鉆柱振動與沖擊抑制技術研究現狀（下）

之前石油圈轉載了來自西南石油大學學報（自然科學版）的文章《鈷柱振動與沖擊抑制技術研究現狀》上半部分，欲知前情如何，請點擊鉆柱振動與沖擊抑制技術研究現狀（上），這一部分主要介紹了鉆柱振動的表現形式及評價方法、評價技術以及控制技術中的被動控制部分，接下來繼續介紹，本期內容主要涉及控制技術中的主動控制和半主動控制、控制技術綜合對比分析以及對未來的展望。

控制技術研究

主動控制

根據控制系統的動態特性，采取由外部輸入能量的控制方式控制系統，即為鉆柱的主動控制。從鉆柱所處空間將主動控制分為井口部分和全井段控制，常用方法為頻率法、根軌跡法、控制理論法等。該類控制需綜合考慮鉆柱模型和外部施加的干擾力，如轉速、鉆壓和阻尼等。根據控制系統輸入與輸出的關系，還可將鉆柱振動分為開環或閉環反饋控制系統，開環控制是減小或消除外擾力（鉆壓或轉速）；閉環控制是改變鉆柱剛度和阻尼。通過自動調節扭矩和轉速降低井下旋轉振幅，目前集中在黏滑的控制。

Javanmardi K等針對扭振成功開發了軟扭矩旋轉系統（STRS），也是唯一得到應用的主動控制系統。其原理是在頂驅安裝扭矩回饋系統，觀測到扭振時，系統通過直流電動機或交流電動機控制井口轉盤降振。石油圈原創www.h29736.cn

用經典控制理論開發控制器，仿真效果較好，但現場很難得到井下精確的振動，并未在現場應用。計算方法較復雜，硬件開發困難較大。在井口建立閉環控制系統，響應速度較快，成本低，但是不能反映井底的振動信號的真實傳輸規律。地面觀測到扭振時，通過井口驅動轉速，調節井下振動，但是系統反應延遲時間較長，校正難度大，因此據被動和主動控制技術建立井下半主動控制方法。

半主動控制

半主動控制技術充分發揮了被動和主動控制優點。半主動控制一般以被動裝置為主體，僅需較少能量改變被動控制系統的參數或工作狀態，以適應結構對最優狀態的追蹤。APS公司研制了一種半主動振動控制阻尼器（AVD），可有效減小鉆柱縱振和扭振。其原理是在工具腔室中充滿變阻尼力的磁變流體，工作時間長，對鉆柱長時間受振動或沖擊的減振效果較好。通過井下傳感器測量鉆柱振動，并將信號反饋給電磁控制裝置，最終通過磁變流體黏度改變，從而改變鉆柱系統的阻尼。目前該技術只是小范圍嘗試應用，并未商業化推廣。

控制技術綜合對比分析

由以上分析看出，不同的控制方法運用的理論和方法相差很大，對同一種振動或沖擊有不同控制設備和控制系統，對不同振動或沖擊形式可使用同一設備，但是每種設備和系統都有自己的局限性，從表中可以看出，油氣井鉆柱振動和沖擊控制技術已取得初步成效。被動控制技術發展比較成熟，已基本建立軸向振動和橫向沖擊控制技術，扭轉振動控制技術處于試驗階段。

展望

鉆柱振動和沖擊控制技術已取得初步成效。被動控制技術比較成熟，基本建立縱振和橫向沖擊控制技術，扭振控制技術處于試驗階段，研究被動控制技術的理論模型過于簡化，并且不夠系統，理論與實際相差還很大；關鍵設備工作性能不穩定。嘗試尋找最佳參數或能綜合諸多因素的新參數，優化關鍵設備工作性能。建立不同種類減振器的控制和優化模型，采用多減振器組合控制方案，優化設計減振器數量和位置，合理并充分發揮各減振器的作用。減振器設計時，充分考慮減振器的性能參數（剛度、固有頻率、阻尼），得到符合要求傳遞系數、減振 效率、幅降倍數的減振器，重點研發黏性材料件減振器?？蓪⑵渌枇Q成等效阻尼力來處理。石油圈原創www.h29736.cn

鉆柱振動和沖擊主動控制理論設計和仿真技術較成熟，半主動控制則得到初步應用，在控制理論應用過程中，目前鉆柱穩定問題仍未得到徹底的解決，即鉆柱復雜運動和信號傳遞規律認識不清，需重點研究深水鉆柱、深部地層超深井鉆柱及埋藏較淺的非常規油氣開發中的大位移井鉆柱的穩定問題。另外實現“智能鉆井”、“自動化鉆井”或“專家系統”的首要工作是建立“穩定的控制系統”，可見穩定性問題是鉆柱振動和沖擊控制過程中最重要問鉆柱振動和沖擊控制技術已取得初步成效。被動控制技術比較成熟，基本建立縱振和橫向沖擊控制技術，扭振控制技術處于試驗階段，研究被動控制技術的理論模型過于簡化，并且不夠系統，理論與實際相差還很大；關鍵設備工作性能不穩定。嘗試尋找最佳參數或能綜合諸多因素的新參數，優化關鍵設備工作性能。建立不同種類減振器的控制和優化模型，采用多減振器組合控制方案，優化設計減振器數量和位置，合理并充分發揮各減振器的作用。減振器設計時，充分考慮減振器的性能參數（剛度、固有頻率、阻尼），得到符合要求傳遞系數、減振效率、幅降倍數的減振器，重點研發黏性材料件減振器?？蓪⑵渌枇Q成等效阻尼力來處理。

鉆柱振動和沖擊主動控制理論設計和仿真技術較成熟，半主動控制則得到初步應用，在控制理論題，在理論研究過程中，一旦確定力系統的結構和參數，根據模型得到的穩定問題也就確定了，但是實際情況復雜，細長的鉆柱、地層及流體組成了非常龐大的系統。鉆壓、轉速及井眼質量等多因素綜合地相互制約，所以每個參數都有不確定影響因素，理論與實際可能有很大出入，甚至得到相反規律。

井下隨鉆測量的振動信號較準確，但工具研制難度較大，費用昂貴，傳輸信號存在衰減，傳輸速度慢，所以實現“穩定的控制系統”的當務之急是要摸清井底與井口之間的傳遞規律。嘗試通過井下和地面的實時監測和對比分析，反映井下真實規律，經典控制理論的研究方法都是建立在傳遞函數基礎上，利用傳遞函數不必求解復雜的數學模型即可研究初始條件為零的系統在輸入信號作用下的動態過程。其次，由于建井成本巨大，現場試驗風險高，所以需要準確建立地面物理模型，在地面能夠模擬井下的傳遞規律，然而目前未見到研究細長鉆柱傳遞規律的地面物理模型，有必要準確運用“相似準則”建立物理模型。航天和軍事工業發展迅速，可嘗試將航天和軍事行業中成熟控制技術引到鉆柱振動和沖擊控制方面。

多種控制方法聯合控制，建立混合控制系統。在一套鉆柱系統同時采用被動控制、主動控制及半主動控制，根據不同振動和沖擊水平開啟不同控制模式，充分發揮各種振動的優點，達到控制效果的同時，降低鉆井成本。

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