控制钻孔设备振动的方法和系统

本发明涉及控制钻孔设备振动的方法和系统，该设备包括一 管状钻柱和相关联的驱动系统。

在钻井及石油生产运行时，钻孔设备会出现多种振动。如果 该设备包括一转动着的钻柱，则沿钻孔管壁的钻柱的交变滑动粘 附运动，钻头与岩石相互作用力的波动以及泥浆泵在钻液中发生 的压力脉动会引起扭转振动及纵向振动。

在多种情况中，要求阻尼这些振动以减小对设备的冲击负荷 荷：但在某些情况中，会要求增大这些冲击负荷，例如，造成共 振撞击使受粘附钻管变得自由。

在阻尼或增大钻孔设备的振动技术方面已知有多种设想。

美国专利4,535,972公开了一种借助联结在钻柱移动式滑轮及 其顶部之间的液压缸来控制钻柱垂直运动的系统。虽然该已知系 统的设计把钻头上的重量保持在要求限值以内，但它不是按反馈 可控的阻尼器那样运行的。

Rogaland研究所的G.W.Halsay等于1988年10月在美国、 休斯敦举行的SPE年会上宣读了一篇题为“用来处理滑动粘附运 动的反馈转矩”的论文(SPE18049)，该论文描叙了一种根据转 动平台的扭矩的测量来适应钻柱组合的转动驱动装置的转速值 的系统。该已知系统能实现与测得的转矩负值成正比的转速修 正。

然而，在实际钻探操作中，转动平台的扭矩测量既不方便又 易出故障，因为它包括了诸如应变仪这种对振动和冲击负荷敏感 的设备。

SU-1488448公开了一种控制延伸至钻孔内的钻柱的振动的 方法。该方法包括测量钻柱振动水平、对于空载运行所要求的扭 矩、转矩和轴向载荷的静态分量、钻头的钻进速度和旋转速度。 从测量结果确定驱动装置的刚性和时间常数。这种已知方法的一 个缺点是由于必须测量大量参数，每个被测参数都有一定的测量 误差，所以精度相当低。

本发明的一个目的是提供一种改进的控制钻柱振动的方法， 该方法廉价、耐用，克服了现有技术的缺点。

本发明提供了一种控制钻孔设备中钻柱振动的方法，该设备 包括延伸到地层内所成钻孔中的一个细长体，以及驱动该细长体 的相关驱动系统。本发明的方法，包括当该驱动系统驱动此细长 体时对流经钻孔设备的能流进行控制，其能流可定义为截面变量 和贯通变量的乘积，能流控制是通过测定其中至少一个变量的波 动并响应对该至少一个变量的所测波动来调节至少另一个变量而 进行的。

根据本发明的方法是基于这种理解：即物理系统的振动可以 表示成通过该系统的能流的变量，并且此能流总能够利用两个变 量来表示，诸如电压乘电流，压力乘流量，线速度乘力，转矩乘 角速度，或者，概言之，“截面变量”乘“贯通变量”。

可以观察到，上述SPE论文中公开的系统响应所测得的转矩 变动来改变转动平台的角速度，但是，该已知系统并没有公开， 通过控制转矩与角速度乘积，换言之，控制能流来改变角速度的 方法。

根据本发明的见解，钻孔设备中各种振动可以用一种精确方 式加以控制。一种控制着通过钻孔设备的能流的有效方法包括对 通过该驱动系统的能流的控制，此处，所谓通过该驱动系统的能 流可以定义为上述截面变量和贯通变量的乘积。

例如，倘若该钻孔设备是一个包括其上端与转动驱动装置相 连的转动钻柱的钻柱组合，则在此钻柱组合内的扭转振动可以通 过将转动驱动装置传往钻柱的能流保持在选定的极限值之间而得 到阻尼。换言之，将通过钻柱向上传播的振动传到转动驱动装置 并进而传到它的动力供应源，而不是使其反射回钻柱的上端。

如果钻柱是由电动机驱动的，则可将电机电流选为贯通变 量，而将电机电压选为截面变量。

如果钻柱是由液压马达驱动，则可将液压马达的流量选为贯 通变量，而将马达的液压选为截面变量。

对于利用任何一类电动的，液压的或机械的转动驱动装置， 都可把上述钻柱组合的转动部分角速度选为截面变量，而把由转 动驱动装置所发出的转矩选定为贯通变量，同时，可使穿过此钻 柱组合的能流保持在选定的极限值之间，其方法是测定角速度的 波动，并响应测得的(角)速度波动而使转动驱动装置所产生的 转矩发生变化。

按照本发明，控制着钻孔设备中的振动的系统(该设备包括 延伸到地层内所成钻孔的一个细长体以及驱动此细长体的相关驱 动系统)。包括当该驱动系统驱动此细长体时对流经该钻孔设备 的能流进行控制的装置，其能流可定义成截面变量与贯通变量的 乘积，该能流控制装置包括测定其中至少一个变量的波动的装 置，以及对该至少一个变量的所测变量的波动作出响应来调节至 少另一个变量的装置。

以下，参照附图对本发明作更加详尽的描述，其中：

图1是一转动钻柱组合的示意图，它装备有一个本发明的旨 在控制扭转振动的系统；

图2表示图1所示系统所用的电路图；

图3示意地给出了一个转动钻柱组合，它装备有本发明另一 个旨在控制扭转振动的系统的实施例；

图4表示出用于图3所示系统的电路图；

图5给出了用于按照本发明的系统的电路图的细节；

图6示出了本发明另一个旨在控制扭转振动的实施例。

图1示意地给出了一转动钻柱的驱动装置，该装置包括具有 转动惯量Jt的旋转平台R，具有齿轮传动比1∶n的齿轮箱G以 及具有转动惯量Jr的并激电动机M，此电动机备有按本发明的振 动控制系统。

此控制系统包括一个将实际转速Ω与额定转速Ωr作比较的 减法器S，一个使用电动机电压V的波动作为输入截面变量的反 馈回路L1，并且，此系统以这样方式控制着电动机电流I，即， 使得电动机产生的转矩T以预定的方式响应电动机转速Ω的波动 而变化，以便控制通过钻柱的能流，使其保持在选定的极限值之 间。

上述并激电动机的特性是T正比于I，并且Ω正比于V。

在图1中，Tp代表钻管的扭矩。

在图1的有效阻尼系统中，测得的截面变量V和受控的贯通 变量I之间的关系，即它们的乘积V。I保持在选定的极限值之 间，是借助某一反馈函数来定义的。此反馈函数强烈地影响着系 统的阻尼量。使用合适的反馈函数可以将系统的阻尼特性最优 化。此反馈函数可以由以下的计算程序推导出来。

驱动系统的转矩阻抗Z可以定义成电动机转轴的转矩T与电 动机所产生的转速Ω的比值： $Z=\frac{T}{\Omega }----\left(1\right)$

如果利用一复反馈函数F1(β)＝-T/Ω使电动机提供的转 矩T依赖于角速度Ω，则此电动机转轴的转矩阻抗为 Z＝-F1(β)                                    (2) 式中β＝变量的变化频率。

按另一种方式，可以利用一复反馈函数F2(β)＝-Ω/T使 角速度Ω依赖于转矩T。

转动平台的阻抗为 Zrt＝iβJt+n2(iβJr+Z)                         (3) 式中i＝虚数单位 ，n为齿轮箱G的齿轮传动比。 此转动平台的等价转动惯量Jt’定义成：

Jt′＝Jt+n2Jr                              (4)

由式(2)-(4)可得

Zrt＝iβJt ′-n2F1(β)                    (5)

为了对扭转振动进行阻尼对Zrt给出一预先选定值α，对所 要求的反馈函数可得 F1(β)＝(-α+iβJt′)/n2                      (6)

此函数就是振动趋于出现的频段所要求的反馈函数。在极其 低的频率，特别是对速率的静态分量，希望驱动装置的性能如同 常规的刚性驱动装置，即α必须变得很大，足以使钻机能缓慢地 改变钻柱组合的转速而不会使此速率的静态分量变成依赖于转矩 (转矩的静态分量)。这一点可以用以下量值取代上式(6)中 的α来达到，该值为： $\frac{\mathrm{i\beta \sigma }+1}{\mathrm{i\beta \sigma }}\alpha$ 式中σ是一时间常数。

如果频率趋于零，则此阻抗变成无穷大，或者在高频段，此 阻抗趋于α。转换频率，即阻抗绝对值增至为 的频率位于

代入上述式(6)的阻抗表达式可得到新的反馈函数： $F_1\left(\beta \right)=(-\alpha -\frac{\alpha }{\mathrm{i\beta \sigma }}+\mathrm{i\beta J}{t}^{\prime })/n^2----\left(7\right)$

图2示出了一合适的电路，用于根据上述反馈函数F1(β) 响应钻柱顶部所测得的角速度波动来改变电动机的电流I和电动 机的转矩T。

图2的电路包括三个运算放大器A1，A2和A3，每个放大器 各有第一输入端和第二输入端，两个电容C1和C2，以及七个电 阻R1，R2，R3，R4，R5，R6和R7。此电路的输入端1通过 R1与A1的第一输入端相连，A1的第一输入端通过R2和C2与A1 的输出端相连。A1的输出端通过R3与A2的第一输入端相连。此 电路的输入端1也通过R7和C1与A2的第一输入端相连。此电路 的输入端1也通过R7和C1与A2的第一输入端相连，A2的第一输 入端通过R4与A2的输出端相连。A2的输出端通过R5与A3的第 一输入端相连，A3的第一输入端通过R6与A3的输出端及该电路 的输出端2相连。每个放大器的第二输入端均接地。

在正常使用图2所示的电路时，在该电路的输出端2输出一 电动机电流反馈信号给电动机M以响应在电动机轴上的转速表输 出信号的变化，该转速表输出信号正比于电动机电压，并由此电 路的输入端1传送进来。

注意到受控变量以及测得的变量均是以电压表示的。这些电 压起信息载体的作用，不要把它们与定义待进行控制的能流的变 量相混淆。

图3示意地给出了一转动钻柱的驱动装置，该装置包括：具 有一质量转动惯量Jt’的旋转平台R，具有齿轮传动比1∶n的齿 轮箱G以及具有质量转动惯量Jr’的并激电动机M，此电动机备 有本发明的振动控制系统。

此控制系统包括一个将实际的转速Ω与额定转动速Ωr作比 较的减法器S，一个使用测得的电动机电流I(作为输入的贯通 变量)的波动的反馈回路L2，并且此系统以这样方式控制着电动 机电压V，使得乘积V.I，换言之，使通过电动机的电能流保 持在选定的极限值之间。

测得的贯通变量I与受控的截面变量V之间的关系，即它们 的乘积保持在选定的极限值之间，也是借助于某一反馈函数F2来 定义的，F2是F1的倒数。

图4示出了一合适的电路，按照该反馈函数F2，响应测得的 电动机电流I的波动而改变电动机的电压V。

图4的电路包括两个运算放大器A4和A5，每个放大器各有一 个第一输入端和一个第二输入端；两个电容C3和C4；以及四个 电阻R8，R9，R10和R11。该电路的输入端3通过R8与A4的第 一输入端相连，A4的输出端连向该电路的输出端4，并通过C3 与A4的第一输入端相连，也通过R11与A5的第一输入端相连，A5 的第一输入端通过C4和R10与A5的输出端相连，A5的输出端通 过R9与A4的第一输入端相连。

在正常使用图4所示的电路时，在该电路的输出端4响应在 该电路输入端3传送进来的、代表电动机电流变化的一个信号输 出一电动机电压反馈信号给电动机M。此电动机电压反馈信号被 传递到图3所示的减法器S。

如果驱动旋转平台的电机是一直流并激电动机，则在电动机 电流和转矩之间有一简单的关系，在电动机电压与转速之间亦 然。对于其他类型的电动机，诸如串激电动机或复激电动机，关 系变得更复杂些，原因是转矩和转速两者都是电动机电流和电动 机电压的平方及它们交叉乘积的函数。

图5给出了一合适的电路，用来由电动机电流I，电动机电压 V以及电动机转速Ω来确定电动机转矩T。该电路包括：一个具 有第一输入端8及第二输入端9的乘法器M1；一个具有第一输入 端10及第二输入端11的乘法器M2；以及运算放大器A6。M1 的输出端连至A6的第一输入端，M2的输出端连至A6的第二输入 端。A6的输出端连至M2的第一输入端。

在正常使用图5所示的电路时，把一个代表着电动机电压V 的信号加到M1的第一输入端8，一个代表着电动机电流I的信号 加到M1的第二输入端9，一个代表电动机转速Ω的信号加到M2 的第一输入端10。该电路以下列方式进行自我调节：在放大器A6 的输出端可以得到一个代表转矩T的信号，因为V·I＝T·Ω。

图6表示出了用于与上述其他类型电动机(如串激电动机或 复激电动机)相联的一合适的控制系统。该控制系统包括：一个 具有第一输入端12与第二输入端13的乘法器M3，一个具有第一 输入端14与第二输入端15的乘法器M4，一个运算放大器A7， 一个具有反馈函数F3的反馈回路L3，一个功率驱动器D以及一 个将实际电动机转速Ω与额定电动机转速Ωr进行比较的减法器 S。M3的第一输入端12与L3的输出端相连，M3的第二输入端 13与电动机M转轴上的常规转速表(图上未表出)的输出端相连。 M3的输出连至A7的输入端。M4的第一输入端14连向D的第一 输出端16，M4的第二输入端15连向D的第二个输出端17。M4 的输出端与A7的另一个输入端相连。A7的输出端连至功率驱动 器D的输入端18。

在正常使用图6所示的控制系统时，由功率驱动器D在其输 出端16传送出一代表着电动机电压的信号，功率驱动器D在其另 一输出端17传送出一代表着电动机电流的信号。转速表把代表着 电动机转速的信号传送到M3的输入端13。此系统以这样一种方 式进行自我调节：在M3的输入端12传送入一代表着电动机转矩 的信号。参照图2，利用该电路可以实现反馈函数F3。

根据上面参照这些附图所作的说明可以清楚地了解，一实际 系统的能流可以用一截面变量与一贯通变量的乘积来表示。对振 动的有效阻尼要求根据对至少一个变量波动的测量来控制两个变 量中的至少另一个。

以下的截面变量与贯通变量的组合特别适合用在本发明的系 统来控制钻柱的扭转振动：

(1)根据钻头和驱动装置(诸如钻管，转动平台，齿轮箱， 驱动轴等)上的或处在它们之间的转动部分的角速度测量，对电 动的、机械的或液压的转动驱动装置所传送出的转矩作出适配。

(2)根据对流经电动机的电流测量，对电动转动驱动装置 的供电电压进行适配，或反之。

(3)根据对液压马达的流量测量，对液压转动驱动装置的 压力进行适配，或反之。

可以看出，能用这样一种方法实现这些变量的适配：即有效 的阻尼可以表现为转动驱动装置中的能流消耗的波动。另一种取 得所要求适配的方法是，利用既能存贮又能够产生能量的附加装 置。例如，将柴油机发生的转矩与转动平台相适配，可以借助于 反馈可控的电动机发电机组或通过差动方式与驱动器转轴相连的 液压马达/蓄压器组来达到。

进而还可以看到，某一变量的波动可以通过测定一派生变量 的波动而间接地测定出来。例如，测量位移或加速度便能够观察 到速度的波动。

进一步还可以看到，某一变量的控制也可以间接地完成。例 如，通过控制电动机的电流可以控制电动机传送出来的转矩。

上述对钻柱振动有效阻尼的概念可以推广到钻柱轴向振动包 括进来。在钻探时以及套管脱钩或运行时，轴向振动的阻尼具有 重要意义。对于轴向振动的阻尼，可以使用美国专利US Patent 4,535,972公开的系统，借助连结在移动式滑轮与钻管之间的液压 缸来控制钻柱的垂直运动。利用升降补偿系统也可以有效地对轴 向振动进行阻尼，该系统由一个液压系统所组成，后者是设计用 来补偿支持着钻机的液压缸的垂直运动的。另一种用于有效阻尼 的可能的液压装置由一个带有有效受控的可变延伸部分的钻柱的 套筒式部分所组成。这种装置可以位于该钻柱的任一部分上，也 就是可以高于地面也可在地下。而且，通过起重绞车的反馈可控 的操作，可以获得钻柱轴向振动的有效阻尼。利用液压设备，该 阻尼系统可以在闲置线路(dead line)紧急制动器上起作用，或 者，绞盘车驱动装置或绞盘车制动装置上发挥作用。有效阻尼系 统的概念也可以用到活塞杆的运行以及驱动柱塞式提升泵的活塞 杆的使用上。

以下将描述用于这种有效轴向阻尼系统的反馈控制系统的可 能的截面变量和贯通变量。

(1)根据钻头和阻尼装置上的、或处于它们之间的任一钻 柱部分的速度测量，对由阻尼装置(即液压缸，升降补偿系统， 驱动绞盘车的电动机等)施加的力进行适配，或反之。

(2)根据在液压阻尼装置中流量的测量，对该装置的压力 进行适配，或反之。

(3)根据流经电动机的电流的测量，对驱动绞盘车的电动 机的供电电压进行适配。

有效阻尼系统的另一应用可以是用在对由泵产生的压力脉中 的阻尼上。通过控制泵的驱动装置或者使用与诸如主动可控液压 缸的流体系统相连的附加装置，便可以办到这点。这样，根据流 体系统内的压力测量，通过对该系统内的流量进行适配，或反之， 便能达到有效阻尼。