指向式旋转导向偏置执行机构动力学控制研究

摘要

旋转导向钻井技术是集机械、电子以及液压于一体的新兴石油钻探技术，具有钻井摩阻小、钻进方向实时可调等优点，广泛应用于水平井和三维多目标井等复杂井眼的钻探。鉴于实际复杂的工况，传统的导向执行机构控制方法在稳定性和快速性等性能较差。因此，对导向执行机构提出合理的控制方案对延长使用寿命和提高可靠性具有重要意义。本文面向一种静态指向式旋转导向执行机构，围绕地层力和芯轴合成应力模型、导向执行机构仿真模型、动力学控制仿真与分析以及芯轴应力测试实验展开研究，主要工作如下：
　　首先，建立地层力和芯轴合成应力模型。在系统分析了芯轴的工作状态基础上，通过受力分析，建立了地层力的数学模型。基于第四强度理论，建立了芯轴的轴向应力、弯曲应力、扭转应力、径向应力以及周向应力的芯轴合成应力模型。
　　然后，建立导向执行机构仿真模型。基于基尔霍夫定律，建立了伺服电机系统的数学模型；应用牛顿方程，建立了偏置机构的数学模型；基于伺服电机系统与偏置机构的输入输出关系，构建了基于Simulink的导向执行机构仿真模型。
　　在Simulink中进行导向执行机构动力学控制仿真分析。应用Simulink内嵌的工具，优化了PID参数；仿真结果表明，优化的PID参数可以显著缩短伺服电机系统的调整时间，同时芯轴应力波动明显减小。
　　最后，进行了芯轴应力测试实验。搭建了基于电阻应变片、集流器以及电阻应变仪的导向执行机构芯轴应力测试实验平台，开展了在常激励下的芯轴应力测试实验，实验测试与理论仿真结果基本吻合，验证了理论模型的正确性，为实际井眼的钻探提供了实验支持。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外旋转导向执行机构动力学控制研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 旋转导向执行机构结构组成与受力分析

2.1 引言

2.2 旋转导向执行机构结构组成

2.3 钻头与地层的相互作用

2.4 芯轴的工作状态与应力分析

2.5 本章小结

第三章 芯轴动力学控制方案与系统建模

3.1 引言

3.2 动力学控制特点

3.3 导向执行机构偏心位移与偏置速度分析

3.4 直流伺服电机建模

3.5 芯轴-偏置系统的Simulink建模

3.6 两种情况下的Simulink建模

3.7 本章小结

第四章 芯轴动力学控制仿真

4.1 引言

4.2 PID原理与Simulink简介

4.3 仿真分析及讨论

4.4 本章小结

第五章 导向执行机构芯轴应力测试实验

5.1 实验原理

5.2 实验方案

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢