在经济模型预测控制框架下基于水力机械比能提升钻井过程的安全与效率

中文题目：在经济模型预测控制框架下基于水力机械比能提升钻井过程的安全与效率

论文题目：Improving Drilling Efficiency and Safety Based on Hydraulic Mechanical Specific Energy in the Framework of Economic Model Predictive Control

录用期刊/会议：SPE Journal (JCR Q1 TOP)

原文DOI：https://doi.org/10.2118/214292-PA

录用/见刊时间：2023年2月8日

作者列表：

1）徐宝昌 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系 教师

2）孟卓然 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化专业 博 20

3）刘伟 中国石油集团工程技术研究院有限公司

4）罗雄麟 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系 教师

5）陈贻祺 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化专业 博 21

摘要:

在钻井过程中，司钻难以保证连续可靠地调节地面钻压、地面转速和泥浆泵流量等操纵变量。这将导致更加高效、稳定的钻井方案无法被实时获取，且钻井过程过于保守或激进。特别地，当钻井环境恶劣时，例如钻遇压力窗口较窄的硬沉积时，钻井安全与效率的协同控制技术就变成了一种必须品而不仅仅是一种选择。因此，我们提出了一种区间经济模型预测控制—非线性模型预测控制—Lyapunov模型预测控制的综合控制策略来优化水力机械比能并稳定井底压力。正常钻进过程中，ZoneEMPC通过操作转速、钻压、泥浆泵流量、节流阀开度实现HMSE最小化，与此同时，其跟踪性能保证了井底压力维持在压力窗口内；然而，当遇到高压地层(非储层)并伴有气侵发生时，由于ZoneEMPC的跟踪性能变差，控制器将切换至NMPC并调节井底压力快速达到新的设定区间，当到达新的压力区间时，控制器再次被切换至ZoneEMPC并重新优化HMSE；另外，实际工程中由于泥浆脉冲测量技术的传输速率不足以满足实时控制，因此，当井下测量数据发生传输延迟时，控制器切换至LMPC以保证系统的闭环稳定性。

背景与动机:

钻井是了解地质信息与资源勘探的重要手段，在不增加新工艺的基础上，钻井工程的安全性与经济性取决于钻井过程的优化与控制。然而，由于复杂的地质环境与系统间的耦合关系，其安全性与经济性难以同时提升，经济性主要包括提高钻头的破岩效率并获得更理想的机械钻速；安全性主要包括钻进过程中遇到的地层特征变化。因此，研究可靠的钻井过程协同控制技术对于稳定井底压力、减弱复杂事故的发生以及提升钻井效率至关重要。

设计与实现:

1 模型

1）水力机械比能

2）环空水力学模型

3）集总参数管柱力学模型

4）机械钻速模型

5）摩擦系数计算模型

6）钻压传递模型

2 控制流程

基于上述模型，设计如下切换控制流程

图1 切换控制流程

其中，区间经济模型预测控制（ZoneEMPC）与Lyapunov模型预测控制两种控制算法结构如下：

1）ZoneEMPC

目标函数如下：

2）LMPC

目标函数与Lyapunov约束如下：

实验结果及分析:

本研究利用中国塔里木地区一口垂直井的钻井数据集对控制策略进行验证，结果表明，所提出的综合控制策略能够提升机械钻速，尤其是在岩石强度较高的地层，同时保证在不同工况下快速、稳定的调节井底压力。为了验证综合控制策略的控制效果，随机设定不同深度发生时变测量延时。图2(a)、2(b)分别展示了10168—10397ft深度下ZoneEMPC—NMPC与ZoneEMPC—NMPC—LMPC两种控制策略对井底压力的控制效果，图3表示综合控制策略实施后ROP与比能的变化曲线，图4表示各个操控变量的变化曲线。数值模拟直观地说明了系统反馈环节存在测量延时时，LMPC控制器通过减小节流阀开度与调节泥浆泵流量避免了井底压力发生剧烈振动，ROP的提升得益于ZoneEMPC的优化求解，基于该数据，算法推荐了较低的转速(40rad/min)与较高的钻压，此时比能值将最小。另外需要注意，比能为零意味着控制器切换至LMPC。

图2 a) ZoneEMPC—NMPC切换过程对井底压力的影响 b) ZoneEMPC—NMPC—LMPC切换过程对井底压力的影响

图3 a) 机械比能变化曲线 b) 机械钻速变化曲线

图4 a)节流阀开度 b)泥浆泵流量 c)转速 d)钻压

结论:

1） 为了提高机械钻速和稳定井底压力，将HMSE、ROP、MPD等多个子系统模型相结合，在一定程度上更真实地反映了实际钻井过程。采用固定移动窗口法对Bourgoyne-Young模型进行参数辨识，增强了模型的实用性。工程师还可以根据经验或要求对模型参数进行评估和校准。

2） ZoneEMPC算法首次被应用于优化机械钻速与调控井底压力。与传统策略的不同之处在于该方法集成了优化模式与控制模式且不需要进行两种模式的切换。一般来说，算法仅能得到最优的ROP、RPM、WOB，但通过本方法还可以得到节流阀开度(集成了控压钻井装备)。在本文测试的数据段中，机械钻速平均提高了77%和2.7倍，井底压力可以维持在设定区间。

3） 从降低成本的角度考虑，LMPC方法可以解决钻井过程带来的数据延迟问题。随着井深的增加，井下数据（如本文讨论的井底压力）在传输过程中发生的测量延迟会降低控制精度，而LMPC算法通过模型预测与Lyapunov约束保证井底压力在合理的压力窗口内。

4） 基于ZoneEMPC—NMPC—LMPC的综合控制策略提供了一种优化与控制紧密结合的一体化框架。如果提供了更有效更全面的钻井过程评价指标，则算法的目标函数与系统模型均可以拓展。

作者简介:

徐宝昌，副教授，博士生导师，长期从事复杂系统的建模与先进控制；钻井过程自动控制技术；井下信号的测量与处理；多传感器信息融合与软测量技术等方面的研究工作。现为中国石油学会会员，中国化工学会信息技术应用专业委员会委员。曾参与多项国家级、省部级科研课题的科研工作，并在国内外核心刊物发表了论文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收录30余篇。