论文题目：基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略研究

录用期刊/会议：控制工程(北大核心期刊)

见刊时间：2024.3.26

作者列表：

1）徐宝昌 中国石油大学（北京）人工智能学院 自动化系 教师

2）卢瑶瑶 中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 研20

3）孟卓然 中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博20

4）刘   伟 中国石油集团工程技术研究院有限公司

摘要:

随着钻井自动化程度的提高，钻井目标逐渐趋向于经济、安全和有效的统一，传统钻井工程的控制仅靠司钻经验完成，在控制精度和钻井效率方面难以满足钻井需求。为此，提出一个基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略，在安全压力窗口内实现高效钻井。上层以最优机械比能为优化目标，结合压力窗口等硬约束进行稳态优化，得到当前工况下的最优钻井参数。下层将上层得到的部分参数作为优化设定值，结合井底压力控制目标进行优化控制。实验结果表明，控制策略在满足安全条件的情况下，能综合提升机械钻速与钻井效率，并实现钻井参数的自动优化。

背景与动机:

当前，随着石油开采行业的不断发展，石油开采工程逐渐向更为复杂的地层开展，合理的控制策略不可或缺。司钻在钻井时无法连续监测与调整控制过程，这将限制钻井性能的提升，而钻井参数的自动优化能改善这一情况。因此，设计钻井系统时应考虑井底安全情况和参数自动优化。本文提出一种基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略。上层使用地层压力窗口约束，在安全范围内提升钻井效率。下层针对钻井系统的非线性特性，使用非线性模型预测控制作为先进控制器，精准控制井底压力。上下层以递阶结构的形式构成闭环优化，保证钻井性能的稳步改善。

设计与实现:

（1）闭环优化系统控制策略

优化层和控制层构成递阶控制回路，该回路包含机械钻速优化模块与动态控制器。优化层以最小化水力机械比能（HMSE）与侧限抗压强度（CCS）的差值为最优目标，在每次优化计算前根据接收的参数更新内部模型，从而优化求解得出当前状态下的最佳井底钻压与井底转速，并将这些优化值作为下层控制器的设定值。控制层采用非线性预测控制器作为动态控制器，以顶驱转速、地面钻压和节流阀开度为操纵变量，井底钻压、钻头转速和井底压力为被控变量，动态跟踪上层稳态优化给出的设定值。

图 1 闭环优化系统控制策略

（2）闭环优化与控制系统模型

简要描述文中涉及模型，主要模型为HMSE模型、CCS模型、机械钻速模型及环空水力学模型。

HMSE模型：

CCS模型：

机械钻速模型/Bourgoyne-Young模型：

环空水力学模型：

（3）闭环优化控制策略设计

上层优化层的设计思路是将当量循环密度约束在地层压力与破裂压力之间，在安全的地层压力窗口内实现优化目标的计算。优化问题的描述如下所示：

下层动态控制通过操纵井上变量跟踪井下最优目标，实现对井底压力的高精度控制。优化问题的描述如下所示：

实验结果及分析:

为验证本文所提闭环优化系统的可行性，本文利用 GEKKO离散模型并求解最优问题，实现优化层与控制层的优化算法。基于塔里木地区某井的垂直井段部分实测数据进行实验，该数据分为井下10168—10400英尺与11794—12038英尺两段。可以看出，数据段1的机械钻速在10225—10270英尺处提升近2倍，在10375—10400英尺处提升了1倍左右；而数据段2的机械钻速在11875—11950英尺和12010—12038英尺处提升近3.5倍。

图2a 10168-10400英尺机械钻速优化结果

图2b 11794-12038英尺机械钻速优化结果

图 2 不同深度下机械钻速的优化曲线

为满足钻井需求，在优化层设置合适的优化周期，并将优化后的钻井参数周期性地传递至控制层。图3、图4分别为10168—10400英尺与11794—12038英尺处的压力窗口与井底压力控制情况。另一方面，为验证控制转速的必要性，本文通过选择不同的操控变量对比控制性能的优劣。

图 3 10168-10400英尺井底压力控制情况

图 4 11794-12038英尺井底压力控制情况

仿真结果表明：缺乏转速控制的井底压力在跟踪参考压力时有5—10bar的误差，且在控制的初始阶段波动较大，而带有转速控制的井底压力能准确地跟踪参考压力。对于第二段数据，在11794—12820英尺及11840—11870英尺处能观察到以上相似情况。因此，井底压力的调控需要转速的控制作用。

小结:

(1)在机械钻速优化模块约束了当量循环密度，同时以最小化HMSE与CCS作为优化目标。对比实际数据，优化层实现了对当量循环密度的约束，不仅提升了机械钻速，还提高了钻井效率，降低了钻井过程中的能量损耗。

(2)动态控制层周期性地接收优化层传递的钻井参数，并操纵节流阀开度、地面钻压和顶驱转速协同控制井底压力等各变量，既能保证安全且高效率的钻井工作，又能实现控制目标。同时，钻井参数的自动优化减轻了钻井人员的工作负担，使其能专注于更加复杂的钻井工作。

(3)在本文提出的闭环优化控制策略中，钻井参数的优化周期需要现场工作人员根据实际钻井需求给出，且机械钻速优化层需要大量准确的现场数据，而数据的质量直接影响优化结果。

作者简介:

徐宝昌，教授，博士生导师/硕士生导师。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。