一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法技术

本发明专利技术针对地质钻探工程领域，公开了一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，包括以下步骤：首先进行钻机提升系统、钻柱系统、钻头‑岩石作用机理建模，构建钻柱纵向运动方程，获得依赖于不确定阻尼系数的状态空间模型，利用现场钻具参数、历史数据进行模型参数求解，最后整定不确定给进阻尼系数。本发明专利技术的方法考虑了实际钻柱系统由离散单元组成的特点，基于有限元方法，发明专利技术了一种自由度和实际钻具数量相当的高自由度模型。引入的阻尼模型能够通过整定阻尼系数反映当前环境下钻头‑岩石作用，从而建立适应不同环境的钻进过程钻压动态模型。现场数据表明，该模型能够较好地拟合从绞车转速输入到井上钻压输出的动态响应。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法
本专利技术涉及地质钻探工程领域，尤其涉及一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法。
技术介绍
钻进过程是深部资源能源勘探的重要途经，钻压是钻进过程中的关键操作参数之一，在钻进过程中要控制并维持钻压在预先设计的期望值，从而保证整个钻进过程的安全高效。由于钻压是钻柱受到的纵向应力和钻柱纵向运动息息相关。深部地质钻进往往需要穿越多种复杂地层抵达目标区域并获取完整岩心。在此过程中，钻柱直径通常为几十乃至几百厘米，而长度则要不断延伸至数千米，到达目标层位。虽然单根钻杆刚度很大，但数百根钻杆组成的钻柱整体本身细长比极小，表现出的柔性特性变得不可忽视。此外，由于钻进过程是驱动钻具与地层进行交互的过程，地层岩性变化则会导致钻头破岩的动态发生变化，并且钻进工程参数(如：转盘转速，泵量，泥浆密度等)与钻具型号(如：钻头尺寸，类型等)同样都会影响钻头破岩过程，导致钻进过程具有不确定性。目前，许多学者及相关钻井公司在钻压控制方面的工作都是基于低阶模型开展的，这些模型大都由系统辨识产生，结构参数固定，灵活性低，无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，其特征在于，所述考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法包括以下步骤：/n考虑钻柱系统由钻具单元拼接组成，获取所述钻具单元数量，将所述钻柱系统划分为所述钻具单元数量的离散单元，定义每截钻具单元两端为广义节点，获取每截钻具单元对应的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并组合成全局参数矩阵，建立钻柱系统有限元模型；/n建立钻机提升系统模型和钻头-岩石作用模型，将所述钻机提升系统模型和所述钻头-岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型，构建钻柱纵向运动方程；/n选取井上钻压、各广义节点速度及速度差作为所述钻柱纵向运动方程的状态变量，计算从绞车转速...

【技术特征摘要】
1.一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，其特征在于，所述考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法包括以下步骤：
考虑钻柱系统由钻具单元拼接组成，获取所述钻具单元数量，将所述钻柱系统划分为所述钻具单元数量的离散单元，定义每截钻具单元两端为广义节点，获取每截钻具单元对应的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并组合成全局参数矩阵，建立钻柱系统有限元模型；
建立钻机提升系统模型和钻头-岩石作用模型，将所述钻机提升系统模型和所述钻头-岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型，构建钻柱纵向运动方程；
选取井上钻压、各广义节点速度及速度差作为所述钻柱纵向运动方程的状态变量，计算从绞车转速输入至井上钻压输出的参数依赖状态空间方程；
根据钻机提升系统参数和各钻具参数求解所述参数依赖状态空间方程中的确定参数；
根据钻进过程绞车转速和井上钻压数据，利用二分法调整所述参数依赖状态空间方程中的给进阻尼系数的大小；
根据所述参数依赖状态空间方程、所述确定参数和所述给进阻尼系数建立当前环境钻进过程钻压动态模型。


2.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，其特征在于，所述考虑钻柱系统由钻具单元拼接组成，获取所述钻具单元数量，将所述钻柱系统划分为所述钻具单元数量的离散单元，定义每截钻具单元两端为广义节点，获取每截钻具单元对应的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并组合成全局参数矩阵，建立钻柱系统有限元模型的步骤包括：
根据钻具种类与数量，将每截钻具单元考虑为一个离散单元，定义每截钻具单元两端为广义节点，计算每截钻具单元的质量矩阵和刚度矩阵；
根据每截钻具单元首尾相连的特点，将每截钻具单元的质量和刚度矩阵合成为全局质量矩阵、全局刚度矩阵，利用瑞利阻尼描述全局阻尼矩阵；
根据所述全局质量矩阵、所述全局刚度矩阵和所述全局阻尼矩阵建立所述钻柱系统有限元模型。


3.根据权利要求2所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，其特征在于，所述每截钻具单元的质量矩阵Mi∈R2×2和刚度矩阵Ki∈R2×2为有如下形式的矩阵：



其中N为钻具的数量。


4.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，其特征在于，所述建立钻机提升系统模型和钻头-岩石作用模型，将所述钻机提升系统模型和所述钻头-岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型，构建钻柱纵向运动方程的步骤包括：
将钻机提升系统考虑为多股弹簧系统，建立描述钩载的弹簧模型作为钻机提升系统模型；
将钻头-岩石作用考虑为钻头受到给进阻尼，建立描述井底钻压的阻尼模型作为钻头-岩石作用模型；
根据钩载和井底钻压分别作用在钻柱系统两端，将所述钻机提升系统模型和所述钻头-岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型，得到钻柱系统纵向运动方程。


5.根据权利要求4所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法，其特征在于，所述钻柱系统纵向运动方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，马斯科，曹卫华，陈略峰，陆承达，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42