在网站上做广告,阿里云突发性能适用于做网站吗,wordpress插件的安装目录,html5 网站模板一、 粘滑运动的动态算法 在实际钻井过程中#xff0c;钻柱会出现扭振和粘滑现象#xff08;粘滑运动–B站视频连接#xff09;#xff0c;但并不总是呈现均匀旋转。如下图所示#xff0c;提取一段地下数据时#xff0c;转盘转速保持在100 r/min#xff0c;钻头转速在0-…一、 粘滑运动的动态算法 在实际钻井过程中钻柱会出现扭振和粘滑现象粘滑运动–B站视频连接但并不总是呈现均匀旋转。如下图所示提取一段地下数据时转盘转速保持在100 r/min钻头转速在0-200 r/min之间波动粘滑现象非常严重。在这种情况下基于钻柱均匀旋转的理论模型将不可行。 粘滑运动是一个物理学术语通常用于描述物体在两个表面之间运动时的特性。它包括了两种主要类型的摩擦 1.粘性摩擦也称为动摩擦这是指当两个物体之间相对运动时由于它们之间的接触表面不是完全光滑的所以会产生的摩擦力。这种摩擦力随着相对速度的增加而增加但在某一点上会达到一个极限值称为静摩擦系数。 2.滑动摩擦这是指当一个物体相对于另一个物体开始运动时所产生的摩擦力。滑动摩擦力通常比静摩擦力小一旦物体开始移动滑动摩擦力会保持相对稳定。 这两种摩擦力可以用数学公式来描述通常使用静摩擦系数μs和动摩擦系数μk来表示。 公式如下 静摩擦力FsFs ≤ μs * N 其中N是物体间的垂直压力或重力。 动摩擦力FkFk μk * N 其中N是物体间的垂直压力或重力。 理解粘滑运动对于设计和工程应用非常重要因为它影响了许多日常物体和机器的性能。例如汽车轮胎与路面之间的摩擦力决定了车辆的牵引力和制动效果。 首先分析了钻柱的运动实际计算出在整个钻井过程中出现粘滑现象的频率。使用研制的旋转导向系统进行了多次现场试验测量数据表明在钻井过程中会频繁出现粘滑振动。 我们利用储层采样原理随机选取2 h的速度数据根据样本的特征估计总体特征。 首先选取1 h的数据点顶部;假设有k个数据点;从第k 1个数据点到达最后一个数据点;选择概率为1/i (ik 1, k 2…N)的第i个数据点并随机替换之前选择的一个元素。这个遍历时间可以保证1 h的数据点完全随机选择。如下图所示接近于零的速度表示出现了粘滑。粘滑振动在钻井过程中始终存在因此应用粘滑振动法提高测量精度是可行的。
1.1 实验数据 利用式(3.30)、式(3.31)和设计好的滤波器建立DSP程序。将整个系统放到实验台上进行测量系统的精度测试。下图显示了加速度计(x、y、z轴)和磁通门(x、y、z轴)的测量数据。 可以看出加速度计的测量噪声相对大于磁通门;主要原因是加速度计对钻柱振动的敏感性。通过滤波可以得到一定程度上对噪声的消除。最后试验中的倾角和方位角值如下图所示。其中X区为旋转钻柱振动噪声情况下的计算结果。
1.2 现场数据分析 在实际应用中我们采用了低通滤波和移动平均滤波等方法但在钻柱旋转时效果并不理想。如下图所示钻柱旋转时倾角和方位角波动较大而瞬时静止时倾角和方位角波动明显较小这促使我们寻求一种利用钻柱瞬时静止时数据的方法以提高整个过程的精度。 时间序列如上图所示倾角和方位角每10 s计算一次井下传感器采样频率为100 Hz。也就是说每次计算使用1000个数据点因此我们可以看到上图中的非旋转区域持续了大约400 s论文中写的是400s但是从图中我并没有看出持续了400s有点像40s。这是钻井过程中人为停止的结果。实际上井下钻柱在地面似乎处于连续旋转状态时也会自动停止 这就是粘滑运动带来的效果其实说白了就是一走一停的现象 。 为了在更小的时间尺度上观察如下图所示采样频率为100 Hz, 500个数据点代表5秒。这些数据甚至不足以计算出上图中的一个点但是我们找到了一个静止的区域我们称之为粘性区域。在粘滞区磁通门信号保持在固定值加速度计信号有一定波动但比钻柱旋转时的表现小得多。通过安装结构可以推断y轴信号与x轴相似相位相差90度°所以图中没有显示y轴信号。 显然在旋转时加速度计信号也应该像磁通门信号一样呈现正弦波但由于钻柱的强烈振动我们没有看到这个结果。 z轴加速度计信号也受到相对较小的振动的影响。我们使用移动平均滤波器进行进一步处理如下式所示 A n ∑ i 1 10 a i A n i − 9 , a i 1 10 A_n \sum_{i1}^{10}a_iA_{ni-9},a_i\frac{1}{10} Ani1∑10aiAni−9,ai101 滤波后的信号得到了很大的改善如图下图所示。在本章中我们还使用FIR滤波器消除信噪比。对于磁通门信号由于不受振动的影响噪声信号被认为是高频分量。 预处理后可进入动力计算部分。我们需要设置一个时间窗口来实时判断钻柱的运动状态。最大限度地利用隐藏在原始测量信号中的准确信息提高最终的测量精度。
1.3 粘滑振动现象分析 首先要分析钻柱的运动实际上是要 弄清楚在整个钻井过程中出现粘滑现象的频率。研制的旋转导向系统进行了多次现场试验试验数据回放表明粘滑振动的发生频率很高。由于数据量大对整个测量数据进行分析既费时又费力。 因此我们利用储层采样原理]随机选取2 h的速度数据以便从样本的数据中估计总体特征。首先选择顶部1 h的数据点假设有k个数据点从第k 1个数据点到最后一个数据点选择第i个点的概率为 1 i \frac{1}{i} i1并随机替换先前选择的元素。这个遍历时间得到1 h的数据点可以保证完全随机选择。 由下图可以看出在零附近的速度表示出现了粘滑。粘滑振动在钻井过程中始终存在因此应用粘滑振动法提高测量精度是可行的。
1.4 利用粘滑振动提高测量精度
1.4.1 粘滑振动的应用方法 下图提出了旋转钻柱底部姿态的动态求解方法即在非旋转情况下三轴实时信号滤波全部用于计算同时存储x、y轴滤波信号;在旋转状态下采用z轴实时滤波信号和非旋转管柱的x、y轴存储信号。 此外井下钻具的粘滑状态被视为一种不旋转的“静止”状态。提出了基于井下实测数据的管柱旋转状态实时判断方法。钻柱转速可用于判断钻柱是否旋转是一种切实可行的方法但可靠性不高。通过以上分析用标准差统计方法来确定钻柱运动将会更好因为它反映了组内个体之间的分散程度。使用50个数据点作为时间窗口假设为x1, x2… x49, x50将得到标准差σ。如下图所示当标准差接近于零时钻柱力矩可以认为是静态的。
1.4.2 卡尔曼滤波 卡尔曼滤波是一种最优递归数据处理算法。它是最优的因为它使用所有可用的信息来最小化给定系统状态变量中的错误。它是递归的因为它不需要将所有以前的数据保存在存储中。它也是一种数据处理算法因为它不是电滤波器而是计算机程序。为了实现离散卡尔曼滤波器误差模型必须以状态空间形式给出: x k F k , k − 1 G k − 1 w k − 1 3.93 x_k F_{k,k-1}G_{k-1}w_{k-1} 3.93 xkFk,k−1Gk−1wk−13.93 y k H k x k v k 3.94 y_kH_kx_kv_k3.94 ykHkxkvk3.94 式(3.93)称为动力学方程式(3.94)为观测或更新方程。这里 x k x_k xk是过程状态向量 F k , k − 1 F_{k,k-1} Fk,k−1是 x k {x_k} xk与 x k − 1 x_{k-1} xk−1之间的方阵称为状态转移矩阵而 w k − 1 w_{k-1} wk−1是一个随机函数以 G k − 1 {G_{k-1}} Gk−1为系数向量被认为是白噪声。在式(12)中 y k {y_k} yk为第k时刻的测量向量 H k {H_k} Hk为给出观测向量与状态向量之间理想无噪声关系的设计矩阵 v k {v_k} vk为观测随机噪声。假设 v k {v_k} vk与 w k − 1 {w_{k-1}} wk−1无关。 定义刀具面为φ倾角为θ方位为ψ。变换矩阵Rn b可以定义为: 设 G b [ G x G y G y ] T G^b\begin{bmatrix}G_x G_y G_y\end{bmatrix}^T Gb[GxGyGy]T转速分别在xyz轴上定义为 w x , w y , w z w_x,w_y,w_z wx,wy,wz, w i b b [ w x w y w y ] T w_{ib}^b\begin{bmatrix}w_x w_y w_y\end{bmatrix}^T wibb[wxwywy]T则得到旋转角度。 用四元数 Q [ q 1 q 2 q 3 q 4 ] T Q\begin{bmatrix}q1 q2 q3q4\end{bmatrix}^T Q[q1q2q3q4]T表示坐标系变换则 R n b R_n^b Rnb可以重新定义为: 然后得到倾角和方位角求解的动力学方程:
1.4.2 仿真效果 我们提取了旋转钻柱状态下的4000个数据点Matlab仿真结果如下图所示。由此可见利用粘滑现象大大提高了钻柱动态旋转时的井眼倾角和方位角计算精度。 在定向钻井和旋转导向钻井技术及应用中随着钻柱的旋转如何实时准确测量井底钻具的空间姿态(倾角、方位、刀面)是一个具有挑战性的问题。仿真和实验表明本章提出的动态求解方法能够满足工程要求。但钻柱的振动严重影响了动态求解的精度。通过对现场资料的统计分析我们发现粘滑现象普遍存在因此我们利用粘滑状态来开发一种动态算法以提高井眼倾角和方位求解器的精度。仿真和实验评价结果表明所设计的算法具有良好的实用性。这对定向钻井和旋转导向技术的发展具有参考意义。
二、 往期回顾
课题学习(一)----静态测量 课题学习(二)----倾角和方位角的动态测量方法基于磁场的测量系统 课题学习(三)----倾角和方位角的动态测量方法基于陀螺仪的测量系统 课题学习(四)----四元数解法 课题学习(五)----阅读论文《抗差自适应滤波的导向钻具动态姿态测量方法》 课题学习(六)----安装误差校准、实验方法
