在深井和超深井勘探开发过程中,广泛存在粘滑振动现象,不仅造成机械钻速降低,驱动能量大量浪费,而且会加速钻具老化和失效,严重威胁钻井安全。近年来,国外学者对钻井中粘滑振动现象进行了广泛研究并取得了很大进步,开发出了针对石油钻井粘滑振动的控制系统,并成功运用于工程实践。国内在该领域的研究才刚刚起步,包括粘滑机理以及控制策略等方面的研究还不够深入,还没有开发出可用于工程实际的粘滑振动控制系统。粘滑振动作为石油钻井工程中迫切需要解决的难题,已对我国油气勘探、钻井工程安全等造成重大影响,因此,开展粘滑振动机理和控制策略的研究是非常必要和紧迫的。本文以钻柱系统为研究对象,针对钻柱系统存在的粘滑振动现象,首先建立了钻柱系统的非线性粘滑振动模型,对其非线性自激振动机理进行了研究;其次,进行了钻柱系统粘滑振动的诱因分析,主要对钻柱系统横向振动碰摩诱发粘滑振动的机制进行了分析;再次,从理论方面对抑制粘滑振动的鲁棒控制算法进行了研究,研究了基于最优阻尼原理的PID控制器、积分滑模控制器以及H∞和μ控制器,并从这些控制器中找出了最优的控制方法;最后建立了基于辅给定驱动扭矩的粘滑振动控制系统,实现了对钻柱粘滑振动控制技术的自主创新。具体研究内容和创新性如下:1.在钻柱系统粘滑振动建模的基础上,通过对钻柱系统运动方程的分析,揭示了钻柱粘滑振动的形成机理。基于扭转摆理论,根据不同的集中质量划分粒度,分别建立了钻柱系统双质量扭摆模型和多质量扭摆模型。对实际钻井作业中两种不同的工作模式进行了时域仿真。结果表明,钻柱系统是一个具有死区特性和摩擦特性的非线性系统,并分析了钻柱系统存在的性能脆弱性问题以及采用控制器来保持系统稳定的必要性。建立了钻柱系统的相对扭转角运动方程,分析了在不同顶驱转速下等效阻尼力做功与系统能量的关系。根据对系统简化模型的平衡态微分方程的解,分析了阻尼比、平衡点转速、钻头静动摩擦力矩之差等系统参数对粘滑振动形成的影响。结果表明,等效阻尼力的负阻尼特征是导致系统产生粘滑振动的原因,在低阻尼比、低转速和较大的静动摩擦力矩之差的情况下,钻柱系统易于形成粘滑振动。2.通过对钻柱系统横向振动碰摩诱发粘滑振动机制的深入研究,首次对钻进质地较为疏松的地层时形成粘滑振动的机理作出了解释。基于达朗伯原理,综合考虑了钻铤段所受的粘滞力、恢复力、摩擦力、重力等多种外力,在极坐标下建立了钻铤段的旋转动力学模型。在此基础上,研究了系统的正向进动、反向进动和混沌进动等多种运动形态,重点对系统反向进动的碰摩现象做了研究。当系统存在周期性碰摩,且满足条件:(1)碰摩频率与扭转固有频率相等或相近;(2)系统阻尼小于临界阻尼时,会导致钻头出现零转速从而形成粘滑振动。进一步的仿真表明,实际钻井作业中由于钻杆转速和钻杆长度的变化,导致了碰摩频率和扭转固有频率都发生改变,只有同时满足上述两个条件时,才会产生粘滑振动。3.进行了基于观测器的钻柱粘滑振动控制方法的研究,提出了一种基于最优阻尼原理的比例积分干扰观测器的设计方法。针对钻柱系统粘滑振动状态无法直接观测问题,设计了两种基于最优阻尼原理的比例积分干扰观测器,理论分析和仿真结果证明了观测器的有效性和收敛性。在观测器的基础上,设计了基于耦合扭矩反馈的PID控制器和全状态反馈的PID控制器,利用最优阻尼原理确定了控制器的参数。理论分析和仿真结果表明,所设计的两种状态反馈PID控制器能够保证系统稳定,实现稳态转速的跟踪和粘滑振动的抑制,并具有一定的鲁棒性。在观测器的基础上,采用滑模控制,设计了两种积分自适应滑模控制方法:一阶积分自适应滑模控制和二阶积分自适应滑模控制。用Lyapunov函数法对两种控制方法的稳定性进行了论证,理论分析和仿真结果证明了控制算法的有效性和收敛性,控制器能够在一定的参数摄动和干扰摄动范围内,保证系统稳定,实现稳态转速的跟踪和粘滑振动的抑制。4.为了构建不需要观测器的控制器,并针对钻柱系统中的多种摄动因素所带来的鲁棒综合问题,进行了基于无观测器的钻柱粘滑振动控制方法的研究。该控制方法以系统的鲁棒性能和鲁棒稳定性为设计指标,能使所设计的闭环系统按照预设的性能指标稳定地运行。在考虑实际钻柱系统运行时诸多不确定性因素的情况下,建立了系统的增广模型。在此基础上,设计了H∞控制器和基于奇异值理论的μ综合控制器,并将两种控制器的性能进行了仿真对比,结果表明,μ综合控制器具有更好的控制性能,在满足鲁棒稳定性的情况下,μ综合控制器比H∞控制器能获得更好的鲁棒性能。5.针对钻柱系统粘滑振动,进行了控制策略寻优。对本文提出的几种控制器的性能进行了对比,分别从不同初始输入转矩、钻柱系统存在多个参数不确定性、存在干扰、跟踪不同转速等几个方面进行了仿真,对几种控制器的性能、稳定性及鲁棒性进行了对比分析。综合对比的结果表明,二阶积分滑模控制器能实现转速跟踪来抑制粘滑振动,控制器具有较好的鲁棒性、适中的超调和调节时间,可作为控制策略应用在粘滑振动控制系统中。6.实现了钻柱粘滑振动控制系统,并进行了井场测试。对系统总体方案、硬件结构和软件进行了设计,并在井场对粘滑振动控制系统进行了性能测试。测试结果表明,控制系统能够跟随转速和转矩的变化规律,快速地对变频器输出扭矩进行调节,对粘滑振动具有较好的抑制作用,并可根据钻井的实时工况参数,对控制算法进行在线修正。