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新型扭转振动工具降粘特性分析及PID控制策略研究

田家林 周仪 杨琳

田家林, 周仪, 杨琳. 新型扭转振动工具降粘特性分析及PID控制策略研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(10): 1496-1502. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190010
引用本文: 田家林, 周仪, 杨琳. 新型扭转振动工具降粘特性分析及PID控制策略研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(10): 1496-1502. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190010
Tian Jialin, Zhou Yi, Yang Lin. Analysis of Stick-slip Reduction and PID Control Strategy for a New Torsional Vibration Tool[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(10): 1496-1502. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190010
Citation: Tian Jialin, Zhou Yi, Yang Lin. Analysis of Stick-slip Reduction and PID Control Strategy for a New Torsional Vibration Tool[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(10): 1496-1502. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190010

新型扭转振动工具降粘特性分析及PID控制策略研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190010
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51674216

国家留学基金项目 201608515039

石油天然气装备教育部重点实验室基金项目 OGE201701-02

国家科技重大专项项目 2016ZX05038

详细信息
    作者简介:

    田家林(1979-), 教授, 博士生导师, 博士, 研究方向为井下工具、钻柱动力学及理论, tianjialin001@gmail.com

  • 中图分类号: TE921

Analysis of Stick-slip Reduction and PID Control Strategy for a New Torsional Vibration Tool

  • 摘要: 在深井和超深井勘探开发过程中,广泛存在着粘滑振动现象,该现象不仅造成机械钻速降低,驱动能量大量浪费;而且还会加速钻具老化和失效,严重威胁钻井安全。为了有效地控制钻柱的粘滑振动,首先提出了一种新型扭转振动工具;其次建立了基于该工具的钻柱系统的理论模型;最后用PID控制方法对新型扭转振动工具的降粘特性进行了研究。结果表明:该工具能够有效地控制钻柱的粘滑振动,两种PID控制方程均能对期望稳态转速进行实时监控,对比两者,U2控制方程具有更快的调节能力和更好的控制性能,且前期无粘滑现象的发生。
  • 图  1  扭转振动工具结构示意图

    图  2  钻柱系统模型

    图  3  不同跟踪转速下, 各控制方程转盘角速度对比

    图  4  不同跟踪转速下, 各控制方程钻头角速度对比

    图  5  不同跟踪转速下, 各控制方程转盘与钻头角速度相平面图

    图  6  不同跟踪转速下, 各控制方程工具冲击扭矩对比

    图  7  cpc摄动时, 有/无PID控制方程的钻头角速度对比

    图  8  Jp摄动时, 有/无PID控制方程的钻头角速度对比

    表  1  相关参数

    参数名称 数值及单位
    静钻压Wob 97 347 N
    工具转动惯量Jt 1.297 8 kg∙m 2
    转盘转动惯量Jr 930 kg∙m 2
    钻杆转动惯量Jp 2 782.25 kg∙m 2
    钻铤转动惯量Jc 700 kg∙m 2
    钻头转动惯量Jb 471 kg∙m 2
    转盘与钻杆单元之间弹簧刚度Krp 700 N∙m/rad
    钻杆与钻铤之间弹簧刚度Kpc 1 080 N∙m/rad
    钻铤与工具之间弹簧刚度Kct 951 N∙m/rad
    工具与钻头之间弹簧刚度Ktb 824 N∙m/rad
    转盘与钻杆单元之间阻尼Crp 139.6 N∙m∙s/rad
    钻杆与钻铤之间弹簧阻尼Cpc 190 N∙m∙s/rad
    钻铤与工具之间弹簧阻尼Cct 157 N∙m∙s/rad
    工具与钻头之间弹簧阻尼Ctb 181.5 N∙m∙s/rad
    转盘处粘滞阻尼系数Cr 425 N∙m∙s/rad
    钻头处粘滞阻尼系数Cb 50 N∙m∙s/rad
    钻头半径Rb 0.155 m
    动摩擦因素μsb 0.8
    库伦摩擦因素μcb 0.5
    转换系数γb 0.5
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2018-10-27
  • 刊出日期:  2019-10-05

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