摘 要

在石油钻井技术中，钻井井下的粘滑振动是制约钻井进度和效率的技术难题。粘滑振动是一种强烈的低频振动，在振动过程中钻头的瞬时转速会达到很高。粘滑振动在钻头与岩石的相互作用中起着关键性的作用。此外，由于钻柱长时间处于狭长的井眼里，其工作环境异常恶劣，尤其是随着钻井深度的不断增加，钻柱的使用寿命将更加难以保证，一旦钻柱被损坏，就需要使用特殊的工具把钻柱从狭长的井眼中取出，这不仅仅加大了钻井的成本，更使钻井的进度无法得到保障，从而延长工期。通过查阅资料可见这种现象在国内外都是很常见的。因此，本文将通过分析表面转盘与钻头的受力情况建立其振动模型，并考虑到钻柱所受到的摩擦阻力与阻尼，以及钻头与岩石及钻井液之间的摩擦力。通过仿真软件建立模型，并分析在不同参数的情况下表面转盘与钻头的转速情况。并设计相应的控制器控制钻头的转速。从而可以节约钻井的成本和延长钻柱的寿命。

关键词 ：粘滑振动，钻头，控制器，钻柱

Abstract

In the petroleum drilling technology, the stick slip vibration of drilling well is a technical problem which restricts the progress and efficiency of the drilling.Stick slip vibration is a kind of strong low frequency vibration,During the vibration, the instantaneous speed of the drill bit will be very high.Stick slip vibration plays a key role in the interaction between the bit and rock.In addition,Because drill string stays at the long and narrow wells in a long time,and its working environment is very bad,especially with the increase of drilling depth,The service life of drill string will be more difficult to ensure,Once the drill string is damaged, it is required to use a special tool to remove the drill string from the long and narrow hole,This not only increases the cost of drilling, but also makes the progress of drilling can not be guaranteed, thereby prolonging the duration of the project.This phenomenon can be seen both at home and abroad by means of access to information.Therefore, in this paper, the vibration model is established by analyzing the force condition of the surface rotary table and drill bit, and taking into account the frictional resistance and damping of the drill string, and the friction force between the drill and the rock and the drilling fluid.The model is established by the simulation software, and the speed of the surface of the drill bit is analyzed under the condition of different parameters.And the corresponding controller is designed to control the speed of the drill bit.Thus ,it can save the cost of drilling and prolong the life of drill string.

Key words: stick slip vibration, drill bit, controller, drill string

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2研究方法与研究思路 1

1.3国内外的研究动态 2

第2章 钻具的力学模型的建立 4

2.1钻柱的结构以及表面转盘与钻具的模型简化 4

2.2建立表面转盘与钻头的动力学方程 5

第3章 系统流程结构及主要模块分析 7

3.1 整体流程图 7

3.2 线性二次型Gauss（LQG）控制器 8

3.3 PID控制模块 11

3.4电机驱动模块 12

3.5下垂控制原理和目的 13

3.6速度控制模块 14

3.7 windup（饱和）现象的产生 14

3.8 windup（饱和）现象的抑制 15

第4章 仿真现象 17

4.1 粘滑现象 17

4.2 经控制后的仿真效果及分析 18

4.2.1 改变所受摩擦力后仿真结果 18

4.2.2 给电机输出转矩设置门限值仿真结果 21

第5章 总结论与展望 23

参考文献 24

附录 Simulink模块框图 24

致谢 25

1. 绪论

1.1选题背景

随着我国油气勘探的开发逐步向深部地层与深海发展，钻进过程中的粘滑振动已经成为阻碍高效率钻井的重大难题。由于处于深部地层的钻头的粘滑振动远离地表且存在高温高压从而导致测量困难等的问题，理论研究与实验测量均存在较大的难度，这也使得粘滑振动的研究进展缓慢^[1]。通过对其研究，可对钻头粘滑振动时钻头与岩石的相互作用、粘滑振动的产生与作用机理及其动力学特性做进一步了解，可为今后做相关研究提供理论依据与技术指导。

钻柱的失效在很多情况下都是因为粘滑振动现象的存在导致的，甚至由于振动致使钻头偏离期望的钻进方向从而使钻井壁被破坏，从而影响钻进的进度以及增加钻进的成本。通过研究粘滑振动的成因以及采取积极的防御措施是减小钻井事故的最有效方式，因此，这项研究也显得尤为重要。研究表明，钻柱振动给钻井作业带来了很多的危险，例如，影响钻头寿命和钻速很大程度上是因为不能均匀地加钻压和施加扭矩；使钻柱过早的由于疲劳而破坏，这种现象主要发生在钻柱组件连接部位，可能会发生粘扣，甚至会断裂，从而对地面设备也会有很大的影响^[2]。在钻柱在钻进时遇到地层的岩性硬度等状况越来越复杂的情况下，钻柱的振动问题也越来越难以解决。从增强钻井设备的工作性能，提高钻井进度，节约成本的角度考虑，研究并解决粘滑振动现象就显得十分重要。

钻柱的振动在频繁剧烈的发生时会造成钻柱的严重损坏等事故，如果钻柱损坏，就需要使用专业的设备才能将其替换，在影响钻井施工效率的同时，还加大了施工的成本。在国内外，每年都会发生大量钻柱失效事故从而大幅度增加施工成本的现象^[3]。此外，钻柱的振动分析也是一个极其复杂的动力学系统研究，在这种情况下，我们要减轻钻柱的振动，尤其是直井中的纵向振动其意义就变得不容忽视了。