智能控压钻井控制技术试验研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 3 年 1 1 月 第 3 5 卷 第 1 1 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I N o v ． 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 1 1 智能控压钻 井控 制技术试验研究 吴红建 长江大学石油工程学院， 湖北武汉4 3 0 1 0 0 郗凤 亮 渤 海钻探工程公司钻井技术服务分公司， 天津3 0 0 4 5 7 柯 晓华 长江大学石油工 程学院， 湖北武汉4 3 0 1 o o [ 摘要] 由于常规控压钻井技术控制方式单 一性 的局 限，采用 智 能控 压钻 井 方法 能够 实现钻 井技 术最优 化 ，发展前景广 阔。结合控压钻 井智 能化 的发展趋势 ，介绍 了智 能控 压钻井 系统的控制原理和 总体 结构 ， 设计 了测控装置的控制方案，对 恒压控制和恒流控 制 的模 型、算法进 行 了详细论 述，最后通 过试 验验证 了测控装置 的设计合理可行。该 成果对智能控压钻井系统的后续开发具有 重要 的推 动作用 。 [ 关键词] 智能控压钻井 ；测控装置 ；恒压控制 ；恒流控制 [ 中图分类号]T E 2 4 1 [ 文献标志码]A [ 文章 编号]1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 3 1 1 0 1 5 0 0 5 随着 现今 社会 能源需 求 的不断增 加 ，我 国油 气 矿 产 资源 的勘 探 与开 发 逐 步 向深 部 复 杂 地层 不 断 发 展 ，安全快速钻井的技术要求 日趋迫切 ，而钻遇深部复杂地层时的窄密度窗 口问题越来越突出，甚至成 为 阻碍钻 井行 业快 速发展 的技 术瓶 颈 。由于上 述钻井 难题 ，控 压钻井 技术研 究 获得 高度重 视 和发展 ，该 技术方法可有效缓解诸如井涌、井漏 、井塌、卡钻 、堵钻 、有害气体泄漏等问题 。目前 ，国外的控压钻 井 系统 已获得 成功 推广 和应 用 ，典 型装 备 主要 有 3大类 斯 伦 贝谢 公 司 的 D AP C系 统 、哈 里 伯 顿公 司 的 MP D系统和 We a t h e r f o r d的 MF C系统 ，但其系统只提供技术服务，且价格昂贵。中石油 已在新疆、 四川 I 、华北 、冀东 、大港等油田和地区成功应用了数十井次的控压钻井技术服务，取得了显著的经济效 益 。中石油钻井院率先设计了以压力 和流量为控制 目标 的 P C DS I 精细控压钻井 系统 ，中国石 油大学 华东开发了 1 套井 口压力实时监控系统 ，长江大学、西南石油大学 、渤海钻探 、川 I 庆钻探等高校和 科 研 院所针 对控压 钻井 技术 难点 问题 开展 了深入研 究 ，取得 了一 些 阶段 性成 果 ，逐步应 用 于钻井实 践 。 为了更 为有效 地解 决深 部复杂 地层 的窄 密度 窗 口等 问题 ，基 于 自动 化 、快速 响应 、精确 控制 的技术 目标 ，在控 压钻 井系统 应用 和研 究发 展的基础 上 ，智能 控压 钻井技 术应 运而 生 。智能控 压钻 井技 术通过 其 独特 的专 家 系统智 能识别 和控 制 ，实现精 细控 制井筒 压 力剖 面 、快 速安全 钻井 ，井 底压 力始终 保持 在 地层孑 L 隙压力和地层破裂压力范围之间，且与地层孑 L 隙压力始终处于平衡或近平衡状态，自动控制侵入 和漏失 ，能 够有效 地保 护油 气层 。 1 智能控压钻井 系统的工作原理和主体构成 智能控压钻井技术是有效解决窄密度窗口等井下复杂问题的钻井新技术 ，系统通过特定的技术手段 进 行 环空压 力剖 面 的精细 控制 ，实现 井筒 压力 动态 实时监 控 ，以提 高快速 钻进 复杂 井段 的能 力 ，有 效阻 止钻 井液 流入地 层而 造成 的储 层伤 害 。该 系统 内嵌专 家模 块 ，具有 智能识 别 和 自动 过渡 工况 、人 工干预 等 多种功 能 ，满足 复杂地 层条 件下 的精 细控压 钻井 。 1 ． 1 工作 原 理 智 能控压 钻井 系统 的基本 _T作 原理 是 实时 采 集 立 管 压 力 、井 口 回压 、钻 井 液 入 口流量 、出 口流 量 、回压泵 流量 、钻井 液密度 等工 艺参 数 以及 录井 设备 获取 的大 钩速度 、钻 头位 置 、钻进深 度等 井场 数 [ 收稿 日期]2 0 1 30 81 2 [ 作者简介]吴红建 I 9 8 0一 ，男 ，2 0 0 5 年大学毕业 ，博士 ，讲师 ，现主要从事油气井工程钻完井技术方面的教学与研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 1 1期 吴红建 等 智能控压钻井控制技术试验研 究 据 ；同时内嵌的专家模块进行合理 的逻辑判断和精确的水力计算 ；同步实时比对实际井 口回压 或出口 流量实测值与 目标值 ，数字控制器依据二者的偏差值发出节流阀开度大小的调控指令 ，自动调节节流 阀的开度大小以改变井 口处的出口流量或井 口回压 ，间接实现环空压力剖面和井底压力精细控制 的 目 标 。 智 能控 压钻 井技 术 的核心 测控 指标 是 出 口流量 和井 口回压 。出 口流量 和井 口回压 的调节 主要 通过 控 压 钻井 装备 来实 现 ，该装 备 主要 由 回压 泵 系统 、节 流管 汇系统 、控制 中心 等组 成 。整个 控制 系统 围绕 压 力 剖面 控制 指标 ，进 行 “ 开泵 、停 泵 、正 常钻 进 、起 下钻 、接 单 根 立 柱 、重 浆 顶替 ” 钻 井全 过 程 实 时监控 。其控制技术的主体是一个采用旋转控制头、专用控制器和传感器等设备组成封闭可控的钻井液 返回系统，测控装置是其核心装备 。 1 ． 2测 控装 置 测 控装 置是 智能 控压 钻井 装备 的核 心部 分 ，主要 由上 位机 工业控 制计 算 机 及其 配套 软件 、下 位 机 专用 数字 控制 器 与控 制柜 、钻井 工艺 参数 数 字信 号 采集 板 、现场 一 次 仪 表 压 力／ 流量 检 测 变送 器 、节流阀和平板阀及其伺服执行器件等组成I 】 ] 。 上位机配套软件包括两大部分 钻井水力计算子程序 ，其功能是根据钻井水力学模型完成实时计算 和控 制 指令处 理 ；测控 人／ 机交互 子程 序 HMI ，其 功 能是 根据 实 时 工 况完 成 基 础 数 据 的 录 入 和 界 面 控制指令的操作。专用数字控制器是测控装置的核心处理单元 ，其功能是 ①采集现场一次仪表的数据 检测值并发送至控制中心 ；②根据控压钻井控制模式 的要求 ，进行控制运算和处理，控制节流阀的开 度，调节 回压或者流量 ；③与此 同时，它还实时采集反馈数据 ，不间断循环进行下一轮闭环控制。根据 智能控压钻井技术特点和要求 ，测控装置设计有恒压控制和恒流控制两大功能子系统 。 2 控制方案设 计 目前 ，P I D 按 比例积分微分控制是工业生产 中最常用的一种控制方式，它适用于需要进行高精 度 测量 控制 的系统 ，可 根据 被控 对 象 自动 演 算 出最佳 P I D控 制 参 数 。当 被控 对 象 的 结 构 和参 数 不 能 完 全掌握 ，或得不到精确的数学模型 ，或控制理论的其他技术难以采用时 ，系统控制器的结构和参数必须 依靠经验和现场调试来确定 ，此时应用 P I D控 制技术最为方便 。P I D参数 自整定 控制仪可 选择给定 或 阀位 控 制 功能 ，可 取代伺 服 放大 器直 接驱 动执 行 机构 如 阀 门等 。P I D参数 外 给定 或 阀 位 控 制仪可 自动跟随外部给定值 或阀位反馈值进行控制输出 模拟量控制输出或继 电器正转 、反转控制 输出 ，可实现 自动／ 手动无扰动切换 。手动切换至 自动时 ，采用逼近法计算 ，以实现手动／ 自动的平稳 切换 。P I D外给定 或阀位控制仪可同时显示测量信号及 阀位反馈信号 ，比如压力控制系统采用压力 传感 器 ，利用 P I D控制 实 现 的压力 、流 量 、液位 控制 器 ，能 实现 P I D控 制 功 能 的可 编程 控 制器 P I C 闭环控制。综上所述 ，智能控压钻井测控系统采用 P I D控制是一种较为理想的选择 ，P I D控制器参数 的 自动 调整 通过 智 能化 调整 或 自校正 、 自适应 的算 法来 实现 。 智能控压钻井系统不单是常规控压钻井 系统升级 ，除了智能识别外，可综合 地层 资料设计控制参 数 ，兼有恒压控制和恒流控制 即井底恒压和微流量2种工作模式 ，且两种模式可以相互切换，提高 复 杂井 段钻 进 的安全 性 ，更有 利 于储层 保 护 ] 。恒压 控 制子 系统 和恒 流控 制子 系统 共 用一 套 装 备 ，对 应各 自模式与工况执行不 同的控制模型和算法进行控制 。为确保控制系统的可靠性 ，智能控压钻井装备 实行检测装置与执行机构 节流 阀和平板 阀 “ 用一备一”的冗余技术 ，同时上位机 的 HMI 界面提供 便捷 的冗余设备选用操作 。 2 ． 1恒 压控 制 恒压 控制 钻 进过 程 中 ，保 持 近钻 头井 底压 力 恒定 井底 恒压 模式 或 保持 井 口回压 恒定 测 试待 定模 式 ，通 过调 节节 流管 汇上 节 流 阀的开 度控 制井 口回压来 间接 实现 ，其结 构 流程 如 图 1 所示 。 从恒压控制结构流程图可以看 出，测试 待定模式与井底恒压模式 的区别是 井 口压力 目标值是 由 HMI 界面直接给定还是由钻井水力学子程序软件计算给 出。下位机 专用数字控制器的功能是 钻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然 气工程 2 0 1 3 年 1 1 月 图 1 恒压控 制结构流程图 井作业过程中循环控制井 口回压实测值与设定值趋于一致 。因此下位机实际是一个典型的闭环控制系 统 。恒压 控制子 系统 控制模 型如 图 2 所 示 。 I I { M } 定 p r } 厂 ]厂 ]厂 ] 水 力 学 模 型 计 算p 『 } _ o ，L _ I 1 伺 服 装 置 L__ _-1 井 口 装 置 p- 上位机 Pr 数字控制器 f l 上 ／ J 1 ’ 由图 3可 知 ，井 口压力 设 定 值 的计 算 由系统 上 位 机 完成 ，专 用 控 制 器 实现 井 口压力 闭 环 恒压 控 制 。由于 压 力调 节 响应 速度 较 快 ，可 视 为无 滞 后 二 阶惯 性 环节 。针 对 二 阶惯 性 环 节 ，P I 比例 积 分 控制 算 法 具 有 良好 的控 制性 能 。因 此 ，这里采用 P I 控制算法，其控制 的数 学模 型如 图 3 所 示 。 而控 制量 图 2 恒压控 制子 系统模型 与 { 垒 注 p 为压力； p f 为实际压力 ； △ 声一 P 一p f ； 为 比例带 ， 即表征 比例作用 强弱 的参数 ； T 为积分时间常数 ； s为复频率 ； U为控 制量 ； K。为系统 增量 ； a o 、 n 1 分别为常 、 系数。 图 3恒压控制数学模型 U 一 K 一 Pf r f rf K I I p 一P f d t Kp △ 户 Kl I A p d t 1 √ 0 J 0 式中 L ， 为控制量 ； K 为比例放大系数 ； K 为积分时间常数； d t 为微／ 积分变量； t 为时间变量。 为便 于软件 实 现 ，对 式 1 进 行离 散化 ，即 AU 一 KP Ap 一 Ap 女 一 1 K △ 2 U U ～ 1 AU 3 2 ． 2恒 流控 制 恒流控制 钻井过程 中保持进出口微流量 的相对恒定 井 E l 微流量控制 ，通过调节节流管汇中节 流 阀 的开 口大小实 现对井 口微 流量 的直 接控制 ，最 终完 成井 底漏 失或侵 入 的早期 监控 。其控制 结构 流程 图如 图 4所示 。 从恒 流控 制 系统 的结构 组成 可知 ，井 E l 流量设 定值 实 际 由水 力学子 程序 软件 给 出。下位 机 专用 数 字控 制器 的功能 是 钻 井作 业过 程 中保持井 口实际 流量 与设 定 流 量趋 于 一致 ，实现 微 流量 闭环 控 制 ， 其控制模型如图 5所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 1 1 期 吴红建 等 智能控压钻井控 制技 术试验研 究 录 井 工 艺 参 数 井口流量设定 图 4微 流 量 控 制 结构 流 程 图 一 ＼ l ； l 井口流量 L 数字控制器 I l 、 从 图 5可知 ，井 口流量设定值 由 系统上位机完成，专用控制器实现井 口微流量 的闭环控制 。由于流量调节 响应速度较慢，可视为有滞后二阶惯 性 环节。针对 有滞 后二 阶惯性 环 节 ， P I D控制算 法 具有 很 好 的控 制 性 能 。 其数学模型如图 6 所示 。 而控制 量 图 5 微 流量控制 系统模型 专 轰 ] _ l 三 二 兰 二 l 注 Q 为井 E l 流量的 目标值 ； Q 为泥浆泵的实际排量 ； a Q Q r Q ； 如 为 比例 带， 即表征 比例作用强弱 的参数 ， 与 K。 互为倒数 ； T O 、 r 分别 为时间常数和输 入滞后 的时间。 图 6恒 流 控 制 数 学 模 型 U f 一 KQ Q 一 Q。 r Q 一 Q 一 K Q △ Q K K 。 Td A QK i d t K K iJ l A Q d t K 4 J 0 Q r Q 一 Q △ Q 0 。 百 4 J U 为便 于软件 实 现 ，对式 4 进 行离 散化 A U 一 KP △ Q 一 A Q k -- 1 K △ Q KD E a Q 女 一2 Q 1 △ Q 2 ] 5 U 一 U 一 1 4 -A U 6 式中 K。为 P I D控制器的放大系数 ； K 为 P I D控制器的比例放大系数 ； K。为微分时间常数 。 3 模拟测试试验 3 ． 1 通 信测 试 通信测试包括串口测试和以太网测试 ，将测控装置的控制器与 P C机通过 R S 2 3 2和交叉 网线分别连 接 ，分别打开串口调试助手和网络调试助手 ，可在各助手界面上看到采集的 6 路模拟通道信息。图 7显示 的是当只有第 5 路接人 2 ． 9 V e a 压值时的串口通信测试结果 ；图 8所示的是 6路模拟通道采集模拟信号数 据 的测试结果。测试结果表明设计的采集方案可行性好 ，能够满足测控装置采集和发送数据的需求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m