海底鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)監(jiān)測與控制

何新霞,閆加亮,徐長航

(1.中國石油大學信息與控制工程學院,山東青島266580; 2.中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心,山東青島266580)

海底鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)監(jiān)測與控制

何新霞1,閆加亮1,徐長航2

(1.中國石油大學信息與控制工程學院,山東青島266580; 2.中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心,山東青島266580)

海底鉆井液舉升鉆井(SMD)技術可以有效地解決常規(guī)深水鉆井壓力梯度區(qū)間較窄的問題,復雜的海洋鉆井環(huán)境為其實現(xiàn)造成了一系列的控制難題。結合SMD系統(tǒng)的組成和基本功能,選擇PXI系統(tǒng)作為海底鉆井液舉升鉆井監(jiān)、控系統(tǒng)的硬件平臺,基于Labview開發(fā)SMD系統(tǒng)監(jiān)控程序。結合SMD的作業(yè)流程和工況特點,根據(jù)模糊控制理論,設計實現(xiàn)SMD系統(tǒng)模糊控制器,解決SMD系統(tǒng)大慣性、大時滯的控制難題。通過海底鉆井液舉升鉆井試驗平臺對所開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)性能進行驗證。試驗結果表明:監(jiān)測模塊可精確測量SMD系統(tǒng)的各項運行參數(shù);模糊控制器能夠快速有效地保證泵的入口壓力維持在某一恒定值附近,系統(tǒng)能可靠地應對井涌、井漏等異常工況的發(fā)生。

深水鉆井;海底鉆井液舉升;圓盤泵;模糊控制;監(jiān)測

深水常規(guī)鉆井作業(yè)的鉆井液密度窗口很窄,增加了鉆井工程設計及作業(yè)的難度。為了解決這一難題,雙梯度鉆井技術采取某些措施使同尺寸的井眼中產生兩個液柱梯度,從而增大了地層破裂壓力和孔隙壓力之間的鉆井液密度余量,使得在相同液柱壓力情況下,鉆井深度大大增加[1-2]。海底鉆井液舉升鉆井(SMD)系統(tǒng)是雙梯度鉆井技術的一種實現(xiàn)方式[3-6],能夠消除水深對井底壓力的影響,在深水鉆井中非常具有優(yōu)勢。但由于海洋鉆井具有風險大、環(huán)境多變、工況復雜的特點,使得SMD鉆井過程對監(jiān)測與控制系統(tǒng)的依賴性非常強,對其可靠性和速動性要求也比一般的鉆井過程苛刻[7-8]。筆者結合SMD的作業(yè)流程,針對深水海底鉆井液舉升系統(tǒng),設計相應的監(jiān)測和海底鉆井液舉升泵控制方案,通過深水海底鉆井液舉升鉆井(SMD)試驗平臺,對其性能進行驗證。

1 SMD監(jiān)測與控制系統(tǒng)硬件構成

海底鉆井液舉升鉆井(SMD)主要工作流程如下:隔水管和井眼之間裝有一個旋轉分離裝置,將隔水管和井眼內的兩個不同密度的液體隔開,進行鉆井作業(yè)時,鉆井平臺上的鉆井液泵通過鉆桿、鉆桿閥、鉆頭向井眼中打入鉆井液,鉆井液進入井眼環(huán)空并返回井眼上部。由于旋轉分離裝置的存在,鉆井液無法繼續(xù)進入到隔水管,而是通過與旋轉分離裝置相連的管線進入海底泵,從旁路管線返回鉆井液循環(huán)池。只要控制好海底泵的入口壓力,即可控制井眼底部液柱壓力。根據(jù)實際需要,還可增加多路鉆井液返回管線或多級泵[3-6]。

海底鉆井液舉升系統(tǒng)由海底鉆井液舉升泵、動力供應、監(jiān)控系統(tǒng)、鉆井液返回管線4部分組成。海底鉆井液舉升泵采用圓盤泵,圓盤泵不受液體脈動的影響,可用于大顆粒狀的液體[9-10]。動力供應由變頻器和水下電機組成。鉆井液返回管路是鉆井液和巖屑從海底泵返回鉆井液回收池的通道,同時可作為水下設備電線電纜的附著體。監(jiān)控系統(tǒng)是SMD系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調運行的樞紐,一方面負責對SMD系統(tǒng)各項運行參數(shù)進行信號采集和處理;另一方面負責對海底鉆井液舉升泵和各類閥件的啟停、運行狀態(tài)進行控制,主要完成泵的流量調節(jié),使泵的入口壓力穩(wěn)定在某一特定值,確保在鉆機鉆進、停鉆、起下鉆過程中泵的入口壓力滿足作業(yè)要求,并能協(xié)調系統(tǒng)有效應對井涌、井噴等意外事故。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)構成框圖Fig.1 SMD monitoring&control system

監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺基于PXI(PCI extensions for instrumentation)系統(tǒng)來實現(xiàn),其構成框圖[11]如圖1所示。壓力變送器安裝在旋轉分離裝置的出口處,對鉆井液舉升泵的入口壓力進行檢測,并通過PXI板卡反饋給PXI系統(tǒng)控制器。控制器根據(jù)壓力偏差信號,基于相應的控制算法,通過變頻器控制水下電機調節(jié)泵的流量和揚程,從而調節(jié)泵的入口壓力保持在某一恒定值附近。溫度、流量、壓力、電機的轉速轉矩信號等SMD系統(tǒng)相關運行參數(shù)通過PXI板卡進行采集。

2 SMD監(jiān)測與控制系統(tǒng)軟件設計

軟件設計基于LabVIEW軟件來實現(xiàn),包括監(jiān)測和控制兩大模塊。監(jiān)測模塊主要完成對SMD系統(tǒng)各項運行參數(shù)的采集、信號處理、顯示和數(shù)據(jù)存儲功能;控制模塊主要完成相應的控制算法編程,實現(xiàn)對鉆井液舉升泵入口壓力的閉環(huán)控制。

2.1 監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊主要由系統(tǒng)初始化、串口通信、數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和信號輸出等子模塊構成。

系統(tǒng)初始化模塊完成信號采集所需各項參數(shù)的設置,包括待采集信號的物理通道、采樣率、采樣數(shù)、物理量轉換系數(shù)及串口通信指令。轉矩轉速儀串口通信模塊用來監(jiān)測電動機的轉矩與轉速,該模塊包括兩個子VI:串口通信子VI完成對轉矩轉速儀串口的讀寫;數(shù)據(jù)轉換子VI將接收到的十六進制數(shù)按照轉矩轉速儀的通信協(xié)議提取轉矩、轉速信號,并轉換成十進制數(shù)據(jù)進行顯示。數(shù)據(jù)采集模塊接收初始化參數(shù),通過LabVIEW軟件直接與采集卡進行通信,對相應通道的數(shù)據(jù)進行采集。信號處理模塊完成對所采集信號的分離提取、軟件濾波。信號顯示模塊實現(xiàn)對信號的多樣化顯示,含兩個重要的子VI:單路選通子VI接收按鈕組(簇類型)的值選通某一路信號,并在選通該路信號的同時,關斷之前已選通的另一路信號;多路選擇子VI可設定幾路信號同時顯示在示波器控件中。數(shù)據(jù)存儲模塊可根據(jù)需要選擇不同的模式對運行數(shù)據(jù)進行存儲。信號輸出模塊輸出電磁閥所需的控制信號,通過3個DAQ助手來完成。

2.2 控制模塊

海底鉆井液舉升泵是一個復雜的被控對象,從控制過程來分析,對鉆井液舉升泵的控制過程就是對水下電機的控制,間接控制泵的轉速,調節(jié)泵的流量和揚程,以達到調節(jié)泵的入口壓力的目的。由于泵輸送鉆井液本身具有很大的慣性,動態(tài)響應慢,使得SMD系統(tǒng)成為一個大慣性時滯系統(tǒng),而且由于工況和工作環(huán)境的影響,存在著較多隨機不確定性干擾,難以構建精確的數(shù)學模型。采用傳統(tǒng)的控制策略,不能保證系統(tǒng)的控制品質和有效滿足過渡過程短、超調量小、穩(wěn)態(tài)精度高的控制要求。模糊控制算法具有較強的魯棒性,干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱,對大慣性、大時滯系統(tǒng)具有較好的控制效果,故選用模糊控制器作為SMD系統(tǒng)控制器。

2.2.1 SMD系統(tǒng)模糊控制器

SMD鉆井液舉升系統(tǒng)為雙輸入-單輸出控制系統(tǒng),將泵的入口壓力設定值與實測值之間的偏差e和偏差的變化率de/dt作為控制器的輸入,電機轉速的控制量作為輸出。模糊控制器結構[12]如圖2所示,模糊控制器的輸入量經過模糊化處理后,轉換為模糊變量值E和dE。經模糊推理得到模糊輸出量U,模糊量U經去模糊化處理轉化為清晰量,得到可操作的確定值u。

圖2 模糊控制器結構圖Fig.2 Structure of fuzzy controller for SMD system

(1)模糊化接口。模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應模糊語言變量值的過程?？刂葡到y(tǒng)中,設定模糊變量E的模糊論域為[-6,6],模糊變量dE的模糊論域為[-1,1],輸出模糊變量U的模糊論域為[-30,30],模糊變量E、dE及U的語言值集合均取:{NL(負大),NM(負中),NS(負小),ZE(零),PS(正小),PM(正中),PL(正大)}。

將數(shù)值轉化為上述模糊語言變量值須指定各語言變量值的隸屬度函數(shù),經過反復實驗和修正,本系統(tǒng)中偏差e和偏差變化率de/dt的隸屬度函數(shù)分別如圖3(a)、3(b)所示,輸出量u的隸屬度函數(shù)如圖3(c)所示。

圖3 各變量的隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership functinn of variable

(2)編寫模糊規(guī)則庫。系統(tǒng)中有兩個輸入和一個輸出,模糊規(guī)則寫為如下格式:

IF…(條件1)AND…(條件2)THEN…(結果)

規(guī)則庫采用根據(jù)經驗形成的一組規(guī)則[13],如表1所示,輸入模糊變量E和dE均有7級語言變量,輸出模糊變量U共有49條模糊規(guī)則。

表1 控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則庫(U值)Table 1 Fuzzy rules bases of control system(U)

(3)去模糊化。去模糊化常用方法有最大隸屬度法、中位數(shù)法和重心法。重心法的實質是找出控制作用可能分布的重心,在實際工程中經常使用。采用LabVIEW模糊邏輯工具箱提供的重心法對模糊量U進行去模糊化處理。

2.2.2 基于LabVIEW的SMD系統(tǒng)模糊控制器

圖4 模糊控制器框圖程序Fig.4 Program of fuzzy controller

基于LabVIEW設計SMD系統(tǒng)模糊控制器,其框圖程序如圖4所示,主要由信號輸入/輸出通道、小于閾值切換VI、模糊控制器VI和兩個時間計數(shù)器四部分組成。信號輸入、輸出通道由3個DAQ助手和1個軟件濾波器組成,負責與數(shù)據(jù)采集卡進行通信,并對接收到的信號進行濾波;小于閾值切換VI的主要功能是當壓力偏差e的絕對值在足夠長的時間內小于設定閾值時,輸出一個布爾值True來完成模糊控制器與PID控制器的切換,以構成模糊-PID復合控制器,使得兩者優(yōu)勢互補;模糊控制器VI利用LabVIEW的模糊控制工具箱編程實現(xiàn)。首先設置SMD系統(tǒng)模糊控制器輸入、輸出變量的基本論域和模糊論域,確定偏差e和偏差變化率de的量化因子Ke、Kde及輸出控制量u的比例因子Ku。根據(jù)壓力實測值PV和給定值SP,計算壓力偏差E(k)和偏差變化率Ed(k)。利用量化因子進行模糊化,求出輸入變量的模糊量E和dE。然后查模糊控制表,得輸出量的模糊量。最后進行去模糊化處理,得到輸出變量的精確量u(k),并由輸出通道輸出;兩個時間計數(shù)器主要完成對循環(huán)時間的計時。

3 基于SMD試驗平臺的試驗驗證

SMD試驗平臺是海底鉆井液舉升系統(tǒng)的綜合試驗裝置,結合深水鉆井作業(yè)的工作條件,模擬實際作業(yè)壓力和流量工況。SMD試驗平臺包括工控機、變頻器、電機、圓盤舉升泵、儲液罐(相當于吸入模塊)、玻璃罐、儀表和管路,用來模擬SMD系統(tǒng)在各種工況下各部件和參數(shù)在控制系統(tǒng)協(xié)調下的運行情況。將上述所設計的測控系統(tǒng)應用于SMD試驗平臺,得到一系列的試驗結果。

圖5所示為測試的圓盤泵工作性能曲線,其中圖5(a)為不同轉速下對應的圓盤舉升泵的揚程和流量之間的關系曲線,圖5(b)為出口壓力一定情況下對應的圓盤舉升泵的轉速和流量之間的關系曲線。由試驗結果可知,所設計的監(jiān)測模塊可對諸如壓力、流量、輸入軸的扭矩、轉速等SMD試驗平臺相關運行參數(shù)進行有效監(jiān)測,進而計算得出泵效、揚程等性能參數(shù),為海底鉆井液舉升鉆井提供檢測數(shù)據(jù)。另一方面,一系列試驗結果也進一步驗證了圓盤泵能很好地滿足SMD系統(tǒng)對海底鉆井液舉升泵的性能要求。

圖5 圓盤泵性能曲線Fig.5 Performance curves for disk pump

圖6、圖7為驗證SMD系統(tǒng)模糊控制器控制效果的響應曲線,圖中給出泵的入口壓力設定值和實測值,由模糊控制器輸出給變頻器模擬量輸入端子的電壓信號,此電壓信號與電機轉速成線性關系,可表示電機轉速和泵的流量。

圖6(a)為泵的入口壓力設定值由11變?yōu)?3時系統(tǒng)的響應曲線。由于此時壓力實測值小于給定值,模糊控制器為了消除此偏差,降低控制器輸出量,即降低電機轉速,從而降低泵向外送出的流量,使得儲液罐內水位升高,實際壓力升高,最終與設定值一致。圖6(b)為設定值減少時的響應曲線,其調節(jié)過程與圖6(a)相反。從圖6所示的系統(tǒng)響應曲線可以看出,在設定值改變時,系統(tǒng)的被控量(泵的入口壓力)能夠很快穩(wěn)定到新的狀態(tài),響應時間約為6～7 s。

圖7為擾動工況下系統(tǒng)的響應曲線。在壓力設定值不變的情況下,通過改變儲液罐的入口流量,分別模擬井漏、井涌等異常工況。圖7(a)為某個時刻儲液罐的入口流量從50 m3/h調至40 m3/h時模擬井漏工況時系統(tǒng)的響應曲線。當發(fā)生井漏時,舉升泵入口壓力實測值減少,小于壓力給定值。模糊控制器為了消除此偏差,降低控制器的輸出量,即降低電機的轉速,從而降低泵向外送出的流量,使得儲液罐內水位升高,實際壓力逐漸升高,最終與設定值一致。圖7(b)為某個時刻儲液罐的入口流量從50 m3/h調至60 m3/h時模擬井涌工況時系統(tǒng)的響應曲線,調節(jié)過程與圖7(a)相反。兩種工況下,通過調節(jié)系統(tǒng)均能很快地恢復穩(wěn)定到原來的狀態(tài),調節(jié)時間約為5～6 s。

圖6 設定值變化時系統(tǒng)的響應曲線Fig.6 Response curves of control system while setpoint changes

圖7 擾動工況下系統(tǒng)的響應曲線Fig.7 Response curves of control system while being disturbed

由試驗結果可知,控制系統(tǒng)通過對舉升泵的流量調節(jié),使泵的入口壓力穩(wěn)定在某一特定值,確保在鉆機鉆進、停鉆、起下鉆過程中泵的入口壓力滿足作業(yè)要求,并能協(xié)調系統(tǒng)有效應對井漏、井涌等復雜鉆井工況,根據(jù)井涌強度適當調整海底泵的轉速,盡可能將涌入的流體循環(huán)出井眼,預防井噴等鉆井事故的發(fā)生,將損失和風險降到最低。

4 結 論

(1)結合SMD系統(tǒng)的組成和基本功能,開發(fā)了一套完整的監(jiān)測系統(tǒng),可測量循環(huán)回路鉆井液、海水分隔點壓力變化情況;能夠測量出泵(鉆井液泵和舉升泵)的進出口壓力、流量、輸入軸的扭矩、轉速等參數(shù),進而計算得出泵效、揚程等性能參數(shù);能夠測量舉升管線內的流體介質分布、流速和壓力。

(2)針對SMD系統(tǒng)設計的模糊控制器,通過調節(jié)泵的流量和揚程,可以保證泵的入口壓力維持在某一恒定值附近;通過調整鉆井液泵的壓力和流量實現(xiàn)系統(tǒng)應對井涌、井漏等異常工況的有效控制,有效地解決了鉆井液舉升系統(tǒng)大慣性、大時滯、存在較多隨機干擾等帶來的控制難題。

(3)該監(jiān)控系統(tǒng)可對SMD試驗平臺各相關設備的運行參數(shù)進行有效監(jiān)測,對相關參數(shù)進行有選擇地存儲;模糊控制器能夠有效地克服復雜環(huán)境下系統(tǒng)的各種干擾,提高系統(tǒng)的魯棒性。

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(編輯 修榮榮)

Monitoring and control for subsea mudlift drilling system

HE Xin-xia1,YAN Jia-liang1,XU Chang-hang2
(1.College of Information and Control Enginneering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Subsea mudlift drilling(SMD)technique may be applied effectively in deep water drilling operation where the difference between the formation pore pressure and fracture pressure is small.A monitoring and control method for SMD was presented.The method is effective in both suppressing interferences which come from various factors in the complex deep water environment,and in proving the robustness of system.Taking into consideration the components and basic functions of SMD systems,PXI module is selected as the hardware platform for monitoring and control sub-system of SMD systems,in which the monitoring and control program is developed based on Labview.By applying fuzzy control method,a new fuzzy controller is designed as the operation procedure to overcome the large inertia and delay time problems in SMD systems.The performance of monitoring and control system is tested and verified in experimental platforms for SMD.Experiment results show that the parameters of the operation processes for SMD systems may be precisely measured by the monitoring module, and the pump inlet pressure can be maintained at nearly a constant level,a crutial property of fast responding systems to critical conditions such as well kick and circulation loss.

deepwater drilling;subsea mudlift;disk pump;fuzzy control;monitoring

TE 953;TP 272

:A

1673-5005(2014)03-0129-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.021

2013-10-05

國家科技重大專項(2008ZX05026-001-12);長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1086)

何新霞(1966-),女,副教授,主要從事油氣測控技術、電力傳動及控制系統(tǒng)的研究。E-mail:upc_hxx@126.com。