电控精细控压钻井控制系统设计与应用_任伟.pdf

设备管理与维修2023 5（下）性数据都服从正态分布（图 4）。假设要求的综合有货率系数为Z，那么库存水位设置的数量 Q=+Z6。其中，代表需求均值，代表需求、供应和有货率的综合标准差。该策略的目标在于量化管理库存水位，降低库存金额和呆滞库存的风险。在库存设置过程中，应确保所有的决策都是以数据为基础的，以夯实公司基层管理的基石，助力企业实现轻资产运营，提高市场竞争力。3总结通过这些策略的应用，公司库存种类由原来的 6711 种缩减至目前的 6281 种，库存种类减少 6.4%，工装管理的成本和复杂度明显改善。经过对库存种类优化，工装消耗明显降低，工装消耗与生产产值之比较上年同期降低 3.4%，对公司成本控制起到积极推动作用（成本改善也有管理、技术、质量改进的因素）。种类降低后，库存数量减少，工装的标准化程度也有所提高，采购的规模效应有所体现，大幅降低工装的采购费用。在后期的工作中，一方面要对所有改进策略的数据进行维护，强化现有的成果；另一方面要将研究的重心向前端设计移动，通过集成产品开发（Integrated Product Development，IPD）的方式降低产品生命周期中工装的成本，从源头上做到前端防杂。参考文献1刘飞，张晓冬，杨丹.制造系统工程 M.北京：国防工业出版社，2000.2刘宝红.采购与供应链管理 M.北京：机械工业出版社，2019.3薛宏.企业级刀具全生命周期管理系统研发 D.重庆：重庆大学，2015.4 Project Management Institute，Inc.Project Management Institute AguidetotheprojectmanagementbodyofknowledgePMBOKGuide M.USA：Project Management Institute，Inc.，2017.5刘宝红，赵玲.供应链的三道防线 M.北京：机械工业出版社，2018.6金宝辉.供应链管理 M.成都：西南财金大学出版社，2019.编辑吴建卿图 3某工装预测对比分析图 4库存水位设置计算模型0引言为保障能源安全，近年国家提出加大油气勘探开发、加强石油保障能力建设等要求。石油钻井因受地区地质结构影响，易频繁发生井漏、溢流等现象，促使欠平衡钻井技术在油气层勘探和开发方面不断创新，利用节流阀的启闭，控制一定的套压来维持井底压力始终略大于地层压力。精细控压钻井近年成为钻井工程压力控制技术的主流发展方向，主要是利用调节型电动执行机构对节流管汇精确控制井口压力，即采用电控精细控压钻井控制系统反向对井底进行补压，解决窄密度窗口安全钻井、高密度泥浆漏失引起的钻井复杂和井控风险等问题。在节流管汇控制系统中应用调节型电动执行机构，是为了更好地确保精确、安全和可靠地控压，在节流管汇的控制系统中通过远程控制、本地自动控制和本地手动阀位控制相结合的模式，控制节流阀实现精细控压1。通过随钻压力测量和数据监控等动态管理，实现井筒环空压力面的精准控制，保证井底压力平稳。精细控压钻井技术能够根据地质环境变化，有效对控压钻井过程做摘要：精细控压钻井是钻井控制技术的主流发展方向，根据地质环境变化，通过精细控压可有效对钻井过程优化调整，实施随钻压力测量和数据监控等动态管理，控制节流阀进行精细控压。技术发展要求提高控压钻井的控制精度，提升控制软件的控制水平。关键词：精细控压；电动执行；节流管汇中图分类号：TE927文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.05电控精细控压钻井控制系统设计与应用任伟（川庆钻探工程有限公司，四川成都618300）10设备管理与维修2023 5（下）出优化调整，使各项技术指标均符合钻井基本需要，解决地层压力监测数据收集不全面以及堵漏技术应用效果不佳等多方面问题。目前精细控压钻井技术已成为国际钻井工程前沿技术之一。1精细控压钻井控制系统整体介绍精细控压钻井控制系统主要由节流管汇控制系统、回压补偿系统、远程监控系统及软件系统等部分组成（图 1）。节流管汇控制系统对节流管汇的节流阀进行控制，系统采集压力与阀门开度等数据，如立管压力、套管压力、阀位开度大小等，完成整个循环系统的工况监控，钻井作业时，远程数据中心收集到实时数据后，将实时数据与算法参数进行对比，通过电动执行机构精细调节井底压力等关键指标，高质量的控制系统和精准的算法可以随时精准的调节地面补偿压力，从而保证井底压力的恒定。系统集压力监控与微流量监控功能于一体，通过自主研发的全自动控制软件，可精确控制井底压力，实现精细控压钻井。精细控压钻进控制系统设计中采用调节型电动执行机构伺服控制上位计算机的 3 层控制结构，远程控制、本地自动控制和本地手动阀位控制的 3 种压力闭环控制模式，地面监测与控制、自动节流控制。远程控制计算机系统通过网络通信对中央控制器、就地控制端发出节流控制套压指令，就地控制器接收后通过电动执行机构对节流阀进行自动调节，实现精细控压。控制系统实时监测监测节流通道控压是否正常，节流阀 A 和 B 的阀位保持基本一致的热备份安全设计，确保通道应急切换后套压控制的平稳和安全。2精细控压钻井控制系统技术特点及技术要求精细控压钻井技术有很多特点，诸如：可以对环空液面、循环摩擦力、流体流变性和浓度等进行分析和控制；将钻井工艺和钻井工具紧密地结合在一起，利用事先控制剖面的方法降低钻井作业的风险和成本；可以有效防止地层流体溢流和漏失；可以实时掌握钻井过程中的压力变化，实时进行调整，平衡井底压力，提高钻井效率。从技术的发展角度，改进方向要求加强控压技术研究，提高控压钻井的控制精度，提升控制软件的控制水平；由于井底压力易波动使得采样频率无法固定，以及在地面的节流阀作用到达井底前会有一个滞后的时间，因此需要在精细控压系统中采用调节型电动执行机构，以满足以下两个技术方面的要求：2.1精确的采样周期由于控制对象节流管汇由多根管道汇合而成，管道结构长，流体流速快，泥浆密度不固定，如果以一个固定的采样频率，势必造成时效性不能完全跟随泥浆的动态变化，再加上电动执行机构本来就有滞后性，因此极易造成管网的压力波动，进而影响井底平衡。采样周期太小，会使积分、微分作用不明显。同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，调节作用反而减弱。系统负担增加，长期运行，系统不稳定风险增高。控制器容易误动作。采样周期过慢，系统响应时间长、反应慢，对于惯性小的系统很容易造成控制不及时，压力出现波动的机率变大。2.2精准的 PID 控制算法节流阀作为控制节流管汇的核心部件，精准地控制运行是钻井系统成败的关键。由于系统工作压力高，通过调节节流阀的开度大小来释放流体以控制套压，节流阀的开关需要很大的扭矩，因此，节流阀的开关速度比较缓慢，是一个慢速设备。而系统的压力变化又是非常快的。因此，慢速设备和快速的压力变化系统之间是一个矛盾的对立体，控制慢速的节流阀开关，来达到系统压力的平稳，通常的 PID 算法无法满足。3精细控压控制系统的设计及其应用效果通过对精细控压钻井技术特点及要求的分析与研究，结合节流阀控制原理（图 2），提出以下系统解决方案。3.1设置精确的采样周期由于合理的采样周期是控制系统高效运行的前提，可通过实时监测泥浆的流速和密度以及环空高度，自动调整采样周期和计算周期，使采样更加准确、合理。3.2分区 PID 控制算法节流阀动作有快开、快关，线形、抛物等 4 种，根据调节阀不同开度的流量调节特点，将其开度分为超调行程、有效行程和无效行程 3 个区。在有效行程区，调节阀流量调节的精度一般都能满足要求。在超调行程区，流量调节能力很强，流量调节很难控制，该区一般位于小开度范围或高压力范围。在无效行程区，阀开度改变所引起的流量变化很小。针对节流阀的特点以及系统的惯量图 1精细控压钻井控制系统图 2节流阀控制原理11设备管理与维修2023 5（下）特性，改进 PID 算法来控制节流阀开度。由于节流管汇控制系统惯量大（循环长度，泥浆密度，排量等因素的综合影响），控制周期不能太短，否则节流阀因为运行到位，丢失最新的控制指令，如果太长则易造成系统反馈不及时。因此需改进常规的 PID 算法。调节阀从其初始位置开始动作到达到动作终点需要一定时间，而随着调节阀的动作，偏差值 e（n）也会不断发生变化，使得调节阀的输入信号也不断变化。当某一时刻，调节阀的开度和输入信号满足关系式：调节阀开度=u（t）-420-4100%（1）此时调节阀将停止动作，由调节阀所控制的被控流量值也将停止变化，偏差值 e（n）也将保持不变，控制系统达到稳定平衡状态。此状态下，节流阀开度、泥浆排量、密度、系统压力能够达到一种动态平衡，一旦其中的某一项因素发生变化，这种动态平衡就会被打破，直接反映出来的就是压力发生变化。由于有精准合理的采样周期，控制系统可以精准的判读压力变化趋势，因此，在压力发生变化时，系统会先行做一个很小微的 PID 运算，决定是否提前动作节流阀，一旦压力变化过快，节流阀可以快速启动，因为有了超调位置，因此可以快速稳定系统压力。系统实际运行效果如图 3 所示。3.3多选择的控制方式通过阀门的压差最大不得超过上游最大压力的 20%或200 psi（1.38 MPa）两者中的较小值。有 5 种控压模式可供选择：（1）正常控压模式。引入模糊控制理论，自动判断背景压力，起压快并且过冲小；优化节流阀转速以及转动角度，使控制更加平稳。（2）回压泵控压模式。针对回压泵流程短、惯量小及波动大等特点，设计抑制算法，保证回压泵补压情况下的压力稳定。（3）开停泵模式。在开停泵的模式下，根据排量大小自动控制节流阀开关速度，使系统压力恒定在设定值。（4）位置模式。任意拖动阀位滑块，可使节流阀快速到达指定位置，也可以输入设定阀位，调整节流阀位置。（5）节流阀的速度可以任意设定。3.4优化远程控制基于实时高效的工业现场总线技术，认为电控精细控压钻井系统采用的通信效率应远高于一般的通信协议，使远程终端能像就地控制器一样，实时高效的监控系统。同时远程终端的接口可进一步丰富，基于 TCP/IP 协议，保留系统自有的传输协议的基础上，可开发 Modbus TCP、Profibus DP、ProfiNet、OPC、Wits 等主流传输协议，同时可加装 GPRS 传输模块，以实现全国区域的无障碍传输。进一步地还可优化历史数据的存储机制，采用 ACCESS 小型数据库，使数据访问快捷，外发简便。3.5传动结构保障设计电动精细控压钻井系统可采用二级减速机构；升级连接方式，实现 360任意角度安装，应保证连接结构的同轴度，力矩传递均匀；电机与减速机构的连接采用无键胀紧套结构，方便电机的单独调试；可采用独有的双输出轴设计，保障节流阀的手动干预。对于电动执行器扭矩的确定，电动执行器合理的扭矩选择直接关系到系统的稳定可靠，扭矩过大，成本增加，开关动作慢，并且对阀门冲击大，容易减少阀门的正常使用寿命。扭矩选择过小，则容易造成阀门在高压状况下根本无法动作，因此，合理的扭矩选择是系统可靠运行的前提。节流阀扭矩的计算依据：驱动力=扭矩减速比机械效率螺杆半径，现场工作数据见表 1。根据以上计算原理及公式，扭矩的确定：在 21 MPa工作压力下，平板阀的扭矩600 N m，节流阀 450 N m；在 35 MPa 工作压力下，平板阀的扭矩1000 N m，节流阀650 N m。4结束语为了保障油气钻井安全，实现精确、安全和可靠地控压，根据电控精细控压钻进系统的技术特点，提出基于调节型电动执行机构的精细控压钻井控制系统的设计理念和改进方向，以满足精确采样周期、精准 PID 控制算法等技术要求，达到实时掌握和调整压力变化，提高钻井效率。同时，精细控压钻井技术将成为钻井技术发展的主要技术手段，对解决诸多钻井技术应用安全及稳定性问题具有重要意义。现代控压钻井技术构成较为复杂，建议结合钻井地质环境等要素，解决岩层垮塌及卡钻，提高钻井安全效益及稳定性，尤其在低密度钻井，不易受到钻井