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钻柱振动与冲击抑制技术研究现状(下)

钻柱振动与冲击抑制技术研究现状(下)

之前石油圈转载了来自西南石油大学学报(自然科学版)的文章《钴柱振动与冲击抑制技术研究现状》上半部分,欲知前情如何,请点击钻柱振动与冲击抑制技术研究现状(上),这一部分主要介绍了钻柱振动的表现形式及评价方法、评价技术以及控制技术中的被动控制部分,接下来继续介绍,本期内容主要涉及控制技术中的主动控制和半主动控制、控制技术综合对比分析以及对未来的展望。

控制技术研究

主动控制

根据控制系统的动态特性,采取由外部输入能量的控制方式控制系统,即为钻柱的主动控制。从钻柱所处空间将主动控制分为井口部分和全井段控制,常用方法为频率法、根轨迹法、控制理论法等。该类控制需综合考虑钻柱模型和外部施加的干扰力,如转速、钻压和阻尼等。根据控制系统输入与输出的关系,还可将钻柱振动分为开环或闭环反馈控制系统,开环控制是减小或消除外扰力(钻压或转速);闭环控制是改变钻柱刚度和阻尼。通过自动调节扭矩和转速降低井下旋转振幅,目前集中在黏滑的控制。

Javanmardi K等针对扭振成功开发了软扭矩旋转系统(STRS),也是唯一得到应用的主动控制系统。其原理是在顶驱安装扭矩回馈系统,观测到扭振时,系统通过直流电动机或交流电动机控制井口转盘降振。石油圈原创www.oilsns.com

用经典控制理论开发控制器,仿真效果较好,但现场很难得到井下精确的振动,并未在现场应用。计算方法较复杂,硬件开发困难较大。在井口建立闭环控制系统,响应速度较快,成本低,但是不能反映井底的振动信号的真实传输规律。地面观测到扭振时,通过井口驱动转速,调节井下振动,但是系统反应延迟时间较长,校正难度大,因此据被动和主动控制技术建立井下半主动控制方法。

半主动控制

半主动控制技术充分发挥了被动和主动控制优点。半主动控制一般以被动装置为主体,仅需较少能量改变被动控制系统的参数或工作状态,以适应结构对最优状态的追踪。APS公司研制了一种半主动振动控制阻尼器(AVD),可有效减小钻柱纵振和扭振。其原理是在工具腔室中充满变阻尼力的磁变流体,工作时间长,对钻柱长时间受振动或冲击的减振效果较好。通过井下传感器测量钻柱振动,并将信号反馈给电磁控制装置,最终通过磁变流体黏度改变,从而改变钻柱系统的阻尼。目前该技术只是小范围尝试应用,并未商业化推广。

控制技术综合对比分析

由以上分析看出,不同的控制方法运用的理论和方法相差很大,对同一种振动或冲击有不同控制设备和控制系统,对不同振动或冲击形式可使用同一设备,但是每种设备和系统都有自己的局限性,从表中可以看出,油气井钻柱振动和冲击控制技术已取得初步成效。被动控制技术发展比较成熟,已基本建立轴向振动和横向冲击控制技术,扭转振动控制技术处于试验阶段。

钻柱振动与冲击抑制技术研究现状(下)

展望

钻柱振动和冲击控制技术已取得初步成效。被动控制技术比较成熟,基本建立纵振和横向冲击控制技术,扭振控制技术处于试验阶段,研究被动控制技术的理论模型过于简化,并且不够系统,理论与实际相差还很大;关键设备工作性能不稳定。尝试寻找最佳参数或能综合诸多因素的新参数,优化关键设备工作性能。建立不同种类减振器的控制和优化模型,采用多减振器组合控制方案,优化设计减振器数量和位置,合理并充分发挥各减振器的作用。减振器设计时,充分考虑减振器的性能参数(刚度、固有频率、阻尼),得到符合要求传递系数、减振 效率、幅降倍数的减振器,重点研发黏性材料件减振器。可将其他阻力换成等效阻尼力来处理。石油圈原创www.oilsns.com

钻柱振动和冲击主动控制理论设计和仿真技术较成熟,半主动控制则得到初步应用,在控制理论应用过程中,目前钻柱稳定问题仍未得到彻底的解决,即钻柱复杂运动和信号传递规律认识不清,需重点研究深水钻柱、深部地层超深井钻柱及埋藏较浅的非常规油气开发中的大位移井钻柱的稳定问题。另外实现“智能钻井”、“自动化钻井”或“专家系统”的首要工作是建立“稳定的控制系统”,可见稳定性问题是钻柱振动和冲击控制过程中最重要问钻柱振动和冲击控制技术已取得初步成效。被动控制技术比较成熟,基本建立纵振和横向冲击控制技术,扭振控制技术处于试验阶段,研究被动控制技术的理论模型过于简化,并且不够系统,理论与实际相差还很大;关键设备工作性能不稳定。尝试寻找最佳参数或能综合诸多因素的新参数,优化关键设备工作性能。建立不同种类减振器的控制和优化模型,采用多减振器组合控制方案,优化设计减振器数量和位置,合理并充分发挥各减振器的作用。减振器设计时,充分考虑减振器的性能参数(刚度、固有频率、阻尼),得到符合要求传递系数、减振效率、幅降倍数的减振器,重点研发黏性材料件减振器。可将其他阻力换成等效阻尼力来处理。

钻柱振动和冲击主动控制理论设计和仿真技术较成熟,半主动控制则得到初步应用,在控制理论题,在理论研究过程中,一旦确定力系统的结构和参数,根据模型得到的稳定问题也就确定了,但是实际情况复杂,细长的钻柱、地层及流体组成了非常庞大的系统。钻压、转速及井眼质量等多因素综合地相互制约,所以每个参数都有不确定影响因素,理论与实际可能有很大出入,甚至得到相反规律。

井下随钻测量的振动信号较准确,但工具研制难度较大,费用昂贵,传输信号存在衰减,传输速度慢,所以实现“稳定的控制系统”的当务之急是要摸清井底与井口之间的传递规律。尝试通过井下和地面的实时监测和对比分析,反映井下真实规律,经典控制理论的研究方法都是建立在传递函数基础上,利用传递函数不必求解复杂的数学模型即可研究初始条件为零的系统在输入信号作用下的动态过程。其次,由于建井成本巨大,现场试验风险高,所以需要准确建立地面物理模型,在地面能够模拟井下的传递规律,然而目前未见到研究细长钻柱传递规律的地面物理模型,有必要准确运用“相似准则”建立物理模型。航天和军事工业发展迅速,可尝试将航天和军事行业中成熟控制技术引到钻柱振动和冲击控制方面。

多种控制方法联合控制,建立混合控制系统。在一套钻柱系统同时采用被动控制、主动控制及半主动控制,根据不同振动和冲击水平开启不同控制模式,充分发挥各种振动的优点,达到控制效果的同时,降低钻井成本。

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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