科研動(dòng)態(tài)
基于遞階結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的鉆井系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化控制策略研究
錄用期刊/會(huì)議：控制工程(北大核心期刊)
見(jiàn)刊時(shí)間：2024.3.26
作者列表：
1）徐寶昌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 教師
2）盧瑤瑤 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 研20
3）孟卓然 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博20
4）劉 偉 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司
摘要:
隨著鉆井自動(dòng)化程度的提高，鉆井目標(biāo)逐漸趨向于經(jīng)濟(jì)、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(yàn)完成，在控制精度和鉆井效率方面難以滿(mǎn)足鉆井需求。為此，提出一個(gè)基于遞階結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)高效鉆井。上層以最優(yōu)機(jī)械比能為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合壓力窗口等硬約束進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，得到當(dāng)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(shè)定值，結(jié)合井底壓力控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制策略在滿(mǎn)足安全條件的情況下，能綜合提升機(jī)械鉆速與鉆井效率，并實(shí)現(xiàn)鉆井參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化。
背景與動(dòng)機(jī):
當(dāng)前，隨著石油開(kāi)采行業(yè)的不斷發(fā)展，石油開(kāi)采工程逐漸向更為復(fù)雜的地層開(kāi)展，合理的控制策略不可或缺。司鉆在鉆井時(shí)無(wú)法連續(xù)監(jiān)測(cè)與調(diào)整控制過(guò)程，這將限制鉆井性能的提升，而鉆井參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化能改善這一情況。因此，設(shè)計(jì)鉆井系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮井底安全情況和參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化。本文提出一種基于遞階結(jié)構(gòu)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(duì)鉆井系統(tǒng)的非線(xiàn)性特性，使用非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制作為先進(jìn)控制器，精準(zhǔn)控制井底壓力。上下層以遞階結(jié)構(gòu)的形式構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化，保證鉆井性能的穩(wěn)步改善。
設(shè)計(jì)與實(shí)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(gòu)成遞階控制回路，該回路包含機(jī)械鉆速優(yōu)化模塊與動(dòng)態(tài)控制器。優(yōu)化層以最小化水力機(jī)械比能（HMSE）與側(cè)限抗壓強(qiáng)度（CCS）的差值為最優(yōu)目標(biāo)，在每次優(yōu)化計(jì)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(dāng)前狀態(tài)下的最佳井底鉆壓與井底轉(zhuǎn)速，并將這些優(yōu)化值作為下層控制器的設(shè)定值?？刂茖硬捎梅蔷€(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器作為動(dòng)態(tài)控制器，以頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、地面鉆壓和節(jié)流閥開(kāi)度為操縱變量，井底鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速和井底壓力為被控變量，動(dòng)態(tài)跟蹤上層穩(wěn)態(tài)優(yōu)化給出的設(shè)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(jiǎn)要描述文中涉及模型，主要模型為HMSE模型、CCS模型、機(jī)械鉆速模型及環(huán)空水力學(xué)模型。
HMSE模型：
CCS模型：
機(jī)械鉆速模型/Bourgoyne-Young模型：
環(huán)空水力學(xué)模型：
（3）閉環(huán)優(yōu)化控制策略設(shè)計(jì)
上層優(yōu)化層的設(shè)計(jì)思路是將當(dāng)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的計(jì)算。優(yōu)化問(wèn)題的描述如下所示：
下層動(dòng)態(tài)控制通過(guò)操縱井上變量跟蹤井下最優(yōu)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井底壓力的高精度控制。優(yōu)化問(wèn)題的描述如下所示：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
為驗(yàn)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(wèn)題，實(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jī)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(jī)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(jī)械鉆速優(yōu)化結(jié)果
圖2b 11794-12038英尺機(jī)械鉆速優(yōu)化結(jié)果
圖 2 不同深度下機(jī)械鉆速的優(yōu)化曲線(xiàn)
為滿(mǎn)足鉆井需求，在優(yōu)化層設(shè)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(yàn)證控制轉(zhuǎn)速的必要性，本文通過(guò)選擇不同的操控變量對(duì)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(jié)果表明：缺乏轉(zhuǎn)速控制的井底壓力在跟蹤參考?jí)毫r(shí)有5—10bar的誤差，且在控制的初始階段波動(dòng)較大，而帶有轉(zhuǎn)速控制的井底壓力能準(zhǔn)確地跟蹤參考?jí)毫?。?duì)于第二段數(shù)據(jù)，在11794—12820英尺及11840—11870英尺處能觀(guān)察到以上相似情況。因此，井底壓力的調(diào)控需要轉(zhuǎn)速的控制作用。
小結(jié):
(1)在機(jī)械鉆速優(yōu)化模塊約束了當(dāng)量循環(huán)密度，同時(shí)以最小化HMSE與CCS作為優(yōu)化目標(biāo)。對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)，優(yōu)化層實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)量循環(huán)密度的約束，不僅提升了機(jī)械鉆速，還提高了鉆井效率，降低了鉆井過(guò)程中的能量損耗。
(2)動(dòng)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(kāi)度、地面鉆壓和頂驅(qū)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。同時(shí)，鉆井參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化減輕了鉆井人員的工作負(fù)擔(dān)，使其能專(zhuān)注于更加復(fù)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(chǎng)工作人員根據(jù)實(shí)際鉆井需求給出，且機(jī)械鉆速優(yōu)化層需要大量準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響優(yōu)化結(jié)果。
作者簡(jiǎn)介:
徐寶昌，教授，博士生導(dǎo)師/碩士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事復(fù)雜系統(tǒng)的建模與先進(jìn)控制；鉆井過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)；井下信號(hào)的測(cè)量與處理；多傳感器信息融合與軟測(cè)量技術(shù)等方面的研究工作?，F(xiàn)為中國(guó)石油學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)信息技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研課題的科研工作，并在國(guó)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。