在安全约束下提升钻井过程效率的经济模型预测控制方法

中文题目：在安全约束下提升钻井过程效率的经济模型预测控制方法

论文题目：Improving Efficiency under Safety Constraints for Drilling Process Optimization Using Economic Model Predictive Control with Zone Tracking

录用期刊/会议：IEEE Transactions on control systems technology (JCR Q2)

原文DOI：10.1109/TCST.2023.3327013

原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10305278

录用/见刊时间：2023.11.02

作者列表：

1） 孟卓然 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化专业 博 20

2） 徐宝昌 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 教师

3） 陈贻祺 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化专业 博 21

4） 刘   伟 中国石油集团工程技术研究院有限公司

5） 卢瑶瑶 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化专业 硕 20

6） 付加胜 中国石油集团工程技术研究院有限公司

摘要:

在钻井过程中，司钻无法连续可靠地调节操纵变量，如地面钻压、地面转速和泥浆泵流速，进而导致无法实时获得最佳钻井参数，这将影响钻井安全性和效率。因此，我们考虑了一个集成耦合模型来同时描述钻速（ROP）和井底压力（BHP）的响应。利用该模型，我们设计了一种区间经济模型预测控制算法，将优化层和控制层相结合，以降低水力机械比能（HMSE）的同时准确调节BHP，确保作业过程中的井眼清洁。将该算法与另一种递阶结构进行了比较，该结构上层实现了HMSE的稳态优化，下层使用非线性模型预测控制（NMPC）动态跟踪BHP和ROP的最优设定值。

背景与动机:

钻井过程对于了解地质信息和资源勘探至关重要。在垂直井钻井作业中，ROP、钻柱转速和BHP是研究人员关注的场景。由于不同模型在结构、复杂性和数值求解方面的差异，这些场景处于相对独立的研究领域，这也导致这些研究只考虑单一的优化或控制目标。优化和基于模型的控制技术已在钻井和油田生产场景中得到广泛研究。然而，在钻井自动化中，仔细考虑多系统中的建模、估计和高级控制策略设计仍然被认为是一个具有挑战性的课题。

设计与实现:

算法设计

为了进一步优化钻井过程，本研究提出了一种带区域跟踪的经济模型预测控制，进一步扩展了经济模型预测控制(EMPC)框架。

(1)

目标函数如下：

(2)

递阶结构上层为：

(3)

下层构建非线性模型预测控制问题：

(4)

实验结果及分析:

首先，基于l1范数与l2范数的ZEMPC被测试。在模型匹配时，l1范数约束在井底压力控制初期具有更低的波动峰值，而两种控制算法优化计算获得的HMSE与ROP基本一致。除此之外，l1范数约束的ZEMPC将井底压力从区间内部逐渐驱动至区间下界。l2范数约束的ZEMPC更倾向于将井底压力控制在区间包络线的内部。当惩罚权重α取值较大时，l1范数约束下的井底压力在区间上的停留时间增加，且会产生精确惩罚以阻止井底压力离开区间；而l2范数约束下会使得井底压力在区间上的停留时间缩短，但违反区间约束的时间会增加。

图1 三种控制算法下的井底压力、机械钻速及水力机械比能变化

其次，递阶结构尽管可以实现设定点跟踪并达到降低HMSE的目的，但牺牲了钻井过程一定的经济性能。上层的稳态优化仅仅通过计算井底钻压与井底转速使得HMSE最小化，而泥浆泵流量并未直接参与经济优化。相比于ZEMPC，HNMPC计算得到了更高的MSE(意味着地面转速与地面钻压可能不是理想的最优值)与更低的水力能量，这导致了HMSE升高。

最后，每种控制算法的求解时间被统计。ZEMPC与HNMPC的计算时间没有超过本案例研究中考虑的采样间隔，即1s。ZEMPC由于在每个控制间隔内求解一个带有经济成本函数(绝对值函数)的非线性规划问题，因此求解时间高于HNMPC。当泥浆密度存在10%的误差，摩擦系数存在10%的误差时，观察到的最坏情况执行时间为0.4299s，相当于采样间隔的42.99%，而平均计算时间仅为0.37s。

结论:

ZEMPC和HNMPC在跟踪压力区间和提高经济性能方面具有可靠的性能。基于l1范数约束的ZEMPC获得了更加令人鼓舞的结果。在经济优化方面，获得了最小的HMSE，提高了ROP，同时井底岩屑浓度可以保持在5%以下。在区域跟踪方面，BHP严格跟踪区域边界，不受决策周期的影响。特别是模型失配场景也证明了该方法用于跟踪不同区域的可行性，包括通过改变α来提高算法的鲁棒性。

通讯作者简介:

徐宝昌，副教授，博士生导师/硕士生导师。长期从事复杂系统的建模与先进控制；钻井过程自动控制技术；井下信号的测量与处理；多传感器信息融合与软测量技术等方面的研究工作。现为中国石油学会会员，中国化工学会信息技术应用专业委员会委员。曾参与多项国家级、省部级科研课题的科研工作，并在国内外核心刊物发表了论文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收录30余篇。