钻柱振动的主被动控制研究进展与展望

在油气井钻进作业过程中,钻柱长期工作在充满钻井液的狭长井筒里,其受到井底压力、摩擦、岩石硬度变化的影响,受力情况非常复杂,会产生多种形式的振动,这些是影响钻具寿命和钻进效率的最主要因素。为系统分析工程界和学术界长期以来普遍关注的钻柱系统振动的有效控制问题,对近几十年来国内外在钻杆振动控制上使用的各种方法进行了分类和归纳,总结了各种方法的特点、应用场景以及不足之处,并对钻柱系统振动控制技术的发展趋势进行了展望。研究结果表明:(1)现有的钻柱振动主动控制主要集中于单一方向(扭转振动)和2个方向的耦联振动(纵扭耦联振动),且控制参数主要集中于钻压和扭矩,仅控制单方向的振动和单参数的调节,效果将很难保证;(2)被动控制是通过改变钻柱系统自身的结构或设计参数来抑制其振动,控制过程不受结构响应和外部干扰的影响,虽然效果有较大的局限性,但仍应在设计阶段给与足够的重视;(3)今后钻柱振动控制将朝着同时基于地面和井下测量数据,纵、横、扭3个方向联合控制的方向发展。结论认为,钻杆振动往往是几种基本振动形式的耦联,并具有明显的非线性特征,基于数据驱动的钻进系统动力学建模、考虑模型不确定性的现代鲁棒自适应控制技术以及新兴的人工智能技术将会成为未来钻柱振动研究和发展的主流趋势。