專利名稱：細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的振動(dòng)具體為深孔鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的振動(dòng)的基于傳感器的控制，尤其涉及深孔鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制以便防止扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
背景技術(shù)：
振動(dòng)能夠由波動(dòng)方程描述，波動(dòng)方程通常適用于細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)。該振動(dòng)的示例包括弦的振動(dòng)、桿的軸向振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于小的直徑長(zhǎng)度比，長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)格外易受扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響，尤其當(dāng)力矩經(jīng)由連續(xù)介質(zhì)傳遞時(shí)。這發(fā)生在許多類型的(例如，具有長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸的)技術(shù)裝備中。一種特別極端的情況發(fā)生在深孔鉆柱上，其用于鉆取天然氣或石油，也用于地?zé)峁こ?。因?yàn)檎麄€(gè)鉆柱長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，因此，由于其外直徑僅有幾厘米的事實(shí)，其直徑長(zhǎng)度比經(jīng)常小于人類頭發(fā)的直徑長(zhǎng)度比。圖1示意性地示出了深孔鉆柱的結(jié)構(gòu)。例如，該鉆柱由置于鉆柱上端的頂部驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。所謂的鉆頭(即，一種尖端焊有工業(yè)級(jí)鉆石的鉆頭，其粉碎巖石)位于鉆柱下端。強(qiáng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(所謂的粘滑振動(dòng))可以由于在外部沿鉆柱作用的力矩而在鉆柱中發(fā)生，然而尤其因?yàn)樵趲r石與鉆頭之間發(fā)生的非線性摩擦特性。當(dāng)鉆頭停止而驅(qū)動(dòng)器繼續(xù)以恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些效應(yīng)顯示在鉆頭中。這引起鉆柱的嚴(yán)重扭曲，直至鉆頭上的力變得大到使得鉆頭再次脫落。在鉆頭脫落之后，其速度通常達(dá)到驅(qū)動(dòng)器速度量的兩倍，并且鉆柱在超出其平衡位置的另一個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)果是鉆頭再次停止。這些振動(dòng)是不期望的，因?yàn)樗鼈兪广@井作業(yè)放慢并且導(dǎo)致鉆桿上額外的重負(fù)載。控制這些扭轉(zhuǎn)振動(dòng)長(zhǎng)久以來一直是機(jī)械領(lǐng)域的研究課題。迄今為止所有嘗試控制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法總是以下面缺點(diǎn)中的至少一個(gè)為特征。一方面，沿整個(gè)鉆柱的測(cè)量必須是可利用的。在這些測(cè)量的基礎(chǔ)上，可以確定鉆柱動(dòng)態(tài)的有效模式。使用得到的模式表示，繼而有用于衰減扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的各種方法。來自文獻(xiàn)的不例，包括 E.Kreuzer and 0.Kust, A nalysis of long torsional strings by properorthogonal decomposition,Archive of Applied Mechanics 67(1996) ,n0.1,68-80,以及在 Proceedings of Applied Mathematics and Mechanics, 2010 上公布的 E.Kreuzer andM.S teidl, A Wave-Based Approach to Adaptively Control Self-Excited Vibrationsin Drill-Strings0 在構(gòu)成迄今在 Institute of Mechanics and Ocean Engineering 的現(xiàn)有技術(shù)水平的Kreuzer、Steidl中，瞬時(shí)的有效模式轉(zhuǎn)換為行波以補(bǔ)償頂部驅(qū)動(dòng)器處的行波。為此，首先，沿整個(gè)鉆柱的測(cè)量是必要的，其次，連續(xù)控制是不可能的，而替代地，只有用于穩(wěn)定鉆柱的前饋控制是可能的。如果鉆柱在所期望的目標(biāo)速度附近的范圍內(nèi)是不穩(wěn)定的，則此方法是不適用的。另一方面，鉆柱的動(dòng)態(tài)不是完全已知的。因此，該控制不能夠針對(duì)瞬時(shí)系統(tǒng)性能來進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，并且相應(yīng)地，該方法作用得好壞，取決于實(shí)際的動(dòng)態(tài)。針對(duì)此的文獻(xiàn)包括 J.D.Jansen and L.Van den Steen, Active damping of self-excited torsionalvibrations in oil well drillstrings, Journal of Sound and Vibration 179(1995),647-668,以及 R.ff.Tucker and C.Wang, On the effective control of torsionalvibrations in drilling systems, Journal of Sound and Vibration 224(1999),101-122。各種源提到由Jansen和Van den Steen提出的所謂的“阻抗控制系統(tǒng)”或“軟力矩系統(tǒng)”(其使用電機(jī)電流和電機(jī)電壓的測(cè)量值以借助致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)衰減吸振器的特性)目前正在使用。由Tucker和Wang提出的方法使用在鉆柱與頂部驅(qū)動(dòng)器之間的“接觸力矩”的測(cè)量值。使用此方法比其他方法更好地吸收一些頻率。不能使用從現(xiàn)有技術(shù)知曉的這些系統(tǒng)來控制奇異擾動(dòng)(例如，由脫落引起的波前)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的可以被認(rèn)為是最小化深孔鉆柱中的振動(dòng)，尤其是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。本發(fā)明涉及根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的振動(dòng)的基于傳感器的控制、相應(yīng)的方法、計(jì)算機(jī)程序以及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，以及示例性實(shí)施例體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求中。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了用于細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的控制設(shè)備，其中該控制設(shè)備包括第一輸入接口，用于接收第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第一傳感器的角速度數(shù)據(jù)；第二輸入接口，用于接收第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第二傳感器的角速度數(shù)據(jù)；輸出接口，用于將控制值輸出到要連接的用于連續(xù)介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器；以及控制電路，其被設(shè)計(jì)用于基于波動(dòng)方程和用于桿中扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模型來向輸出接口輸出控制值，該控制值基于第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是角速度數(shù)據(jù)，以及第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是角速度數(shù)據(jù)，以及要連接的第一傳感器與要連接的第二傳感器之間的距離?？梢杂糜诖丝刂频闹聞?dòng)器可以是頂部驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其位于鉆柱的上端。振動(dòng)的成因可能位于鉆頭處或沿鉆柱上。因此，例如，鉆頭可能堵塞或者沿鉆柱的位置可能堵塞。角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其角速度數(shù)據(jù)可理解為允許確定在相應(yīng)傳感器位置處的鉆柱角速度的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以包括(例如來源于光學(xué)傳感器的)脈沖，使用沿鉆柱范圍上給定數(shù)量的脈沖發(fā)生器，有可能從脈沖推導(dǎo)出角速度。尤其是，可以提供換能器，其輸出值允許通過積分來確定角速度。通過已經(jīng)明確求得的比例值或測(cè)量值，角速度數(shù)據(jù)當(dāng)然也可以直接表明角速度。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了控制設(shè)備，使得控制設(shè)備包括用于提供第一測(cè)量數(shù)據(jù)的第一傳感器以及用于提供第二測(cè)量數(shù)據(jù)的第二傳感器，第一傳感器連接到第一輸入接口并且第二傳感器連接到第二輸入接口。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了鉆具，其具有致動(dòng)器、鉆驅(qū)動(dòng)器、鉆柱以及上面類型的用于細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的創(chuàng)造性的控制設(shè)備，使得鉆驅(qū)動(dòng)器連接到鉆桿的一側(cè)用于其驅(qū)動(dòng)，并且第一傳感器和第二傳感器布置在鉆桿上，其相距為d，使得鉆驅(qū)動(dòng)器連接到控制設(shè)備的輸出接口。因此，僅僅兩個(gè)均靠近致動(dòng)器(即驅(qū)動(dòng)器)布置的傳感器便足以檢測(cè)相關(guān)動(dòng)態(tài)以及穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，尤其是粘滑振動(dòng)，能夠得到比在過去已經(jīng)有可能的更有效地控制。此外，此方法很便宜，因?yàn)閮H需要兩個(gè)傳感器并且不需要沿鉆柱的測(cè)量。由于此控制方案，鉆柱處于更少的負(fù)載之下并且可以更加快速地執(zhí)行鉆井。該控制概念能夠與深孔鉆探系統(tǒng)一起使用，而不需要對(duì)所使用系統(tǒng)的詳細(xì)了解。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了鉆具，其中第一傳感器和第二傳感器布置在鉆柱在地平面上方的區(qū)域內(nèi)。所述傳感器以此方式保持為可訪問的，并且整個(gè)測(cè)量和控制的布置可以被安排以便其是可易于訪問的而不必接受對(duì)長(zhǎng)信號(hào)通路的需要。此外，由于傳感器與驅(qū)動(dòng)器之間的干擾而可能發(fā)生的寄生效應(yīng)能夠被最小化。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了鉆具，其中，第一傳感器被布置在與鉆驅(qū)動(dòng)器相隔一段距離處，該距離本質(zhì)上對(duì)應(yīng)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)波在鉆柱上的傳播速率與鉆驅(qū)動(dòng)器的控制延遲的乘積，以及第二傳感器被布置在鉆柱上第一傳感器下游的d距離處。致動(dòng)器的控制延遲能夠以此方式來補(bǔ)償。如果有必要，該距離也可以將其他延遲因素考慮在內(nèi)。換言之，例如，當(dāng)上行波仍在鉆柱的第一傳感器與致動(dòng)器之間的部分上傳播時(shí)，控制值已經(jīng)通過對(duì)于上行波的實(shí)時(shí)控制輸出到致動(dòng)器控制，使得影響致動(dòng)器的控制干預(yù)能夠在與波到達(dá)致動(dòng)器非常接近的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了鉆具，其中鉆柱相對(duì)于第一傳感器和第二傳感器是軸向可移動(dòng)的。鉆柱能夠以這樣的方式來掘進(jìn)，而傳感器可以在井架上相對(duì)于鉆柱相對(duì)于井架的軸向運(yùn)動(dòng)保持靜止固定位置。這尤其當(dāng)驅(qū)動(dòng)器特別是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器也在井架上保持靜止位置以與傳感器保持恒定距離時(shí)是合適的，并且鉆柱在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)期間連續(xù)地移動(dòng)，例如由于下面的爪式布置。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了鉆具，其中鉆具是深孔鉆具。即使在深鉆，尤其是離岸或地?zé)徙@井中，也可以以此方式來實(shí)施創(chuàng)造性的控制。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了一種用于細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的方法，包括以下步驟:接收第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第一傳感器的角速度數(shù)據(jù)；接收第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第二傳感器的角速度數(shù)據(jù)；以及基于第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)(尤其是角速度數(shù)據(jù))以及第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)(尤其是角速度數(shù)據(jù))以及要連接的第一傳感器與要連接的第二傳感器之間的距離，借助波動(dòng)方程和用于鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模型來將控制值輸出到要連接的用于連續(xù)介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器。盡管理論上是可能的，出于成本的原因，通常不執(zhí)行沿鉆柱的測(cè)量，并且很少的數(shù)據(jù)能夠從柱的輸出發(fā)射。引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的外部影響因此通常是不可測(cè)量的，以及沿鉆柱的當(dāng)前振動(dòng)狀態(tài)也是未知的。創(chuàng)造性的方法能夠吸收所有的相關(guān)頻率并且另外，僅角狀態(tài)數(shù)據(jù)(尤其是角速度數(shù)據(jù))的測(cè)量是必需的。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了一種計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)其由處理器執(zhí)行時(shí)，其被設(shè)計(jì)用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序。本發(fā)明的的重要思想在于所討論連續(xù)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)被分成兩個(gè)重疊波，使得向致動(dòng)器和/或驅(qū)動(dòng)器的方向行進(jìn)的波由該致動(dòng)器補(bǔ)償。按照這種方式，防止了致動(dòng)器上能量的反射并且系統(tǒng)表現(xiàn)得如同其超過致動(dòng)器向無限遠(yuǎn)延伸。通過使用兩個(gè)傳感器，可以單獨(dú)地計(jì)算朝向致動(dòng)器行進(jìn)的波和遠(yuǎn)離致動(dòng)器行進(jìn)的波，使得臨近波的參數(shù)和遠(yuǎn)離波的參數(shù)都可以被確定以便能夠在此基礎(chǔ)上控制鉆柱的驅(qū)動(dòng)器。應(yīng)該指出的是，下面描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠同樣地應(yīng)用于所述設(shè)備、方法、計(jì)算機(jī)程序以及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。單個(gè)特點(diǎn)當(dāng)然可以互相結(jié)合，使得在一些情況中還可以獲得超越單個(gè)效果之和的有利效果。通過參考以下所描述的示例性實(shí)施例來解釋和說明本發(fā)明的這些及其他方面。


下面參考附圖來描述示例性實(shí)施例。圖1示出了由鉆柱、傳感器以及驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的鉆探設(shè)備的基本設(shè)計(jì)。圖2示出了用于計(jì)算行進(jìn)的振動(dòng)波的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制電路。
具體實(shí)施例方式圖1示出了由鉆柱、傳感器以及驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的鉆探設(shè)備的總體設(shè)計(jì)。圖1中所示的用于鉆探的設(shè)備I具有井架2，井架2上提供了致動(dòng)器(鉆驅(qū)動(dòng)器10)，使用鉆驅(qū)動(dòng)器10可以驅(qū)動(dòng)鉆柱20來轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭50 (也被稱為鉆頭(bit))，其附接到鉆柱20的另一端，鉆柱20位于鉆孔3中。在圖1中以放大形式再次示出了上部區(qū)域。鉆驅(qū)動(dòng)器10 (例如，電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)鉆柱20，鉆柱20上布置有傳感器，這里即兩個(gè)傳感器30、40。這些傳感器30、40用于確定測(cè)量的變量，該變量允許確定角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是鉆柱20在相應(yīng)傳感器位置處的角速度。傳感器以彼此相距為d而布置，在中間具有鉆柱區(qū)域21。傳感器將其相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)線130、140傳遞到控制器100?；谶@些信號(hào)，在控制器100中，對(duì)測(cè)量信號(hào)求解以將控制信號(hào)經(jīng)由控制信號(hào)線110傳遞到鉆驅(qū)動(dòng)器10。圖2示出了用于計(jì)算行進(jìn)的振動(dòng)波的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制電路。圖2中示出的控制設(shè)備100包括第一輸入接口 131，用于接收第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第一傳感器的角速度數(shù)據(jù)；第二輸入接口 141，用于接收第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第二傳感器的角速度數(shù)據(jù)；以及輸出接口 111，用于將控制值輸出到要連接的用于連續(xù)介質(zhì)和/或鉆柱的驅(qū)動(dòng)器；接口連接到控制電路150，控制電路150被設(shè)計(jì)用于基于第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)(尤其是角速度數(shù)據(jù))和第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)(尤其是角速度數(shù)據(jù))以及第一傳感器30與第二傳感器40的距離，借助波動(dòng)方程和用于桿中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模型，將控制值輸出到輸出接口 111。繼而能夠使用此控制值(例如，角速度)來控制電機(jī)和/或致動(dòng)器10。具有鉆驅(qū)動(dòng)器10、鉆柱20以及用于鉆柱和/或細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的控制設(shè)備的鉆具I具有在鉆柱20上相距為d的第一傳感器30和第二傳感器40，使得鉆驅(qū)動(dòng)器10連接到控制設(shè)備100的輸出接口 111。第一傳感器30和第二傳感器40布置在鉆柱20位于地平面4上方的區(qū)域內(nèi)，使得這些傳感器是可訪問的。距離d應(yīng)該至少和鉆柱上振動(dòng)波的波速與采樣率的商一樣大。在IOOOHz的采樣率和2000m/s的波速下，該距離應(yīng)該因此至少是2米。采樣率越高，傳感器的間距就會(huì)越小。如果第一傳感器布置在與鉆驅(qū)動(dòng)器10相隔一段距離處，該距離本質(zhì)上對(duì)應(yīng)于鉆柱20上的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)波c的傳播速率與鉆驅(qū)動(dòng)器10的控制延遲的乘積，以及第二傳感器40布置在第一傳感器下游的距離d處，則加速波直至到達(dá)驅(qū)動(dòng)器的渡越時(shí)間延遲可以恰好補(bǔ)償其控制延遲。在設(shè)計(jì)第一傳感器與驅(qū)動(dòng)器的距離時(shí)，當(dāng)然也可以包括其他延遲變量。鉆柱相對(duì)于第一傳感器30和第二傳感器40可以是可軸向移動(dòng)的，例如，通過將軸向移動(dòng)的脈沖發(fā)生器或其他位置標(biāo)記應(yīng)用到軸向延伸的鉆柱上。后面將會(huì)解釋求值，尤其參照?qǐng)D2，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的元件。在圖1和圖2的基礎(chǔ)上，下面描述了用于創(chuàng)造性的控制設(shè)備和各自的方法的理論性原理，示出了由波動(dòng)方程所描述的細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)(例如，鉆柱)的動(dòng)態(tài)(尤其是不想要的振動(dòng))如何能夠基于兩個(gè)傳感器被分解成以兩個(gè)相反方向行進(jìn)的波。使用這種分解，有可能設(shè)計(jì)出一種控制方法，該控制方法補(bǔ)償以位于系統(tǒng)末端的致動(dòng)器的方向行進(jìn)的波。以這種方式，防止了波反射進(jìn)系統(tǒng)，并且大部分能量能夠從不想要的振動(dòng)中收回。同時(shí)，系統(tǒng)中的振動(dòng)是如何引起的以及一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)模式是否被激發(fā)在此是無關(guān)的。此外，盡管該控制方法使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，但是傳感器可以被安裝得非常靠近于致動(dòng)器。用這里描述的控制方法，上面所提到的兩個(gè)問題都能夠得到解決。雖然不再需要沿鉆柱的測(cè)量，但是同時(shí)能夠從被安裝得非?？拷隍?qū)動(dòng)器的兩個(gè)傳感器來精確地計(jì)算與該控制方法相關(guān)的動(dòng)態(tài)。因此，該控制方法正好適合當(dāng)前的系統(tǒng)行為。在鉆柱的情況下，因?yàn)檠劂@柱發(fā)生的負(fù)載通常是未知的并且在鉆井作業(yè)的過程中是高度變化的，所以控制器適應(yīng)瞬時(shí)系統(tǒng)行為是至關(guān)重要的。對(duì)于鉆柱的情況，需要兩個(gè)傳感器來直接在驅(qū)動(dòng)器上以及在驅(qū)動(dòng)器下方一小段距離(例如2米)測(cè)量鉆柱的扭轉(zhuǎn)角度和/或角速度(參見圖1中的細(xì)節(jié))。兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)位于地面區(qū)域的上方，因此是易于訪問的。該控制方法的思想基于這樣一個(gè)事實(shí)，即扭轉(zhuǎn)波的傳播速率是無窮的。此外，所討論波的傳播速率獨(dú)立于其頻率。由波動(dòng)方程描述了桿中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng):( δ ~2 Φ (X，t)) / ( δ t) ~2 = c~2 ( δ ~2 Φ (X，t)) / ( δ X) ~2.(I)該波動(dòng)方程的通解是φ (X, t) = f (χ-ct) +g (x+ct) , (2)
其中φ (X，t)是作為長(zhǎng)度坐標(biāo)X的函數(shù)的扭轉(zhuǎn)角度，參數(shù)c是波在物質(zhì)中的傳播速度。c~2 = G/p成立，其中G是剪切模量且P是物質(zhì)的密度。令所討論結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為le，并且該結(jié)構(gòu)的短的部分O < X < I應(yīng)被認(rèn)為是在下方，并且此外，Ie > I。假定在所討論部分內(nèi)沒有外部作用的力矩。另外，轉(zhuǎn)動(dòng)速率的測(cè)量Ω (X=O) = Ω O應(yīng)該在點(diǎn)X = O處,并且轉(zhuǎn)動(dòng)速度的測(cè)量Ω (X = I) = Ω I應(yīng)該在點(diǎn)X = I處。這里選擇傳感器間距d為I。然而，通過適當(dāng)?shù)目s放，所有其他間距d也是有可能的。假定測(cè)量是連續(xù)可用的并且沒有噪聲。這些測(cè)量可以被解釋為所討論部分的時(shí)變邊界條件。另夕卜，定義參數(shù)τ，使得CT = I和/或τ = 1/c (3)即，τ對(duì)應(yīng)于波在兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的傳播時(shí)間。從通解開始并且定義速度波α:=-備(X - ct)和β ；(x + ct)(將通解代入時(shí)變邊界條件):Ω O (t) = a (-ct) + β (+ct)，(4)Ω I (t) = a (1-ct) + β (1+ct).(5)基于已知的傳播速率，結(jié)合等式(3)，下列關(guān)系成立:a (1-ct) = a (-c(t_O)，(6)β (c (t- τ )) = β (1+c (t_2 τ )).(7)從等式⑷和等式(7)得出:
Q 0 (t_ T ) = a (~c (t_ T )) +13 (1+c (t_2 x )).(8)這轉(zhuǎn)而得出a (~c (t_ T )) = Q 0 (t_ x ) - (1+c (t_2 x )).(9)如果現(xiàn)在考慮用于Ql(t)的等式，則結(jié)合等式(6)得出Q I (t) = a (l_ct)+ P (1+ct) = a (~c (t~ x )) + (1+ct).(10)將等式(9)代入等式(10)，最終得出Q I (t) = QO (t_ T ) - (1+c (t_2 x )) + (1+ct).(11)這表明P (1+ct)能夠作為兩個(gè)測(cè)量值QO和Ql以及其在過去2 T的狀態(tài)的函數(shù)而計(jì)算得出:(1+ct) = Ql (t) _Q0 (t_ T ) + (1+c (t_2 x )).(12)如果初始值是已知的,例如，因?yàn)橄到y(tǒng)從靜止位置啟動(dòng)，(x,0) = 0以及Q (x,0)=0,則得出
a (X = 0, t = 0) =0, (13)a (x = 1，t = 0) = 0， (14)^ (x = 0, t = 0) = 0, (15)^ (x = I, t = 0) = 0.(16)相應(yīng)地，a(x = 0, t)、a (x = I, t)、P (x = 0, t)以及 P (x = I, t)能夠使用測(cè)量值QO和Ql來確定。為了計(jì)算尋找的變量，從上面的等式獲得圖2中所示出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。這里，附圖中所示的兩個(gè)傳輸項(xiàng)是具有延遲T的延遲元件。為了簡(jiǎn)化起見，以下等式成立:a (x = 0, t) = a 0,a (x = I, t) = a I,^ (x = 0, t) = 3 0,^ (x = I, t) = ^ 1.
在實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)中使用兩個(gè)測(cè)量的角速度QO和Q I作為輸入對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行模擬。實(shí)時(shí)在此理解為指邊界條件，其中一種控制和/或調(diào)節(jié)方法的循環(huán)貫通時(shí)間(looprun-through)短于采樣率的兩個(gè)連續(xù)采樣值。加速波￠0 = Q ctrl繼而用于控制致動(dòng)器的目標(biāo)速度并且因此在致動(dòng)器中得以補(bǔ)償，從而從振動(dòng)中收回能量。在鉆柱的情況下，該系統(tǒng)不是按照零速度而是按照固定轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，該固定轉(zhuǎn)速要由車間的操作員根據(jù)普遍情況來進(jìn)行適配。相應(yīng)地，不想要的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不在零速度附近而在期望的轉(zhuǎn)速附近發(fā)生。因此，借助具有很低截止頻率的高通濾波器將由上述系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波，使得控制系統(tǒng)能夠用于各種轉(zhuǎn)速以及/或者還可以用于兩個(gè)轉(zhuǎn)速之間的切換。此外，在理論部分描述的、用于連續(xù)可用傳感器信號(hào)的系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)施中有必要被離散化，即，傳感器數(shù)據(jù)僅在時(shí)間上的離散時(shí)刻是可用的。雖然這可能導(dǎo)致在此所描述的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的甚高頻噪聲，但是能夠通過使用適合的具有很高截止頻率的低通濾波器來輕易地將其濾掉。與鉆柱的動(dòng)態(tài)相關(guān)的頻率范圍保持不受濾波器的影響并且被完全保留。例如，一種功能性實(shí)施例可以具有可由例如具有10米的長(zhǎng)度的鉆柱型號(hào)來實(shí)現(xiàn)的鉆柱。具有25比特的插值分辨率和/或12比特的物理分辨率的角度傳感器可以用作傳感器?？刂破骺梢允褂盟暮颂幚砥骱蚅abView RealTime在PC上以軟件形式實(shí)施。
應(yīng)該指出的是，除了被用于深孔鉆探技術(shù)，本發(fā)明還可以與其他驅(qū)動(dòng)幾何體一起使用，其中在這些驅(qū)動(dòng)幾何體中預(yù)期有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。應(yīng)該指出的是，術(shù)語“包括”不排除另外的元件或方法步驟，術(shù)語“一(a) ”或“一(an) ”也不排除使用多個(gè)元件和步驟。在此所使用的附圖標(biāo)記僅用于增強(qiáng)理解而并不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍通過權(quán)利要求書來反映。附圖標(biāo)記的列表
權(quán)利要求
1.一種用于振動(dòng)尤其是細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的控制設(shè)備，其中所述控制設(shè)備包括: 第一輸入接口(131)，用于接收第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第一傳感器的角速度數(shù)據(jù)， 第二輸入接口(141)，用于接收第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第二傳感器的角速度數(shù)據(jù)， 輸出接口(111)，用于將控制值輸出到要連接的用于連續(xù)介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器， 控制電路(150)，其被設(shè)計(jì)用于基于所述第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是角速度數(shù)據(jù)，以及所述第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是角速度數(shù)據(jù)，以及所述要連接的第一傳感器(30)與所述要連接的第二傳感器(40)之間的距離，借助波動(dòng)方程和用于振動(dòng)尤其是桿中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模型來將控制值輸出到所述輸出接口(111)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制設(shè)備，其中所述控制設(shè)備包括用于提供第一測(cè)量數(shù)據(jù)的第一傳感器(30)，以及用于提供第二測(cè)量數(shù)據(jù)的第二傳感器(40)，其中所述第一傳感器連接到所述第一輸入接口(131)，并且所述第二傳感器連接到所述第二輸入接口(141)。
3.一種鉆具，具有 鉆驅(qū)動(dòng)器(10)， 鉆柱(20)，以及 根據(jù)權(quán)利要求2和3中的任一項(xiàng)所述的用于振動(dòng)尤其是細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)(100)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基于傳感器的控制的控制設(shè)備， 其中所述鉆驅(qū)動(dòng)器連接到 所述鉆柱的一側(cè)用于驅(qū)動(dòng)后者， 其中所述第一傳感器(30)和所述第二傳感器(40)在所述鉆柱上相隔距離d布置，其中所述鉆驅(qū)動(dòng)器(10)連接到所述控制設(shè)備(100)的輸出接口(111)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆具，其中所述第一傳感器(30)和所述第二傳感器(40)布置在所述鉆柱(20)位于地平面(4)上方的區(qū)域內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4中任一項(xiàng)所述的鉆具，其中所述第一傳感器(30)被布置為與所述鉆驅(qū)動(dòng)器(10)相隔一段距離，所述距離本質(zhì)上對(duì)應(yīng)于所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)波c在所述鉆柱(20)上的傳播速率與所述鉆驅(qū)動(dòng)器(10)的控制延遲的乘積，以及所述第二傳感器(40)被布置在所述第一傳感器下游的d距離處。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的鉆具，其中所述鉆柱相對(duì)于所述第一傳感器(30)和所述第二傳感器(40)是軸向可移動(dòng)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項(xiàng)所述的鉆具，其中所述鉆具是深孔鉆具。
8.一種用于基于傳感器的控制振動(dòng)尤其是細(xì)長(zhǎng)連續(xù)介質(zhì)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法，具有: 接收第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第一傳感器的角速度數(shù)據(jù)， 接收第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是要連接的第二傳感器的角速度數(shù)據(jù)， 基于所述第一角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是角速度數(shù)據(jù)，以及所述第二角狀態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是角速度數(shù)據(jù)，以及所述要連接的第一傳感器(30)與所述要連接的第二傳感器(40)之間的距離，借助波動(dòng)方程和用于振動(dòng)尤其是柱中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模型來將控制值輸出到連接到連續(xù)介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器。
9.一種計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)其由處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序被設(shè)計(jì)用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法。
10.一種計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)根據(jù)權(quán)利要求9所述的計(jì)算機(jī)程序。
全文摘要
控制鉆井作業(yè)的控制設(shè)備(100)以及方法，通過該方法所討論連續(xù)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)可以被分成重疊波，其中向致動(dòng)器和/或驅(qū)動(dòng)器(10)的方向行進(jìn)的波由該致動(dòng)器補(bǔ)償。這防止了致動(dòng)器上能量的反射。通過使用兩個(gè)傳感器(30，40)，可以彼此單獨(dú)地計(jì)算朝向致動(dòng)器(10)行進(jìn)的波和遠(yuǎn)離致動(dòng)器(10)行進(jìn)的波，使得朝向致動(dòng)器行進(jìn)的波的參數(shù)和遠(yuǎn)離致動(dòng)器行進(jìn)的波的參數(shù)都可以被確定以便能夠在此基礎(chǔ)上執(zhí)行鉆柱(20)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制。
文檔編號(hào)E21B44/00GK103154433SQ201180046419
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者M·斯泰德爾, E·克羅伊策 申請(qǐng)人:漢堡-哈爾堡技術(shù)大學(xué), 圖泰克創(chuàng)新有限公司