控压钻井井口回压控制技术仿真研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R 0 L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年第 4 2卷第2期 ●钻井技术与装备 控压钻 井井 口回压控 制技术仿真研究 王 洋 韩来聚 步玉环 1 ．中国石油大学 华东石油工程学院 化胜利石 油工程有 限公 司钻 井工艺研 究院 李宗清 曹 强 都美静 2 ．中石化胜利石油工程有限公司 3 ．中石 4 ．胜利油田鲁明油气勘探开发有限公司 摘要控压钻井中，为解决井口回压控制过程中的极端非线性难题，设计了一种基于人工神 经 网络的 “ 辨识器- 控制器”控制系统。以径 向基 函数神经 网络为框架构建 了辨识器和控制器的基 本结构，设计了径 向基函数神经网络与比例环 节相并联 的控制器。为验证控制效果，建立 了井 口 回压系统的非线性数学模型，应用M a t l a b软件进行仿真，在给定条件分别为1 、2 和3 M P a时系统 均稳定收敛，调节时间5 S 左右，超调量小于 1 0 ％。人工神经网络控制方法能快速跟踪控制信号 且超调量小，有效地解决 了井口回压系统中的非线性控制难题。 关键词 控压钻井；井 口回压；人工神经网络；非线性；数学模型；仿真 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 3 Th e Si mu l a t i o n o f W e l l h e a d Ba c k Pr e s s u r e Co nt r o l Te c hn o l o g y f o r M a na g e d Pr e s s ur e Dr i l l i ng Wa n g Ya n g Ha n L a i j u B u Y u h u a n L i Z o n g q i n g C a o Q i a n g D u Me ij i n g 4 1 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m， Q i n g d a o 2 ． S I N O P E C S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i nee r i n g C o ． ， L t d ． 3 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e of D r i l l i n g T e c h n o l o g y ， S I N O P E C S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． 4 ． L u m i n g O i l G a s E x p I o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t C o ． ， L t d ． ， S h e n g l i O i lfie l d A b s t r a c t T o s o l v e t h e e x t r e me l y n o n l i n e a r p r o b l e m i n t h e p r o c e s s o f we l l h e a d b a c k p r e s s u r e c o n t r o l ，a k i n d o f “ i d e n t i fi e r c o n t r o l l e r ” c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n a r t i fie i a 1 n e u r a l n e t wo r k wa s d e s i g n e d ． Th e r a d i a 1 b a s i c f u n c t i o n B e u． r a l n e t wo r k wa s u s e d a s t h e f r a me wo r k t o c r e a t e t h e b a s i c s t r u c t ur e o f i d e n t i f i e r a n d c o n t r o l l e r ，a n d a e o n t r o l l e r c h a r a c t e r i z e d b y r a d i a l b a s i c f u n c t i o n n e u r a l n e t wo r k i n p a r a l l e l w i t h p r o p o r t i o n e l e me n t wa s d e s i g n e d ． T o v e r i f y t h e c o n t r o l e ff e c t ，t h e n o n l i n e a r ma t h e ma t i c mo d e l o f w e l l h e a d b a c k p r e s s u r e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d ． T h e Ma t l a b s o f t ． wa r e wa s a pp l i e d t o c o n d u c t a s i mu l a t i o n ．I n t h e g i v e n c o n d i t i o n s o f 1，2 a n d 3 MPa r e s p e c t i v e l y ，t h e s y s t e m i s o f s t a b l e c o nv e r g e n c e，t h e r e g u l a t i o n t i me i s a b o u t 5 S a n d t h e o v e r s h o o t i s l e s s t h a n 1 0 ％ ．Th e a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k c o n t r o l me t h o d c a n q u i c k l y t r a c k e o n t r o l s i g n a l s a n d t h e o v e r s h o o t i s s ma l 1 ． As a r e s u l t ．t h e r l o n l i n e a r e o n t r o l p r o b l e m i n t h e we l l h c a d b a c k p r e s s u r e s y s t e m h a s b e e n s o l v e d e f f e c t i v e l v ． Ke y wo r d s ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g ； we l l h e a d b a c k p r e s s u r e ； a r t i fi c i a l n e u r a l n e t wo r k ； n o n l i n e a r ； ma t he ma t i c mo d e l ； s i mu l a t i o n 0 引 一 口 控压钻 井 Ma n a g e d P r e s s u r e D r i l l i n g 。MP D 技术为解决深井复杂井钻探过程 中出现 的地层 漏 失 、压差卡钻、异常高压 和窄 密度窗 口造成 的涌一 漏问题提供了有效的手段 ，其显著特点是通过精确 地约束和控制井筒压力来降低钻井事故的发生概 率，进而缩短非生产时间，提高钻井效率 。井 口回压控制技术是 M P D的关键技术之一 ，井 口回 基金项目国家科技重大专项 “ 大型油气田及煤层气开发”之子课题 “ 低渗油气田储层保护技术” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 2 0 0 4 0 3 。 2 0 1 4年 第4 2卷第2期 王 洋等 控压钻井井口回压控制技术仿真研究 一 1 3一 此将其线性化以便于计算机控制，由此带来的不精 确性可由控制算法来改善。 以 4 8 mm楔形节流阀为例 ，当排量为 2 0 L ／ s 、 密度为 1 ． 1 8 g ／ c m 。 时，简化后的节流压降模型差 分方程为 8 ． 1 1 21 0 。 I _ 4 0 O 0 0 x k 1 4 0 0 I △ p 1 0 ． 0 4 8一 k l 7 将式 5 与式 7 联立 ，即可得到差分形 式 的井 口回压控制系统模型 。 3 ． 2 仿真结果 应用 Ma t l a b软件进行仿 真。对 系统分别输 入 幅值为 1 、2 、3 MP a的阶跃作为给定值 ，仿真结果 如图6 所示。图中的绿线为给定回压值 ，蓝线为输 出回压值 。由图可 以看 出，系统经过调节均能稳定 收敛 。当给定值为 1 MP a时有超调 ，但超调量小于 1 0 ％ ，给定值为 2和 3 MP a时均无超调。3种条件 下 的调节时间均在 5 S 左右 ，调节迅速 、平稳 ，满 足工艺要求。 三 二 三二二二二 1 ． 5 二二 2．0 f二二 图6 不同给定条件下的回压值仿真效果 图 F i g ． 6 S i mu l a t i o n e f f e c t d i a g r a m o f b a c k p r e s s u r e v a l u e s i n g i v e n c o n d i t i o n s 4 结 论 1 M P D井口回压系统 由电液伺服机构和液 动节流阀2部分组成。前者可由线性数学模型表 示 ，控制较 为容易 ；后 者则具有极 端的非线性 特 征 ，控制困难 ，需采用先进 的控制手段 ，如人工神 经网络控制技术 。 2 R B F网络可任意逼 近非线性 函数 ，对非 线性系统的辨识 能力 出众 。采用 R B F网络与 比例 环节相并联的控制器既能保证系统稳定 ，又能克服 R B F网络控制初期 学习不足 、控制速度较慢 的缺 点 ，可 以满足系统对控制动作快速性 、实时性和稳 定性的要求。 3 采用 R B F网络的 “ 辨识器． 控制器”控制 系统不需要建立被控过程 的数学模型 ，边辨识边控 制 ，具有 自适应能力 ，适用于 MP D井 口回压控制 系统。 参考文献 [ 1 ]H a n n e g a n D ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g i n m a r i n e e n v i r o n me n t s c a s e s t u d i e s [R] ． I A D C ／ S P E 9 2 6 0 0 ， 2 0 05 ． [ 2 ] S a p o n j a J ，A d e l e y e A，H u c i k B ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g MP Dfi e l d t r i a l s d e m o n s t r a t e t e c h n o l o g y v a l u e [ R ]． I A D C ／ S P E 9 8 7 8 7 ，2 0 0 6 ． [ 3 ]H a n n e g a n D，R i c h a r d J ，T o d d ，e t a 1 ． MP D u n i q u e l y a p p l i c a b l e t o m e t h a n e h y d r a t e d r i l l i n g[ R]． I A D C ／ S P E 91 5 6 0，2 0 0 4 ． [ 4 ]H a n n e g a n D ． C a s e s t u d i e s o f f s h o r e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g[ R ]． S P E 1 0 1 8 5 5 ，2 0 0 6 ． [ 5 ] 严新新 ，陈永明，燕修良． MP D技术及其在钻井中 的应用 [ J ]．天然气勘探与开发，2 0 0 7 ，3 0 2 6 266 ． [ 6 ] 邱东 强，涂亚庆 ．神经 网络控制 的现状 与展 望 [ J ]． 自动化与仪器仪表，2 0 0 1 5 1 7 ． [ 7 ] 杨雄文 ，周英操 ，方世 良，等 ．控压钻井分级智能 控制系统设计与室 内试验 [ J ]．石油钻探技术， 2 0 1 1 ，3 9 4 1 31 8 ． [ 8 ] 王德玉 ，李才良，王启颜 ，等 ．电液比例节流井控 系统 的动 态 分析 [ J ]．特种 油气 藏，2 0 0 6 ，1 3 6 1 0 11 0 4 ． [ 9 ] 金业权，刘刚，孙泽秋 ．控压钻井中节流阀开度与 节流压力 的关系研究 [ J ]．石油机械，2 0 1 2 ，4 0 1 0 1 11 4 ． 第一作者简介王洋，助理工程师，生于 1 9 8 1年， 中国石油大学 华东油气井工程专业在读硕士研究生， 主要研究方向为欠平衡和控压钻井技术。地址 2 5 7 0 1 7 山 东省东营市。E ma i l s l z j y w y 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 31 0一l l 本 文编辑丁莉萍