油气井钻柱轴-扭双向振动LQR控制研究

李欣业; 张文博; 郭晓强; 张文学; Ye Chengyang

doi:10.12473/CPM.202407048

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油气井钻柱轴-扭双向振动LQR控制研究

钻井技术与装备 | 更新时间：2026-01-19

- 油气井钻柱轴-扭双向振动LQR控制研究
- LQR Control of Axial-Torsional Bidirectional Vibration of Drill String in Oil and Gas Wells
- 石油机械 2025年53卷第10期页码：86-95
- 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：
  
  李欣业，教授，博士生导师，生于1966年，主要从事复杂机械系统的动力学建模、理论分析与数字化仿真，非线性振动系统动力学行为的分岔与控制，动力系统的运动稳定性研究等工作。地址：（30040）天津市北辰区。email：xylihebut@163.com。
  郭晓强，副教授，硕士研究生导师。email：786526101@qq.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目“深海天然气水合物固态流化开采立管气-液-固三相流致振动特性研究”(52105125);“超深水双梯度无隔水管全井钻柱系统多场耦合非线性振动特性研究”(12472009);“钻杆纵-扭耦合非线性振动及其控制研究”(11972145)
- DOI：10.12473/CPM.202407048
  中图分类号： TE92
- 收稿：2024-07-13，
  
  修回：2024-09-10，
  
  纸质出版：2025-10-10
- 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

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