CN109386243B - 一种井筒压力调控方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井筒压力调控方法以及系统，所述方法包括：采用三层反馈控制方法，基于对压力控制系统的节流阀的开度进行调节以实现对输出压力的调节，其中，所述三层反馈控制方法包括：内层实现节流阀开度反馈控制；中层实现基于节流阀特性曲线的开度控制；外层实现井底回压到井口回压的串级控制。本发明的井筒压力调控方法采用了井筒压力三层反馈控制方法，相较于现有技术，其控制精度高、响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种井筒压力调控方法及系统。
背景技术
随着石油工业的快速发展，实际勘探开发对各种钻井技术的要求也越来越高。钻井技术开始不断向着自动化和智能化的方向发展，大量新型的自动化智能化钻井技术开始不断的涌现出来，并被广泛的应用于各种作业现场。控制压力钻井技术是自动化钻井的一个方面，用于自动监控井底压力。
控制压力钻井的目标是对井底压力进行精确控制，将井底压力控制在安全密度窗口之内。但是，目前，井筒压力控制存在以下问题：(1)部分井筒参数无法实时获取(调整密度、温度分布等)导致井底压力计算不准确；随钻测量仪器(PWD)数据传输效率不高，且不能在所有工况下保证连续获取。(2)传统的井底压力控制方法为直接控制方法，其根据计算井底压力进行直接井口压力调控，较少考虑井筒因素及回压对井筒的影响，效果较差；基于井筒的控制模型异常复杂，在实际中难以建立准确的控制模型，即使勉强建立起控制模型，应用效果也不佳。
发明内容
本发明提供了一种井筒压力调控方法，所述方法包括：
采用三层反馈控制方法，基于对压力控制系统的节流阀的开度进行调节以实现对输出压力的调节，其中，所述三层反馈控制方法包括：
井底压力反馈控制；
井口回压反馈控制；
节流阀开度反馈控制。
在一实施例中，所述节流阀开度反馈控制包括：
内层实现节流阀开度反馈控制
外层实现基于节流阀特性曲线的开度控制。
在一实施例中，内层实现节流阀开度反馈控制，包括：
在开度偏差值大于预设值时进行偏差直接调控；
在开度偏差值小于等于预设值时进行PID反馈控制。
在一实施例中，外层实现基于节流阀特性曲线的开度控制，包括：
通过实验的方法得到节流阀特性曲线；
根据特性曲线直接进行开度控制；
调用反馈控制方法，将压力偏差映射到开度控制模块。
在一实施例中，所述方法还包括：
实现井底回压到井口回压的串级控制。
在一实施例中，实现井底回压到井口回压的串级控制，包括：
根据实际测算的井底压力值与设定值对比，生成控制偏差值；
结合所述控制偏差值进行井口回压调节，调节所述节流阀的开度。
在一实施例中，在实现所述三层反馈控制方法的过程中，结合水力学模型和PWD测量修正方法进行井底压力测算。
在一实施例中，考虑不同钻井工况进行井底压力测算，包括：
循环钻井期间井底压力计算；
接单根期间井底压力计算；
起下钻井底压力计算。
在一实施例中，所述方法还包括：
根据控压钻井作业工况采用对应的控制模式，其中，所述控制模式包括：
井口压力恒定控制模式；
井底压力恒定控制模式；
手动控制模式。
本发明还提出了一种井筒压力调控系统，所述系统包括：
回压控制管汇，其包含节流阀，配置为输出压力随所述节流阀的开度实时线性调节；
数据采集模块，其配置为采集控制反馈数据以及压力反馈数据；
系统控制器，其配置为根据所述控制反馈数据以及所述压力反馈数据采用如本发明所述方法控制所述回压控制管汇进行井筒压力调节。
本发明的井筒压力调控方法采用了井筒压力三层反馈控制方法，相较于现有技术，其控制精度高、响应速度快。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的三层反馈控制方法控制框图；
图2是根据本发明一实施例的控制方法控制框图；
图3是根据本发明一实施例的井底压力测算流程图；
图4是根据本发明一实施例的回压控制管汇示意图；
图5和图6是根据本发明不同实施例的专用排量补偿系统示意图；
图7是根据本发明一实施例的系统自动监控原理方案示意图；
图8是根据本发明一实施例的井底压力控制效果图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
随着石油工业的快速发展，实际勘探开发对各种钻井技术的要求也越来越高。钻井技术开始不断向着自动化和智能化的方向发展，大量新型的自动化智能化钻井技术开始不断的涌现出来，并被广泛的应用于各种作业现场。控制压力钻井技术是自动化钻井的一个方面，用于自动监控井底压力。
控制压力钻井的目标是对井底压力进行精确控制，将井底压力控制在安全密度窗口之内。但是，目前，井筒压力控制存在以下问题：(1)部分井筒参数无法实时获取(调整密度、温度分布等)导致井底压力计算不准确；随钻测量仪器(PWD)数据传输效率不高，且不能在所有工况下保证连续获取。(2)传统的井底压力控制方法为直接控制方法，其根据计算井底压力进行直接井口压力调控，较少考虑井筒因素及回压对井筒的影响，效果较差；基于井筒的控制模型异常复杂，在实际中难以建立准确的控制模型，即使勉强建立起控制模型，应用效果也不佳。
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种井筒压力调控方法。其基本原理是通过采集系统采集井筒基本数据和动态参数得到实时井底压力，经过环空水力学模型计算期望的井底压力，通过压力控制系统给控制系统发出指令，控制机构调节地面回压控制实时井底压力等于期望的井底压力，根据钻井的不同工况(排量变化、转速变化、接单根、起下钻等)来进行实时调控，使井底压力维持在期望的范围内。
为了提高控制精度以及控制实时性，具体的，在一实施例中，采用三层反馈控制方法，基于对压力控制系统的节流阀的开度进行调节以实现对输出压力的调节。井筒压力三层反馈控制方法，能够满足控制精度高、响应速度快的技术要求。具体的，三层反馈控制方法包括：
井底压力反馈控制；
井口回压反馈控制；
节流阀开度反馈控制。
具体的，在一实施例中，三层反馈控制的控制结构如图1所示。基于井底压力设定值以及最终返回的井底压力测算值进行反馈控制以实现井底压力反馈控制。基于井口回压设定值以及最终返回的井口回压测量值进行反馈控制以实现井口回压反馈控制。基于节流阀开度设定值以及最终返回的节流阀开度测量值进行反馈控制以实现节流阀开度反馈控制。最终三层反馈控制的控制结果落在对节流阀开度的调节上。
进一步的，在一实施例中，节流阀开度反馈控制包括：
内层实现节流阀开度反馈控制
外层实现基于节流阀特性曲线的开度控制。
具体的，在一实施例中，内层实现节流阀开度反馈控制，包括：
在开度偏差值大于预设值时进行偏差直接调控；
在开度偏差值小于等于预设值时进行PID反馈控制。
具体的，在一实施例中，外层实现基于节流阀特性曲线的开度控制，包括：
通过实验的方法得到节流阀特性曲线；
根据特性曲线直接进行开度控制；
调用反馈控制方法，将压力偏差映射到开度控制模块。
进一步的，在一实施例中，在控制过程中还实现井底回压到井口回压的串级控制。
具体的，在一实施例中，实现井底回压到井口回压的串级控制，包括：
根据实际测算的井底压力值与设定值对比，生成控制偏差值；
结合所述控制偏差值进行井口回压调节，调节所述节流阀的开度。
具体的，在一实施例中，首先在最内层实现节流阀开度反馈控制方法，实现节流阀开度的快速精确调控。在大偏差下进行偏差直接调控，实现开度快速粗调；在小开度偏差下进行PID反馈控制，实现精细调控。中间层事先通过实验的方法得到节流阀特性曲线，根据特性曲线直接进行开度控制，实现压力粗调；然后再调用反馈控制方法，将压力偏差映射到开度控制模块，实现回压精细调控。在最外层实现井底回压到井口回压的串级控制。此时根据实际测算的井底压力值与设定值对比，生成控制偏差值，将该偏差传递给井口回压控制模块，其再通过液控系统调节节流阀开度，最终实现井底压力的精细调节。
在一具体应用场景中，控制框图如图2所示。
在三层反馈控制方法中，获取准确的井底压力变化是实现精确控制的必要条件。因此，为了提高控制精度，在一实施例中，在实现所述三层反馈控制方法的过程中，结合水力学模型和PWD测量修正方法进行井底压力测算。
具体的，井底压力由静液柱压力、循环压耗、井口回压三部分组成。井底压力计算公式为：
PBH＝PHY+PAF+PBACK (1)
式中：为井底压力，MPa；为静液柱压力，MPa；为循环压耗，MPa；为井口回压，MPa。
PWD测量压力减去静液柱压力和井口回压得到PWD测量所对应的循环压耗，该循环压耗与水力模型计算的压耗对比，其系数即为压耗修正系数。压耗修正系数为：
温度修正系数为PWD测量温度与计算温度值的比值。
在实际应用中，分钻柱和环空的压耗与温度计算修正系数。设w为井底压力计算模型的修正系数向量，表示为：
w＝(fp,fa,Tp,Ta)T (3)
式中：w为水力学模型校正系数向量：fp为钻柱内压耗修正系数，无因次；fa为环空压耗修正系数，无因次；Ta为环空内温度变化修正系数，无因次；Tp为钻柱内温度变化损失修正系数，无因次。这些修正系数的初始值为1，表示不进行修正。
结合PWD数据的水力模型修正过程：在初始计算过程中修正系数均为1，表示不进行修正；当获取到一组PWD数据后，计算相关修正系数并计算修正后的井底压力；在未获取到PWD数据的间隔内，使用之前的修正系数进行井底压力的修正计算；当获取的新的PWD数据后，计算新的修正系数并进行修正计算；如此持续进行计算，实现了井底压力实时准确测算。
进一步的，在一实施例中，考虑不同钻井工况进行井底压力测算，包括：
循环钻井期间井底压力计算；
接单根期间井底压力计算；
起下钻井底压力计算。
具体的，在一实施例中：
①循环钻井期间井底压力计算。在循环钻进期间，地面自动控制系统依据PWD传送的数据，结合水力学模型，获取井口回压、静水压力、环空压耗、岩屑附件压力等关键参数，实时准确计算井底压力。
②接单根期间井底压力计算。接单根控压钻井工艺其实就是停泵、停止循环和开泵、正常循环的动态切换过程，需要采用专用排量补偿系统配合对应排量的减少。
③起下钻井底压力计算。起下钻过程的井筒压力控制与接单根程序类似，采用专用排量补偿系统配合的方式完成。
在一具体应用场景中，井底压力测算流程如图3所示。
井筒压力三层反馈控制方法，能够满足控制精度高、响应速度快的技术要求。分层实现开度控制、井口回压控制、井底压力控制，降低实现难度，提高控制精度。并通过结合PWD测量数据的修正水力模型提供实时、准确的井底压力测算，为井底压力控制模块提供测算参数。
进一步的，在一实施例中，在进行压力控制的过程中，根据控压钻井作业工况采用对应的控制模式，其中，控制模式包括：
井口压力恒定控制模式；
井底压力恒定控制模式；
手动控制模式。
具体的，在一实施例中，根据控压钻井作业工况的不同，设计了以下三种控制方案：
①井口压力恒定控制模式。在钻井液不能循环的情况下，PWD不能将井底压力数据送到地面，地面自动控制系统将根据PWD最后传送上来的测量数据，根据水力模型计算井口回压，自动调节节流阀，保持井口压力稳定。
②井底压力恒定控制模式。在钻井液循环过程中，随钻压力测量装置PWD正常采集井底压力传送到地面，地面自动控制系统依据PWD传送的数据，根据水力模型分析井口压力，自动调节节流阀，调节井口压力保持井底压力稳定。
③手动控制模式。在自动控制系统失效的应急情况下，采用手动方式控制，以保持井口压力稳定。
本发明所涉及的控制方法可满足井底压力控制、井口回压控制、手动控制的需求。均具有大偏差时快速调节、小偏差时精确调控的能力，控制效果好；能够实现不同模式的无扰动切换，切换时压力平稳无波动；分层实现精细调控，简化了控制方法，容易实现，控制效果稳定，能够满足井筒压力精细调控的需求。
基于本发明的压力调节方法，本发明还提出了一种井筒压力调控系统。在一实施例中，井筒压力调控系统：
回压控制管汇，其包含节流阀，配置为输出压力随所述节流阀的开度实时线性调节；
数据采集模块，其配置为采集控制反馈数据以及压力反馈数据；
系统控制器，其配置为根据控制反馈数据以及压力反馈数据采用三层反馈控制方法控制所述回压控制管汇进行井筒压力调节。
具体的，在一实施例中，回压控制管汇主要使用特殊研制的节流阀，具备压力随开度实时线性调节功能，其作为执行机构来进行压力的调节。同时设置有备用通道可互相切换，方便节流阀部件的在线维修保养。在出口部分安装高精度质量流量计，准确测量出口排量，为复杂情况的调节控制提供预警参数。
进一步的，在一实施例中，井筒压力调控系统还包括：
专用排量补偿系统，其配置为在正常的循环通路停止或不足时提供地面循环排量。
对应专用排量补偿系统，在一实施例中，回压控制管汇还包含第三辅助通道，用来连接专用排量补偿系统，依据补偿排量进行调节控制。
具体的，在一应用场景中，回压控制管汇如图4所示。其中，AG1、AG2以及AG3分别为3个液动平板阀，通平板阀的开关实现所处通路的通断；AC1、AC2以及AC3分别为3个液动节流阀，当所处通路打开时，通过调节该节流阀开度的大小即可实现回压的调节；MG3为手动平板阀，通过手动开关实现所处通道的开关；SR2为质量流量计，测量出口的流量。
具体的，在一实施例中，专用排量补偿系统的主要用是在正常的循环通路停止或不足时提供一种建立地面循环排量的方法。其主要通过连接自动回压控制管汇的专用接入口实现给自动回压控制管汇提供循环排量。
专用排量补偿系统有两种方式来实现：一种方式为通过自动分流系统来实现排量补偿，主要通过专用的阀门系统连接泥浆泵，通过控制分流系统的阀门来确定是否进行排量补偿(如图5所示，AG5为液动平板阀，通过远程自动控制实现所在通道的开关)；第二种方式通过配置自动控制泥浆泵连接泥浆罐来实是否进行排量补偿(如图6所示，P1为泥浆泵电机，通过自动控制实现泥浆泵自动启停；P2为灌注泵电机，通过自动控制实现灌注泵自动启停；AG4为液动平板阀，通过自动开关实现所在通道开关，打开后泥浆泵为自循环过程，关闭后泥浆泵工作状态下往外输出流量；SR3为质量流量计，测量泥浆泵输出的流量)。
进一步的，在一实施例中，井筒压力调控系统还包括：
液压控制系统，其配置为基于操作人员手动操作控制回压控制管汇。
具体的，在一实施例中，液压控制系统和数据采集与监控系统硬件设备集成在自动回压控制管汇上。液控系统具有手动操作自动回压控制管汇的功能，且手动控制功能高于自动控制功能。通过液控系统操作面板可操作节流阀开度的调节、平板阀的开关，实现现场手动调节。数据采集和监控系统采集各传感器数据，包括质量流量计和井下PWD测量数据，监控系统发送控制指令，促使液控系统执行相应动作，实现远程监控操作。
PWD仪器为随钻压力测量仪器，其在井下采集的数据通过泥浆脉冲上传到地面解码后，传送给自动回压控制管汇上的数据采集系统。
进一步的，在一实施例中，井筒压力调控系统实现控压钻井自动监控功能的过程如下：
数据采集模块首先采集钻井地面和井下参数；
系统控制器(DCS控制器)实现节流阀开度反馈控制算法、流量补偿系统启停控制功能模块、补偿通道的自动切换功能。
具体的，在一实施例中，DCS控制器还包含：
依据环空水力学模型建立的井底ECD实时监测模块，其用于钻井各工况的计算。
其中，环空实时水力学监测模块(ECD实时监测模块)通过实时OPC服务接口与DCS控制器通讯，传送井口压力设定值更改的系统控制命令，实现控制指令的传送。
进一步的，在一实施例中，DCS控制器还包含：
系统关键参数监测与报警功能等基础模块。
进一步的，在一实施例中，DCS控制器还通过组态软件实现可视化的系统监控软件界面。
具体的，在一具体应用场景中，系统自动监控原理方案如图7所示。
具体的，在一具体应用场景中，井底压力控制流程如下：
(1)数据采集系统采集测量数据，井深、PWD压力、出入口排量、钻井液密度、井口回压、立管压力、节流阀开度等信息。
(2)根据测量数据采用高精度水力计算模型进行井底压力实时计算。
(3)结合PWD数据进行相关修正系数计算，并修正计算结果，得到准确井井底压力数据。
(4)将准确测算的井底压力与设定井底压力进行比对，生成偏差，根据井底压力反馈控制模块生成井底压力控制值。
(5)判断井底压力偏差是否达到控制精度，如果达到控制精度则转入步骤(12)，否则继续向下执行。
(6)将井底压力控制值映射到井口回压控制模块，生成新的井口压力设定值，通过串级控制实现井底压力控制转为井口回压控制。
(7)井口回压控制模块将测量的井口回压值与设定值进行比对，生成偏差，并根据井口回压反馈控制模块生成井口回压控制值。
(8)判断井口回压偏差是否达到控制精度，如果达到控制精度则转入步骤(4)，否则继续向下执行。
(9)井口回压控制值映射到开度控制模块，生成新的调整开度设定值，通过串级控制实现井口回压控制转为开度控制。
(10)开度控制模块将开度控制偏差与开度设定值进行对比，生成偏差值，根据开度反馈控制模块生成开度控制值。
(11)判断节流阀开度偏差是否达到控制精度，如果达到设定精度返回到步骤(7)，否则返回步骤(10)。
(12)是否继续进行井底压力调控，继续调控则转入步骤(1)，否则结束调控过程。
在一具体测试应用场景中，测试试验井参数；循环介质为清水，密度1.0g/cm3，循环排量30L/s，测试井深740m，初始设定井底压力9.2MPa。
测试效果如图8所示，井底压力控制最大精度误差为0.14MPa，最大响应时间31s，具有较高的响应速度和控制精度。在测试中调整了两次井底压力设定值：第一次在17:51:58时刻由9.2MPa调整为10.3MPa，控制的井底压力在31s后达到设定值，井底压力控制最大精度误差0.048MPa；第二次在17:52:27时刻由10.3MPa调整为8.6MPa，控制的井底压力在27s后达到设定值，井底压力控制最大精度误差为0.14MPa。未修正的计算井底压力与实测数据存在偏差，最大偏差0.22MPa，结合PWD数据修正后井底压力计算值与实测点数据吻合一致，说明了用已有的准确测量的PWD数据可以很好的校正计算结果。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种井筒压力调控方法，其特征在于，所述方法包括：
采用三层反馈控制方法，基于对压力控制系统的节流阀的开度进行调节以实现对输出压力的调节，其中，所述三层反馈控制方法包括：
测算井底压力并将其与井底压力设定值进行对比，生成压力偏差，从而根据井底压力反馈控制模块生成井底压力控制值，实现井底压力反馈控制；
将所述井底压力控制值映射到井口回压控制模块，生成井口压力设定值，通过串级控制实现井底压力反馈控制转为井口回压反馈控制，其中，井口回压反馈控制包括：根据实际测算的井口回压值与设定值对比，生成控制偏差值，而后结合所述控制偏差值进行井口回压调节，生成井口回压控制值；
将所述井口回压控制值映射到开度控制模块，生成开度设定值，通过串级控制实现井口回压反馈控制转为节流阀开度反馈控制，从而生成开度控制值，所述节流阀开度反馈控制包括：内层实现节流阀开度反馈控制，以及外层实现基于节流阀特性曲线的开度控制。
2.根据权利要求1所述的井筒压力调控方法，其特征在于，内层实现节流阀开度反馈控制，包括：
在开度偏差值大于预设值时进行偏差直接调控；
在开度偏差值小于等于预设值时进行PID反馈控制。
3.根据权利要求1所述的井筒压力调控方法，其特征在于，外层实现基于节流阀特性曲线的开度控制，包括：
通过实验的方法得到节流阀特性曲线；
根据节流阀特性曲线直接进行开度控制；
调用井口回压反馈控制方法，将井口回压测量值和设定值之间的压力偏差映射到开度控制模块。
4.根据权利要求1所述的井筒压力调控方法，其特征在于，在实现所述三层反馈控制方法的过程中，结合水力学模型和PWD测量修正方法进行井底压力测算。
5.根据权利要求4所述的井筒压力调控方法，其特征在于，考虑不同钻井工况进行井底压力测算，包括：
循环钻井期间井底压力计算；
接单根期间井底压力计算；
起下钻井底压力计算。
6.根据权利要求1所述的井筒压力调控方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据控压钻井作业工况采用对应的控制模式，其中，所述控制模式包括：
井口压力恒定控制模式；
井底压力恒定控制模式；
手动控制模式。
7.一种井筒压力调控系统，其特征在于，所述系统包括：
回压控制管汇，其包含节流阀，配置为输出压力随所述节流阀的开度实时线性调节；
数据采集模块，其配置为采集控制反馈数据以及压力反馈数据；
系统控制器，其配置为根据所述控制反馈数据以及所述压力反馈数据采用如权利要求1～6中任一项所述井筒压力调控方法控制所述回压控制管汇进行井筒压力调节。
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