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专利号: 202110045008X
申请人: 中国地质大学(武汉)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,所述考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法包括以下步骤:考虑钻柱系统由钻具单元拼接组成,获取所述钻具单元数量,将所述钻柱系统划分为所述钻具单元数量的离散单元,定义每截钻具单元两端为广义节点,获取每截钻具单元对应的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,并组合成全局参数矩阵,建立钻柱系统有限元模型;

建立钻机提升系统模型和钻头‑岩石作用模型,将所述钻机提升系统模型和所述钻头‑岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型,构建钻柱纵向运动方程;

选取井上钻压、各广义节点速度及速度差作为所述钻柱纵向运动方程的状态变量,计算从绞车转速输入至井上钻压输出的参数依赖状态空间方程;

根据钻机提升系统参数和各钻具参数求解所述参数依赖状态空间方程中的确定参数;

根据钻进过程绞车转速和井上钻压数据,利用二分法调整所述参数依赖状态空间方程中的给进阻尼系数的大小;

根据所述参数依赖状态空间方程、所述确定参数和所述给进阻尼系数建立当前环境钻进过程钻压动态模型。

2.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,所述考虑钻柱系统由钻具单元拼接组成,获取所述钻具单元数量,将所述钻柱系统划分为所述钻具单元数量的离散单元,定义每截钻具单元两端为广义节点,获取每截钻具单元对应的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,并组合成全局参数矩阵,建立钻柱系统有限元模型的步骤包括:

根据钻具种类与数量,将每截钻具单元考虑为一个离散单元,定义每截钻具单元两端为广义节点,计算每截钻具单元的质量矩阵和刚度矩阵;

根据每截钻具单元首尾相连的特点,将每截钻具单元的质量和刚度矩阵合成为全局质量矩阵、全局刚度矩阵,利用瑞利阻尼描述全局阻尼矩阵;

根据所述全局质量矩阵、所述全局刚度矩阵和所述全局阻尼矩阵建立所述钻柱系统有限元模型。

3.根据权利要求2所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征

2×2 2×2

在于,所述每截钻具单元的质量矩阵Mi∈R 和刚度矩阵Ki∈R 为有如下形式的矩阵:其中N为钻具的数量。

4.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,所述建立钻机提升系统模型和钻头‑岩石作用模型,将所述钻机提升系统模型和所述钻头‑岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型,构建钻柱纵向运动方程的步骤包括:

将钻机提升系统考虑为多股弹簧系统,建立描述钩载的弹簧模型作为钻机提升系统模型;

将钻头‑岩石作用考虑为钻头受到给进阻尼,建立描述井底钻压的阻尼模型作为钻头‑岩石作用模型;

根据钩载和井底钻压分别作用在钻柱系统两端,将所述钻机提升系统模型和所述钻头‑岩石作用模型作为边界条件带入所述钻柱系统有限元模型,得到钻柱系统纵向运动方程。

5.根据权利要求4所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,所述钻柱系统纵向运动方程具有如下形式:T N+1

其中x∈[x1,x2,…,xN+1] ∈R 代表N+1个广义节点的位移;x的上标·表示一阶导数,··表示二阶导数,即 表示节点速度,表示节点加速度;系数M,C,K分别为钻柱系统N+1个单元的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,Fh∈R代表钩载,Fd∈R代表钻头岩石作用产生T N+1 T N+1

的井底钻压,二者通过系数E1∈[1,0,…,0] ∈R 和E2∈[0,0,…,1] ∈R 分别作用在钻柱顶端和底部,其中,井底钻压Fd∈R表示为:其中, 是钻柱最底端广义节点的速度,代表钻头在地层中给进的速度,kr是给进阻尼系数,根据不同的地层环境有不同的取值。

6.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,所述选取井上钻压、各广义节点速度及速度差作为所述钻柱纵向运动方程的状态变量,计算从绞车转速输入至井上钻压输出的参数依赖状态空间方程的步骤包括:基于所述钻柱系统有限元模型,构建从绞车转速输入至井上钻压输出的参数依赖状态空间模型,选取状态变量为:

则所述参数依赖状态空间模型具有如下形式:其中u:=Ωdw∈R代表系统输入,即绞车卷筒角速度,ys:=Fs∈R为系统输出,即井上钻压,状态矩阵A线性依赖于不确定给进阻尼系数kr,矩阵B代表绞车转速输入矩阵,矩阵Cs代表系统井上钻压输出矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,

所述钻机提升系统参数包括:钻井绳等效刚度系数Kl、钻井绳绳系数量n和绞车半径Rdw;

所述各钻具单元参数包括:直径D、壁厚Dt、长度l、弹性模量E、密度ρ和数量ne;

所述参数依赖状态空间方程中的确定参数包括:每截钻具单元的横截面积、质量矩阵和刚度矩阵。

8.根据权利要求1所述的一种考虑不确定阻尼系数的钻进过程钻压建模方法,其特征在于,所述根据钻进过程绞车转速和井上钻压数据,利用二分法调整所述参数依赖状态空间方程中的给进阻尼系数的大小的步骤包括:S51、选取一段启动过程中现场钻压和钻速的数据,根据绳系数量和绞车卷筒半径将钻速换算成绞车卷筒角速度;

S52、将所述绞车卷筒角速度数据作为所述参数依赖状态空间模型的输入,得到仿真钻压并将最终稳定的幅值和实际数据进行对比,初步得到给进阻尼系数kr的上下边界kh和kl;

S53、带入kh和kl构建所述给进阻尼系数的上下边界模型,将所述绞车卷筒角速度数据作为所述上下边界模型的输入,分别求得上边界模型和下边界模型的输出钻压和现场钻压数据之间的均方误差Jh和Jl;

S54、根据Jh和Jl进行上下边界kh和kl的更新,若Jh≥Jl,则更新kh为kh=(kh+kl)/2,否则更新kl为kl=(kh+kl)/2;

S55、重复步骤S53和S54,直至上下边界kh和kl收敛到较小的范围,得到最终确定的给进阻尼系数kr为kr=(kh+kl)/2。