基于遞階結構的鉆井系統閉環優化控制策略研究
論文題目：基于遞階結構的鉆井系統閉環優化控制策略研究
錄用期刊/會議：控制工程(北大核心期刊)
見刊時間：2024.3.26
作者列表：
1）徐寶昌 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系 教師
2）盧瑤瑤 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 研20
3）孟卓然 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博20
4）劉 偉 中國石油集團工程技術研究院有限公司
摘要:
隨著鉆井自動化程度的提高，鉆井目標逐漸趨向于經濟、安全和有效的統一，傳統鉆井工程的控制僅靠司鉆經驗完成，在控制精度和鉆井效率方面難以滿足鉆井需求。為此，提出一個基于遞階結構的鉆井系統閉環優化控制策略，在安全壓力窗口內實現高效鉆井。上層以最優機械比能為優化目標，結合壓力窗口等硬約束進行穩態優化，得到當前工況下的最優鉆井參數。下層將上層得到的部分參數作為優化設定值，結合井底壓力控制目標進行優化控制。實驗結果表明，控制策略在滿足安全條件的情況下，能綜合提升機械鉆速與鉆井效率，并實現鉆井參數的自動優化。
背景與動機:
當前，隨著石油開采行業的不斷發展，石油開采工程逐漸向更為復雜的地層開展，合理的控制策略不可或缺。司鉆在鉆井時無法連續監測與調整控制過程，這將限制鉆井性能的提升，而鉆井參數的自動優化能改善這一情況。因此，設計鉆井系統時應考慮井底安全情況和參數自動優化。本文提出一種基于遞階結構的鉆井系統閉環優化控制策略。上層使用地層壓力窗口約束，在安全范圍內提升鉆井效率。下層針對鉆井系統的非線性特性，使用非線性模型預測控制作為先進控制器，精準控制井底壓力。上下層以遞階結構的形式構成閉環優化，保證鉆井性能的穩步改善。
設計與實現:
（1）閉環優化系統控制策略
優化層和控制層構成遞階控制回路，該回路包含機械鉆速優化模塊與動態控制器。優化層以最小化水力機械比能（HMSE）與側限抗壓強度（CCS）的差值為最優目標，在每次優化計算前根據接收的參數更新內部模型，從而優化求解得出當前狀態下的最佳井底鉆壓與井底轉速，并將這些優化值作為下層控制器的設定值?？刂茖硬捎梅蔷€性預測控制器作為動態控制器，以頂驅轉速、地面鉆壓和節流閥開度為操縱變量，井底鉆壓、鉆頭轉速和井底壓力為被控變量，動態跟蹤上層穩態優化給出的設定值。
圖 1 閉環優化系統控制策略
（2）閉環優化與控制系統模型
簡要描述文中涉及模型，主要模型為HMSE模型、CCS模型、機械鉆速模型及環空水力學模型。
HMSE模型：
CCS模型：
機械鉆速模型/Bourgoyne-Young模型：
環空水力學模型：
（3）閉環優化控制策略設計
上層優化層的設計思路是將當量循環密度約束在地層壓力與破裂壓力之間，在安全的地層壓力窗口內實現優化目標的計算。優化問題的描述如下所示：
下層動態控制通過操縱井上變量跟蹤井下最優目標，實現對井底壓力的高精度控制。優化問題的描述如下所示：
實驗結果及分析:
為驗證本文所提閉環優化系統的可行性，本文利用 GEKKO離散模型并求解最優問題，實現優化層與控制層的優化算法?；谒锬镜貐^某井的垂直井段部分實測數據進行實驗，該數據分為井下10168—10400英尺與11794—12038英尺兩段。可以看出，數據段1的機械鉆速在10225—10270英尺處提升近2倍，在10375—10400英尺處提升了1倍左右；而數據段2的機械鉆速在11875—11950英尺和12010—12038英尺處提升近3.5倍。
圖2a 10168-10400英尺機械鉆速優化結果
圖2b 11794-12038英尺機械鉆速優化結果
圖 2 不同深度下機械鉆速的優化曲線
為滿足鉆井需求，在優化層設置合適的優化周期，并將優化后的鉆井參數周期性地傳遞至控制層。圖3、圖4分別為10168—10400英尺與11794—12038英尺處的壓力窗口與井底壓力控制情況。另一方面，為驗證控制轉速的必要性，本文通過選擇不同的操控變量對比控制性能的優劣。
圖 3 10168-10400英尺井底壓力控制情況
圖 4 11794-12038英尺井底壓力控制情況
仿真結果表明：缺乏轉速控制的井底壓力在跟蹤參考壓力時有5—10bar的誤差，且在控制的初始階段波動較大，而帶有轉速控制的井底壓力能準確地跟蹤參考壓力。對于第二段數據，在11794—12820英尺及11840—11870英尺處能觀察到以上相似情況。因此，井底壓力的調控需要轉速的控制作用。
小結:
(1)在機械鉆速優化模塊約束了當量循環密度，同時以最小化HMSE與CCS作為優化目標。對比實際數據，優化層實現了對當量循環密度的約束，不僅提升了機械鉆速，還提高了鉆井效率，降低了鉆井過程中的能量損耗。
(2)動態控制層周期性地接收優化層傳遞的鉆井參數，并操縱節流閥開度、地面鉆壓和頂驅轉速協同控制井底壓力等各變量，既能保證安全且高效率的鉆井工作，又能實現控制目標。同時，鉆井參數的自動優化減輕了鉆井人員的工作負擔，使其能專注于更加復雜的鉆井工作。
(3)在本文提出的閉環優化控制策略中，鉆井參數的優化周期需要現場工作人員根據實際鉆井需求給出，且機械鉆速優化層需要大量準確的現場數據，而數據的質量直接影響優化結果。
作者簡介:
徐寶昌，教授，博士生導師/碩士生導師。長期從事復雜系統的建模與先進控制；鉆井過程自動控制技術；井下信號的測量與處理；多傳感器信息融合與軟測量技術等方面的研究工作?，F為中國石油學會會員，中國化工學會信息技術應用專業委員會委員。曾參與多項國家級、省部級科研課題的科研工作，并在國內外核心刊物發表了論文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄30余篇。