一种消除钻柱粘滑振动的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种消除钻柱粘滑振动的控制系统及方法，其方法的步骤如下：S1、在参数初始化后对钻柱参设进行设置；S2、当参数粘滑振动指示SSI达到一定值时，启动抗粘滑振动系统；S3、根据参数粘滑振动指示SSI的大小，设置相应的预防系统；S4、产生粘滑振动后根据变频器VFD反馈回的实际速度与电机的给定速度进行比较，经过PI调节控制器调节，附加一个扭矩到变频器VFD速度调节器输出后，通过变频器来控制电机的转速，从而使钻头脱离粘滑区域。能够有效地降低粘滑振动的振幅或者消除粘滑振动，减轻了钻柱的疲劳破坏程度，降低了因为钻柱疲劳发生井下事故的概率；具有可使钻头快速远离粘滑振动区域、提高钻速、降低钻井成本和提高钻井效率等优点。

Control system and method for eliminating stick slip vibration of drill string

The invention discloses a control system for eliminating the drill string stick slip vibration and method, the method comprises the following steps: S1, in the initialization of the reference design set up the drill string; S2, when the parameters of the stick slip vibration indicator SSI reaches a certain value, start the anti stick slip vibration system; S3, according to the parameters of viscosity slip vibration indicator SSI size, set the corresponding prevention system; S4, the stick slip vibration according to the actual speed of the given speed feedback and VFD inverter motor are compared through the adjustment of the PI controller, an additional torque to the VFD inverter speed regulator output, through the inverter to control the speed of the motor, thereby the drill bit from the stick slip area. Can effectively reduce the amplitude of the stick slip vibration or eliminate stick slip vibration of drill string, reducing fatigue damage, reducing the probability of drill string fatigue because of downhole accidents; can make fast bit away from the stick slip vibration region and improve drilling speed, reduce drilling cost and improve drilling efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油钻井的钻柱抗粘滑
，尤其涉及一种消除钻柱粘滑振动的控制系统及方法。
技术介绍
钻井过程中钻具经常会因扭矩过大而“憋停”，当扭矩达到某一值后钻具会突然快速释放，这种现象称为钻具粘滑。钻具的粘滑经常伴随井下震动，容易造成钻头的崩齿，缩短钻头寿命，严重时会造成钻柱或下部钻具扭断。钻具粘滑振动的产生，是由强烈的扭转振动和井下摩阻导致。这种振动表现为：在一段时间内钻头静止不动，当加在钻柱上的扭矩足够大时，钻头突然高速转动，转速可以在瞬间达到很大值。这样很容易造成钻柱疲劳，降低钻柱的工作效率和寿命，使钻井工作很难继续下去，甚至对钻井设备造成破坏性的伤害。针对钻柱粘滑振动，目前还没有一种有效的解决办法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种消除钻柱粘滑振动的控制系统及方法，解决了钻柱在钻井过程中由于钻柱粘滑振动而导致钻柱疲劳，降低钻柱的工作效率和寿命的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，包括触摸屏、一个可编程控制器PLC和一个带编码器的电机；所述的触摸屏与可编程控制器PLC相互连接，用于显示电机速度的给定值和实际值、电机扭矩实际值和限制值、电机转速、扭矩、操作状态信息及钻柱设置参数；所述的可编程控制器PLC用于通过控制电机的速度来消除钻柱粘滑现象；所述的电机用于取得钻柱系统运动，所述的电机转速、扭矩由可编程控制器PLC进行实时控制；还包括一个变频器VFD；所述的从电机编码器采集脉冲数据，实时计算电机的实际速度，再通过可编程控制器PLC从变频器VFD读取电机的实际速度。所述的变频器VFD包括有PI调节控制器，所述的PI调节控制器用于计算电机扭矩给定值和电机速度给定值。所述的可编程控制器PLC通过以下两种方式来控制电机速度：方式一：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机速度实际值，与给定的电机速度值进行比较，经过PI调节控制器得到电机扭矩给定值，再附加到变频器VFD的速度PI输出值上，从而实现控制电机速度；方式二：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机扭矩实际值，经PI调节控制器的反运算计算出一个速度值，附加到变频器VFD速度PI输入值上，从而实现控制电机速度。一种消除钻柱粘滑针的控制方法，所述方法的步骤如下：S1、在参数初始化后对钻柱参数进行设置；S2、当参数粘滑振动指示SSI达到一定值时，启动抗粘滑振动系统；S3、根据参数粘滑振动指示SSI的大小，设置相应的预防系统；S4、产生粘滑振动后根据变频器VFD反馈回的实际速度与电机的给定速度进行比较，经过PI调节控制器调节，附加一个扭矩到变频器VFD速度调节器输出后，通过变频器VFD来控制电机的转速；或者根据变频器VFD反馈回的实际扭矩，经过PI调节控制器反运算，附加一个速度到变频器VFD速度调节器输入前，通过变频器VFD来控制电机的转速；从而使钻头脱离粘滑区域。所述S1的具体步骤如下：S11、参数初始化后选择或者输入钻柱的参数；S12、观察判断粘滑振动周期Tss与扭矩振动周期是否一致；S13、如果不一致，则调整粘滑振动周期Tss直到与扭矩振动周期一致；S14、如果一致，可编程控制器PLC通过钻柱参数和粘滑振动周期Tss计算PI调节控制器的P值和I值。所述的P值和I值的计算公式如下：其中，ξ表示钻柱的特性阻抗，a表示预防系统(0～100％)，ωs表示粘滑振动角频率，JTD表示顶驱转到惯量。所述的钻柱的特性阻抗ξ的计算公式如下：其中，G表示钻柱的剪切弹性模量，ρ表示钻柱密度，Ip表示钻柱的极惯性矩；Ip的计算公式如下：其中，di和Di表示钻柱的内外径，Li表示钻柱长度。所述的粘滑振动角频率ωs的计算公式如下：其中，Ks＝GIp/L表示钻柱刚度系数，Jb＝ρIpL表示钻柱转动惯量，L表示钻柱长度。本专利技术的有益效果是：一种消除钻柱粘滑振动的控制系统及方法，能够有效地降低粘滑振动的振幅或者消除粘滑振动，减轻了钻柱的疲劳破坏程度，降低了因为钻柱疲劳发生井下事故的概率；具有可使钻头快速远离粘滑振动区域、提高钻速、降低钻井成本和提高钻井效率等优点。附图说明图1为系统的结构图；图2为控制电机速度方式一的工作原理图；图3为控制电机速度方式二的工作原理图；图4为系统的控制流程图。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。如图1所示，一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，包括触摸屏、一个可编程控制器PLC和一个带编码器的电机；所述的触摸屏与可编程控制器PLC相互连接，用于显示电机速度的给定值和实际值、电机扭矩实际值和限制值、电机转速、扭矩、操作状态信息及钻柱设置参数；所述的可编程控制器PLC用于通过控制电机的速度来消除钻柱粘滑现象；所述的电机用于取得钻柱系统运动，所述的电机转速、扭矩由可编程控制器PLC进行实时控制；还包括一个变频器VFD；所述的从电机编码器采集脉冲数据，实时计算电机的实际速度，再通过可编程控制器PLC从变频器VFD读取电机的实际速度。所述的变频器VFD包括有PI调节控制器，所述的PI调节控制器用于计算电机扭矩给定值和电机速度给定值。如图2和图3所示，所述的可编程控制器PLC通过以下两种方式来控制电机速度：方式一：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机速度实际值，与给定的电机速度值进行比较，经过PI调节控制器得到电机扭矩给定值，再附加到变频器VFD的速度PI输出值上，从而实现控制电机速度；方式二：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机扭矩实际值，经PI调节控制器的反运算计算出一个速度值，附加到变频器VFD速度PI输入值上，从而实现控制电机速度。一种消除钻柱粘滑针的控制方法，所述方法的步骤如下：S1、在参数初始化后对钻柱参数进行设置；S2、当参数粘滑振动指示SSI达到一定值时，启动抗粘滑振动系统；S3、根据参数粘滑振动指示SSI的大小，设置相应的预防系统；预防系统的设置根据粘滑振动的严重程度来设置，如果粘滑振动越严重，预防系统设置越大，粘滑振动如果不太严重，可适当地减小预防系统；S4、产生粘滑振动后根据变频器VFD反馈回的实际速度与电机的给定速度进行比较，经过PI调节控制器调节，附加一个扭矩到变频器VFD速度调节器输出后，通过变频器VFD来控制电机的转速；或者根据变频器VFD反馈回的实际扭矩，经过PI调节控制器反运算，附加一个速度到变频器VFD速度调节器输入前，通过变频器VFD来控制电机的转速；从而使钻头脱离粘滑区域。所述S1的具体步骤如下：S11、参数初始化后选择或者输入钻柱的参数；S12、观察判断粘滑振动周期Tss与扭矩振动周期是否一致；S13、如果不一致，则调整粘滑振动周期Tss直到与扭矩振动周期一致；S14、如果一致，可编程控制器PLC通过钻柱参数和粘滑振动周期Tss计算PI调节控制器的P值和I值。所述的P值和I值的计算公式如下：其中，ξ表示钻柱的特性阻抗，a表示预防系统(0～100％)，ωs表示粘滑振动角频率，JTD表示顶驱转到惯量。所述的钻柱的特性阻抗ξ的计算公式如下：其中，G表示钻柱的剪切弹性模量，ρ表示钻柱密度，Ip表示钻柱的极惯性矩；Ip的计算公式如下：其中，di和Di表示钻柱的内外径，Li表示钻柱长度。所述的粘滑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，包括触摸屏、一个可编程控制器PLC和一个带编码器的电机；所述的触摸屏与可编程控制器PLC相互连接，用于显示电机速度的给定值和实际值、电机扭矩实际值和限制值、电机转速、扭矩、操作状态信息及钻柱设置参数；所述的可编程控制器PLC用于通过控制电机的速度来消除钻柱粘滑现象；所述的电机用于取得钻柱系统运动，所述的电机转速、扭矩由可编程控制器PLC进行实时控制；其特征在于：还包括一个变频器VFD；所述的变频器VFD从电机编码器采集脉冲数据，实时计算电机的实际速度，再通过可编程控制器PLC从变频器VFD读取电机的实际速度。

【技术特征摘要】
1.一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，包括触摸屏、一个可编程控制器PLC和一个带编码器的电机；所述的触摸屏与可编程控制器PLC相互连接，用于显示电机速度的给定值和实际值、电机扭矩实际值和限制值、电机转速、扭矩、操作状态信息及钻柱设置参数；所述的可编程控制器PLC用于通过控制电机的速度来消除钻柱粘滑现象；所述的电机用于取得钻柱系统运动，所述的电机转速、扭矩由可编程控制器PLC进行实时控制；其特征在于：还包括一个变频器VFD；所述的变频器VFD从电机编码器采集脉冲数据，实时计算电机的实际速度，再通过可编程控制器PLC从变频器VFD读取电机的实际速度。2.根据权利要求1所述的一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，其特征在于：所述的变频器VFD包括有PI调节控制器，所述的PI调节控制器用于计算电机扭矩给定值和电机速度给定值。3.根据权利要求2所述的一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，其特征在于：所述的可编程控制器PLC通过以下两种方式来控制电机速度：方式一：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机速度实际值，与给定的电机速度值进行比较，经过PI调节控制器得到电机扭矩给定值，再附加到变频器VFD的速度PI输出值上，从而实现控制电机速度；方式二：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机扭矩实际值，经PI调节控制器的反运算计算出一个速度值，附加到变频器VFD速度PI输入值上，从而实现控制电机速度。4.根据权利要求1～3任意一项所述系统的一种消除钻柱粘滑针的控制方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：S1、在参数初始化后对钻柱参数进行设置；S2、当参数粘滑振动指示SSI达到一定值时，启动抗粘滑振动系统；S3、根据参数粘滑振动指示SSI的大小，设置相应的预防系统；S4、产生粘滑振动后根据变频器...

【专利技术属性】
技术研发人员：马双富，吴显科，
申请(专利权)人：四川宏华电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51