基于模型预测控制理论与状态机架构的控压钻井压力控制方法研究

MPD can precisely control wellbore pressure; effectively reduce the pressure related drilling problem. If do not take effective control methods when the complex accident occurs, as time goes on, it will evolve into a vicious drilling accidents, increased processing difficulty. In order to solve the problem that the slow control speed, low control precision and control methods empirically, the project proposes the MPD pressure control method based on model predictive control theory and state machine architecture. Establish downhole pressure and wellhead back pressure between the dynamic and build predictive models based on the wellbore hydraulics model, the pressure wave transmission characteristics model; using the composite choke manifold system to replace the backpressure pump system and control algorithms as a means of control, to improve the wellhead back pressure and flow control speed and control accuracy, increase the stability of system; through the analysis of the operation process, the pressure control mode, the downhole conditions and the level of control strategy and other factors, establish control strategy of the corresponding state, achieve disturbance switching between states by logic control, form the MPD control systems with a state machine architecture. Helps to complete our MPD basic theory, improve wellbore pressure control technology.

控压钻井对井筒内实施精确压力控制，有效减少由压力不平衡引起的钻井事故。复杂事故发生时，如未及时采取有效控制措施，随着时间的推移，或将演变为恶性钻井事故，增加处理难度。本项目拟针对目前控压钻井压力控制过程中控制速度慢、控制精度低、控制方法经验化等问题，提出了基于模型预测控制理论与状态机架构的控压钻井压力控制方法。其中，以井筒水力学模型、压力波传递特性模型为基础，建立井下压力与井口回压之间的动态联系，并构建预测模型；利用具有串并联结构的复合型节流管汇系统、取代回压泵的分流管汇系统及相应的控制算法做为控制手段，提高井口回压及流量的控制速度与控制精度，增加系统工作稳定性；通过分析操作工艺、控压模式、井下工况与等级等因素，建立对应状态的控制策略，并通过可实现状态间无扰动切换的逻辑控制将各个状态连接，形成具有状态机架构的控压钻井控制系统。有利于完善我国控压钻井基础理论，提高井筒压力控制技术。

控压钻井对井筒内实施精确压力控制，有效减少由压力不平衡引起的钻井事故。复杂事故发生时，如未及时采取有效控制措施，随着时间的推移，或将演变为恶性钻井事故，增加处理难度。本项目针对目前控压钻井压力控制过程中控制速度慢、控制精度低、控制方法经验化等问题，提出了基于模型预测控制理论与状态机架构的控压钻井压力控制方法。其中，基于漂移流模型，建立了控压钻井多相流体变质量流动模型，采用四点差分格式对模型进行求解，实现了井口-井筒-地层的耦合计算；基于一维瞬变流理论，建立了井筒压力波动数学模型，采用特征线法求解。利用垂直井筒激励压力波实验系统，验证了井筒压力波动模型，并开展了环空井口激发脉冲波情况下井筒压力波传递及衰减规律研究；提出了具有串并联结构的复合型节流管汇系统，并开展了其压力调节特性、控制算法及室内试验研究，研究表明复合型节流管汇可以有效提高井口回压及流量的控制速度与控制精度，增加系统工作稳定性；基于以上建立的压力传递函数模型，提出了模型预测控制与自适应控制相结合的控制方法。具体针对气侵复杂工况，开展了三类有效的压力控制模式（井底恒压、体积流量、井口恒压）的数值模拟研究，构建了具有状态机架构的控压钻井控制系统。有利于完善我国控压钻井基础理论，提高井筒压力控制技术。