基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制方法和装置

本发明涉及资源勘探，尤其涉及一种基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制方法和装置。

背景技术：

1、保障资源能源供给是实现社会各行各业可持续发展的关键之一。我国深部地质资源和非常规油气资源蕴藏丰富，且开发潜力大。然而，我国矿产资源勘探深度平均只有500m，按照矿产资源勘探深度500m以上，深层天然气资源占剩余天然气资源的60%左右，预计到2030年，石油、铁矿石、铜等矿产的对外依存度将分别高达70%、85%、80%左右，因此地质找矿依然是地质工作的主要任务。随着浅层矿产资源的日益枯竭、深部成矿理论的发展，国内外大量深部矿产资源的探明，使得深部地质勘探和开发成为必然。随着钻进深度的增加，地层环境变得越来越复杂，区别于浅部钻探，深部钻探需要穿越的地层多，面临软硬交替、断层伴生、产状陡缓不一等不同构造的地层，钻头破岩过程更加剧烈，导致深部钻探过程中不确定性、强干扰、非线性等问题突出；深部钻探所需的钻柱长度极长，在剧烈的钻头—岩石作用下极易发生钻柱振动，导致钻具疲劳，降低井眼质量，带来严重的安全问题。复杂多变的地质环境和钻柱振动频发的恶劣施工状况给地质钻探装备和技术提出了新的要求，给地质钻进过程控制提出了新的挑战。钻进过程中，随着钻进深度的增加，地层环境变得越来越复杂，这增加了钻柱振动抑制的难度。

技术实现思路

1、本发明点目的在于：为解决当前钻进过程中，随着钻进深度的增加，地层环境变得越来越复杂，导致钻柱振动难以抑制的问题，本发明提供一种基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制方法和装置。

2、本技术实施例的技术方案是这样实现的：

3、本技术实施例第一方面提供一种基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制方法，包括：

4、根据钻柱运动的多自由度理论，结合钻头与岩石之间的作用扭矩，建立扭转钻柱振动模型；

5、将所述扭转钻柱振动模型转换为状态空间形式，通过状态观测器观测所述扭转钻柱振动模型的状态变量，并利用线性二次型调节器方法对所述扭转钻柱振动模型进行极点配置，得到目标扭转钻柱振动模型；

6、通过李雅普诺夫稳定性分析方法对所述目标扭转钻柱振动模型和参考模型进行分析，确定模型自适应率；所述参考模型为不考虑钻头与岩石之间的作用扭矩扰动的钻柱振动控制模型；

7、基于所述目标扭转钻柱振动模型和所述模型自适应率确定扭转钻柱振动抑制策略。

8、可选的，所述根据钻柱运动的多自由度理论，结合钻头与岩石之间的作用扭矩，建立扭转钻柱振动模型，包括：

9、将钻柱系统离散化为多个通过弹性连接的刚体段；

10、基于每个所述刚体段的运动参数确定对应的扭转振动动力学方程；

11、利用所述钻柱系统的钻头与岩石之间的作用扭矩对所述扭转振动动力学方程进行优化，建立所述扭转钻柱振动模型。

12、可选的，所述根据钻柱运动的多自由度理论，结合钻头与岩石之间的作用扭矩，建立扭转钻柱振动模型，包括：

13、将所述钻柱系统分为井上转盘、井中多根钻杆、加重钻杆、钻铤和钻井液，以及井下部分的钻头—岩石作用，建立多自由度的扭转钻柱振动模型：

14、；

15、其中，其中代表n+3的单元的角位移，分别为：转盘、钻杆（n个单元），加重钻杆、钻铤，表示角速度，表示角加速度；，；为转盘扭矩，为钻头扭矩，系数，，分别为钻柱系统n+3个单元的转动惯量矩阵、刚度矩阵和粘滞阻尼矩阵，具体为：

16、；

17、；

18、；

19、基于材料力学，矩阵中的各项单元通过下式计算得到：

20、；

21、其中，分别表示第个钻杆单元、加重钻杆单元及钻铤；和表示钻柱的密度与剪切模量；和分别表示关于单元的外径、内径与极惯性矩。是每单元钻杆长度所受的钻井液阻尼系数；顶驱的惯量为常值；

22、钻头—岩石作用模型采用扭转karnopp 钻头—岩石作用模型：

23、；

24、其中，为钻头扭矩，表示钻头半径，是静力矩，是非常小的正值，为最大静摩擦扭矩，为钻铤转速，为钻头转速。

25、可选的，所述将所述扭转钻柱振动模型转换为状态空间形式，通过状态观测器观测所述扭转钻柱振动模型的状态变量，并利用线性二次型调节器方法对所述扭转钻柱振动模型进行极点配置，得到目标扭转钻柱振动模型，包括：

26、将所述扭转钻柱振动模型转换为状态空间形式，得到状态方程；

27、分别通过状态观测器和线性二次型调节器方法确定所述状态方程的观测器增益和状态反馈增益；

28、利用所述观测器增益和所述状态反馈增益对所述扭转钻柱振动模型进行优化，得到目标扭转钻柱振动模型。

29、可选的，所述将所述扭转钻柱振动模型转换为状态空间形式，通过状态观测器观测所述扭转钻柱振动模型的状态变量，并利用线性二次型调节器方法对所述扭转钻柱振动模型进行极点配置，得到目标扭转钻柱振动模型，包括：

30、获取所述扭转钻柱振动模型对应的状态空间方程，选取状态量：

31、；

32、获得钻柱系统的状态空间方程：

33、；

34、其中，，为控制输入和扰动输入，为钻柱振动模型输出，矩阵、、和可表示为：

35、

36、

37、

38、

39、

40、

41、其中，表示 0 矩阵；

42、内部模型控制器表示为:=0，=1；

43、忽略钻头—岩石作用扰动，包含钻柱振动模型和内部模型的阶跃响应为：

44、；

45、其中，

46、；

47、优化钻柱系统的性能指标：

48、；

49、基于设计矩阵和，确定状态反馈控制矩阵和。

50、可选的，所述通过李雅普诺夫稳定性分析方法对所述目标扭转钻柱振动模型和参考模型进行分析，确定模型自适应率；所述参考模型为不考虑钻头与岩石之间的作用扭矩扰动的钻柱振动控制模型，包括：

51、通过李雅普诺夫稳定性分析方法对所述目标扭转钻柱振动模型和所述参考模型进行分析，结合钻柱系统的当前状态和所述扭矩扰动，确定模型自适应率。

52、可选的，所述通过李雅普诺夫稳定性分析方法对所述目标扭转钻柱振动模型和参考模型进行分析，确定模型自适应率；所述参考模型为不考虑钻头与岩石之间的作用扭矩扰动的钻柱振动控制模型，包括：

53、获取参考模型：

54、；

55、其中，为参考模型状态矩阵，为参考模型输入矩阵，为参考模型输出矩阵，具体可由下式得到：

56、

57、系统的控制输入为模型参考自适应和状态反馈控制率之和，可由下式得到:

58、；

59、其中，为系统控制输入，为状态反馈控制输入，为状态反馈控制输入，；

60、定义跟踪误差，，对跟踪误差进行求导：

61、；

62、令，，上式可以简化为：

63、；

64、定义系统的李雅普诺夫函数为：

65、；

66、其中，和为大于0的正常数；

67、对李雅普诺夫函数进行求导

68、；

69、若要使得，需要满足

70、

71、；

72、李雅普诺夫函数变为：

73、

74、；

75、通过线性矩阵不等式lmi工具箱求解，令。

76、本技术实施例第二方面提供一种基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制装置，包括：建立模块、配置模块、分析模块和确定模块，其中，

77、所述建立模块，配置为根据钻柱运动的多自由度理论，结合钻头与岩石之间的作用扭矩，建立扭转钻柱振动模型；

78、所述配置模块，配置为将所述扭转钻柱振动模型转换为状态空间形式，通过状态观测器观测所述扭转钻柱振动模型的状态变量，并利用线性二次型调节器方法对所述扭转钻柱振动模型进行极点配置，得到目标扭转钻柱振动模型；

79、所述分析模块，配置为通过李雅普诺夫稳定性分析方法对所述目标扭转钻柱振动模型和参考模型进行分析，确定模型自适应率；所述参考模型为不考虑钻头与岩石之间的作用扭矩扰动的钻柱振动控制模型；

80、所述确定模块，配置为基于所述目标扭转钻柱振动模型和所述模型自适应率确定扭转钻柱振动抑制策略。

81、本技术实施例第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器；所述存储器有存储计算机程序，其中，所述计算机程序在被所述处理器执行时实现第一方面所述的基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制方法。

82、本技术实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。

83、与现有技术相比，本技术提供的技术方案带来的有益效果是：

84、本发明提供一种基于模型参考自适应控制的扭转钻柱振动抑制方法和装置。根据钻柱运动的多自由度理论，结合钻头与岩石之间的作用扭矩，建立扭转钻柱振动模型。通过状态观测器和线性二次型调节器方法对扭转钻柱振动模型进行优化，得到目标扭转钻柱振动模型。利用李雅普诺夫稳定性分析方法对目标扭转钻柱振动模型和参考模型进行分析，确定模型自适应率。基于目标扭转钻柱振动模型和模型自适应率确定扭转钻柱振动抑制策略，从而有效抑制地层变化情况扭转钻柱振动，提高钻进过程的安全性。