旋转导向钻井工具试验台加载控制系统的研究

王明强 ,张子军

摘要：在石油钻井工具使用前需对其性能进行测试，但对钻井工具测试具有较强复杂性，且造价高昂等特点，使此工作开展难度较大。同时由于我国目前针对推靠式旋转导向钻井工具的相关研究尚处于初级阶段，与国外发达国家已经成熟的技术相比较有较大差异。基于此，本文主要针对如何在旋转导向钻井工具试验台当中有效运用加载控制系统展开相关探讨分析。

关键词：旋转导向；钻井工具；PID控制

引言：针对旋转导向钻井工具试验台加载控制系统当中所存有数学建模存有较强不确定性、难度较大等问题，本文提出一种模糊自适应PID控制方式，此方式主要以模糊化、解模糊方式进行模糊自适应PID控制器设计，而后运用计算模拟方法获得曲线判断系统实际动态与稳定性能。经过本文研究所获得的结论能够为钻井工具性能研究工作提供相关借鉴与参考。

1旋转导向钻井工具试验台结构与原理

该实验设备主体部分为旋转系统架体，其采用液压电机作为动力，模拟钻具在实际工作中所产生转动速度，用于抓取钻具的夹紧机构由手轮、导轨和支架头部构成，并安装于支架上。模拟载荷由液压缸、磁力变矩器和轴向力传感器构成，用于模拟钻进过程中钻具所受压力，通过对钻具在钻进过程中的应力分析，得出钻具在钻进过程中所受到的力和反作用力基本规律，旋转导向钻井工具试验台结构详情见图1。在钻具实际转动过程中，利用粉制动系统模拟钻具转动负载，调整其转矩，在钻具的钻头位置装有一个转矩负载传感器，可以对该钻具的负载转矩进行动态监测，由此可以精确地反映出钻具在钻井时受到的破碎力矩[1]。

图1 旋转到校钻井工具性能测试台

2旋转导向钻井工具试验台整体结构方案

旋转导向钻井工具试验平台主要作用为对钻井工具原理与功能进行检验，通过对旋转导向钻井工具在井下工作状态的研究，能够对测试台自身执行功能进一步明确，同时以其工作原理为基础，使钻井工具功能要求得到充分满足。从旋转导向钻井工具中进行引导功能抽取与分离测试，再对其进行进一步的分析和优化重组，便可以实现试验台整体的功能设计需求。在选择测试平台主机械部件时，应保证其工作的性能和可靠性，在按规定的工作原理进行机械结构的设计时，需满足要求的动作规律，并且在形成机构过程中应保证其运动轨迹为一个具有较强简易性的运动系统，其尺寸需控制在适宜范围之内，不宜过大，确保构件数量与运动轨迹能够通过最为简单便捷的方式令试验台全部需求得到充分满足。试验台选用卧式布置方式，此方式不会占用过大垂直空间，详情见图2。

图2 试验台整体结构方案

3模拟系统建模

3.1液压缸建模

通过试验台模拟加载系统，可以精确地反映出在钻进过程中受到的岩体逆向推力，并利用轴向油缸对钻机所受的力进行模拟，从而为动力旋转导向钻机在钻进状态下轴向负荷。其包括气缸、中空轴和密封圈，可以对模拟钻孔压力进行均匀加、卸。利用油缸进行轴向压力的加载不仅可以实现钻机的真实荷载，还可以对加载量进行更加准确地控制。从工程学角度上来看，可以把油缸看成是二段与一节段的结合体，其传递函数如下所示。在式中，A表示杠腔面积，代表阻尼比，代表无阻尼固有频率。

     （1）

在式中，A表示杠腔面积，代表阻尼比，代表无阻尼固有频率

（2）

（3）

（4）

将该装置试验台选择的液压缸及其有关的流体参数引入到式2、式3、式4中。所述液压缸具有内径D为81mm、活塞杆直径为57mm、具有杆腔面积为A=2.69×11-3m²，所述整体粘性阻尼系数B=0.07(N·m·s)/rad、面积比α=3，冲程L=351mm、载荷质量m为8110kg、油液密度p=903kg/m³、油液弹性模量E=1.5 GPa，油液动态粘度1×10-5m²/s、油－液相互作用的总容积V=3.27x10-3 m³、容积－弹性模量βe，总流量－压力因数K=700 MPa。=2.36×10~10m.(s·Pa)-1。

3.2模糊自适应PID设计

通过FISEditor工具创建出模糊控制器，此控制器以Mamdani推理为基础，在其结构当中输入（e，ec）以及三种输出模式，分别为△Kp、△ki、△kd，其输入量同为（e，ec），其论域值设定为（-6,6）没随后将NB、NM、NS、ZO、PB、PM、PS等作为语言变量。该控制器隶属函数为一般三角函数，其中以第一条曲线负责模糊矢量（ZB），而后通过Z型隶属函数将最后一条隶属曲线模糊矢量（PB）通过S－隶属函数，在此过程中，其输入与输出的隶属函数始终保持一致[2]。

3.2模拟与分析

采用Matlab中的Simulink模型，对所提出的PID控制器和传统PID控制器进行模拟。首先在Fuzzp-id.fis中加将该规则引入到Matlab工作区，从而使得该算法具有有效性，在Simulink模组中，创建相应方框图，并将其合并，无PID调节，常规PID和PID模糊的情况下，模拟系统详情见图3。采用关键比度法对PID进行在线调整，得到参数可以作为PID初始状态，通过对PID控制中的参数进行分析，得到PID控制中的量化系数ke=2，kec=0.4，比例因子lp=1.8，ki=0.02，kd=0.4。对所建立的Simulink系统进行模拟，通过示波器显示模拟结果。从图4可以看出，没有PID调整的模拟曲线比传统PID控制的反应速率在0至1.9s的范围内要比传统PID控制更快速，在t=10.1s的情况下出现过调现象，过调的幅度为38%，系统振动和响应周期较大，直到t=4.1秒时，才进入稳定状态.传统PID控制器模拟结果表明，当t=5.9秒时，模拟结果基本稳定，但超调幅度也很大，超过20%.FPID控制器的性能最好，其响应速度最快，t=4.2s出现稳定状态，t=2.3 s出现超调，超过5%，比其他两条模拟值要低，而且其动态特性也比较稳定，具有很好的适应性。结果表明，采用模糊PID控制器可以更好地实现对控制信号的接收。

图3 仿真机构

图4 未加入扰动仿真结果

结语：

(1）模糊PID控制器比传统PID控制器具有响应快、超调量小、系统稳定、振动小等优点。(2）当干扰被引入时，该PID控制器能够快速恢复稳态，且振动小，具有良好鲁棒性与稳定性。

参考文献：

[1]张光伟,程礼林,尹福来,曹明星.旋转导向钻井工具试验台主轴驱动液压系统的稳定性[J].科学技术与工程,2020,20(28):11580-11585.

[2]张光伟,田帆,高嗣土,乔阳.旋转导向钻井工具试验台加载控制系统的研究[J].石油机械,2020,48(02):23-28.