关键词：
钻压控制
自动送钻
钻柱模型
鲁棒控制
参数不确定性
摘要：
钻压是钻头破岩的动力,是钻进过程中的关键操作参数之一。在钻进过程中控制钻压保持恒定的送钻方式被称为恒钻压送钻,是一种应用最广泛的送钻方式。稳定平滑的钻压能提高机械钻速、减少钻头磨损、提高钻孔质量、减少孔内事故。在进行地质取心钻进时,稳定的钻压有利于提高岩心取心率和完整度。由此可见,高精度的钻压控制对实现安全高效的钻进过程具有重要意义。随着钻进深度的不断增加,钻压控制也面临新的挑战。一方面,深部岩性多变,地层软硬变化;另一方面,深部地层应力体系复杂,存在受地质成因或构造运动造成的破碎地层。地层变化给钻进过程带来显著的不确定性。本文针对使用绞车作为核心送钻装置的垂直钻进过程,从地质钻探工艺出发,分析直井钻进过程及其特性,建立钻进过程钻柱运动模型,综合利用鲁棒控制方法着重解决复杂地质钻进过程中的地层变化不确定性带来的控制问题。论文的主要研究内容和取得的成果如下:(1)构建具有参数不确定性的钻进过程钻柱纵向运动模型针对使用绞车作为核心送钻装置的垂直钻进过程,首先结合实际地质钻进工艺进行钻柱受力机理分析;为精确描述钻柱高阶柔性模态,利用有限元方法将每根钻杆或钻铤考虑为离散单元,构建钻柱系统模型;建立钻机起升系统模型与钻头—岩石作用模型作为钻柱模型的边界条件;利用钻头—岩石作用模型中的给进阻尼系数描述地层变化的不确定性,根据实际钻进数据计算参数变化范围边界;采用模态选择或改变钻柱离散单元长度的方式对模型进行降阶,得到用于控制器设计的低阶钻压动态模型;最后,使用实际现场数据验证模型的有效性。(2)提出基于参数估计的钻压增益调度控制方法针对地层软硬变化问题,将其视为给进阻尼系数的不确定性,提出一种基于参数估计的钻压增益调度控制方法,通过控制增益的变化使闭环系统克服参数不确定性。首先构建具有不确定给进阻尼系数的钻柱纵向运动模型,并通过模态选得到降阶模型;以降阶的线性变参数模型为基础进行鲁棒控制设计,得到增益调度控制器,最后设计自适应观测器估计无法测量的调度变量。所提方法能提高钻压控制系统跟踪响应性能,减小由于地层变化带来的跟踪误差,同时衰减由于钻柱柔性模态带来的钻压波动。仿真实验揭示控制器增益和给进阻尼系数之间的非线性关系,表明当钻遇较软地层时更容易影响控制系统的性能。(3)提出考虑送钻速度受限的钻压变增益鲁棒控制方法针对钻压控制系统送钻速度受限问题,提出一种具有抗饱和特性的钻压变增益鲁棒控制方法,以克服系统参数不确定性的同时满足控制输出受限的需求,保障过程的安全性。首先基于模态选择得到的降阶模型设计变增益的比例积分(Proportional-integral,PI)控制器;将PI控制器代入开环系统,抵消不确定参数的影响。设计性能加权函数并将系统高阶柔性模态考虑为乘性不确定性,构建广义闭环系统。利用_?H优化求解使闭环系统满足设计条件的输出反馈控制器;输出反馈控制器与PI控制器串联得到鲁棒控制器。通过对PI控制器引入积分钳位,可使控制系统具有抗饱和特性。所提方法能分离控制器的积分作用,通过引入积分钳位可满足控制器输出受限的要求。变增益PI控制器可以适应地层软硬变化,动态输出反馈控制器提供克服系统高阶柔性模态的陷波特性。(4)提出鲁棒控制设计的钻压波动抑制方法受井下破碎、裂隙等力学不稳定地层的影响,钻头与地层发生间歇性的接触并导致钻头负荷发生波动,作用于柔性钻柱系统导致钻压持续波动。将地层破碎裂隙用给进阻尼系数的突变进行描述,并将带来的钻头载荷变化视为外部扰动,提出一种基于鲁棒控制设计的钻压波动抑制方法。首先选择合适的钻柱离散单元长度得到具有主导高阶模态的降阶模型;基于系统刚性模态设计PI控制器并将其代入开环系统,满足系统低频部分的设计要求;为了衰减从外部扰动通道至钻压的柔性特征,设计扰动通道加权函数。再引入控制器输出评价加权函数,结合系统降阶模型得到广义闭环系统,利用_?H优化求解使闭环系统满足设计条件的输出反馈控制器。所提方法中PI控制器可以使系统有满意的稳态误差,而动态输出反馈控制器能衰减闭环系统的主导谐振模幅值,从而衰减闭环系统的柔性特征,有效减小钻头负荷变化导致的钻压持续波动。(5)钻压控制实验系统构建与现场工程应用为了将所提算法理论进行实际工程应用,首先构建钻压控制实验系统以验证控制系统有效性。实验系统为和实际井场保持一致,以微型钻机为被控对象,使用基于可编程逻辑控制器与SIMATIC Win CC组态软件的控制系统;通过将所提算法嵌入控制系统,调节送钻伺服电机转速进行钻压控制,验证钻压控制系统的有效性。最后,开发的控制系统在国内某典型地质钻进井场进行工程应用;工程应用结果表明,开发的系统能够有效估计测试井段中从灰岩至花岗岩的给进阻尼变化,同时钻压控制误差为?30 kg,达到现场钻压测量的最高精度。
