（控制科学与工程专业论文）深水泥浆举升钻井系统控制策略研究.pdf

人 j ) c o n t r o ls t r a t e g yf o rs u b s e am u d l i f td r i l l i n gs y s t e m at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：y a nj i a - l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh e x i n - x i a c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 一上 j 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：2 三i 三翌_ 三l 日期：伽1 1 年 月卜日 学位论文使用授权书 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 。 学位论文作者签名： 2 兰) 垒整 日期：和j ，年么月b 日 指导教师签名： ! f 马坌王! 起 日期：衣年岁月 ：；7 日 摘要 在深海钻井作业时，由于泥浆密度窗口很窄，增加了工程设计的难度。为了 解决这一难题，双梯度钻井技术采取某些措施使同尺寸的井眼中产生两个液柱梯 度，从而增大了地层破裂压力和孔隙压力之间的钻井液密度余量，使得在相同液 柱压力情况下，钻井深度大大增加。 本文结合国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发所属课题“深水油 气田开发钻完井工程配套技术( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 - 0 1 ) 的研发任务，针对双梯度钻井 技术中的s m d 钻井系统，开展海底泥浆举升钻井系统监测与控制方面的研究。 在跟踪研究国外相关技术的基础上，对s m d 系统的工作原理、流程、工况 进行了系统的研究，并结合各种工况，制定了海底泥浆举升系统泵、阀的运行方 案及其在s m d 试验平台上的验证方案。 结合s m d 试验平台的组成和基本功能，为s m d 试验平台开发了一套完整 的监测系统。并以s m d 试验平台的泥浆举升系统的动力配置为例，给出了可供 s m d 实际系统参考的动力配置方案。 针对s m d 泥浆举升系统工作环境恶劣、控制过程存在较多不确定性和非线 性因素等特点，选用p i d 神经元网络对泥浆举升系统进行建模。可以同时应用 于试验平台和实际系统。 重点对模糊控制算法进行了研究，并给出了应用于s m d 试验平台的泥浆举 升系统的模糊控制器的详细设计过程和应用效果。 关键词：深水泥浆举升钻井监控系统模糊控制p i d 神经元网络系统辨识 c o n t r o ls t r a t e g yf o rs u b s e am u d l i f td r i l l i n gs y s t e m a b s t r a c t d e e p - s e ad r i l l i n gh a st of a c es o m ep r o b l o m sd u et oi t sn a r r o ww i n d o wo fm u d d e n t i s y d u a l 黟a d i e n t d r i l l i n gc a ns o l v et h e s ep r o b l o m sp r o p e r l y i t sb a s i ci d e ai st o c r e a t et w od i f f e r e n tm u dg r a d i e n ti nt h es a m es i z eo f b o r e h o l ei no r d e rt oi n c r e a s et h e m u dd e n s i t ym a r g i n s ow i t ht h es a m ep l u m ep r e s s u r e t h ed e p t ho fd 1 4 1 1 i n gc a l l _ b e i n c r e a s eg r e a t e l y t h ep r e s e n tp a p e ri ss p o n s o r e db y d e v e l o p m e n to fl a r g es c a l eo i l & g a sf i e l da n d c o a l b e dg a s n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a j o rs p e c i a lp r o j e c t , r e s e a r c hi s c a r r i e do nt h es t r a t e g ya n dd e s i g no fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rs u b s e am u d l i t t d r i l l i n g ( s m d ) s y s t e m ，w h i c hi sa m a t u r ep r o g r a mo f d u a - g r a d i e n t - d r i l l i n g b a s e do nt h es t u d yo ft h er e l a t e dt e c h n o l o g ya b r o a d , as y s t e m a t i cs t u d yo nw o d 【s ， p r o c e s s e s ，w o r k i n g c o n d i t i o n so fs m di s c a r r i e d c o n s i d e r i n g 丽t 1 1t h e a c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o n sa n dp r o c e s s e s ，a l lp r o g r a mo fs y s t e mo p e r a t i o no fp u m p ，v a l v e a n di t se x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no nt h es m d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sp r o p o s e d c o m b i n i n gt h eb a s i cf u n c i t o na n dc o m p o s i t i o no fs m de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ， a nc o m p l e t em o n i t o r i n gs y s t e mf o rs m d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e v e l o p e d m o t i o n c o n f i g u r a t i o nf o rs u b s e am u d l i f ls y s t e mo fs m de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sg i v e n , w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rm o t i o nc o n f i g u r a t i o no fa c t u a ls y s t e m f u z z ya l g o r i t h m i ss t u d i e d e m p h a t i c a l l y t h ep r o c e s so fd e s i g n , e f f e c to f a p p l i c a t i o no f t h ec o n t r o l l e rb a s e do nt h ea l g o r i t h mf o rs u b s e am u d l i t ts y s t e mo fs m d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sg i v e r l a ss u b s e am u d l i f ts y s t e mw o r k si nah a r s he n v i r o n m e n t ，w i t hal o to fu n c e r t a i n a n dn o n l i n e a rf a c t o r s ，i t sh a r dt om o d e li td i r e c t l ya n da c c u r a t e l y s ot h em o d e l i n g m e t h o du s i n gp i dn e u r a ln e t w o r kw h i c hd o e s n tn e e dm u c hm a t h m a t i cm o d e li s s e l e c t e dt om o d e lt h es y s t e m k e yw o r d s ：s u b s e am u d l i rd r i l l i n g ( s m d ) ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ； f u z z y c o n t r o la l g o r i t h m ；p i dn e u r a ln e t w o r k ( p i d n n ) ；s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 双梯度钻井技术2 1 2 2 控制技术在双梯度钻井中的应用4 1 2 3 泵控制技术。4 1 3 论文的研究内容及技术路线5 第2 章s m d 系统概述7 2 1s m d 系统工作原理7 2 2 海底泥浆举升系统简介8 2 3s m d 各种工况研究。9 2 4s m d 监控系统简介1 2 2 4 1s m d 监控系统的任务及设计要求1 2 2 4 2s m d 监控系统的组成1 3 第3 章s m d 试验平台监测系统的设计15 3 1s m d 试验平台简介1 5 3 2s m d 试验平台监测系统硬件设计1 7 3 2 1p x i 系统的构建1 7 3 2 2 仪器仪表的选择与连接2 3 3 2 3 电磁阀的选择与连接2 7 3 3 基于l a b v i e w 的s m d 试验平台监测系统软件设计2 8 3 3 1 虚拟仪器与l a b v i e w 简介2 8 3 3 2s m d 系统主要模块的设计3 0 3 4 监测系统的应用举例3 4 3 5 本章小结3 6 第4 章s m d 泥浆举升系统建模方法研究3 7 4 1 控制对象建模的意义及建模方法概述3 7 4 2 基于神经网络的系统辨识方法研究3 8 4 3 几种常见神经网络的l a b v i e w 实现4 2 4 4s p i d n n 辨识系统的l a b v i e w 实现与仿真4 4 4 4 1 系统初始化模块4 5 4 4 2 前向算法模块4 7 4 4 3 反传算法模块5 0 4 4 4 其它辅助模块5 5 4 4 5s p i d n n 系统辨识仿真5 6 4 5s p i d n n 辨识系统的改进5 9 4 6s m d 泥浆举升控制系统的系统辨识6 0 4 7 本章小结6 2 第5 章s m d 控制系统的设计6 3 5 1s m d 试验系统的工况模拟及控制策略6 3 5 2s m d 泥浆举升系统的动力配置6 4 5 3s m d 试验平台泥浆举升系统的控制器设计6 7 5 3 1l a b v i e w 模糊工具箱简介6 7 5 3 2 模糊控制器的结构6 8 5 3 3 模糊控制器的详细设计6 8 5 3 4 试验与应用效果7 3 5 4 基于对象模型的预测控制器设计案例7 5 5 5 本章小结7 6 结论与展望。7 7 参考文献：7 9 致谢。8 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第1 章绪论 海洋面积占地球表面积的三分之二，其地下蕴藏的油气资源也相当丰富，据 统计，世界海洋石油蕴藏量约1 0 0 0 多亿吨，天然气储量1 4 0 万亿立方米，深海 区域还蕴藏着丰富可燃冰资源。在世界原油供应紧缺、陆上石油储量不足、能源 越来越受瞩目的今天，世界各石油公司相继将投资热点转向了海上石油的勘探和 开采。努力加快海洋石油的勘探和开发有助于缓解石油供需矛盾。 而随着人类技术的进步和社会的发展，海洋石油开发必然向深海迈进，这是 因为：深海占了海洋面积的绝大部分；世界深海油气资源十分丰富；深海勘探开 采技术逐步成熟；深海开发成本随着采油量的增加不再高升；石油成为各个国家 的战略资源；油价持续上涨驱使深海油气田开发。 对我国来说，我国有着漫长的海岸线，领海面积广阔，海洋石油储量丰富。 现已探明的石油大多分布在南海、渤海，黄海、东海、珠江口、北部湾和莺歌海 等深海区域。但是由于起步晚，技术资料少，技术壁垒重重，直接引进国外的核 心技术困难，使得我国的深海钻井技术水平相当滞后，缺少必要的深海油气能源 的钻探、开发及生产装备。目前我国海上油气勘探、开发、生产主要在大陆架， 作业水深不超过3 0 0 m ，至今对南海等深海区域的物探和开发仍处在空白状态， 深海石油钻采技术亟待发展。 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。深海钻 井相对于陆上钻井和浅海钻井来说，设备更容易受海水腐蚀，而且由于海风、海 浪、洋流、冰川、海底泥沙疏松等自然因素的影响，使得深海钻井面临诸多设备 上和工程设计上的难题。 双梯度钻井技术( d u a l g r a d i e n td r i l l i n g ，简称d g d ) 作为目前深海钻井的先 进技术，它于上世纪9 0 年代提出并迅速发展，能克服深水特殊的自然环境、油 藏条件以及现有常规钻井装备无法满足深水作业的难题，可以增大现有装备可钻 水深极限，能以更低廉的成本、更短的建井周期、更安全的作业、更高的产量实 现深水油气开发作业【l 】o l 第1 章绪论 双梯度钻井技术在我国工业界已经引起重视，不少学者也纷纷加入行列。但 此技术还停留在理论和研究阶段，有必要在已有资料的基础上，借鉴外国的成功 经验，结合我国深海石油开发过程中遇到的实际问题，对双梯度钻井的核心技术 进行研究并制定相应的技术方案，设计出适合我国深海环境的钻井技术。 s m d 钻井技术是深水双梯度钻井技术中比较成熟的方案，在国外均已展开 商业化应用和推广，收到了巨大的经济效益。本课题即是结合国家“大型油气田 及煤层气开发 科技重大专项“海洋深水油气田开发工程技术 项目中“深水 油气田开发钻完井工程配套技术课题的“海底泥浆举升钻井( s m d ) 技术研 究 子课题的研发任务，以5 0 0 - - 1 5 0 0 米水深为目标，为s m d 系统设计监测 与控制模块。 监测与控制模块是s m d 系统的核心模块之一，它的作用是：克服海底恶劣 环境和海洋钻采的复杂工况，及时反映平台的实际运行情况，并根据s m d 作业 流程确定合理的控制算法和控制策略，对海底泥浆举升泵进行控制，维持海底吸 入模块环空顶部压力恒定，保证钻井平台持续稳定运行。 控制技术作为现代工业生产不可缺少的支撑元素，其应用已经非常成熟。就 控制技术的研究成果而言，可以说，国内的水平并不比国外差，甚至在某些领域 已经处于领先水平。但是，就先进控制理论在工业生产领域的应用现状而言，国 内水平与发达国家还有一段距离。其中一个重要原因就是理论研究与实际应用的 脱轨。由于缺乏实际背景的支持，一个先进的理论成果一旦应用于实际工业生产 就会遇上各种各样的问题，国内还缺乏解决各种实际应用问题的经验。本文针对 s m d 系统将先进的控制理论应用于实际工业生产，这对控制技术的发展具有重 大的意义【2 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 双梯度钻井技术 目前国外已系统开展双梯度钻井技术及装备的研究，形成3 大类共7 种实现 系统方案，包括： ( 1 ) 海底泥浆举升钻井( s m d ) 。该技术利用一个吸入模块将隔水管和井 2 中国石油丈学( 华东) 硕士学位论文 眼隔开，井眼的钻井液通过圆盘泵，从旁路管线返回海面。要求举升泵的入口压 力保持恒定，以维持井眼内的钻井液液柱压力，从而与隔水管内的液体形成不同 的压力梯度。这种钻井技术在国外已经相当成熟，并已经运用到实际生产中，取 得了良好的经济效益。 ( 2 ) d e e p v i s i o n 双梯度钻井。该技术和s m d 技术类似，所不同的是它在 系统中采用了离心泵来返回钻井液，并且根据水深和泵的扬程，可以采用多级泵。 系统通过自动调节离心泵的速率控制井底压力。该项技术已进行了试验，但目前 尚未进行工业推广应用报道。 ( 3 ) 海底泵系统( s s p s ) 。它与上面两项技术类似，但是采用的是多级电潜 泵，并且在电潜泵的前端安装了水下固相处理装置，用来分离大的钻井岩屑和粉 碎小的钻井岩屑，保证电潜泵不会被岩屑损坏，增加了系统的可靠性。该项技术 实现比较简单，但该方法需要将大量钻井岩屑排放在海底，易对海水生态造成危 害，因此限制了该钻井方法的推广。 ( 4 ) 空心微球( h g s ) x 2 梯度钻井。这项技术主要通过向隔水管内注入低密 度的空心微球来实现隔水管内和井眼内的不同的压力梯度。该系统设备简单、不 需要复杂的动力配置。但该技术中，难点在于还没有完美的分离技术和分离设备 对回收的含有空心微球的泥浆进行分离。因此目前该方案还在进一步研究中。 ( 5 ) 无隔水管钻井液回收( r m r ) 系统。该项技术的特点是没有隔水管，钻 杆直接暴漏在海水中，在海底井口通过密封装置将井眼与海水隔开，并且通过海 底泵和马达将钻井液通过旁路管线返回。该项技术在国外已经有很成熟的应用， 作业水深达4 5 0 m ，每口井可节约16 5 万美元左右。目前该技术正在针对深水进 行升级。 ( 6 ) 隔水管气举系统。该项技术采用向隔水管内注入高压气体来实现隔水 管和井眼不同压力梯度的钻井优势。这项技术可以大大降低钻井费用，具有相当 大的诱惑力。但该技术面临的问题是：高性能的压缩机、气体腐蚀、以及由于气 体可压缩性导致的压力梯度呈非线性变化等。给该技术的推广应用造成一定的困 难。 ( 7 ) 稀释双梯度钻井系统。该技术采用向隔水管内注入低密度流体来实现 第l 章绪论 双梯度钻井的优势。并且可以通过离心机对回收的混合液进行分离，不需要特殊 装置，实现起来比较简单。但是该项技术对降低成本没有太大的效果，因此还有 待改进。 双梯度钻井技术的研究在我国起步比较晚，目前为止还只是处在准备和调研 阶段。“十五期间，中海石油研究中心率先在国内开展了双梯度钻井技术的前 期研究，并与中国石油大学( 华东) 合作完成了“双梯度钻井技术先导性研究的 海洋石油总公司科研课题，在双梯度钻井关键技术研究方面取得阶段性的进展， 初步形成了一支双梯度钻井技术研究队伍，为双梯度技术在我国的进一步研究奠 定了人力基础。国内已有多篇论文就双梯度钻井的各种技术进行了较深入的研究 和探讨，理论研究方面有了突破性进展。但是尚未开展装备研究设计上的工作。 1 2 2 控制技术在双梯度钻井中的应用 各种双梯度钻井技术的实现都离不开自动控制技术。由于海洋钻井具有风险 大、环境多变、工况复杂的特点，使得钻井过程对监测与控制系统依赖性非常强， 对监测与控制系统的可靠性和速动性上也比一般的钻井过程苛刻。 目前，双梯度钻井技术的各种实现方案中，s m d 系统、d e e p v i s i o n 系统、 s s p s 系统、r m r 系统均牵涉到泥浆举升泵的单级或多级控制。而其它几个方案 则需要控制系统对气、液、固体向隔水管内的注入过程，包括注入速度、注入时 间进行控制。后者相对比较简单，不需要复杂的控制过程。前者则涉及在复杂工 况下对单级泵或多级泵的运行状态进行控制，存在一定的难度。但是由于控制技 术本身的发展水平已经很高，所以控制技术在双梯度钻井中的应用并不存在无法 克服的难题。国外的s m d 系统和r m r 系统已经投入实际运营，其相应的控制 系统也已经经受过实际系统的考验。 虽然目前国内外基本上没有泥浆举升泵控制策略的公开资料，但是在泵站、 恒压供水系统中，泵的控制方法和控制策略已经被深入的研究，并且这方面的资 料也较多，为本课题的研究提供了坚实的理论基础和丰富的实际应用经验。 1 2 3 泵控制技术 水泵是用来输送液体并提高其压头的设备，在工农业生产、公用设施、日常 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 生活中的应用十分广泛，被称为设备的心脏。目前国内外对泵控制技术的研究已 经十分广泛，涉及的内容也比较繁杂，包括不同的应用领域、不同的控制算 法、不同控制器硬件和不同的动力系统方案等。 根据被控对象的组成，泵控制系统分为：单泵控制系统、多级泵控制系统、 泵组控制系统、泵站控制系统。 根据应用领域，泵控制系统分为给排水系统的控制、恒压供水系统的控制、 自动化注水系统的控制以及一些特殊的应用，如定量泵、带嵌入式系统的智能 泵等 根据所使用的控制技术的不同，泵控制系统分为：基于传统控制算法 的泵控制系统、基于模糊控制等智能控制技术的泵控制系统。 根据所使用的控制器的不同，泵控制系统分为：基于单片机的泵控制 系统、基于p l c 的泵控制系统、基于d s p 的泵控制系统。 根据启停方式和调速方式，泵控制系统又分为：硬启停机械调速的泵 控制系统、软启停变频调速的泵控制系统。 总的来说，泵控制技术的研究已经逐渐从单泵控制向泵站控制发展，从基于 传统控制算法到基于智能控制算法的泵控制发展，从基于单片机的泵控制到基于 d s p 、f p g a 等具有高速数字处理能力的控制器的泵控制技术发展，从传统硬启 动机械调速到变频器启停调速发展。泵控制技术已经十分成熟。 1 3 论文的研究内容及技术路线 论文的设计目标是为s m d 双梯度钻井技术的研究和实现，制定一整套监控 系统实施方案，并在此基础上，制定适合s m d 系统的安全可靠的控制策略。主 要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) s m d 的作业流程。在进行深海钻井时，由于工况复杂，作业环境恶劣， 因此研究s m d 作业流程，并进而掌握海底泵在各种工况下的运行情况，以及在各 种情况下对泵的运行要求是十分必要的。 ( 2 ) 被控对象模型。根据实际控制系统的需要，对变频器、电机、泵、泥 浆循环管路组成的控制对象建立一个比较精确的控制模型，为控制方案的设计以 5 第l 章绪论 及以后s m d 双梯度钻井技术的研究提供依据。 ( 3 ) 泥浆举升系统的控制方案。为海底泥浆举升系统设计一套可行的动力 配置方案：选择适当的控制算法，对控制器进行选型，对外围电路进行设计，并 进行相应的软件设计。通过仿真、实验和对比，确定恰当的控制参数，使得控制 系统具有满意的动态性能和稳态性能，确定出符合s m d 作业流程的海底泵控制方 案。 ( 4 ) 其他海底设备的监控。为了充分利用控制器资源，对其它海底设备进 行监控。并将验证后的控制方案应用于s m i ) 试验平台或试验样机，确保监控系统 在模拟环境或现场环境下安全稳定运行。 总之，本课题研究目的在于为s m d 双梯度钻井技术的实现提供安全可靠的控 制策略，克服深海钻采在复杂工况下的钻井难题，使得钻井平台能安全稳定的运 行，并实现整个钻井平台包括泥浆举升泵在内的运行实现自动化和可视化。同时 结合系统工作原理，为系统的控制对象建立一个比较精确实用的的控制模型。 由于课题涉及的内容包括钻井、井控、软硬件设计、信号处理、神经网络等 多个方面，既有较强的理论性，又有较强的工程应用性，因此本课题采用理论研 究、软件仿真和现场调试相结合的方法。主要技术路线有： ( 1 ) 了解课题的国内外的研究现状，理清s m d 系统的工作原理、s m d 系 统的钻井流程、各种工况以及处理措施等钻井、井控方面的知识。结合s m d 系 统工作原理，与课题组其它成员共同完成s m d 试验平台的初步设计。 ( 3 ) 考察各种监控系统的硬件实现方案，选择适合试验平台的方案和适合 运行于深海的实现方案进行软硬件的初步设计。 ( 4 ) 对控制算法、系统辨识等方面的内容进行深入研究，利用m a t l a b 等仿 真工具对各种算法和实现方式进行仿真，并选择其中最合适的算法利用 l a b v i e w 编程实现。 ( 5 ) 将编程实现的控制算法和系统辨识方法运用于试验平台，进行调试， 完成相关试验，得出对实际系统研究和应用有用的结论。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第2 章s m d 系统概述 2 1s m d 系统工作原理 目前，根据国际海洋石油业内人士的公认标准，海洋深度在5 0 0 m 以内的为 浅水，5 0 0 m 以上为深水，超过1 5 0 0 m 的则为超深水【3 1 。在对深水石油和天然气的 勘探和开发中钻成井眼所采取的技术方法称为深水钻井工艺。深水钻井工艺与陆 上钻井工艺基本相同，但由于较深海水的存在，它的难度明显增加，也出现了与 陆地钻井、浅海钻井不同的地方。其中一个重大的难题是由于深水海底疏松的沉 积泥沙和海水柱作用，深海钻井的泥浆密度窗口( 孔隙压力和破裂压力之差) 窄， 增加了工程设计的难度，并且给井控带来一定的安全隐患。 常规的深海钻井工艺在同尺寸的井眼中只有一个泥浆柱梯度，随着钻井深度 的增加，泥浆柱的压力呈正比关系增加，即： 只= p , g h( 2 一1 ) 式中，丑为钻井液液柱压力，以为钻井液密度，h 为液柱高度。 由( 2 一1 ) 式可见，如果钻井液的密度麒太小，泥浆柱压力日就会很小，不 足以抵消地层的孔隙压力，从而导致地层流体侵入井眼，给控井环节带来一定的 困难；而如果钻井液密度只太大，泥浆柱压力日就会大于地层破裂压力，导致 泥浆漏失、卡钻、井径扩大、地层断裂、井体坍塌、洗井困难等钻井问题，使钻 井工作无法顺利进行【4 】【5 】。因此，为了保证井身质量和钻井安全，常规的深海钻 井工艺往往需要下多层套管。 双梯度钻井技术的出现和应用，是海洋石油开采领域的一个新的突破，它的 出现使得上述深水钻井的问题迎刃而解。双梯度钻井技术的基本思路是采取某些 措施使同尺寸的井眼中产生两个液柱梯度，海底以上的隔水管内流体密度与海水 密度接近，而海底以下的井体内则充满一定浓度的钻井液。此时，钻井液液柱压 力为： = p , g h , + 风g 鸩( 2 2 ) 式中，最为双梯度钻井的井底压力，局为隔水管内的液体密度，q 为海水 7 第2 章s m d 系统概述 深度，以为井眼内的钻井液密度，致为井眼深度。 由上式可以看出，这种钻井方式可以增大地层破裂压力和孔隙压力之间的钻 井液密度余量，使得在相同液柱压力情况下，钻井深度大大增加【6 】。 s m d 系统是双梯度钻井技术的一种，其基本结构如图2 1 所示，隔水管和 井眼之间装有一个旋转分离装置，将隔水管和井眼内的两个不同密度的液体隔 开。系统在进行钻井作业时，钻井平台上的泥浆泵通过钻杆、钻杆阀、钻头向井 眼中打入钻井液，钻井液进入井眼环空并返回井眼上部。由于旋转分离装置的存 在，钻井液无法继续进入到隔水管，而是通过与旋转分离装置相连的管线进入海 底泵，从旁路管线返回泥浆循环池。该钻井方法只要控制好海底泵的入口压力， 即可控制井眼底部液柱压力。根据实际需要，还可增加多路泥浆返回管线或多级 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的液体；结构简单，易于维修。圆盘泵的这些特点使得它成为泥浆举升泵的最佳 选择。 ( 2 ) 动力供应。动力供应部分是海底泥浆举升泵的动力来源，它由变频器 和水下电机组成，另外由于电能输送的需要，海上电缆传输的电压往往为高电压， 因此还要在变频器前端添加变压器。 ( 3 ) 泵控制系统。该部分相当于泥浆举升系统大脑，它根据泵的入口压力 对泵的转速进行调节，以保证吸入模块的环空顶部压力保持在某一恒定值附近， 从而发挥双梯度钻井的优势。泵控制系统由适合于水下工作的控制器及其配套的 软硬件组成。 ( 4 ) 泥浆返回管路。该部分是钻井液和岩屑从海底泵返回泥浆回收池的通 道，同时可作为水下设备电线电缆的附着体。 2 3s m d 各种工况研究 深水钻井异常井况包括复杂钻井工况和钻井事故。复杂钻井工况属于正常工 况，是深水钻井过程中必然会遇到的，无法避免。它主要包括：井涌、井漏、轻 度井塌、砂桥、泥包、缩径、键槽、地层蠕变、地应力引起的井眼变形、钻井液 污染及有害气体的溢出。复杂钻井工况处理不好就会导致钻井事故。钻井事故类 型主要有：卡钻、井喷、严重井塌、钻具或套管断落、固井失效、井下落物及划 出新井眼丢失老井眼等。钻井事故一般都会造成比较严重的环境污染或经济损失 甚至危及作业人员的安全。进行深水钻井海底泥浆举升泵控制策略应用研究的目 的正是制定相应的控制策略，及时处理复杂钻井工况，预防钻井事故，将损失和 风险降到最低。 结合本课题的研究目标，这里重点总结了深水钻井过程中的部分异常井况及 相应的控制策吲1 仉1 4 1 。为泥浆举升控制系统的控制方案提供依据。 ( 1 ) 溢流。溢流是井涌、井喷的初始阶段，是由于井底压力小于地层孔隙 压力造成地层流体进入井筒，使钻井液返出量大于泵入量或在停泵后仍然有大量 钻井液从井口自动外溢的现象。 一般来说，油层、油气层或水层由溢流发展为井喷是一个较长过程，只要安 装有井控装置，就可以保证有足够的时间做好井控工作。气层则不然，从溢流到 9 第2 章s m d 系统概述 井喷的过程非常短暂，有时候仅有几分钟时间。气体向上运移过程中，随着压力 下降，体积大幅膨胀，上升速度越来越快，能量变得很大，很容易在极短时间内 发展为井涌和井喷。及时发现溢流是做好井控工作的前提。 根据地层压实原理，凡是高压地层一般都是欠压实的。所以接近高压地层或 者钻开高压地层时，钻速要加快，某些裂缝发育的地层，还会发生跳钻或别钻现 象。所以在监测到钻速加快或有别、跳钻现象发生时，要注意判断是否会发生溢 流。只要有地层溢流侵入井内，必然有如下现象发生，可以作为判断的依据： a ) 钻井液返回量增大，密度下降，黏度上升，并且由于气体的膨胀做功， 使得钻井液温度升高。 b ) 泥浆循环系统压力上升或下降、钻杆悬重增大或减小。当地层压力高于 井底压力，打开该地层时，泵压将很快增大，钻杆悬重由于高压层的支撑也会下 降；随着油气水的侵入，使得钻井液密度下降，液柱压力下降，从而又会导致泥 浆循环系统压力下降。钻杆悬重由于液体的上浮力减小而增大， c ) 当返回的钻井液中出现油花和气泡、或单纯气泡时，很可能已经钻入油 气层或气层，应发出防止溢流警示。钻井液会变为暗色，并伴有臭鸡蛋味，也说 明已经钻入带有硫化氢气体的油气层或气层。 d ) 起下钻或停止循环时，钻井液出现异常。如起钻时灌不进钻井液，或灌 入量少于起出钻具的体积；下钻时返出的钻井液量多于下入钻具应排出的体积， 井口外溢间隔时间缩短或不间断外溢；停止循环时，井口钻井液不间断外溢。 e ) 钻进时放空，或钻入低压层，会发生井漏，当液面下降到一定程度时， 同层或其他层的井底压力小于地层压力时，就转漏为喷。 ( 2 ) 井涌。钻井液的缓慢喷发过程称为井涌，它通常是井喷事故发生的“前 奏 。一般认为，井涌发生的一个重要原因是由于地层中存在地层气，在钻进过 程中，地层气不断透过井壁进入井眼，使钻井液中的气体成分不断增加，从而“液 气混合物密度不断减小，井眼内的液柱压力随之减小，当这个压力减小到不足 以平衡地层压力时，就会出现溢流，并进而发展为井涌、井喷。 溢流或井涌发生后，如果采取措施及时，一般不会发生危险事故。 s m d 系统发生溢流或井涌时，一方面需要停止正常钻进，并采取可能的关 井，打开防喷阀等措施，另一方面则要对泥浆举升泵和泥浆返回管路中的泥浆进 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 行协调，根据井涌强度适当调整海底泵的转速，尽可能将涌入的流体循环出井眼， ( 3 ) 井喷。它是一种地层中流体喷出地面或流入井内其他地层的现象。在 钻进过程中，如果对地层压力掌握不准或所配钻井液密度偏低都可能导致井喷。 另外起钻抽吸等其它一些不当措施也会引起井喷。井喷可能导致较大的危险事 故，因此需要及时制止。 s m d 系统发生井喷事故时，首先应采取抢险措施，包括向井体灌入大密度 的重晶石粉，关井等措施；在必要的情况下，利用r o v 机器人断开海底泵与旋 转分离装置之间的跨接管线在旋转分离装置端的接头，尽快将该跨接管线连接到 下方备用出口上，保持海底泵的正常运行，以便在关井成功后泥浆举升系统可以 尽快投入抢险工作。 ( 4 ) 井漏。井漏是钻井过程中严重而又常见的复杂工况之一。它是指在钻 进中，由于地层中有孔隙、裂缝或溶洞等地质原因或钻井液本身密度大于地层破 裂压力，导致地层压裂，使钻井液大量遗失到地层中的过程。轻微的井漏会使钻 井工作中断，严重的漏失则会耽误大量工期，耗费相当多的人力物力，如果井漏 得不到及时发现和处理，还会导致井喷、卡钻、井塌等事故，使部分井段甚至全 井段报废，因此及时发现和处理井漏非常重要。 井漏有以下特征：钻井液进多出少，或只进不出，严重时环空液面下降；对 于井塌或砂桥堵塞造成的井漏，活动钻具时会有明显阻力，阻力越大说明井漏越 严重。 ( 5 ) 起下钻。起下钻是指由于已经达到目的井深、层位或需要更换钻具等 原因，把钻具从井下起出地面的过程。起钻之后，如果还需要继续钻进，或者需 要通井，就要把钻具再下到井底，叫做“下钻 。在下钻遇阻的时候需要进行带 压下钻，带压下钻就是接上方钻杆，开泵进行循环，边循环，边下放。 s m d 系统在起下钻时，一方面需要控制井口旋转分离装置，使其关断，另 一方面还需要采取措施，使泥浆循环管路内仍然充满泥浆，并且泵的入口压力也 需要调整在合适的状态，防止发生井漏或溢流现象。 ( 6 ) 接单根。随着正常钻进的进行，井深不断增加，因此需要不断接长钻 杆。把每次接入一根钻杆这一作业称为接单根。 s m d 系统在进行接单根作业时和陆地钻井不同，在没有泥浆继续打入井眼 第2 章s m d 系统概述 的情况下，需要对泵的转速和泥浆循环管路进行调整，以保证接单根作业完成后， 泥浆举升系统可以继续正常工作。 2 4s m d 监控系统简介 2 4 1s m d 监控系统的任务及设计要求 监控系统是s m d 系统稳定、协调运行的枢纽，它主要完成以下任务： ( 1 ) 对整个s m d 系统运行时的各重要参数进行实时监测，并将监测到的 数据实时反映到监控台，使操作人员能够直观地了解系统的运行情况，以便做出 正确决策。这些参数包括相关设备的温度信号、流量信号、压力信号，变频器的 运行参数，电机的转速转矩信号以及一些重要设备的震动信号等。 ( 2 ) 在有需要的情况下，将系统运行的数据储存起来，为研究和分析系统 提供原始数据。 ( 3 ) 根据系统反馈，能够及时、准确地输出开关量和模拟量，对设备启停、 运行状态进行控制。除一些简单的开关量控制外，主要完成泵的流量的调节，使 泵的入口压力稳定在某一特定值，确保在钻机钻进、停钻、起下钻过程中泵的入 口压力满足作业要求，并能协调系统有效应对井涌、井喷等意外事故。 在设计s m d 监控系统时，一方面要满足普通监控系统的设计要求，另一方 面还要考虑到s m d 系统工作环境的复杂性和特殊性。具体来讲，s m d 监控系统 的设计应满足以下要求： ( 1 ) 要求硬件具有高可靠性，以保证监控系统长期连续运行。s m d 系统一 旦安装完成，就需要连续运行，直至完井。在整个过程中，s m d 监控系统本身 就是一个监测和应对突发事故的主体，如果它出现问题，不但会延误工期，而且 还可能导致重大的钻井事故，造成无法弥补的损失。 ( 2 ) 软件的模块化设计。s m d 监控系统采用模块化设计，一方面可以方便 程序的修改和维护；另一方面也便于以后系统的移植与功能扩展。 ( 3 ) 友好的人机交互昴面，以保证系统运行的信息可以一目了然。 ( 4 ) 其控制部分除需要满足一般控制系统的设计要求( 即“稳、准、快 ) 之外，还应具有较强的鲁棒性和较好的自适应能力，能用于不同水深的钻井平台 和不同功率的举升泵。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 4 2s m d 监控系统的组成 s m d 监控系统由监测和控制两个部分组成，这两个部分是相辅相成的，一 方面，监测系统的一些监测结果是控制系统的重要组成部分，为控制系统提供反 馈数据；另一方面，控制系统的运行状态是监测系统进行数据采集和存储的对象。 ( 1 ) 监测部分。监测部分实际上是一个数据采集与数据存储的系统，它负 责完成监控系统的前两项设计任务，即对s m d 系统相关设备的各项运行参数进 行采集，并对这些参数进行有选择的存储。 ( 2 ) 控制部分。s m d 系统的控制部分负责完成监控系统的后一项任务，即 对相关设备的启停和状态进行控制，其中海底泥浆举升系统是s m d 控制系统的 主要控制对象。 不同的闭环反馈控制系统，尽管任务和实现的技术手段各不相同，复杂程度 各异，但是从获得给定值、完成偏差检测、消除偏差这个基本要求和原理来看是 一致的。各种系统在结构上是具有共同点的，它们总是由若干个性能和功能上一 致的部分组成。一个典型的自动控制系统由控制器、执行机构、被控对象和检测 单元( 传感器、变送器等) 组成，某些控制系统还设有上位机。 控制器的作用是接收给定值和被控变量测量值的偏差信号，通过控制算法的 运算，产生控制量施加于执行机构，达到纠正偏差信号的目的。控制器是控制系 统的核心，它的设计涉及模拟量的输出、控制算法选择和软件编程。 执行机构的作用是接收控制器的控制量，并进行必要的转换、放大等处理， 进而产生操纵变量施加于被控对象，使被控对象的被控变量趋于给定值，达到消 除偏差的目的。 被控对象是要求实现自动控制的设备、仪器或生产过程，它受执行机构的控 制，使表征被控对象特征的被控变量发生改变，并趋于给定值，达到自动控制的 目的。施加于被控对象，不希望的、影响被控变量状态值的信号，称为扰动信号。 检测单元是将被控对象输出的的被控量转换为反馈量的装置。反馈量是与系 统的输出成正比或成某些线性关系，但量纲与给定值相同的量。 s m d 泥浆举升控制系统的方框图如图2 - 2 。其中通用计算机作为上位机，控 制器拟采用