先进的自动化控制的双梯度钻井.doc

先进的自动化控制的双梯度钻井岛之风Breyholtz和Gerhard尼加德，斯塔万格国际研究学院和迈克尔Nikolaou美国休斯顿大学整个2009年，石油工程师这篇文章是于2009年SPE技术年会暨展览会协会举办演讲准备在新奥尔良，路易斯安那州，美国，4-7 2009年10月。本文选择了一个SPE程序委员会通过后由作者（s）提出一个抽象的资料审查报告。该文件内容没有被审查，石油工程师学会，并需经作者（s）校正。该材料不一定反映任何有关石油工程师，其管理人员，或成员的社会地位。电子复制，分发或未经石油工程师学会的书面同意，任何本文件的一部分存储是禁止的。允许复制印刷是限制在不超过300字的摘要;插图可能不被复制。摘要必须包含固相萃取版权显眼的确认。摘要控制压力钻井在钻井作业提供了精确的压力控制了前所未有的能力。这种能力，采用新的硬件工具的可用性创造，创造了这些工具的需要紧密协调，以确保可靠和安全运行。从模型预测控制的使用提出了作为一个多变量控制框架，可以协调多个变量同时提供更好的性能和更高的可靠性和安全性相比，目前的做法。关于双梯度钻井系统为例，提出证明如何将模型预测控制，可同时控制井底压力和挂钩位置钻柱运动期间通过同时操纵主泵的流速，海底泵流量，流速和钻柱。计算机模拟表明，在低得多的井底压力偏差提出的方法在钻柱运动的结果，手工钩位置单独控制。这项研究的影响，以及为额外的变量和适当的模型预测控制的变体使用一体化的未来方向进行了探讨。介绍管理压力钻井（MPD公司）正在迅速成为一个井筒压力的精确控制技术力量雄厚。在SPE / MPD的空间碎片协委会的正式定义是“一个自适应钻井过程中使用的更精确地控制整个井孔的环形压力剖面。确定的目标是井下压力环境的限制和管理的环形液压压力剖面相应”。 MPD公司通常采用一个封闭的，加压泥浆循环系统，相对于传统的系统，其中泥是通过在常压下开行返回。由于MPD公司视为一个密闭容器泥浆循环系统，而不是作为一个开放的系统，它提供了更高的灵活性，比传统的压力和泥浆泵泥浆重量仅仅根据利率调整的调整和精度。 MPD公司有多种变体（Hannegan，2007年）等的PMCD（加压钻井泥浆章），CBHP（恒井底压力），区局（反向循环），和指导文件（双梯度钻井的几种方法）。要成为可能，MPD公司需要诸如钻具止回阀（营养素参考值）设备，旋转控制装置，节流管汇，表面分离系统，以及各种泵。虽然这些设备提供了前所未有的能力，它也产生可操作性的挑战，必须在广泛接受的技术解决（雷姆等。，2008）。这些挑战散发，在任何一小部分，从不同台设备和需要协调它们的行动（通常不平凡）的相互作用。在操作系统上以及行业公认过程必须进行调整和进一步发展在MPD公司使用。更重要的是，流程主要依据是对人类实现其应用到MPD公司时，由于人类的能力有限的情况下可靠地处理涉及几个变量相互作用的同时限制。其结果可能是生产时间损失，从而抵消了使用MPD公司的主要原因。这种潜在困境的一个解决方案是有利的自动化工具的使用。这些工具将提供MPD的相关活动的可靠整合，让人们集中于更高一级的决定，而让低级别的决定，可靠的自动化执行。 MPD公司是有限的自动化领域中的日期（桑托斯和Catak，2007;弗雷德里克斯等，2008;。Bjrkvoll等，2008;。Godhavn，2009年），但其潜在的增长（索罗古德等人，2009年。）。自动化已经证明了其可靠性，安全性，有能力超越炼油人类（Saputelli等，2005;。Saputelli等，2006;。Nikolaou，2008年）和其潜在的交通管理（Godhavn等，1996。）和航天控制（Maciejowski和Jones，2003）。这种方法的基本原则是，人类已经在制定系统的目标和制约因素的关键作用，而底层自动化系统，确保目标和约束条件得到满足。 MPD公司的这个决策更可靠和有效是Breyholtz讨论等方式的总体影响。 （2010年）。在这项工作中，我们侧重于一个方面，这种自动化的方法，即井底压力和挂钩位置自动化控制系统中的指导文件。该自动化系统2固相萃取124631使用模型预测的自动化技术控制（MPC）协调的主要泥泵的流量，水下泵的流量，流速和钻柱。货币政策委员会在先前的研究已经显示到effienctly协调钻井作业控制输入（Breyholtz，2009a的）。在本文的其余部分，我们提供了一个物理系统与我们合作的简要概述，并制定了简化模型在货币政策委员会自动化系统使用。该方法是一个封闭的测试，其中包括一个虚拟的循环以及货币政策委员会所设计的计算机模拟控制。系统描述的MPD公司的变种，我们在这项工作中处理与通常可以作为双梯度钻井隔水管低回报系统（指导文件）分类。指导文件是一个相对较新的钻井技术，该技术是在90年代推出。一词指导文件包括几个不同钻井的概念，其中的共同点是，在环空压力剖面不是线性的，而是遵循一个分段线性或曲线轮廓，由于不同密度流体沿环使用。基于密度的变化可以降低到冒口不同稀释为基础的做法，轻质固体添加剂，如注射，以减少密度，由毛雷尔科技（科恩与德斯金斯，2006）提出，以及轻质注射液高效液体密度高于注入点，由路易斯安那州立大学（洛佩斯和Bourgoyne，1997）提出。引水为基础的概念，这里的泥浆返无法通过立管，但无论是在海底倾倒或者通过一个单独的返回线返回给钻机已提出远景深（福雷斯特和贝利，2001年），水下泵举升钻井联合工业项目（舒马赫等。，2002），壳牌（冈萨雷斯，1998年），地带（Brown等。，2007年）和海洋立管系统（FossliSangesland，2006）。所有概念的共同指导文件，是他们用比正常密度高泥。在图1所示的系统属于这一类。具体来说，指导文件系统进行分析，本文是一个导流的概念，这里的泥是通过一个单独的返回线的表面返回。立管中的泥浆比正常水平低，并有一个地方低于海平面泥空气接触的界面，如图1所示。注射泵可使用（虽然不是在以后的模拟中使用），除了海底泵，保持足够的流量在任何时候，不无意降低泥中的提升水平。虽然指导文件技术消除或减少与传统的深水钻井相关的许多问题，有一个显着的缺点了这项技术的实现。大多数系统都比较未尝试过的，并需要经过前的技术的潜力将获得广泛接受的研究，开发和测试相当数量（雷姆等。，2008）。图1：图1：双梯度钻井流程示意图。石油委员会的预测控制系统的发展模式是唯一的先进的控制技术，已对工业过程控制的重要和广泛的影响。其成功的主要原因是它能够处理多变量控制的问题，自然，利用驱动器的限制帐户，并允许操作的过程更接近它的约束（Maciejowski，2002）。 MPC是一种控制形式，其中电流控制行动得到了解决，在每个采样时刻，一个有限的视野开环最优控制问题，作为初始状态的植物的当前状态。产生一个最佳的优化操纵输入序列，其中只有第一个输入值应用于植物（梅恩，2000）。许多货币政策委员会的变种进行了研究，但目前最常用的员工在实践中使用的实时线性模型和优化目标的二次受线性约束。然而，同样的货币政策委员会的实时在线优化理念可以应用到的客观情况并非二次和模型和约束不是线性的。一般来说，货币政策委员会将要通过控制系统模型所描述的差分方程： 约束是通常的形式：其中n kx的表示k时刻的偏离表中的系统的状态向量;米区在偏离表表示k时刻操纵输入向量，X是一个凸，连接设置（例如创建的上限和下限，不等式约束的国家或投入），其中包含的起源和U是一个凸，紧集，其中包含原点（Allgwer等，2004）。在有限的视野货币政策委员会将在最小化的问题解决了，制定k时刻为 受 其中u表示从瞬间K的在移动的地平线输入向量为1 +英国的H - ; x表示系统的状态在一个相对应的输入向量u地平线时预测k +1的即时PK的+ h参数的响应。只有第一个值的最优选择输入序列 1 ,., 选择退出株式会社高 +区 - 是对真实系统的实施。然后，系统运行时间，直到k +1的瞬间，在这点得到的Y输出，方程优化问题的新的测量。 （5）至（8）改写，并找到最佳的解决方案和实施，并重复这个过程。 MPC的伟大的价值在于它有能力考虑各种目标，约束和模式，这本身也可以实时更改，要么是由于计划体制的变化，或由于不可预见的冷门结果。 MPC可以重新配置控制的方式，令整个闭环容忍这种冷门的行动。输入输出控制和操纵货币政策委员会在这个应用中的坐标，流量从主泵泥浆泵Q的水下泵流量分q和钻柱速度局副局长，同时控制井底压力（BHP）的1个和2位置的钩子的X。因此，可调节输入向量 与控制输出向量从上面的载体，它可以看出，在任何时候系统有一个自由的，额外的程度，这意味着，在控制中的应用还有一个操纵投入产出比进行控制。这是利用了作为一个理想的休息为主要泥浆泵控制中的应用价值。这将确保从主泥浆泵所需的流量是在稳态条件下获得的。 目标的主要目标是保持必和在各自的设定值挂钩的立场。鉴于以上讨论的自由操纵投入额外的程度，主要泥浆泵流量也期望在一个特定的值维持不变。所需的值，这些变量（设定点），必须由操作员/钻设置。控制器将使用现有的控制变量（主泥浆泵，水下泵，钻柱速度）来试图获得和维持控制的输出所需的值。因此，目标函数（），徐株式会社V系统中使用的研究是其中p H为预测时域的长度; H是操纵输入地平线长度;使用xset是国家设定值和uset是理想的安息输入向量的值。该矩阵Q（i）和（I）是半正定（问（一），（I）0），和R（i）是正定（注册商标（一）“0）。货币政策的制约执法压力约束是使用MPD公司的主要原因。对于它的钻井作业的成功是至关重要的，在井筒，以及磷，压力无处不必须低于地层破裂压力，压裂P和两个以上的地层坍塌压力，科尔P和储层孔隙水压力，水库p在任何时候，即 其中x是沿开井段位置，t是时间。对于一些钻井作业就不可能达到的压力窗口不超过常规技术指标与深度。在货币政策委员会的申请，我们在这里学习的压力集中在一个地点，即必和必拓，对此我们施加的限制 同样的方法可以很容易地扩展到包括在多个地点的压力，如Breyholtz等人讨论。此外，上，下限是放在第二控制输出（钩位置），即 约束也放在操纵输入:为了防止不可行，控制输出的限制，方程的在线优化问题。 （14）和（15），是软化的软化变数增加。货币政策模型的边际消费倾向应用程序的钻井过程中最重要的动力学模型是必要的。当开发一个用于控制的决定必须在多么复杂的模型应目的模型。更彻底的模式可能是难以校准根据现有数据，这可能导致不可靠的预测为基础。此外，一个复杂的模型将增加货币政策委员会上提出了上述问题在线优化计算时间，到如此地步，控制器可能无法完成的期限内提供的计算。为了避免这些问题，我们发展的指导文件的过程中低阶模型。对钻井过程中使用上部呛低阶模式已经发展Godhavn（2009年）和Kaasa（2007年）。后者将成为本节开发的模型的基础。钻井系统，这是本文分析，如图1。该钻井系统模型将基于质量和动量守恒（白，1999）。第一个控制音量要建模是井环节。这种控制音量延伸从井底，其中安排的海底泥是通过返回线（图1）中提取。假设忽略流体动力学，动量守恒产量其中P是经常在海底的安排（冒口基地）的压力;电泵Q是通过泥浆泵体积流量;一在环平均密度;包H是从海床垂直深度的海底安排，以及副秘书长副秘书长任期压差p（，A）是一个速度的管道压力波动介绍了线性的描述，副秘书长和管道加速，副秘书长一，即第二个控制量是井立管部分。保护下的层流流态和微不足道的流体动力学在下面的表达式结果假设势头：其中P。是大气压力和r F是在提升管井摩擦参数;和泥H是在提升管泥水平。在提升管，提升管q时，流量可通过从水库的形成和损失大量涌入假定为零。在泥泞的高度的变化，描述了以下关系其中为提升和为半径内的钻柱的外径。最后，挂钩的立场只是一个简单的速度积分，即 总之，货币政策委员会成员包括状态方程模型和输出方程很显然，从等式。 （28）至（31）表示，货币政策模型是非线性的。今次的线性化经营的状态可能会造成模型的可控性问题，由于双线性条件，包括：1水泵分x（问 - q）和非差分计算，即泵的Q值。因此，货币政策委员会的一个非线性模型的使用似乎在这一点必要的。货币政策委员会的优化方法，在货币政策委员会控制器的非线性求解器是一种单拍摄多步拟牛顿法（Meum等。，2008）。本文中的所有模拟仿真演出，高保真模型（尼加德Gravdal，2007）作为一个虚拟的过程服务。这种模式已经被证明通过几个陆上和海上试验。为在本文件中提出的控制器，测试方案是基于垂直9600米深井关闭在墨西哥湾。在随钻压力传感器将传输工具的必读数不断地向表面通过遥测管道（埃尔南德斯，等。，2008）。该系统具有低没有时间限制或不作为泥浆脉冲遥测系统的经验流通。在低阶模型的所有参数进行了试验安装在高阶模型，然后进行了模拟的基础上，分步反应的实验。可以想见，模型参数辨识也可以在操作条件下，提供足够的信息数据。介绍了多变量控制器测试一个在一管段的钻头钻孔，提取出来的情况。该操作是通过改变在钩子上设置从0米至2700点。钩子的立场是包含在控制器，控制器会自动尝试改变立场挂钩到新的位置，同时设法减少到最低限度井底压力变化。后钩位于27米，压力稳定到其预期值，设定值被重置挂钩从27米到其原始值0米的变量和每个模拟相关参数的值在下面的表1总结。请注意，四种不同的调弦被认为是货币政策委员会，相当于为国家在货币政策委员会的目标比重，方程矩阵Q不同的选择。 （12）。与无之间的货币政策委员会情景有意义的比较，钻柱的速度剖面从货币政策委员会的执行产生的无货币政策委员会也选择方案。还要注意的比重相对较高的6固相萃取的第三操纵输入（钻柱的速度），这是用来防止占主导地位的操纵来控制速度必单独124631。 表1。实例说明校正 符号值 表2。实例说明实例 符号 模式 最大钻柱流速观测观察实例符号模式最大钻柱velocityResults所有模拟结果如图2至图5给出。如表2所述的模拟以虚线绘制的模拟钻柱的地方是没有协调控制（MPC），固画线与协调控制的模拟。仿真结果也根据配对的速度钻柱的颜色。图2说明了米/分钻柱的速度，速度是相同的和没有货币政策委员会两者。SPE 124631图2。钻柱的速度。积极的方向是跳闸到井里。速度曲线的“无货币政策委员会”的个案（第1A - 4A）在已选定类似货币政策委员会例（第1B - 4B型），以简化控制器的性能比较的钻柱。因此，在图2中的虚线和实线选择是相同的。重要的是要注意到，钻机不能设置直接钻柱速度，但只能改变货币政策委员会中的位置设定值的情况挂钩。钻柱的速度将是在矩阵R（十）和Q（十）调整参数，这是挑选了这样的稳定和性能保证的结果。在无货币政策委员会的情况下，司钻来钻柱设定点位置转化为一个速度曲线，以减少压力的干扰。由于蜜蜂可以看出，速度曲线是一个比较平滑的曲线，类似于如何将经验丰富的钻机钻柱运动的调整。光滑的速度曲线降低了钻柱，而这又减少了井筒压力扰动加速度。在图3中的钩位置绘制。这块地是密切相关的速度情节，与点缀和固体选择是相同的线路。图3。胡克的位置是在升/分钟绘制在图4中在两种情况下，从主要泥浆泵（带和不MPC）的体积流量。对于没有货币政策委员会所有模拟泥泵流量保持稳定，1000 升/分钟。对于货币政策的情况下，控制器将自动更改从主泥泵流量，以补偿引起的压力波动的钻柱。图4。从图5卷，从海底的主泵的体积流量，流速泥浆泵在升/分钟绘制。对于没有货币政策委员会所有模拟的流量保持稳定，1000 升/分钟。可以看出，货币政策委员会还积极申请使用海底，以补偿因钻柱运动。图图5。量从水下泵流量。从这个泵泥分发给表面通过一个单独的返回线。图6中的必和必拓策划，并在压力和没有可观察到的不同速度的多变量控制的变化。图6。在井底压力变化规律及跳闸孔免谈根据以往的业务经验（尼加德等。，2007年）的钻柱运动将引起压力的干扰如果得不到补偿。在这项研究中，我们最初目前无MPC解决方案，该法司钻的位置，向一钻柱速度信号，减少了钻柱的加速度，从而避免压力峰值。如图6所示，这是不够的速度曲线，以避免大的压力变化。活跃的钻柱引起的通过操纵主泵压力扰动补偿的结果显示在低得多的压力变化。请注意，小的压力振荡可以在MPC的情况下观察。这样可以减少振动，增加的边际消费倾向的目标，情商重量R（j）条。 （12），都在以牺牲反应较慢。在此指导文件情况下，使用水平的提升，以补偿运动时产生的钻柱速度太慢，将是有效的压力干扰。因此，至关重要的是，主泵钻井液用积极的补偿压力干扰。图6表明，利用货币政策委员会提供了一个更好的整合压力扰主泵与钻柱运动流速操作，同时保持所有相关约束的有效框架的各项成果。在传统的钻井作业，积极利用钻井液主泵流量为压力扰动补偿是不常见的做法。这是因为压力瞬变通过改变主泵流量引起的，可能太复杂，理解和协调控制用途的其他变量手动。当然，从人类的控制转移到电脑的想法会遭到怀疑和潜在的阻力。这确实是在在其他行业，如石油精炼（Nikolaou，2008），类似的概念首次应用发生。然而，经验表明，计算机可以超越以可靠和安全的方式在多变量控制人类。一种以计算机为基础的自动化验收的关键是要提供足够的人力，机器操作人员的沟通，感觉计算机在做什么，避免诉诸手动模式操作每次感受到控制系统操作舒适，是在危险。结论MPC的能力，通过协调控制流量泥浆泵，水下泵流量和流速钻柱的位置和操作都必钩，同时满足不同的重要制约因素是对计算机模拟演示。这项工作今后的工作表现如何，可作为货币政策的协调在MPC多变量控制多变量控制的框架。虽然这项工作对两个变量同时控制重点是，在相同的框架可以用来整合了更多重要的变量，如对位和普及率体重的控制。可以包含额外的限制，如粘滑的情况下避免。此外，货币政策委员会的变种，更好的扰动估计或模型适应依赖也可能被使用。最后，其他作业相关的钻井方案将进行审查。命名必 - 井底压力指导文件 - 双梯度钻井货币政策委员会 - 模型预测控制MPD公司 - 控制压力钻井随钻测量 - 测量，钻不扩散核武器条约 - 非生产时间致谢本文提出在项目上“麦克斯韦”执行工作在斯塔万格作为国际研究协会（IRIS）的计算结果。该项目由StatoilHydro公司ASA和挪威研究理事会。参考Allgwer，楼Findeisen，河，纳吉，ZK的，2004年。 “非线性模型预测控制：从理论到应用程序”。 j的钱。研究所。化学。 Engrs。 35（3）:299 - 315。 Bjrkevoll，堪萨斯州，莫尔德，溶解氧，Fjeldberg阁下，2008年。 “利用控制压力钻井设备和技术在水泥在北海一Severly耗尽高温高压水库”。固相萃取115118发表在SPE俄罗斯的石油和天然气技术会议暨展览会上，10月28-30日。 Breyholtz，伽利略。，尼加德湾，Godhavn，J.-M.，Vefring，高血压，2009a的。 “评估统筹率和窒息泵压钻井作业过程管理阀门控制设计”。在第18届IEEE国际会议控制应用（CCA）的，圣彼得堡，俄罗斯，7月8-10日诉讼。 Breyholtz，伽利略。，尼加德湾，米Nikolaou（2009b）。深水钻孔：全压调剖井段开放使用模型预测控制，国际报业电信13256。 Breyholtz，伽利略。，尼加德湾，米Nikolaou（2010）。控制压力钻井：一个多层次的控制方法，智能型能源2010（提交）。布朗，法学博士，Urvant，维维，索罗古德，巨浪，罗曼罗兰，国联，2007年。 “一无冒口泥浆回收系统部署海上萨哈林岛”。固相萃取105212发表在SPE / IADC钻井会议，阿姆斯特丹，荷兰，2月20-22日。科恩，学者，德斯金斯湾，2006。 “轻量级固体添加剂使用，以减少钻井在提升管重量”。固相萃取99174发表在IADC / SPE钻井会议，迈阿密，佛罗里达州，美国，2月21-23日。福雷斯特，北，贝利，吨，2001年。 “为深水钻井水下设备使用双梯度泥浆体系”。固相萃取67707发表在SPE / IADC钻井会议，阿姆斯特丹，荷兰，2月27日至3月一日。 Fossli湾，Sangesland，美国，2006年。 “控制泥CapDrilling用于海底应用：深水井控挑战”。 SPE钻井与完井21（2）:133 - 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