函数；预测函数的形式为：

式中

b^*为步骤3得到的最优解，y_n为求解得到对应的类别标签；

4.2、计算套管螺纹连接零点之后所需拧进的转角量：

根据对应套管所需的过盈量δ，由下式计算套管螺纹连接零点之后的所需转角量θ_c：

式中P为螺距；

为套管螺纹锥角。

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