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控压钻井自动控制系统稳态建模

2020-11-14 192 上传者：管理员

摘要：研究控压钻井自动控制的非线性模型的建模方法，利用节流阀的物理特性建立一套自动控制系统模型，该模型可以应用于钻井液不同流量、密度、排量下的控压钻井的自动控制，利用RTW(半实物仿真)将模型转化为通用实时代码，采用模块化建模方法，可以将模型推广到不同环境下的控压钻井，为控压钻井自动控制系统打下了良好的基础。应用MATLAB计算软件进行控压钻井系统中自动控制模型的编写过程，其中包括从数学模型的建立和控制模型的编写过程。

关键词：
Matlab
井口回压
控制压力钻井
控制模型
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控制压力钻井技术能够有效地保持井眼稳定性，降低钻井液漏失的风险，特别是能够实现窄密度窗口的安全钻进工程，十分有利于储层的及时发现与保护。为了实现井底压力的精准控制，一套能够精确调节控制节流阀大小的自动控制系统就成为精确控压钻井的关键，而在智能自动控制系统建立的初始阶段，建立控制模型并对其进行模拟仿真是非常重要的环节。

Matlab/Simulink及RTW(半实物仿真)仿真的环境提供了十分可靠的逻辑算法、微积分算法、图形绘制、数据处理、实时代码生成等相当便利的工具，已经成为了一种很容易被大众接受的仿真平台，作者钻研基于Matlab/Simulink的控压钻井控制系统的非线性稳态模型的建立方法，利用节流阀的物理特性建立一套自动控制的系统模型，并利用RTW加速了模型的仿真。

1、控压钻井系统物理模型的建立

控制压力钻井的过程中，井口回压是通过调节节流阀大小进行控制的，因此要对系统硬件中唯一可控节流阀进行物理建模。节流阀是通过三位四通电磁阀控制液动马达来带动柱形阀芯以调节节流阀开度的大小，随着阀口面积的变化，经过节流阀的流体的进出口压力差产生变化。

根据节流阀的节流特性建立了节流阀的四参数公式：

（公式）

式中：P——节流阀两端进出口压力差，MPa;

Q——流经节流阀流体流量，L/s;

ρ——节流阀循环流体密度，kg/cm3;

R——公式系数；

A——节流阀节流面积，cm2。

2、控压钻井数学模型的建立

通过公式（1）对控制系统进行数学建模，首先将公式进行线性化变形：

（公式）

应用Matlab数值计算拟合工具箱，通过线性回归的方法计算出公式未知量R、a、b、c的值，计算结果带入公式中进行整理得出节流阀的四参数公式：

（公式）

分析公式，公式中过流面积A的大小受节流阀开度变化影响，根据节流阀基础数据中节流阀开度与当量直径的曲线关系，通过当量直径计算出节流阀的过流面积，从而确定开度K与过流面积A的关系，利用Cftool命令根据有限的点进行拟合，拟合出其变化趋势的曲线如图1所示。

通过图形分析随着节流阀开度不断加大，流通面积也不断增大，70%以后节流阀过流面积不变，70%以前过流面积与开度之间存在着线性关系，即可以进行数据拟合。得出关系方程为：

（公式）

分析节流阀液压原理可知，系统是通过时间t的脉冲来控制三位四通换向阀的给点时间，从而控制液压马达带动涡轮蜗杆来调节节流阀的开度，因此我们要建立时间与开度的关系，通过节流阀开关试验，使节流阀开度在20%～70%内调节，获得节流阀开关步长数据，利用Matlab拟合工具显示数据的散点分布曲线，设定区间为0.03，从而去掉试验过程中因为外界因素影响的不稳定点，如图2所示为节流阀开度与时间的关系曲线回归图。

图1节流阀节流面积与开度拟合曲线

图2时间开度拟合曲线

应用Matlab拟合工具箱对节流阀开度与控制时间进行方程拟合，得出公式：

（公式）

根据公式（3）、（4）、（5）整理出关于时间t的公式，即为节流阀最终的数学模型：

（公式）

3、控压钻井系统控制模型的建立

3.1系统的控制方式

Matlab中Simulink采用模块组合方式来建模，可以准确的创建动态系统的仿真模型，特别是对控压钻井这种复杂的非线性系统，它提供了一些成熟的系统模块如非线性控制设计模块集、实时工作空间库、实时工作窗口目标库等，其中Real-timeWork半实物仿真是用Simulink设计出来的控制器直接去控制实际被控对象，通过半实物仿真过程来观察控制效果，如果效果不理想，则可以直接在Simulink上调整控制器的结构参数，直至获得满意控制结果。

3.2控制模型的建立

我们应用Matlab中半实物仿真工具箱RTW进行了控制程序的建立，如图3所示为控制程序流程。

图3控制程序流程图

数据接收模块接收采集到的流量、压力、密度等数据，经处理后将数据发送给模型计算模块，计算得出控制量T经数据发送模块通过板卡控制节流阀，实现整个闭环控制。

由数学模型（6）已知采集到的各数据之间的函数关系式，即可通过S-Functtion模块型建立传递函数，将数学模型嵌入到其中，采集到的数据P1、Q、F通过S-Functtion模块即可求当出控制井口回压为P1时节流阀的开度K1。计算出的节流阀开度K1与节流阀真实开度K2进行对比分析，使真实值与计算值之间不断反馈修正从而实现程序内部的二级反馈控制。

4、控制模型模拟试验

针对控制模型的准确性和有效性，应用压力循环系统（回压泵、钻井液罐、节流管汇、配套工具及管线）、数据采集和传输系统对控制模型进行了现场试验，在泥浆泵不同转速和密度的条件下，分别进行0.5～4MPa的压力跟随试验。

如图4所示以节流阀大泵450转条件下，压力从0.5～4MPa跟随曲线，其中a线表示流量波动，b线表示节流阀开度，d线表示节流阀实际压降，从图4中可以看出模型控制精度较好，在各压力区间，压降可以快速稳定的跟随目标压力，从3～4MPa系统响应时间不到10s，同时控制精度小于0.2MPa。

5、结论和认识

本文通过研究建立了一套基于MATLAB的控压钻井自动控制软件，经过现场试验验证，可以实现全自动闭环反馈控制，初步达到了控压钻井的需求，为控压钻井现场应用奠定了基础。

(1）应用MATLAB强大的数据处理功能建立了节流阀的物理模型和数学模型；

图4试验数据曲线

(2）应用MATLAB先进的控制算法以及控制策略，使控制系统的响应时间小于10s，控制精度达到了±0.2MPa;

(3）自动控制软件通过现场试验，验证已经达到基本要求，但还需要通过现场试验对其进行不断的改正，使其更加完善，满足精细控制压力钻井的需求。

参考文献：

[1]赵国珍,龚伟安.钻井力学基础[M].北京:石油工业出版社,1988.

[2]辜志宏,王庆群,刘峰.控制压力钻井新技术及其应用[J].石油机械,2007,35(11):68-72.