复杂变时滞与状态依赖型参数激励下大柔性钻柱系统动力学及控制

Drill string, which is an extremely slender and flexible system used for oil & gas exploration, is prone to lost stability due to the non-smooth, delay effects, and parametric excitation stems from the bit-rock interaction. This proposal focuses on the dynamic analysis and control of a flexible drill string. Specific issues of this research are as follows. Firstly, the concept of complex time delay as well as the hypothesis of state-dependent parametric excitation is proposed. Based on these, the dynamic model for a flexible drill string with complex time delay, non-smooth, and state-dependent parametric excitation is obtained. Secondly, stability criteria are deduced for this system, and bifurcation analysis is carried out to understand the root cause of drilling instability. At the same time, the self-excited strain waves and their distribution along the drill string is obtained to localize the danger point of stress. Thirdly, an adaptive control algorithm is proposed to eliminate the bifurcation of the drill string dynamics. Finally, a scaled experimental rig for the drill-string dynamics is built, and the proposed theoretical result, as well as the control strategy, are verified experimentally. The applicant has a good research background in this area and his previous study awarded the Melville Medal from ASME. In the purpose of making a step forward, this project will illustrate the complex temporal-spatial dynamics and its bifurcation mechanism of a delay and non-smooth affected drill string. In addition, a common control algorithm will be developed to suppress the bifurcation. This research can be served as a basis for reducing drill-string failures in drilling engineering.

钻井杆柱是一个具有超大长径比的柔性系统，在钻头-岩层切削界面的复杂时滞与非线性作用下，系统极易发生振动失稳并导致钻柱破坏失效。本项目围绕柔性钻柱纵-扭耦合动力学及其主动控制问题展开研究，内容包括：根据钻头实际工况，创新性地做出状态依赖型参数激励的假设，并总结性地提出复杂变时滞的概念；结合已有研究成果，建立具有复杂变时滞、非光滑以及状态依赖型参数激励的大柔性钻柱动力学模型；定量分析各因素对钻柱振动的贡献，揭示失稳机理及根本原因；基于时滞状态反馈的思想，发展一种普遍性的可抑制钻柱失稳的自适应控制方法；同时，通过钻柱缩比实验台，对模型、结论与控制方法进行验证。申请人前期在该领域的研究已得到学者的认可，并被美国机械工程师学会授予梅尔维尔奖章。本项目旨在进一步揭示钻柱系统的时-空耦合复杂非线性行为及失稳机理，并发展可有效抑制其失稳的控制算法，项目成果将对减少钻柱失效、提高钻井效率具有重要的指导意义。

大柔性结构由于刚度弱、模态密集、阻尼小等特性，使其在时滞、干摩擦等非线性因素的作用下极易发生动力学失稳，该类系统涉及到多个重要工程领域：航空薄壁蒙皮的铣削加工、空间在轨柔性结构的主动控制、油气钻井过程等，其复杂的动力学特性及内在的失稳机理是当前动力学研究领域新的热点之一。油气探采中的钻井杆柱（钻柱）是一个具有超大长径比的大柔性转子，该系统在钻头-岩层切削界面的时滞、非光滑效应作用下极易产生破坏性的黏滑振动失稳并造成钻柱失效。本报告以钻柱为工程应用背景，围绕该大柔性转子系统的纵-扭耦合动力学及时滞稳定性问题展开研究。研究完整考虑了钻柱细长连续的空间分布、外部钻井液阻尼和内部结构阻尼、重力与浮力载荷、顶部驱动的通用边界条件、以及复杂的钻头-岩石相互作用建立了动力学模型。根据井底钻头切削与破碎岩层的实际复杂工况，创新性地提出了“复杂时滞”的概念：即同时考虑了状态依赖型时滞又考虑了多重再生效应的钻头-岩层切削模型。随后，通过有限元方法在空间上对钻柱结构进行空间离散，而采用半离散方法对时滞进行时间的离散。离散仿真表明系统存在多种自激振动，包括粘滑运动和跳钻。并通过重现跳钻的工况，验证了本研究提出的复杂时滞的真实存在性，并发现随着纵向振动的加剧，复杂时滞将主导系统的时滞动力学过程。同时，将以往的状态依赖型时滞模型与本研究提出的复杂时滞模型进行了仿真比较。基于直观的切削几何提出了切屑体积守恒的判断标准并对仿真误差进行了分析。结果表明，在钻头存在剧烈跳钻时，以往模型不满足切屑守恒，将严重高估切削能耗并导致计算错误。相比之下，本研究提出的复杂时滞模型在任何情形下均能满足切屑体积守恒，并在仿真计算钻柱运动、钻头切削功耗等方面具有显著的准确性优势。该结果也表明当系统发生剧烈跳钻时，时滞对系统的激励效果将被大大削弱。基于半离散法对系统进行了半解析的稳定性参数研究，得到了钻柱在转速-钻速参数平面的稳定性区域，分析了边界条件、结构阻尼与钻井液阻尼、岩层强度等多方面因素对钻柱参数空间稳定性包络线的影响。最后，基于计算机符号分析，在5维参数空间推导了无量纲钻柱自激振动系统的稳定性判据，解析得到了系统的稳定区域与最优边界参数，通过顶部边界参数调优可以使系统达到动力学稳定实现振动抑制。本项目研究的边界参数调优抑振方法为钻柱柔性结构自激振动抑制提供一种简单而有效的思路。