在石油勘探开发过程中,广泛存在粘滑振动和钻头反弹现象,不仅造成钻头机械钻速降低,驱动能量大量浪费,而且还会加速钻具老化和失效,严重威胁钻井作业安全。近年来,国外学者对钻井中粘滑振动和钻头反弹现象进行了广泛研究并取得了相应的学术成果,甚至开发出了针对石油钻井粘滑振动和钻头反弹的控制系统,并成功运用于工程实践。然而,国内在该领域的研究才刚刚起步,包括其产生机理以及控制策略等方面的研究还不够深入。因此,开展抑制钻机粘滑振动和钻头反弹的控制系统建模和抑制策略的研究刻不容缓。本文以钻机运动系统为研究对象,针对系统存在的粘滑振动和钻头反弹现象,开展抑制钻机粘滑振动和钻头反弹建模与控制策略的研究。首先,从动力学的角度分析,推导出钻机运动系统的数学模型,包括钻机旋转系统、起升系统,以及钻头-岩石相互作用模型;其次,在给定不同系统参数初始值的情况下(转盘转速度和轴向下放速),应用Matlab/Simulink软件进行钻机运动系统动态性能仿真实验,实验结果表明:钻压、扭矩、钻头角速度和钻头剪切深度等系统参数响应曲线波动剧烈,粘滑振动和钻头反弹现象十分严重;再次,设计了基于LQR控制策略的钻机扭转和轴向状态反馈控制器,实验结果表明:LQR控制器可使钻头转速稳定在给定转盘转速附近,控制系统的响应时间小于40s,减少了钻压、扭矩和轴向位移波动,有效抑制了钻机粘滑振动和钻头反弹现象;最后,采用WinCC组态软件建立钻机虚拟监控系统平台,实现系统仿真模型的数据参数在WinCC监控系统中进行读取、写入和显示等功能,使得钻井作业过程可视化和智能化。