LQR Control of Axial-Torsional Bidirectional Vibration of Drill String in Oil and Gas Wells

Li Xinye; Zhang Wenbo; Guo Xiaoqiang; Zhang Wenxue; Ye Chengyang

doi:10.12473/CPM.202407048

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LQR Control of Axial-Torsional Bidirectional Vibration of Drill String in Oil and Gas Wells

DRILLING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT | 更新时间：2026-01-19

- LQR Control of Axial-Torsional Bidirectional Vibration of Drill String in Oil and Gas Wells
- China Petroleum Machinery Vol. 53, Issue 10, Pages: 86-95(2025)
- 作者机构：
  
  1.河北工业大学机械工程学院
  2.College of Mechanical， Aerospace and Automotive Engineering，Polytechnic University of Turin
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12473/CPM.202407048
  CLC： TE92
- Received：13 July 2024，
  
  Revised：2024-09-10，
  
  Published：10 October 2025
- 稿件说明：
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李欣业，张文博，郭晓强，等.油气井钻柱轴-扭双向振动LQR控制研究［J］.石油机械，2025，53（10）：86-95.

Li Xinye，Zhang Wenbo，Guo Xiaoqiang，et al.LQR control of axial⁃torsional bidirectional vibration of drill string in oil and gas wells［J］.China Petroleum Machinery，2025，53（10）：86-95.
李欣业，张文博，郭晓强，等.油气井钻柱轴-扭双向振动LQR控制研究［J］.石油机械，2025，53（10）：86-95. DOI： 10.12473/CPM.202407048.

Li Xinye，Zhang Wenbo，Guo Xiaoqiang，et al.LQR control of axial⁃torsional bidirectional vibration of drill string in oil and gas wells［J］.China Petroleum Machinery，2025，53（10）：86-95. DOI： 10.12473/CPM.202407048.

摘要

为有效解决钻柱轴-扭双向振动引发的失效问题，借助钻杆3自由度动力学模型，开展了线性二次型调节器LQR控制对钻柱轴向振动和扭转振动抑制效果的仿真研究。根据LQR控制策略分别设计了扭转和轴向反馈控制器，模拟分析了无反馈控制器、只施加扭转反馈控制器、只施加轴向反馈控制器以及同时施加扭转和轴向反馈控制器4种情况下工作参数对系统响应的影响，并将双向LQR控制与顶驱控制的仿真结果进行了对比分析。研究结果表明：只有当同时施加扭转方向和轴向的LQR反馈控制时，钻柱的黏滑运动和跳钻才均被有效抑制；对比顶驱控制，基于LQR控制策略设计的轴-扭双向反馈控制器对系统的振动控制效果更好。研究结论可为钻柱振动控制研究提供理论参考。

Abstract

To effectively solve the failure problem induced by axial-torsional bidirectional vibration of drill string， with the help of the 3-DOF dynamics model of drill pipe， a simulation study was performed on the suppression of linear quadratic regulator （LQR） control on the axial vibration and torsional vibration of drill string. First， based on the LQR control strategy， torsional and axial feedback controllers were designed. Second， the influences of working parameters on the response of the system were simulated under four conditions （without feedback controller， with only torsional feedback controller， with only axial feedback controller， and with both torsional and axial feedback controllers）. Finally， the simulation results of LQR control and top drive control were compared. The results show that the stick slip of drill string and bounce of bit are effectively suppressed only when both axial and torsional feedback controllers are applied. The axial-torsional feedback controller designed based on the LQR control strategy is better performed than the top drive control. The study results provide theoretical reference for investigating the vibration control of drill string.

关键词

Keywords

references

JANSEN J D . VAN DEN STEEN L. Active damping of self⁃excited torsional vibrations in oil well drill strings ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 1995 ， 179 （ 4 ）： 647 - 668 .

YIGIT A S ， CHRISTOFOROU A P . Stick⁃slip and bit⁃bounce interaction in oil-well drillstrings ［J］. Journal of Energy Resources Technology ， 2006 ， 128 （ 4 ）： 268 - 274 .

ZAMANIAN M ， KHADEM S E ， GHAZAVI M R . Stick⁃slip oscillations of drag bits by considering damping of drilling mud and active damping system ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2007 ， 59 （ 3/4 ）： 289 - 299 .

BOUSSAADA I ， CELA A ， MOUNIER H ， et al . Control of drilling vibrations： a time⁃delay system⁃based approach ［J］. IFAC Proceedings Volumes ， 2013 ， 46 （ 3 ）： 226 - 231 .

LOSOYA E Z ， GILDIN E ， NOYNAERT S F . Real⁃time rate of penetration optimization of an autonomous lab⁃scale rig using a scheduled⁃gain PID controller and mechanical specific energy ［J］. IFAC⁃Papers OnLine ， 2018 ， 51 （ 8 ）： 56 - 61 .

ZHANG X . Dynamics， nonlinear instabilities， and control of drill⁃strings ［D］. College Park ： University of Maryland ， 2020 .

ZRIBI F ， SIDHOM L ， KRAMA A ， et al . Enhancement of drill string system operations with adaptive robust controller and hardware in⁃the⁃loop validation ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2023 ， 556 ： 117716 .

姜寅令，张周，张强，等．柔性钻柱扭转振动及控制研究［J］．石油矿场机械， 2024 ， 53 （ 4 ）： 18 - 27 ．

JIANG Y L ， ZHANG Z ， ZHANG Q ， et al . Research on coupled vibration and control of flexible drill strings ［J］. Oil Field Equipment ， 2024 ， 53 （ 4 ）： 18 - 27 .

CHRISTOFOROU A P ， YIGIT A S . Fully coupled vibrations of actively controlled drillstrings ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2003 ， 267 （ 5 ）： 1029 - 1045 .

MODELING S M . Modeling， simulation and control of stick⁃slip and bit⁃bounce vibration in an oilwell drill string ［D］. Newfoundland ： Memorial University of Newfoundland ， 2012 .

张奇志，吴永强．抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹的建模与控制［J］．石油钻采工艺， 2018 ， 40 （ 5 ）： 553 - 558，595 ．

ZHANG Q Z ， WU Y Q . Modeling and control of restraining stick slip vibration of drill strings and bounce of drill bits ［J］. Oil Drilling & Production Technology ， 2018 ， 40 （ 5 ）： 553 - 558， 595 .

MACLEAN J D J ， VAZIRI V ， APHALE S S ， et al . Suppressing stick⁃slip oscillations in drill⁃strings by modified integral resonant control ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2022 ， 228 ： 107425 .

LU C D ， HE Z Q ， CHEN L F ， et al . Suppressing coupled axial⁃torsional vibration of drill-string system considering regenerative cutting induced delay and actuator saturation ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 11 ）： 11608 - 11617 .

SADEGHI A N ， ARIKAN K B ， ÖZBEK M E . Modelling and controlling of drill string stick slip vibrations in an oil well drilling rig ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2022 ， 216 ： 110759 .

陆承达，甘超，陈略峰，等．地质钻进过程智能控制研究进展与发展前景［J］．煤田地质与勘探， 2023 ， 51 （ 9 ）： 31 - 43 ．

LU C D ， GAN C ， CHEN L F ， et al . Development and prospect of intelligent control of geological drilling process ［J］. Coal Geology & Exploration ， 2023 ， 51 （ 9 ）： 31 - 43 .

段聪聪，李欣业，张利娟，等．钻柱纵-扭耦合非线性振动的顶驱控制研究［J］．振动工程学报， 2024 ， 37 （ 9 ）： 1535 - 1545 ．

DUAN C C ， LI X Y ， ZHANG L J ， et al . Top drive control of axial⁃torsional coupled nonlinear vibration of drill string ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2024 ， 37 （ 9 ）： 1535 - 1545 .

HOSSEINZADEH A ， BAKHTIARI⁃NEJAD F . A new dynamic model of coupled axial⁃torsional vibration of a drill string for investigation on the length increment effect on stick⁃slip instability ［J］. Journal of Vibration and Acoustics ， 2017 ， 139 （ 6 ）： 061016 .

TASHAKORI S ， VOSSOUGHI G ， ZOHOOR H ， et al . Prediction⁃based control for mitigation of axial⁃torsional vibrations in a distributed drill⁃string system ［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology ， 2022 ， 30 （ 1 ）： 277 - 293 .

吴永强．抑制钻机黏滑振动和钻头反弹的建模与控制［D］．西安：西安石油大学， 2019 ．

WU Y Q . Modeling and control of suppressing stick⁃slip vibration of drill rigs and bit bounce ［D］. Xi'an ： Xi'an Shiyou University ， 2019 .

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