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基于综合性能指标的控压钻井过程多变量协调控制

点击数:   更新日期: 2022-09-23

论文题目:基于综合性能指标的控压钻井过程多变量协调控制

录用/见刊时间:20224

录用期刊/会议中国石油大学学报(自然科学版), (2022, EI)

原文DOIhttp://doi.org/10.3969/j.issn.1673-5005.2022.02.020.

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

2) 徐宝昌 中国石油大学(北京)信息科学与工程学院

3) 罗雄麟 中国石油大学(北京)信息科学与工程学院

文章简介:

为提升复杂地层控压钻井作业的综合性能,开展钻井系统一体化的方案设计和控制策略研究。针对井底压力控制精度低且钻进时效差等关键技术瓶颈,提出一种综合多性能指标的控压钻井过程协调控制方法。分析环空压力预测模型、钻柱系统集总参数模型、机械钻速模型等不同的单一过程模型,建立适合控制系统设计的控压钻井过程全局模型;基于先进控制理论,充分考虑回压、泵流量、转速、钻压等不同操控变量对井底压力与机械钻速的影响,提出稳定井底压力、提高机械钻速并减弱粘滑振动幅值的非线性模型预测控制方法,并从控制效果、抗扰动鲁棒性等方面对比非线性模型预测控制与常规PID方法的差异性。结果表明:在模型发生扰动时常规PID方法无法保证稳定控制;操控变量的选取影响在线优化时间与控制效果,相比于PID控制器,以井底压差、机械钻速为被控变量,回压、转速、泵流量三者为操控变量的非线性模型预测控制器在不停止钻进的情况下,泵流量辅助回压与转速更加有利于快速抑制气侵,同时提升机械钻速,保证钻井要求。

设计与实现:

模型

将环空压力预测模型、钻柱动力学模型、机械钻速模型等单一过程模型综合为控压钻井过程的全局模型,此模型通过耦合回压、泵流量、转速、钻压等主要操控变量并同时预测井底压力与机械钻速。

1、井筒环空压力预测简化模型image002.png

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2、钻柱旋转动力学模型

钻头处受到的非线性扰动表示如下:


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3、机械钻速模型


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4、钻柱旋转与摩擦系数耦合模型


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式中:


5、钻压传递动态模型


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6、多源变量间关联耦合分析



非线性模型预测控制器设计



实验结果及分析:

以井底压差(Pbhd)、机械钻速(Rop)为被控变量,对回压(Pc)、泵流量(qp)、顶驱转速(N)、顶驱施加钻压(W)四个操控变量进行不同组合,满足综合性能指标且控制效果最好的即为最优组合。实验结果表明,选择回压、泵流量、转速操控变量在保证合理优化时间的前提下可以更好的稳定井底压力、提升机械钻速、减弱粘滑振动幅值,操控变量间的协调控制策略可以表述为:当地层压力发生小幅突变时(0.5MPa),转速提升同时主泵流量降低,两者使得摩阻增加并协同回压增大精准控制井底压力;当地层压力发生大幅度突变时(1MPa),回压与主泵流量同时增加以加快井底压力的变化;在地层压力保持稳定阶段,回压值保持不变,通过调节主泵流量与转速维持井底压力稳定。由于选取转速为操控变量,使得整个钻进过程中可以达到较高的机械钻速,同时协调其他变量保证了井底压力稳定,最大限度的减少了停钻时间。





图1 回压、泵流量、转速作用下井底压力变化曲线 2 回压、泵流量、转速作用下机械钻速变化曲线





3 回压变化曲线 4 泵流量变化曲线





5 转速变化曲线 6 回压、泵流量、转速作用下摩阻变化曲线

选取合适的KpKIKD参数后压力与气侵量的变化曲线如下图所示。可以看出,气侵发生后,以回压为操控变量的PID控制算法可以达到抑制气侵的效果,但在初始阶段(阴影区域)控制效果不佳,控制过程中跟踪缓慢导致气侵量峰值高,而以回压、泵流量、转速为操控变量的非线性模型预测控制会补偿上述缺陷。





7 PID控制下压力变化曲线 8 PID控制气侵量变化曲线

通讯作者简介:

徐宝昌,副教授

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60余篇;其中被SCI、EI、ISTP收录20余篇。

联系方式:xbcyl@cup.edu.cn