[发明专利]基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法

说明书

本发明特别公开了一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法，系统包括油气井钻柱系统(被控对象)、变频器、控制装置及人机交互装置。控制方法采用诊断钻柱黏滑振动的算法、控制器辅给定转速控制算法和变频器嵌入的比例积分控制算法，控制器调节变频器辅给定转速指令ω_au并反馈至变频器构成闭环反馈控制系统，变频器PLC内嵌入比例积分控制算法构成另一个闭环反馈控制系统，二者结合实现变频器双闭环反馈控制，进一步抑制钻柱黏滑振动。本发明可以诊断井下钻柱黏滑振动是否发生，可以抑制钻柱黏滑振动现象。

技术领域

本发明属于石油天然气勘探与开发技术领域，特别涉及一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动控制系统及方法。

背景技术

石油、天然气的钻探与开发，主要由钻柱系统完成。钻柱系统主要包括由变频器控制的驱动电机、齿轮箱、井口旋转台、由若干钻杆连接成的钻柱和井底钻具组合。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，钻柱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，旋转台转速低幅振动，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。因此需要采取合理的控制方法来抑制黏滑振动。

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，无法获取钻柱系统井下的状态，也就无法完成全维控制器的设计。

国外发达国家做了一些抑制钻柱黏滑振动的研究，发表了一些相关文献。这些研究仍然存在许多问题。一方面，这些控制算法的反馈量包含井底钻具组合的运动状态，但是在钻井现场，实时的井底钻具组合运动状态无法直接获取；另一方面，这些研究仅仅局限于仿真研究，不涉及电机动力学，不涉及如何控制变频器和驱动电机。导致它们只能在理论上可行，却无法应用于工程实际。

目前，国内对于抑制钻柱黏滑振动控制算法的研究还非常落后，难以找到相关的研究文献。因此设计相关的控制系统、探索其控制算法具有很好的工程应用价值。

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基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动的控制系统及控制方法，用于解决现有技术中无法诊断钻柱黏滑振动的问题和无法有效抑制钻柱黏滑振动的问题。采用本发明的系统，仅仅需要从变频器获取顶驱的驱动扭矩和驱动转速，就能够估计井底钻具组合转速，诊断钻柱的黏滑振动是否发生，设计全维控制器，有效控制变频器和电机，抑制钻柱的黏滑振动。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

一种基于变频器辅给定转速抑制钻柱黏滑振动的控制系统，包括油气井钻柱系统(被控对象)、变频器、控制装置及人机交互装置。其中：

油气井钻柱系统，包括顶驱、钻柱和井底钻具组合，用于实现油气井的钻进；

变频器，包含PLC，用于设定油气井钻柱系统目标转速，控制顶驱的驱动扭矩和驱动转速，并且识别实时的顶驱驱动扭矩和驱动转速；

控制装置，包括观测器和控制器；观测器以驱动转速和驱动扭矩为输入，用于估计井底钻具组合转速，诊断钻柱的黏滑振动是否发生；控制器包括辅给定转速控制算法，以从变频器获取的驱动转速和观测器估计的井底钻具组合转速为输入，用于控制变频器辅给定转速，抑制钻柱黏滑振动；

人机交互装置，通过串口与控制器相连，用于输入控制参数，并显示油气井钻柱系统驱动扭矩、驱动转速和井底钻具组合转速估计值；