前馈PID控制器在钻柱运动补偿系统中的应用

针对"深海钻柱运动补偿系统负载大时,钻柱运动补偿系统响应的时间长,使得补偿系统在控制过程中出现滞后、反馈补偿出现振荡"等问题,设计了钻柱运动补偿系统中的前馈PID控制器。根据对负载变化趋势的预测结果,采取前馈补偿的方法来减小补偿系统负载变化对钻压产生的影响,提高了系统的响应速度;同时,引入PID反馈控制消除补偿系统在前馈控制过程中产生的误差,提高了系统跟踪补偿的精度。研究结果表明,该方法对于大惯性负载的运动补偿装置控制器的设计具有一定的借鉴意义和实用价值。     

新型深海作业船体波浪补偿预控系统研究

传统的深海作业船体波浪补偿方法效率较低,且使用范围具有较大的局限性。针对传统方法的不足,提出并设计了一种新型主动波浪补偿预控系统。结合波浪预测装置在预测周期里推算出整个控制周期内起重吊点的位移,在随后的补偿周期里利用补偿动作装置对该位移作出全额补偿。随后进入下一个控制周期,周而复始并贯穿于整个工作阶段。通过理论计算分析得出本系统可较大程度上减小因波浪起伏而导致的钢绳附加应力,能较好的进行深海作业船体波浪补偿,为系统的研究提供了思路和参考。     

深水钻井船升沉补偿绞车负载模拟系统控制特性研究

该文针对深水钻井船升沉补偿绞车负载模拟系统位置控制特性进行研究,介绍了模拟实验台阀控缸位置控制系统原理和结构,采用理论分析的方法,建立了液压控制系统的数学模型和仿真模型,通过仿真分析,得到了不同负载、波浪模拟幅值、波浪模拟周期条件下系统位置控制的响应特性,验证了模拟系统原理与性能的有效性,为该波浪补偿绞车的开发奠定了基础。     

波浪补偿装置机液耦合动力学分析

为研究海上平台起重机油缸蓄能器型波浪补偿装置的动态性能,在ADAMS中建立了带有波浪补偿装置的起重机模型,并将臂架设置为柔性体,进行了机液耦合动力学分析.仿真分析了起升作业过程中补偿装置的刚度和阻尼对补偿性能的影响,仿真结果表明该补偿装置将动栽系数从2.24减小到1.31,补偿装置的补偿效果理想.仿真分析方法和结果可以为油缸蓄能器型波浪补偿装置的设计提供参考.     

基于模型参考自适应控制的钻压控制的研究

针对目前深海钻井作业钻柱运动难以实现钻压调整的问题,该文对钻柱运动补偿系统进行了实验研究,把基于钻压反馈的钻柱补偿思想应用于系统设计中,建立了补偿动载的液压缸实验台。设计了具有自动调整补偿控制结果的模型参考自适应控制器,建立了该液压系统的数学模型。通过在平台运动模拟缸静止研究了钻压跟踪控制的可行性,并在平台模拟缸运动情况下对钻压补偿效果进行实验研究。研究结果表明,通过设计适应性好的控制器,可以有效减小负载运动时对控制效果的影响,其结果对钻柱运动补偿器的进一步研究具有重要参考意义。     

船舶起重机半主动升沉补偿控制特性研究

针对大吨位波浪补偿系统响应滞后导致的位置补偿不足的问题,提出船舶起重机半主动升沉补偿系统补偿控制方法,即当系统工作于半主动升沉补偿工况时,采用多状态反馈的复合控制方法实现对负载升沉运动的高精度补偿,建立复合液压缸、活塞蓄能器、比例阀组成的补偿控制系统数学模型,并考虑速度、加速度反馈和船舶升沉速度前馈,进行仿真与实验分析,得到不同负载、运动幅值、运动周期条件下系统位置补偿控制的响应特性,验证了船舶起重机半主动升沉补偿控制方法的有效性。     

基于AR模型的转台位置预测方法研究

文中以时栅传感器作为CNC系统的位置检测元件,为了解决时栅数控转台在高精度伺服控制过程中的动态位置反馈误差问题,研究了利用AR模型对转台位置进行预测测量的方法。介绍了预测测量的原理、预测方法及其模型系数的求解方法,并搭建了一套实验装置。经实验表明,基于AR模型的转台位置预测测量方法正确可行,通过修正后预测误差为±2″.     

基于AMESim的海上钻井平台波浪补偿仿真研究

为了在海上作业时,减小钻井平台受风浪的影响,提高钻井的工作效率,通过对钻柱的补偿位移研究,介绍了半主动波浪补偿系统的工作原理及液压原理图,并用AMESim仿真软件建立仿真模型。结果表明:采用半主动形式的补偿精度高,可以提高钻井平台的稳定性及工作效率,降低能源消耗。     

基于修正黏性摩擦LuGre模型的比例多路阀摩擦补偿

为减小摩擦对比例多路阀性能的影响,提出基于修正黏性摩擦LuGre模型的比例多路阀摩擦特性分析、模型参数辨识以及摩擦补偿方法。通过实验测试间接得出摩擦数据,运用数据拟合方法辨识出修正黏性摩擦LuGre模型的静态和动态参数。基于辨识参数设计出修正黏性摩擦LuGre模型摩擦状态观测器,将观测器摩擦信号输出量反馈到控制模型输入端,减小摩擦对比例多路阀性能的不良影响。仿真结果表明,基于辨识参数的修正黏性摩擦LuGre模型摩擦补偿方法可提高比例多路阀的位置跟踪精度。     

数控位置伺服系统控制策略研究

针对高速高精度加工技术对数控位置伺服系统的控制性能提出的更高要求以及现行位置伺服控制方法存在不足的问题,提出了一种基于模糊推理的广义预测控制方法。首先采用网格搜索算法和递推最小二乘法相结合的思想对伺服控制系统的模型结构和模型参数进行辨识;然后将广义预测控制方法作为数控位置伺服系统的控制策略,运用模糊逻辑推理对反馈偏差进行非线性在线校正,克服了传统的广义预测控制对CARIMA模型进行线性控制的缺点;最后通过MATLAB仿真和施耐德十字平台实验验证了该方法具有很好的控制性能和鲁棒性。该方法为高速高精度数控机床的位置伺服控制系统提供了一种新的思路。     

液力推进式钻井工具理论分析和流体仿真

大位移水平井钻井过程中,存在钻压难以控制和上部钻柱振动这两个主要问题,限制了水平段的进尺位移和钻进速度,应用液力推进式钻井工具可以一定程度上解决这些问题。对使用液力推进式钻井工具的性能进行理论分析,并应用“弹簧阻尼”模型进行简化分析。利用SolidWorks和Fluent软件对液力推进式钻进工具进行流体仿真,得到压力云图和速度矢量图,获得准确的钻进速度。最后,应用Fluent和MATLAB 软件对使用液力推进式钻井工具的钻进速度的影响因素进行分析并作出合理解释。     

全液压钻机给进液压系统的负载特性

通过对全液压钻机实际工况和负载特性分析,建立钻套与钻具之间的摩擦系数关系,针对给进电液系统进行优化设计,分别建立加压钻进和减压钻进压力控制系统数学模型;根据钻进地质情况的不同,对控制回路性能与溢流压力关系和控制回路压力-流量与电比例换向阀阀口开度关系进行分析,研究变负载对压力控制性能的影响,实现高效节能的回路控制。通过现场对给进液压缸负载力的采集,对比仿真分析,充分证明了给进压力控制回路可以对加压力准确调节,使钻杆在实际钻进过程中安全、平稳,优化后的给进电液系统在给进压力控制方面效果显著。     

Research and experimental analysis of drill string dynamics characteristics and stick-slip reduction mechanism

Stick-slip of the drill string, as one of the critical factors affecting drilling efficiency, has always been a hot topic for experts and scholars in related fields. Serious stick-slip vibration affects the well construction efficiency, drilling cost and even lead to a downhole accident. Therefore, based on the current research, this paper takes a new type of composite vibration tool as the research object, studies the working mechanism of the tool and analyzes the effect of stick-slip reduction. After establishing the multi-degree-of-freedom torsional dynamics model, we obtained the results of torsional vibration dynamics by cases analysis based on working conditions and related mechanical parameters. In addition, the results of the examples, compared with the field experimental data, verify that the vibration shock generated by the new composite tool can effectively reduce the torque fluctuation range of the system, avoid the occurrence of stick-slip phenomenon, improve the ROP (rate of penetration), and make drilling process more stable. This paper can provide reference for the optimization and development of stick-slip technology in drilling engineering, and the theoretical methods can also be developed to study the dynamics of drill string.     

钻柱结构与井壁岩石互作用下系统耦合非线性动力学研究

在石油钻井过程中,钻柱的运动过程相当复杂,不仅存在纵向、横向和扭转振动,而且还与井壁发生随机接触碰撞.在考虑钻头与岩石互作用随机载荷以及钻柱与井壁接触碰撞随机载荷作用下,建立实态工作状态下钻柱与井壁互作用下钻柱系统纵向、横向、扭转耦合非线性动力学模型,研究高度耦合非线性动力学模型的数值计算方法,探讨钻柱在钻井过程中运动规律、力学性能,为实态工作工况下钻柱系统耦合非线性动力学奠定理论基础,具有重要的理论意义和学术价值.     

钻铤因素对钻柱振动的影响分析

钻铤因素直接影响着钻柱振动的整体效果。钻铤长度是硬岩钻井中引起钻柱剧烈振动的一方面原因,同时也是解决钻柱振动的主要突破口。文中从钻铤的长度、固有频率、激励来源、钻铤共振及其临界转速、振动的控制等方面对钻柱振动问题进行全面分析论证,以公式的形式给出论证结果,便于钻井工程师们直接应用于生产实践。     

深井自动垂直钻具纠斜动力提取机构的动力学仿真与实验研究

自动垂直钻井工具工作于深井超常环境压力下,其核心部件液控导向纠斜机构是否能直接可靠地在井下提取纠斜所需的动力是微型液压动力系统产生主动纠斜力、正常工作的保证。结合AMESim对微型液压动力系统的仿真数据,借助ADAMS对纠斜动力提取机构进行仿真分析,对导向套与钻杆之间是否保持相对转动以产生驱动液控导向纠斜机构工作的动力问题进行了深入探讨。并通过实测自动垂直钻具原理样机的导向套与钻杆的扭矩,对ADAMS仿真分析及结果进行了验证。仿真和实验表明,在深井实钻这一工况下,导向套和钻杆之间可以保持相对转速,液控导向纠斜装置正常工作的能量供给可靠,纠斜机构微型液压动力系统工作正常。     

半主动式补偿绞车的液压试验系统

为了检验半主动式补偿绞车的控制性能与节能效果,根据相似理论研制了补偿绞车原理样机及其液压试验系统,主要包括升沉模拟液压系统、负载模拟液压系统、1∶5缩尺的补偿绞车原理样机,分别实现了造波、加载、升沉补偿与自动送钻等试验功能。开发了电控系统,升沉补偿采用大钩位移闭环,自动送钻采用负载压力闭环,电机采用带速度反馈的矢量控制模式。最后通过试验模拟了补偿绞车原理样机的升沉补偿过程、自动送钻过程以及二者的联动过程,测试了补偿绞车的控制性能及液压蓄能节能效果。试验结果表明:补偿绞车的控制效果良好,半主动补偿方式相对于主动补偿方式有明显的节能效果。     

Vibration analysis of new drill string system with hydro-oscillator in horizontal well

With the growth of oil and gas resource demand, the hydro-oscillator is widely used to enhance the Rate of penetration (ROP) and improve the efficacy in drilling various wells. The vibration model is the key issue of dynamics analysis and optimization of downhole tools. For the vibration analysis of the new drill string system with hydro-oscillator in the horizontal well, based on the design of the new hydro- oscillator and its operation conditions, the kinematics expressions are presented. Combined with the vibration force calculation results of the hydro-oscillator, the dynamics model of the new drill string system is established. Furthermore, the important features of vibration frequency, displacement, velocity and acceleration are discussed in the numerical example calculation results. By comparing the results of the calculation and experiment test, we can verify the correctness of the analysis model. With the hydro-oscillator vibration effect, the static friction between the drill string and wellbore is changed to the dynamic friction, so it can result in a significant increase in run length. At the same time, the ROP can be enhanced with the vibration effect. Moreover, with the parameters’ adjustment according to the operation conditions, the analysis method and model can also provide references to the study of similar downhole tools dynamics or mechanical properties.     

底部钻柱近钻头动态力测量及声传输方法

为研究随钻测井时底部钻柱近钻头动力学特性,设计直梁应变片式测力传感器,研制一种基于虚拟仪器平台的模拟钻柱动态力无线测量装置,用于模拟钻柱旋转过程中轴向力、侧向力和转矩的多线程检测。在此基础上,比较井下数据传输方法,以纵波为传输载体,设计模拟钻柱声传输装置,对动态力数据进行脉冲时延和OOK(On-off keying)调制,沿管轴方向对有限长模拟钻柱施加纵向激励,进行模拟钻柱信道动态力测试信号的声传输试验。结果表明,系统在实验室内实现动态力数据经时延脉冲OOK信号调制后沿模拟钻柱信道的低频声波传输,为近钻头传感器测量数据的低频声传输系统的应用提供理论与试验依据。     

天车升沉补偿试验系统设计及仿真研究

为了检验海洋浮式钻井天车升沉补偿装置的工作性能,根据相似理论设计了升沉补偿试验系统,主要包括升沉模拟系统、负载模拟系统和升沉补偿系统。利用ADAMS和AMESim软件建立系统的联合仿真模型,得到蓄能器初始体积、充气压力和补偿缸作用面积对系统性能的影响规律,以及升沉补偿率和系统能耗之间的对应关系。仿真结果表明：系统可以实现平台升沉模拟、钻井负载模拟和升沉补偿等试验功能;工作平稳,具有良好的动态特性,补偿效果较好。