智能控压钻井控制技术试验研究

吴红建（长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

郗凤亮（渤海钻探工程公司钻井技术服务分公司，天津 300457）

柯晓华（长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

随着现今社会能源需求的不断增加，我国油气矿产资源的勘探与开发逐步向深部复杂地层不断发展，安全快速钻井的技术要求日趋迫切，而钻遇深部复杂地层时的窄密度窗口问题越来越突出，甚至成为阻碍钻井行业快速发展的技术瓶颈。由于上述钻井难题，控压钻井技术研究获得高度重视和发展，该技术方法可有效缓解诸如井涌、井漏、井塌、卡钻、堵钻、有害气体泄漏等问题。目前，国外的控压钻井系统已获得成功推广和应用，典型装备主要有3大类：斯伦贝谢公司的DAPC系统、哈里伯顿公司的MPD系统和Weatherford的MFC系统，但其系统只提供技术服务，且价格昂贵。中石油已在新疆、四川、华北、冀东、大港等油田和地区成功应用了数十井次的控压钻井技术服务，取得了显著的经济效益。中石油钻井院率先设计了以压力和流量为控制目标的PCDS－I精细控压钻井系统，中国石油大学（华东）开发了1套井口压力实时监控系统，长江大学、西南石油大学、渤海钻探、川庆钻探等高校和科研院所针对控压钻井技术难点问题开展了深入研究，取得了一些阶段性成果，逐步应用于钻井实践。

为了更为有效地解决深部复杂地层的窄密度窗口等问题，基于自动化、快速响应、精确控制的技术目标，在控压钻井系统应用和研究发展的基础上，智能控压钻井技术应运而生。智能控压钻井技术通过其独特的专家系统智能识别和控制，实现精细控制井筒压力剖面、快速安全钻井，井底压力始终保持在地层孔隙压力和地层破裂压力范围之间，且与地层孔隙压力始终处于平衡或近平衡状态，自动控制侵入和漏失，能够有效地保护油气层。

1 智能控压钻井系统的工作原理和主体构成

智能控压钻井技术是有效解决窄密度窗口等井下复杂问题的钻井新技术，系统通过特定的技术手段进行环空压力剖面的精细控制，实现井筒压力动态实时监控，以提高快速钻进复杂井段的能力，有效阻止钻井液流入地层而造成的储层伤害。该系统内嵌专家模块，具有智能识别和自动过渡工况、人工干预等多种功能，满足复杂地层条件下的精细控压钻井。

1.1 工作原理

智能控压钻井系统的基本工作原理是：实时采集立管压力、井口回压、钻井液入口流量、出口流量、回压泵流量、钻井液密度等工艺参数以及录井设备获取的大钩速度、钻头位置、钻进深度等井场数据；同时内嵌的专家模块进行合理的逻辑判断和精确的水力计算；同步实时比对实际井口回压（或出口流量）实测值与目标值，数字控制器依据二者的偏差值发出节流阀开度大小的调控指令，自动调节节流阀的开度大小以改变井口处的出口流量或井口回压，间接实现环空压力剖面和井底压力精细控制的目标。

智能控压钻井技术的核心测控指标是出口流量和井口回压。出口流量和井口回压的调节主要通过控压钻井装备来实现，该装备主要由回压泵系统、节流管汇系统、控制中心等组成。整个控制系统围绕压力剖面控制指标，进行 “开泵、停泵、正常钻进、起下钻、接单根（立柱）、重浆顶替”钻井全过程实时监控。其控制技术的主体是一个采用旋转控制头、专用控制器和传感器等设备组成封闭可控的钻井液返回系统，测控装置是其核心装备。

1.2 测控装置

测控装置是智能控压钻井装备的核心部分，主要由上位机（工业控制计算机）及其配套软件、下位机（专用数字控制器）与控制柜、钻井工艺参数数字信号采集板、现场一次仪表（压力／流量检测变送器）、节流阀和平板阀及其伺服执行器件等组成［1～3］。

上位机配套软件包括两大部分：钻井水力计算子程序，其功能是根据钻井水力学模型完成实时计算和控制指令处理；测控人／机交互子程序（HMI），其功能是根据实时工况完成基础数据的录入和界面控制指令的操作。专用数字控制器是测控装置的核心处理单元，其功能是：①采集现场一次仪表的数据检测值并发送至控制中心；②根据控压钻井控制模式的要求，进行控制运算和处理，控制节流阀的开度，调节回压或者流量；③与此同时，它还实时采集反馈数据，不间断循环进行下一轮闭环控制。根据智能控压钻井技术特点和要求，测控装置设计有恒压控制和恒流控制两大功能子系统。

2 控制方案设计

目前，PID（按比例积分微分控制）是工业生产中最常用的一种控制方式，它适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，或控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，此时应用PID控制技术最为方便。PID参数自整定控制仪可选择给定（或阀位）控制功能，可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID参数外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出），可实现自动／手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动／自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号，比如压力控制系统采用压力传感器，利用PID控制实现的压力、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC）闭环控制。综上所述，智能控压钻井测控系统采用PID控制是一种较为理想的选择，PID控制器参数的自动调整通过智能化调整或自校正、自适应的算法来实现。

智能控压钻井系统不单是常规控压钻井系统升级，除了智能识别外，可综合地层资料设计控制参数，兼有恒压控制和恒流控制（即井底恒压和微流量）2种工作模式，且两种模式可以相互切换，提高复杂井段钻进的安全性，更有利于储层保护［4～6］。恒压控制子系统和恒流控制子系统共用一套装备，对应各自模式与工况执行不同的控制模型和算法进行控制。为确保控制系统的可靠性，智能控压钻井装备实行检测装置与执行机构（节流阀和平板阀）“用一备一”的冗余技术，同时上位机的HMI界面提供便捷的冗余设备选用操作。

2.1 恒压控制

恒压控制：钻进过程中，保持近钻头井底压力恒定（井底恒压模式）或保持井口回压恒定（测试待定模式），通过调节节流管汇上节流阀的开度控制井口回压来间接实现，其结构流程如图1所示。

从恒压控制结构流程图可以看出，测试待定模式与井底恒压模式的区别是：井口压力目标值是由HMI界面直接给定还是由钻井水力学子程序软件计算给出。下位机（专用数字控制器）的功能是：钻井作业过程中循环控制井口回压实测值与设定值趋于一致。因此下位机实际是一个典型的闭环控制系统。恒压控制子系统控制模型如图2所示。

图1 恒压控制结构流程图

图2 恒压控制子系统模型

由图3可知，井口压力设定值的计算由系统上位机完成，专用控制器实现井口压力闭环恒压控制。由于压力调节响应速度较快，可视为无滞后二阶惯性环节。针对二阶惯性环节，PI（比例积分）控制算法具有良好的控制性能。因此，这里采用PI控制算法，其控制的数学模型如图3所示。

而控制量：

图3 恒压控制数学模型

式中：U（t）为控制量；Kp为比例放大系数；Ki为积分时间常数；dt为微／积分变量；t为时间变量。为便于软件实现，对式（1）进行离散化，即：

2.2 恒流控制

恒流控制：钻井过程中保持进出口微流量的相对恒定（井口微流量控制），通过调节节流管汇中节流阀的开口大小实现对井口微流量的直接控制，最终完成井底漏失或侵入的早期监控。其控制结构流程图如图4所示。

从恒流控制系统的结构组成可知，井口流量设定值实际由水力学子程序软件给出。下位机（专用数字控制器）的功能是：钻井作业过程中保持井口实际流量与设定流量趋于一致，实现微流量闭环控制，其控制模型如图5所示。

图4 微流量控制结构流程图

图5 微流量控制系统模型

从图5可知，井口流量设定值由系统上位机完成，专用控制器实现井口微流量的闭环控制。由于流量调节响应速度较慢，可视为有滞后二阶惯性环节。针对有滞后二阶惯性环节，PID控制算法具有很好的控制性能。其数学模型如图6所示。

而控制量：

图6 恒流控制数学模型

为便于软件实现，对式（4）进行离散化：

式中：KQ为PID控制器的放大系数；KP为PID控制器的比例放大系数；KD为微分时间常数。

3 模拟测试试验

3.1 通信测试

通信测试包括串口测试和以太网测试，将测控装置的控制器与PC机通过RS232和交叉网线分别连接，分别打开串口调试助手和网络调试助手，可在各助手界面上看到采集的6路模拟通道信息。图7显示的是当只有第5路接入2.9V电压值时的串口通信测试结果；图8所示的是6路模拟通道采集模拟信号数据的测试结果。测试结果表明设计的采集方案可行性好，能够满足测控装置采集和发送数据的需求。

图7 模拟通道串口测试

图8 模拟通道以太网测试

3.2 交互测试

智能控压钻井系统配套的测控人／机交互软件（HMI）不仅需要采集到外部数值，而且要求能够根据采集到的信息进行处理，并给出相应的模拟反应。交互测试的结果如图9所示。专用数字控制器完成了指令的双向传输，模拟流量／压力的执行反馈响应快速，测试结果表明智能控压钻井系统控制方案设计合理可行，可进行系统后续方案的规划设计。

图9 交互测试采集信息模拟反馈的界面

4 结语

智能控压钻井技术因其显著的安全性和时效性等技术优势，目前已成为国内钻井技术研究攻关的一个新热点。结合控压钻井智能化的发展趋势，对智能控压钻井的控制技术进行探索研究，取得了一些研究成果：

1）根据智能控压钻井压力控制和流量控制的特点，设计了基于这2种工作模式下的测控装置。

2）研究设计了恒压控制和恒流控制子系统的结构与PID控制方法，建立了全过程监控的控制模型。

3）初步完成了通讯性能测试和数据交互反馈测试，测试结果满足智能控压钻井测控技术要求。

［1］王孝武，方敏 .自动控制理论 ［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］胡寿松 .自动控制原理 ［M］.第5版 .北京：科学出版社，2007.

［3］蒋宏伟，周英操 .控压钻井关键技术研究 ［J］.石油矿场机械，2012，41（1）：1～5.

［4］周英操，杨雄文 .窄窗口钻井难点分析与技术对策 ［J］.石油机械，2010，38（4）：3～7.

［5］杨雄文，周英操 .控压钻井系统特性分析与关键工艺实现方法 ［J］.石油机械，2011，39（10）：39～44.

［6］姜建胜，李奔 .国外钻井液微流量控制系统的开发与应用 ［J］.石油机械，2008，36（2）：71～74.