基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法及装置

本发明涉及地质钻探工程领域，尤其涉及一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法及装置。

背景技术：

1、随着全球能源需求的不断增长，石油和天然气等众多地下资源作为主要能源的地位不可动摇，为了获取地下的石油和天然气等资源，需要进行钻探作业。在钻探过程中，由于钻柱受到的岩石反作用力主要是在轴向和扭转方向，因此，钻柱轴向—扭转振动被广泛关注。这种振动不仅影响钻探效率，还可能导致钻具损坏和井下事故发生，从而增加钻探成本。因此，研究如何有效地抑制钻柱的轴向—扭转振动具有重要的实际意义。

2、传统的振动抑制方法依赖于直接测量钻柱各部分的振动状态。然而，由于井下环境的复杂性和测量设备的限制，直接获取钻头处状态信息在实际钻探过程中难以实现。采用基于状态观测器的控制方法抑制钻柱轴向—扭转振动，能有效解决井下信息不可测问题。设计适当的观测器可以利用井上的测量信息实时估计不可测量的钻头状态信息，为控制器提供必要的井下参考数据。即使存在测量噪声和钻柱系统参数不确定性等情况，观测器依然能够较好地反映钻柱系统的真实状态。此外，基于状态观测器的控制系统对各种复杂的工况具有较好的适应性，能够显著提高振动抑制效果。

3、综上所述，基于状态观测器的控制系统在解决井下测量的困难的同时，能有效提高钻探过程的安全性和效率。

技术实现思路

1、本发明旨在解决在井下信息未知的情况下，仅使用井上可测信息进行钻柱轴向—扭转振动抑制。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供了一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法及装置。

2、根据本发明的第一方面，一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，包括以下步骤：

3、s1：考虑钻头—岩石作用的再生切削效应，建立轴向—扭转维度多自由度钻柱模型和考虑切削和摩擦接触的钻头—岩石作用模型，通过无量纲化处理得到具有时变时滞的钻柱轴向—扭转振动模型；

4、s2：基于钻柱轴向—扭转振动模型，通过设计基于状态观测器的控制器，形成用于钻柱轴向—扭转振动抑制的闭环控制系统模型和观测误差系统模型；

5、s3：利用lyapunov稳定性分析方法，推导出保守性较低的时滞依赖充分条件，获取控制器和状态观测器增益矩阵，根据闭环控制系统模型和观测误差系统模型的输出得到钻柱系统的最优控制输入，实现钻柱轴向—扭转振动主动抑制。该步骤中，构造lyapunov-krasovskii泛函，给出时滞依赖的充分条件，通过求解闭环控制系统模型的增益矩阵，以获得控制器所需参数抑制钻柱轴向—扭转振动；通过求解观测误差系统模型的增益矩阵，以获取观测器参数来估计不可测量的钻头状态信息。

6、根据本发明的第二方面，一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制装置，包括以下单元：

7、建模单元，考虑钻头-岩石作用的再生切削效应，建立具有时变时滞的钻柱轴向-扭转振动模型；

8、闭环控制系统形成单元，基于钻柱轴向—扭转振动模型，通过设计基于状态观测器的控制方法，建立闭环控制系统模型和观测误差系统模型；

9、增益求解单元，利用lyapunov稳定性分析方法，推导出保守性较低的时滞依赖充分条件，获取控制器和状态观测器增益矩阵，根据闭环控制系统模型和观测误差系统模型的输出得到钻柱系统的最优控制输入，实现钻柱轴向—扭转振动主动抑制。

10、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的钻柱轴向—扭转振动抑制方法的步骤。

11、一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的钻柱轴向—扭转振动抑制方法的步骤。

12、本发明提供的技术方案具有以下有益效果：本发明提供了一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法及装置，通过首先建立轴向—扭转维度多自由度钻柱模型，以及考虑切削和摩擦接触的钻头—岩石作用模型；然后构造基于状态观测器的控制器，建立用于钻柱轴向—扭转振动抑制的闭环控制系统模型和观测误差系统模型；最后给出了控制器和状态观测器的设计条件。本发明针对钻进过程中钻柱轴向—扭转振动问题，考虑再生切削诱发的时滞效应，通过设计观测器和控制器，实现对钻柱轴向—扭转振动的有效抑制，仿真结果验证了该方法及装置的有效性。

技术特征：

1.一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，其特征在于，步骤s1中，所述钻柱轴向—扭转振动模型的建立过程为：

3.根据权利要求1所述的基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，其特征在于，步骤s1中，所述钻柱轴向—扭转振动模型的公式为：

4.根据权利要求1所述的基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，其特征在于，步骤s2中，基于状态观测器的控制方法建立闭环控制系统模型和观测误差系统模型的过程为：

5.根据权利要求1所述的基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，其特征在于，通过所述基于状态观测器的控制器对钻柱系统状态的估计来实现对钻柱振动的有效控制具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法，其特征在于，步骤s3具体为：

7.一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制装置，其特征在于，包括以下单元：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的钻柱轴向—扭转振动抑制方法的步骤。

9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的钻柱轴向—扭转振动抑制方法的步骤。

技术总结本发明提出了一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制方法及装置，涉及钻探工程领域。该方法包括：首先，考虑钻头—岩石作用的再生切削效应，建立具有时变时滞的钻柱轴向—扭转振动模型；然后，考虑井下信息难以测量的问题，通过设计基于状态观测器的控制器，建立闭环控制系统模型和观测误差系统模型；最后，利用Lyapunov稳定性分析方法，推导出保守性较低的时滞依赖充分条件，获取控制器和状态观测器增益矩阵，进而设计了一种基于状态观测器的钻柱轴向—扭转振动抑制装置。本发明针对深部钻进过程中的钻柱轴向—扭转振动问题，在仅有井上可测信息的情况下，进行钻柱轴向—扭转振动主动抑制，仿真结果验证了该方法及装置的有效性。技术研发人员：陆承达,蔡诺琪,胡帅康,吴敏受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）技术研发日：技术公布日：2024/9/12