基于遞階結構的鉆井系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化控制策略研究
論文題目：基于遞階結構的鉆井系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)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(jīng)濟、安全和有效的統(tǒng)一，傳統(tǒng)鉆井工程的控制僅靠司鉆經(jīng)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(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化控制策略，在安全壓力窗口內(nèi)實現(xiàn)高效鉆井。上層以最優(yōu)機械比能為優(yōu)化目標，結合壓力窗口等硬約束進行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，得到當前工況下的最優(yōu)鉆井參數(shù)。下層將上層得到的部分參數(shù)作為優(yōu)化設定值，結合井底壓力控制目標進行優(yōu)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(xiàn)鉆井參數(shù)的自動優(yōu)化。
背景與動機:
當前，隨著石油開采行業(yè)的不斷發(fā)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(xù)監(jiān)測與調(diào)整控制過程，這將限制鉆井性能的提升，而鉆井參數(shù)的自動優(yōu)化能改善這一情況。因此，設計鉆井系統(tǒng)時應考慮井底安全情況和參數(shù)自動優(yōu)化。本文提出一種基于遞階結構的鉆井系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化控制策略。上層使用地層壓力窗口約束，在安全范圍內(nèi)提升鉆井效率。下層針對鉆井系統(tǒng)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(huán)優(yōu)化，保證鉆井性能的穩(wěn)步改善。
設計與實現(xiàn):
（1）閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)控制策略
優(yōu)化層和控制層構成遞階控制回路，該回路包含機械鉆速優(yōu)化模塊與動態(tài)控制器。優(yōu)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(yōu)目標，在每次優(yōu)化計算前根據(jù)接收的參數(shù)更新內(nèi)部模型，從而優(yōu)化求解得出當前狀態(tài)下的最佳井底鉆壓與井底轉速，并將這些優(yōu)化值作為下層控制器的設定值。控制層采用非線性預測控制器作為動態(tài)控制器，以頂驅(qū)轉速、地面鉆壓和節(jié)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(tài)跟蹤上層穩(wěn)態(tài)優(yōu)化給出的設定值。
圖 1 閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)控制策略
（2）閉環(huán)優(yōu)化與控制系統(tǒng)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(huán)空水力學模型。
HMSE模型：
CCS模型：
機械鉆速模型/Bourgoyne-Young模型：
環(huán)空水力學模型：
（3）閉環(huán)優(yōu)化控制策略設計
上層優(yōu)化層的設計思路是將當量循環(huán)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(nèi)實現(xiàn)優(yōu)化目標的計算。優(yōu)化問題的描述如下所示：
下層動態(tài)控制通過操縱井上變量跟蹤井下最優(yōu)目標，實現(xiàn)對井底壓力的高精度控制。優(yōu)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(huán)優(yōu)化系統(tǒng)的可行性，本文利用 GEKKO離散模型并求解最優(yōu)問題，實現(xiàn)優(yōu)化層與控制層的優(yōu)化算法?；谒锬镜貐^(qū)某井的垂直井段部分實測數(shù)據(jù)進行實驗，該數(shù)據(jù)分為井下10168—10400英尺與11794—12038英尺兩段。可以看出，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)化結果
圖2b 11794-12038英尺機械鉆速優(yōu)化結果
圖 2 不同深度下機械鉆速的優(yōu)化曲線
為滿足鉆井需求，在優(yōu)化層設置合適的優(yōu)化周期，并將優(yōu)化后的鉆井參數(shù)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(yōu)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(shù)據(jù)，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(diào)控需要轉速的控制作用。
小結:
(1)在機械鉆速優(yōu)化模塊約束了當量循環(huán)密度，同時以最小化HMSE與CCS作為優(yōu)化目標。對比實際數(shù)據(jù)，優(yōu)化層實現(xiàn)了對當量循環(huán)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(tài)控制層周期性地接收優(yōu)化層傳遞的鉆井參數(shù)，并操縱節(jié)流閥開度、地面鉆壓和頂驅(qū)轉速協(xié)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(xiàn)控制目標。同時，鉆井參數(shù)的自動優(yōu)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(huán)優(yōu)化控制策略中，鉆井參數(shù)的優(yōu)化周期需要現(xiàn)場工作人員根據(jù)實際鉆井需求給出，且機械鉆速優(yōu)化層需要大量準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)為中國石油學會會員，中國化工學會信息技術應用專業(yè)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(nèi)外核心刊物發(fā)表了論文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄30余篇。