浅析精细控压钻井系统控制策略设计.docx

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浅析精细控压钻井系统控制策略设计

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摘要：本文主要是从CQMPD－I型精细控压钻井系统原理出发，分析其分级智能控制模式，探讨集成监控软件研发相关问题。研发的一套模块化、经济实用性好的全国产化闭环压力自动控制系统，满足现场实际需要。

关键词：精细控压钻井；钻井系统；分级智能控制

控压钻井技术是国外近年来发展起来的一项钻井新技术，该技术是集机、电、液、信息、自动控制等技术为一体的前沿钻井技术，是钻井工程压力控制技术发展的方向。国外技术服务公司Weatherford、Halliburton、AtBalance都已研发出相应的商业应用控压钻井系统和技术，并在国内外多个油田的现场应用中显示出广阔的应用前景。国内在“十一五”国家重大攻关项目和“863”全过程欠平衡钻井技术研究基础上，已成功研发精细控压钻井技术及系统并推向了工业应用。文章采用模块化、分散集中控制思路，研发了一套四层结构、四级优化控制的CQMPD－I型精细控压钻井系统，并开发了相应的集中监控软件系统，确保任何时刻的任意自动控制动作均是安全可靠的，且达到精确控制环空压力的目标。

一、CQMPD－I型精细控压钻井系统原理

CQMPD－I型控压钻井系统是基于井底恒压MPD钻井理念开发的一套自适应的闭环压力控制钻井系统，采用模块化设计思路，主要由数据监测(井下压力存储仪(PT－SWD)或井下压力随钻测量系统(PWD)监测与控制系统(MCS)和控制装备(自动节流控制系统(ACS)与回压补偿系统(BPCS))两大部分、四大核心装备，以及配套的旋转控制头(RCH)、液气分离器系统(ZQF)、钻柱止回阀等组成。

CQMPD－I型控压钻井系统根据其监测与控制系统实时采集的井口工程参数，以及井下压力随钻测量系统(或随钻存储仪)实时采集井下环空压力参数，由其控制软件的水力学计算分析与压力控制决策模块实时计算分析与决策，并下达控制套压目标值指令与下达是否开启回压补偿系统指令(停止循环时候开启)，并依靠自动节流控制系统的专用大通径节流管汇上自动节流阀来精确控制套压，进而精确控制环空压力剖面，以适应环空流量或密度等参数变化引起的井底压力变化，确保控制井底压力在目标值。

二、CQMPD－I型系统控制策略

CQMPD－I型控压钻井系统采用四层结构、四层闭环优化控制的分级智能控制模式，确保每一个单元控制均安全、可靠、高效。四层结构包括:物理层(传感器、执行机构等)、四大独立模块(钻机数据采集或综合录井系统、自动节流控制系统监控中心、回压补偿系统监控中心、井下压力随钻测量系统)、上位监测与控制系统、远程基地协同控制系统。相应的四层结构采用四层闭环优化控制，主要包括:第一层执行机构自身进行动作指令的闭环反馈控制，如节流阀、平板阀、回压补偿系统柴油机、电机等的动作响应指令控制，是最基本的闭环控制。第二层是自动节流控制系统与回压补偿系统两个模块的独立单元闭环控制，各自响应上位系统下达的控制指令，进行独立完成相应阀位、阀门倒换、流程倒换等动作，并独立完成优化决策控制参数、选择控制的对象(如自动节流控制系统的通道选择)、在线设备自我诊断等等工作。第三层是监测与控制系统，是控压钻井系统的“大脑”，其实时采集第二层结构上传的工程和设备参数，以及输入的井筒相关参数，进行实时计算、分析、决策井口套压控制目标，并给自动节流控制系统本地监控中心、回压补偿系统本地监控中心下达控制指令或者动作执行指令。

前三层控制策略是目前控压钻井系统现场控制核心，每一层控制均应用到不同的模型预测控制算法，但其核心均是1978年J．Richalet等就提出的内部(预测)模型、参考轨迹、控制算法即预测模型、滚动优化和反馈控制的思想。第四层是远程协调控制系统，借助于实时数据远传系统，监测与控制系统把所有现场参数以及视频等传送会后方基地，基地专家系统根据现场情况以及历史数据库进行专家学习、分析与决策，进行远程协同指挥。随着网络信息技术的发展，远程协同控制系统将在不远的将来发挥更大的作用。

按照模块化、分层控制方式的优点在于满足现场生产的各种类型装备，根据现场需要进行自由组合、灵活搭配，不要求所有装备全上现场，只要设备数据接口统一，相同设备不同系列化的产品均可“即插即用”组建适合现场需要的控压钻井系统。

三、CQMPD－I型精细控压钻井系统集成监控软件研发

CQMPD－I型精细控压钻井系统集成监控软件是控压钻井系统最关键部分，是控压钻井系统的“大脑”，主要包括数据采集(传感器采集模块、录井数据共享模块、PWD(MWD)数据共享模块)、水力学及压力控制决策模块、系统控制接口模块等软硬件组成。控压钻井系统集成控制软件可以实时监测、诊断、处理、分析现场立压、套压、流量、实测井