智能控壓鉆井控制技術(shù)試驗(yàn)研究

吳紅建（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

郗鳳亮（渤海鉆探工程公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300457）

柯曉華（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

隨著現(xiàn)今社會(huì)能源需求的不斷增加，我國(guó)油氣礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā)逐步向深部復(fù)雜地層不斷發(fā)展，安全快速鉆井的技術(shù)要求日趨迫切，而鉆遇深部復(fù)雜地層時(shí)的窄密度窗口問(wèn)題越來(lái)越突出，甚至成為阻礙鉆井行業(yè)快速發(fā)展的技術(shù)瓶頸。由于上述鉆井難題，控壓鉆井技術(shù)研究獲得高度重視和發(fā)展，該技術(shù)方法可有效緩解諸如井涌、井漏、井塌、卡鉆、堵鉆、有害氣體泄漏等問(wèn)題。目前，國(guó)外的控壓鉆井系統(tǒng)已獲得成功推廣和應(yīng)用，典型裝備主要有3大類：斯倫貝謝公司的DAPC系統(tǒng)、哈里伯頓公司的MPD系統(tǒng)和Weatherford的MFC系統(tǒng)，但其系統(tǒng)只提供技術(shù)服務(wù)，且價(jià)格昂貴。中石油已在新疆、四川、華北、冀東、大港等油田和地區(qū)成功應(yīng)用了數(shù)十井次的控壓鉆井技術(shù)服務(wù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。中石油鉆井院率先設(shè)計(jì)了以壓力和流量為控制目標(biāo)的PCDS－I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)，中國(guó)石油大學(xué)（華東）開(kāi)發(fā)了1套井口壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，長(zhǎng)江大學(xué)、西南石油大學(xué)、渤海鉆探、川慶鉆探等高校和科研院所針對(duì)控壓鉆井技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題開(kāi)展了深入研究，取得了一些階段性成果，逐步應(yīng)用于鉆井實(shí)踐。

為了更為有效地解決深部復(fù)雜地層的窄密度窗口等問(wèn)題，基于自動(dòng)化、快速響應(yīng)、精確控制的技術(shù)目標(biāo)，在控壓鉆井系統(tǒng)應(yīng)用和研究發(fā)展的基礎(chǔ)上，智能控壓鉆井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能控壓鉆井技術(shù)通過(guò)其獨(dú)特的專家系統(tǒng)智能識(shí)別和控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制井筒壓力剖面、快速安全鉆井，井底壓力始終保持在地層孔隙壓力和地層破裂壓力范圍之間，且與地層孔隙壓力始終處于平衡或近平衡狀態(tài)，自動(dòng)控制侵入和漏失，能夠有效地保護(hù)油氣層。

1 智能控壓鉆井系統(tǒng)的工作原理和主體構(gòu)成

智能控壓鉆井技術(shù)是有效解決窄密度窗口等井下復(fù)雜問(wèn)題的鉆井新技術(shù)，系統(tǒng)通過(guò)特定的技術(shù)手段進(jìn)行環(huán)空壓力剖面的精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)井筒壓力動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高快速鉆進(jìn)復(fù)雜井段的能力，有效阻止鉆井液流入地層而造成的儲(chǔ)層傷害。該系統(tǒng)內(nèi)嵌專家模塊，具有智能識(shí)別和自動(dòng)過(guò)渡工況、人工干預(yù)等多種功能，滿足復(fù)雜地層條件下的精細(xì)控壓鉆井。

1.1 工作原理

智能控壓鉆井系統(tǒng)的基本工作原理是：實(shí)時(shí)采集立管壓力、井口回壓、鉆井液入口流量、出口流量、回壓泵流量、鉆井液密度等工藝參數(shù)以及錄井設(shè)備獲取的大鉤速度、鉆頭位置、鉆進(jìn)深度等井場(chǎng)數(shù)據(jù)；同時(shí)內(nèi)嵌的專家模塊進(jìn)行合理的邏輯判斷和精確的水力計(jì)算；同步實(shí)時(shí)比對(duì)實(shí)際井口回壓（或出口流量）實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值，數(shù)字控制器依據(jù)二者的偏差值發(fā)出節(jié)流閥開(kāi)度大小的調(diào)控指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度大小以改變井口處的出口流量或井口回壓，間接實(shí)現(xiàn)環(huán)空壓力剖面和井底壓力精細(xì)控制的目標(biāo)。

智能控壓鉆井技術(shù)的核心測(cè)控指標(biāo)是出口流量和井口回壓。出口流量和井口回壓的調(diào)節(jié)主要通過(guò)控壓鉆井裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該裝備主要由回壓泵系統(tǒng)、節(jié)流管匯系統(tǒng)、控制中心等組成。整個(gè)控制系統(tǒng)圍繞壓力剖面控制指標(biāo)，進(jìn)行 “開(kāi)泵、停泵、正常鉆進(jìn)、起下鉆、接單根（立柱）、重漿頂替”鉆井全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。其控制技術(shù)的主體是一個(gè)采用旋轉(zhuǎn)控制頭、專用控制器和傳感器等設(shè)備組成封閉可控的鉆井液返回系統(tǒng)，測(cè)控裝置是其核心裝備。

1.2 測(cè)控裝置

測(cè)控裝置是智能控壓鉆井裝備的核心部分，主要由上位機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）及其配套軟件、下位機(jī)（專用數(shù)字控制器）與控制柜、鉆井工藝參數(shù)數(shù)字信號(hào)采集板、現(xiàn)場(chǎng)一次儀表（壓力／流量檢測(cè)變送器）、節(jié)流閥和平板閥及其伺服執(zhí)行器件等組成［1～3］。

上位機(jī)配套軟件包括兩大部分：鉆井水力計(jì)算子程序，其功能是根據(jù)鉆井水力學(xué)模型完成實(shí)時(shí)計(jì)算和控制指令處理；測(cè)控人／機(jī)交互子程序（HMI），其功能是根據(jù)實(shí)時(shí)工況完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入和界面控制指令的操作。專用數(shù)字控制器是測(cè)控裝置的核心處理單元，其功能是：①采集現(xiàn)場(chǎng)一次儀表的數(shù)據(jù)檢測(cè)值并發(fā)送至控制中心；②根據(jù)控壓鉆井控制模式的要求，進(jìn)行控制運(yùn)算和處理，控制節(jié)流閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)回壓或者流量；③與此同時(shí)，它還實(shí)時(shí)采集反饋數(shù)據(jù)，不間斷循環(huán)進(jìn)行下一輪閉環(huán)控制。根據(jù)智能控壓鉆井技術(shù)特點(diǎn)和要求，測(cè)控裝置設(shè)計(jì)有恒壓控制和恒流控制兩大功能子系統(tǒng)。

2 控制方案設(shè)計(jì)

目前，PID（按比例積分微分控制）是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，它適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳PID控制參數(shù)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，或控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，此時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID參數(shù)自整定控制儀可選擇給定（或閥位）控制功能，可取代伺服放大器直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)等）。PID參數(shù)外給定（或閥位）控制儀可自動(dòng)跟隨外部給定值（或閥位反饋值）進(jìn)行控制輸出（模擬量控制輸出或繼電器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制輸出），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)／手動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。手動(dòng)切換至自動(dòng)時(shí)，采用逼近法計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)／自動(dòng)的平穩(wěn)切換。PID外給定（或閥位）控制儀可同時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)及閥位反饋信號(hào)，比如壓力控制系統(tǒng)采用壓力傳感器，利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC）閉環(huán)控制。綜上所述，智能控壓鉆井測(cè)控系統(tǒng)采用PID控制是一種較為理想的選擇，PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

智能控壓鉆井系統(tǒng)不單是常規(guī)控壓鉆井系統(tǒng)升級(jí)，除了智能識(shí)別外，可綜合地層資料設(shè)計(jì)控制參數(shù)，兼有恒壓控制和恒流控制（即井底恒壓和微流量）2種工作模式，且兩種模式可以相互切換，提高復(fù)雜井段鉆進(jìn)的安全性，更有利于儲(chǔ)層保護(hù)［4～6］。恒壓控制子系統(tǒng)和恒流控制子系統(tǒng)共用一套裝備，對(duì)應(yīng)各自模式與工況執(zhí)行不同的控制模型和算法進(jìn)行控制。為確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性，智能控壓鉆井裝備實(shí)行檢測(cè)裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（節(jié)流閥和平板閥）“用一備一”的冗余技術(shù)，同時(shí)上位機(jī)的HMI界面提供便捷的冗余設(shè)備選用操作。

2.1 恒壓控制

恒壓控制：鉆進(jìn)過(guò)程中，保持近鉆頭井底壓力恒定（井底恒壓模式）或保持井口回壓恒定（測(cè)試待定模式），通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流管匯上節(jié)流閥的開(kāi)度控制井口回壓來(lái)間接實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

從恒壓控制結(jié)構(gòu)流程圖可以看出，測(cè)試待定模式與井底恒壓模式的區(qū)別是：井口壓力目標(biāo)值是由HMI界面直接給定還是由鉆井水力學(xué)子程序軟件計(jì)算給出。下位機(jī)（專用數(shù)字控制器）的功能是：鉆井作業(yè)過(guò)程中循環(huán)控制井口回壓實(shí)測(cè)值與設(shè)定值趨于一致。因此下位機(jī)實(shí)際是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。恒壓控制子系統(tǒng)控制模型如圖2所示。

圖1 恒壓控制結(jié)構(gòu)流程圖

圖2 恒壓控制子系統(tǒng)模型

由圖3可知，井口壓力設(shè)定值的計(jì)算由系統(tǒng)上位機(jī)完成，專用控制器實(shí)現(xiàn)井口壓力閉環(huán)恒壓控制。由于壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較快，可視為無(wú)滯后二階慣性環(huán)節(jié)。針對(duì)二階慣性環(huán)節(jié)，PI（比例積分）控制算法具有良好的控制性能。因此，這里采用PI控制算法，其控制的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

而控制量：

圖3 恒壓控制數(shù)學(xué)模型

式中：U（t）為控制量；Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分時(shí)間常數(shù)；dt為微／積分變量；t為時(shí)間變量。為便于軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)式（1）進(jìn)行離散化，即：

2.2 恒流控制

恒流控制：鉆井過(guò)程中保持進(jìn)出口微流量的相對(duì)恒定（井口微流量控制），通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開(kāi)口大小實(shí)現(xiàn)對(duì)井口微流量的直接控制，最終完成井底漏失或侵入的早期監(jiān)控。其控制結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。

從恒流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成可知，井口流量設(shè)定值實(shí)際由水力學(xué)子程序軟件給出。下位機(jī)（專用數(shù)字控制器）的功能是：鉆井作業(yè)過(guò)程中保持井口實(shí)際流量與設(shè)定流量趨于一致，實(shí)現(xiàn)微流量閉環(huán)控制，其控制模型如圖5所示。

圖4 微流量控制結(jié)構(gòu)流程圖

圖5 微流量控制系統(tǒng)模型

從圖5可知，井口流量設(shè)定值由系統(tǒng)上位機(jī)完成，專用控制器實(shí)現(xiàn)井口微流量的閉環(huán)控制。由于流量調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢，可視為有滯后二階慣性環(huán)節(jié)。針對(duì)有滯后二階慣性環(huán)節(jié)，PID控制算法具有很好的控制性能。其數(shù)學(xué)模型如圖6所示。

而控制量：

圖6 恒流控制數(shù)學(xué)模型

為便于軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)式（4）進(jìn)行離散化：

式中：KQ為PID控制器的放大系數(shù)；KP為PID控制器的比例放大系數(shù)；KD為微分時(shí)間常數(shù)。

3 模擬測(cè)試試驗(yàn)

3.1 通信測(cè)試

通信測(cè)試包括串口測(cè)試和以太網(wǎng)測(cè)試，將測(cè)控裝置的控制器與PC機(jī)通過(guò)RS232和交叉網(wǎng)線分別連接，分別打開(kāi)串口調(diào)試助手和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，可在各助手界面上看到采集的6路模擬通道信息。圖7顯示的是當(dāng)只有第5路接入2.9V電壓值時(shí)的串口通信測(cè)試結(jié)果；圖8所示的是6路模擬通道采集模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的采集方案可行性好，能夠滿足測(cè)控裝置采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的需求。

圖7 模擬通道串口測(cè)試

圖8 模擬通道以太網(wǎng)測(cè)試

3.2 交互測(cè)試

智能控壓鉆井系統(tǒng)配套的測(cè)控人／機(jī)交互軟件（HMI）不僅需要采集到外部數(shù)值，而且要求能夠根據(jù)采集到的信息進(jìn)行處理，并給出相應(yīng)的模擬反應(yīng)。交互測(cè)試的結(jié)果如圖9所示。專用數(shù)字控制器完成了指令的雙向傳輸，模擬流量／壓力的執(zhí)行反饋?lái)憫?yīng)快速，測(cè)試結(jié)果表明智能控壓鉆井系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)合理可行，可進(jìn)行系統(tǒng)后續(xù)方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

圖9 交互測(cè)試采集信息模擬反饋的界面

4 結(jié)語(yǔ)

智能控壓鉆井技術(shù)因其顯著的安全性和時(shí)效性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前已成為國(guó)內(nèi)鉆井技術(shù)研究攻關(guān)的一個(gè)新熱點(diǎn)。結(jié)合控壓鉆井智能化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)智能控壓鉆井的控制技術(shù)進(jìn)行探索研究，取得了一些研究成果：

1）根據(jù)智能控壓鉆井壓力控制和流量控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于這2種工作模式下的測(cè)控裝置。

2）研究設(shè)計(jì)了恒壓控制和恒流控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與PID控制方法，建立了全過(guò)程監(jiān)控的控制模型。

3）初步完成了通訊性能測(cè)試和數(shù)據(jù)交互反饋測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足智能控壓鉆井測(cè)控技術(shù)要求。

［1］王孝武，方敏 .自動(dòng)控制理論 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］胡壽松 .自動(dòng)控制原理 ［M］.第5版 .北京：科學(xué)出版社，2007.

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