CN103790528A - 基于fpga的海底泥浆举升泵控制技术 - Google Patents

基于fpga的海底泥浆举升泵控制技术 Download PDF

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Abstract

本发明属于深水油气田开发钻完井工程控制领域，涉及一种基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术。该控制技术通过压力变送器检测海底泥浆举升泵入口压力值，根据压力偏差信号，基于合理的控制算法和控制策略，通过变频器控制水下电机，调节海底泥浆举升泵的转速、改变泵的流量与扬程，从而维持海底泥浆举升泵的入口压力保持在某一恒定值附近，实现对海底泥浆举升钻井系统中举升泵入口压力的控制。基于FPGA的控制单元由FPGA及相应的外围电路构成，主要完成模糊PI控制算法、A/D时序控制、D/A时序控制及与MATLAB的通讯等功能。PC机作为上位机完成监控和数据管理功能，并可根据需要对下位机设定和更改控制参数。该控制技术对海底泥浆举升泵具有较好的控制效果，能够满足海底泥浆举升钻井系统对控制技术速动性、可靠性的需求，为双梯度钻井技术作业提供了保证。

Description

基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术
技术领域
本发明属于深水油气田开发钻完井工程控制领域，涉及一种基于FPGA（Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列）的海底泥浆举升泵控制技术。
背景技术
深水钻井是深海石油钻采的首要环节，决定着深海石油开发的成败。通常，在深海钻井中地层压力和破裂压力间的压力区间很小，为了解决常规深海钻井压力梯度区间较窄的问题，双梯度钻井技术（Dual-Gradient Drilling，简称DGD）应运而生。
海底泥浆举升钻井是一种双梯度钻井技术，在海底泥浆举升钻井技术中，钻井液经海底举升泵泵送通过小直径泥浆返回管线返回到钻井平台上，通过调节海底泵组的转速将海底泥浆举升泵的入口压力维持在一固定值（约为钻杆外部的静水压力），此方法有效地控制海底井眼的井底压力、环空压力，实现安全、经济的钻井。海底泥浆举升泵的控制技术是实现海底泥浆举升钻井的关键技术之一。由于海洋钻井环境复杂，使得钻井过程对控制技术的依赖性非常强，对控制技术的可靠性和速动性要求也比一般的钻井过程苛刻，这样就给海底泥浆举升泵的控制实现带来了一系列的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，选择FPGA作为系统控制器，基于适当的控制算法，实现对海底泥浆举升钻井系统中海底泥浆举升泵的闭环控制。
本发明的技术方案是：
一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的海底泥浆举升泵控制技术，其特征在于：它以海底泥浆举升钻井系统硬件系统为对象，包含基于FPGA的海底泥浆举升钻井系统控制技术；所述海底泥浆举升钻井硬件系统由吸入模块、海底泥浆举升泵模块、泥浆返回管线模块、管缆绞车模块、软管悬挂平台模块、电气设备集装箱和控制台集装箱；所述吸入模块收集井眼环空顶部的返回泥浆；所述海底泥浆举升泵的入口通过吸入软管与吸入模块出口相连，其出口与所述泥浆返回管线相连，在水下电机的带动下将泥浆返回到钻井平台上；所述管缆绞车用于下放海底泥浆举升泵，同时提供电气设备集装箱和海底泵组之间的动力和信号传输通道；所述软管悬挂平台模块是返回管线上部接头的设备；所述电气设备集装箱和控制台集装箱为水下电机提供电力，并控制其转速。
所述基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，由压力传感器、信号调理电路、FPGA及其外围电路、变频器、电机和海底泥浆举升泵构成；控制技术通过压力变送器检测海底泥浆举升泵入口压力值，根据压力偏差信号，基于合理的控制算法和控制策略，通过变频器控制水下电机，调节海底泥浆举升泵的转速、改变泵的流量与扬程，从而调节海底泥浆举升泵的入口压力保持在某一恒定值附近，实现对海底泥浆举升泵入口压力的控制，从而维持海底吸入模块环空顶部压力恒定。
所述基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术核心部分为基于FPGA的控制器，由FPGA及相应的外围电路构成，控制技术主要完成模糊PI控制算法、A/D时序控制、D/A时序控制及与MATLAB的通讯等功能；PC机作为上位机完成监控和数据管理功能，并可根据需要对下位机设定和更改控制参数。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、控制技术选择FPGA作为控制器，系统运行速度快，实时性强。能够满足海底泥浆举升钻井系统对控制技术速动性的需求。
2、控制技术采用带有“调节因子”的模糊PI控制算法，提高系统的鲁棒性，增加控制技术的可靠性，对海底泥浆举升泵具有较好的控制效果。
3、利用MATLAB中GUI交互界面实现MATLAB与FPGA的通讯联接，借助于MATLAB实现了对系统运行情况的监控。
4、基于FPGA控制器的控制能力已通过海底泥浆举升钻井试验平台模拟海底泥浆举升钻井系统各种工况，得以验证。
附图说明
图1为海底泥浆举升泵钻井技术硬件系统构成框图。
图2为基于FPGA的海底泥浆举升泵钻井系统控制技术构成框图。
如图，1、钻井平台；2、控制台集装箱；3、电气设备集装箱；4、软管悬挂平台模块；5、管缆绞车；6、泥浆返回管线；7、海底泥浆举升泵；8、吸入模块；9、钻杆；10、套管；11钻头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述：
参照图1为海底泥浆举升泵硬件系统构成框图，钻井系统运行，钻井平台上的供液泵提供钻井液，钻井液经钻杆9进去井眼环空。海底吸入模块8收集井眼环空顶部的返回泥浆；所述海底泥浆举升泵7的入口通过吸入软管与吸入模块出口相连，其出口与所述泥浆返回管线6相连，在水下电机的带动下将泥浆返回到钻井平台上；所述管缆绞车5用于下放海底泥浆举升泵7，同时提供电气设备集装箱3和海底泵组7之间的动力和信号传输通道；所述软管悬挂平台模块4是返回管线上部接头的设备；所述电气设备集装箱3和控制台集装箱2为水下电机提供电力，并控制其转速。
吸入模块的液位用来模拟海底泥浆举升泵的入口压力，其液位的高低通过调节海底泥浆举升泵的转速来改变，以此来控制海底泥浆举升泵的入口压力。
如图2所示，基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术主要由压力变送器、信号调理电路、FPGA控制器及其外围电路、变频器、水下电机和海底泥浆举升泵构成；压力变送器检测海底泥浆举升泵的入口压力，经信号调理后，通过A/D模块送入FPGA；与给定值比较形成偏差信号，控制器根据压力偏差信号，基于相应的控制算法进行调节，通过D/A模块输出模拟量控制信号，借助于变频器控制电机转速，调节泵的流量和扬程，以达到对海底泥浆举升泵入口压力的控制；控制技术中，FPGA控制单元主要完成模糊PI控制算法、A/D时序控制、D/A时序控制及与MATLAB的通讯等功能；PC机作为上位机完成监控和数据管理功能，并可根据需要对下位机设定和更改控制参数。
基于“调节因子”的模糊PI控制器是FPGA控制单元的核心，将PI控制与模糊控制相结合，误差e和误差变化率ec作为模糊PI控制器的输入，Kp和Ki作为模糊PI控制器的输出；控制器根据e和ec的变化情况调节Kp和Ki的改变量（即△Kp和△Ki），以达到对Kp和Ki的调节；e和ec的模糊变量值均取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七个模糊值，△Kp和△Ki的模糊变量值也取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七个模糊值；△Kp和△Ki的模糊推理规则分别如表1和表2所示。
Figure BDA0000459370640000021
根据表1和表2的模糊PI控制规则基于FPGA编写模糊化程序，就可以对Kp和Ki进行动态调节。设Kp0和Ki0为模糊PI控制器的初始值，△Kp和△Ki为Kp、Ki的改变量。则模糊PI控制器的控制参数为：
Kp＝Kp0+σp×ΔKp     （1）
Ki＝Ki0+σi×ΔKi     （2）
式（1）和式（2）中，σp和σi为系数。

Claims (4)

1.一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的海底泥浆举升泵控制技术，其特征在于：它以海底泥浆举升钻井系统硬件系统为对象，包含基于FPGA的海底泥浆举升钻井系统控制技术；所述海底泥浆举升钻井硬件系统由吸入模块、海底泥浆举升泵模块、泥浆返回管线模块、管缆绞车模块、软管悬挂平台模块、电气设备集装箱和控制台集装箱；所述吸入模块安装于钻井井口收集井眼环空顶部的返回泥浆；所述海底泥浆举升泵的入口通过吸入软管与吸入模块出口相连，其出口与所述泥浆返回管线相连，在水下电机的带动下将泥浆返回到钻井平台上；所述管缆绞车用于下放海底泥浆举升泵，同时提供电气设备集装箱和海底泵组之间的动力和信号传输通道；所述软管悬挂平台模块是返回管线上部接头的设备；所述电气设备集装箱和控制台集装箱为水下电机提供电力，并控制其转速。
2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，其特征在于：所述基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，由压力传感器、信号调理电路、FPGA及其外围电路、变频器、电机和举升泵构成；压力变送器检测所述海底泥浆举升泵入口压力值，根据压力偏差信号，基于模糊PI控制算法，通过变频器控制水下电机，调节海底泥浆举升泵的转速、改变泵的流量与扬程，从而维持举升泵的入口压力保持在某一恒定值附近。
3.根据权利要求2所述一种基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，其特征在于：所述基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，采用带有“调节因子”的模糊PI控制器，通过“调节因子”改变△Kp和△Ki的值，进而改变Kp和Ki的输出值。
4.根据权利要求2所述一种基于FPGA的海底泥浆举升泵控制技术，其特征在于：利用MATLAB中GUI交互界面实现了MATLAB与FPGA的通讯联接，借助于MATLAB实现对系统运行情况的监控。
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