控压钻井自动控制系统架构优化设计分析

摘 要：控压钻井技术以其智能、安全、高效的特点已经成为石油钻井技术自动化、智能化应用的先进案例，而其自控系统的设计又是体现这一先进性的核心技术之一。本文从控压钻井自控系统设计的角度阐述了现有工业过程控制核心技术的特点及发展概况，对比分析了国外现有控压钻井自控系统的构架、核心算法、功能特点及适用范围等方面优缺点，结合目前国内的研究现状提出了较为可行控压钻井自控系统设计关键技术的优选方案。

关键词：控压钻井 过程控制 自控系统设计 系统构架 控制算法 优选方案

自动控制技术是控压钻井的主要特色和核心技术之一，是控压钻井工程施工成功的关键。因此如何针对其工艺需求，构建一个高效、合理、经济的控压钻井自控系统就成为其系统设计的首要任务，而完成该任务就必须从自控系统的构架（即硬件系统功能结构）和核心算法（即软件系统控制算法）两个关键技术入手，为此就有必要对现有的工业过程控制产品和技术进行如下简要的分析和评估。

一、工业过程控制常用构架及算法简介

1.常用构架及算法简介

过程控制技术随着现代工业的发展而不断进步，先后出现以下几种相对独立的构架类型：主要包括：DCS、PLC及兼顾DCS和PLC优势的PAC控制系统（ProgrammableAutomationController）。

2.系统构架与控制算法常见配置

系统构架与控制算法是相辅相成存在的，只有合理的进行搭配才能规范结构、有效地控制成本、提高效率及稳定运行。常用匹配方式如下表所示：

二、国外成熟控压钻井自控系统分析

国外对控压钻井的研究比较早，并形成现场服务能力的主要威得福公司的SecureDrilling系统、哈里伯顿公司的GeoBalance钻井系统、斯伦贝谢公司的@Balance钻井系统等[5，6]，其控制系统的结构及组成各不相同，通过下表来对比分析一下：

从上表可以看出，哈里伯顿与斯伦贝谢的控压钻井功能基本相同，但是由于其系统构架及核心算法的不同，导致其研发难度、设备成本及控制效果精度各有不同。威德福公司SecureDrilling系统在功能上具有明显的优势，特别是由于应用了先进的系统构架及智能控制算法使得其兼顾了设备成本和控制精度的要求，因此取得较好的应用效果。

三、国内控压钻井自控系统研究现状

国内对控压钻井的研究起步较晚，在参考国外先进设备的基础上，通过不懈的努力在设备产业化方面[1，2]，根据报道主要见下表：

从上表可以看出目前国内控压钻井系统其功能类似于哈里伯顿，虽都取得了较好效果，但与威德福的系统相比，在能力及使用范围还有一定的差距，其主要原因之一就是其自控系统的构架及核心算法上存在差距，因此应首先分析一下控压钻井工艺对自控系统的需求。

四、控压钻井自控系统需求分析

1.控压钻井自控系统构架需求

控压钻井是一种高危险、高成本的恶劣环境的野外作业，其工作场地极其有限（特别是海上）因此对其自控设备的提出以下要求：

高度集成化且能满足应恶劣野外施工环境要求

高性能、高速度（必须满足复杂过程智能控制算法计算及数据处理的要求）

通过以上对工业过程控制常用构架的分析可见PAC构架可较好满足上述需求。

2.控压钻井自控系统核心算法需求

2.1被控对象分析

核心算法优选是自控系统针对工艺控制需求而制定的，控压钻井工艺控制物理量主要有立压、套压、流量，下面从其形成原理、测量手段、与执行器（节流阀）之间关系、被控特性、有无模型上来分析一下各自特点及对控制需求，见下表：

2.2现有算法局限性分析

2.2.1PID算法局限性

PID因其算法简单，其控制器的效果及精度很大程度依赖于准确的参数整定，而在遇到非线性、滞后等较为复杂的情况时整定难度就很大了，而且无法支持在线修改。

2.2.2预测模型算法局限性

由于地质不确定性、地层不均质性及钻井施工随机性，所以很难建立较为准确的预测模型，因此预测模型无法较好满足控压钻井的需求。

3.无模型自适应算法优势

3.1无需建立模型的自适应算法，可以满足流量控制需求。

3.2在立压、套压、流量三个过程中均存在非线性，且非线性程度随运行工况也会发生变化，采用无模型自适应算法可以具备解决动态非线性的控制能力。

3.3可实现手自动投运、多目标转换、设定值跟踪等动作，保证对液动节流阀的操作达到平滑无扰。

因此无模型自适应算法更适合控压钻井的自控系统对核心算法的要求。

五、结论及认识

1.根据对以上内容的综合分析发现目前较为适合控压钻井自控系统的系统架构为PAC架构、控制算法基于无模型自适应理论的控制算法。

2.基于无模型自适应理论的控制算法，国内外理论研究基本同步，但国内尚无商业化的软件及产品，建议在引进国外成熟算法产品的基础上针对控压钻井的需求研发自主知识产权的专用控制器，为我国自动化钻井提供强大的“中国芯”。

3.目前威德福已经开发出的SercueDrilling系统及装备，在功能和结构上都是国内控压钻井系统研发的良好范例，建议加强深入研究，尽快缩小与国际先进技术的差距，推动我国石油勘探开发的发展。

参考文献

[1]周英操，杨雄文，方世良，刘伟，纪荣艺.PCDS-I精细控压钻井系统研制与现场试验[J].石油钻探技术，2011，39（4）：004.

[2]伊明，陈若铭，杨刚.控压钻井技术研究[J].新疆石油天然气，2010，04-032-06.