（机械工程专业论文）动态环空压力控制系统研究与仿真.pdf

1 f 1 叮 k s t u d ya n ds i m u l a t i o n o nd y n a m i ca n n u l a r p r e s s u r ec o n t r o ls 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 ：c h e ns h a n g z h o u s u p e r v i s o r ：p r o f y ug u i j i e s e n i o ry a n gd e j i n g c o l l e g eo fm 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 ) 二 ? - 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 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：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 日期： 日期： 年 月日 年月日 摘要 本文根据动态环空压力控制系统的原理和控压钻井工艺的要求，详细分析了动态环 空压力控制系统的原理和所需设备以及其控制流程和原理，井口回压的产生是在常规钻 井井口敞口加装旋转控制头使井口变为封闭式，返回的钻井液流过井控节流阀，由于节 流阀的节流作用，调节节流阀的压降大小，动态环空压力控制系统是通过控制节流阀开 度和钻井液流量来控制井口回压从而来控制井底压力，在复杂的地层有效的控制地层流 体侵入，减少井涌等多种钻井问题的发生概率，适应于孔隙和破裂压力相差不大，钻井 窗口狭窄的地层。 根据钻井过程中的作业流程，通过对比常规钻井，研究了在正常钻进、接单根以及 发生井涌时的压力和设备的控制分析。 d a p c 系统的回压节流系统的组成做了分析，并对井口回压控制回路做了介绍，建 立整个节流系统的数学模型，基于m a t l a b 软件做出系统的伯德图，对系统稳定性和 快速性进行分析。 基于m a t l a b s i m u l i n k 模块根据p i d 控制和模糊p i d 控制的原理以及各参数的作 用，建立相关的仿真模型，对控制系统的模型进行单位阶跃条件下的系统仿真，对系统 的p i 控制、p i d 控制以及模糊p i d 控制进行对比分析。 关键词：动态环空压力控制系统，控制压力，节流阀，井口回压，p i d 控制，仿真 分析 s t u d ya n ds i m u l a t i o no nd y n a m i ca n n u l a rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m c h e ns h a n g z h o u ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y ug u i j i ea n ds e n i o re n g i n e e ry a n gd e j i n g a b s t r a c t b a s e do nt h ed a p cs y s t e mt h e o r ya n dr e q u i r e m e n to fc o n t r o l l e dp r e s s u r ed r i l l i n g t e c h n o l o g y , a n a l y z et h ed a p cs y s t e mt h e o r y ，t h en e c e s s a r ye q u i p m e n ta n di t s c o n t r o l p r o c e s s e sa n dp r i n c i p l e si nd e t a i l w e l l h e a db a c kp r e s s u r ei sg e n e r a t e db yi n s t a l i n gar o t a r y c o n t r o ll l e a d ( r c h ) i nc o n v e n t i o n a ld r i l l i n gt oc h a n g ee x p o s u r ew e l l h e a di n t oc l o s e d t h e d r i l l i n gf l u i dr e t u r nf r o mt h ew e l lf l o wt h r o u g ht h et h r o t t l ev a l v e ，t h et h r o t t l ev a l v ec a na d j u s t p r e s s u r ed r o p d a p cs y s t e mc o n t r o lt h ew e l l h e a db a c kp r e s s u r eb yc o n t r o l l i n gt h et h r o t t l e o p e n i n ga n df l u i df l o wo fd r i l l i n gf l u i d ，a n dc o n t r o lb o t t o mh o l ep r e s s u r e d a p cs y s t e me f f e c t i v e l yc o n t r o lf o r m a t i o nf l u i di n v a s i o ni nt h ec o m p l e xf o r m a t i o na n d r e d u c ep r o b a b i l i t yo ft h eo t h e rw e l ld r i l l i n gp r o b l e m so c c u r r e n c e ，a d a p t e dt ot h en a r r o w d r i l l i n gw i n d o wf o r m a t i o no fl e s sd i f f e r e n c eb e t w e e np o r ea n df r a c t u r ep r e s s u r e a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fd r i l l i n gp r o c e s s e sa n dc o m p a r i n gt h ec o n v e n t i o n a ld r i l l i n g ， s t u d yp r e s s u r ea n de q u i p m e n tc o n t r o la n a l y s i sw h e nn o r m a ld r i l l i n g ，p i p ec o n n e c t i o na n dt h e o c c u r r e n c eo fk i c k t h ec o m p o n e n t so fd a p cs y s t e mb a c kp r e s s u r et h r o t t l i n gs y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a n d w e l l h e a db a c kp r e s s u r ec o n t r o ll o o ph a v eb e e nd e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h et h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h r o t t l es y s t e m ，m a k et h es y s t e mb o d ep l o to fs y s t e ma n da n a l y z et h es t a b i l i t ya n d r a p i do fs y s t e mb a s e do nm a t l a bs o f t w a r e b a s e do nm a t l a b s i m u l i n km o d u l ea c c o r d i n gt op i dc o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o l p r i n c i p l ea n dt h er o l eo fe a c hp a r a m e t e r , a n ds e tu pas i m u l a t i o nm o d e l b a s e do nt h em o d e l o ft h ec o n t r o ls y s t e mu n d e ru n i ts t e ps y s t e ms i m u l a t i o n ，t h ep ic o n t r o ls y s t e m ，p i dc o n t r o l ， a n df u z z yp i dc o n t r o lw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：d y n a m i ca n n u l a rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o lp r e s s u r e ，t h r o t t l ev a l v e ， w e l l h e a db a c kp r e s s u r e ，p i dc o n t r o l ，s i m u l a t i o na n a l y s i s 7 目录 第一章绪论”l 1 1 动态环空压力控制系统简介”1 1 1 1 动态环空压力控制系统产生的背景1 1 1 2 动态环空压力控制系统“1 1 1 3 动态环空压力控制系统关键技术”3 1 1 4d a p c 系统应用及对钻井工程发展的意义4 1 2 国内外研究现状及趋势”5 1 2 1 国外研究与发展现状”5 1 2 2 国内发展现状6 1 2 3 发展趋势”7 1 3 本文研究内容与研究方法”8 1 3 1 研究主要内容一8 1 3 2 研究的主要方法和思路一8 第二章动态环空压力控制系统原理及设备组成l o 2 1 原理1 0 2 1 1 井口回压的产生1 0 2 1 2 节流阀”11 2 2 动态环空压力控制系统组成1 3 2 2 1 控制界面j 1 4 2 2 1 水力学模块15 2 2 3 数据采集传送和数据库“1 5 2 3 地面设备组成1 5 2 3 1 旋转控制装置1 6 2 3 2 流动管线1 7 2 3 3 安全泄压阀及管线1 8 2 3 4d a p c 节流管汇18 2 3 5 多项分离器1 9 i i i 2 3 6 回压泵1 9 2 3 7 科里奥勒流量计1 9 2 4 井下设备组成2 0 2 4 1 钻柱止回阀2 0 2 4 2 随钻压力测量2 0 2 5 连续循环系统2 0 2 6 本章小结_ 2 2 第三章钻井过程压力控制分析2 3 3 1 正常钻进过程分析2 3 3 1 1 钻进过程压力控制分析一2 3 3 1 2 钻进过程中设备控制分析2 5 3 2 停启泵过程中控制分析2 6 3 2 1 停启泵过程压力控制方法2 6 3 2 2 停启泵过程设备控制分析2 7 3 3 井涌处理及关井2 9 3 4 进行压裂实验的控制分析31 3 5 本章小结3 2 第四章动态环空压力控制系统动态分析3 3 4 1 自动调整控制3 3 4 2 回压控制系统组成”3 4 4 3 回压控制系统模型3 5 4 3 1 放大器3 5 4 3 2 电液比例阀3 5 4 3 3 液压缸3 6 4 3 4 压力传感器3 7 4 3 5 节流阀”3 7 4 3 6 系统传递函数“3 8 4 4 系统动态性能分析3 9 4 5 本章小结“4 2 i v 第五章d a p c 系统回压pid 控制与仿真分析4 3 5 1p i d 控制4 3 5 2p i d 控制原理4 3 5 3p i d 参数整定4 5 5 4p i d 控制仿真分析4 8 5 5 本章小结5 1 第六章d a p c 系统回压模糊pid 控制及仿真分析5 2 6 1 模糊p i d 控制5 2 6 1 1 模糊p i d 控制器结构“5 2 6 1 2 模糊控制器维数5 3 6 1 3 模糊控制器设计的基本内容及控制过程”5 3 6 2 模糊控制器设计5 4 6 2 1 选择模糊控制器变量5 4 6 2 2 建立控制规则5 5 6 2 3 确定模糊变量赋值表5 8 6 2 4 建立模糊查询表5 9 6 3 回压的模糊p i d 控制仿真分析6 1 6 4 本章小结。6 7 结论与展望6 9 参考文献7 1 致 射7 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动态环空压力控制技术简介 1 1 1 动态环空压力控制系统产生的背景 目前已发现，因为油气资源的大量开采，有很多区块的产量日渐衰减。因为许多 油田进入开采的中晚期，所以在开采过程中，这些中晚期油田的地层坍塌压力、孔隙 压力、破裂压力和上覆压力剖面等地质条件会经常发生变化，使原来理想的钻井窗口 变得狭窄，将井底压力严格控制在钻井窗口钻进而不引起井漏和溢流就变得更具挑战 性。另外现在对油气资源的需求日益剧增，需要加大对新区块的勘探和开发，例如对 海洋、高原这些更深更复杂地层的勘探开发等，而在钻探这些深层复杂地层时常遇到 的一个主要限制地层破裂压力和孔隙压力之间的窄小钻井窗口，所以常常出现因 为钻井窗口过小而引起的如井涌、有害气体侵入、井漏、卡钻、起下钻时间过长等复 杂钻井问题或者事故，在海洋钻井中，钻井窗口狭窄的问题在深水中表现的尤为突出。 据估计，利用常规的钻井方式，难以开发、开采的区块所占的油气资源的比例达 到7 0 ，如果在钻井作业过程中对井下压力实施有效精确的控制则能够很好地解决上 述钻井难题。控制压力钻井( m p d ) 技术就是可以有效解决钻井复杂问题的作业方式。 控制压力钻井技术的类型和实现形式包括双梯度控压钻井技术、井下泵送控压钻井技 术、加压钻井液帽控压钻井技术以及动态环空压力控制钻井技术等等，这些钻井技术 是通过对井口回压、泥浆密度、泥浆流变性、水力摩阻和环空泥浆液位的控制来精确 控制井底压力的变化。动态环空压力控制系统( d a p c ) 作为控制压力钻井的一种，有着 控制压力钻井的很多优势。d a p c 钻井系统主要控制井口回压以及环空压力摩阻、钻 井液的排量等使整个井底的压力维持在安全钻井窗口内，在复杂的地层环境下有效的 控制地层流体侵入，减少井涌等多种钻井问题的发生概率，进行平衡钻井，非常适应 予孔隙和破裂压力相差不大，钻井窗口狭窄的地层钻井【l 】。 1 1 2 动态环空压力控制系统 传统钻井方式，返回的钻井液通过与大气相连通的喇叭口短节从井眼顶部流出， 然后通过出口管线到达泥浆一钻屑分离装置，最后循环到泥浆池，是敞口的循环系统， 没有井口回压或者回压很小并且不能控制。该系统在钻井作业过程中往往会出现一些 棘手的问题，这种情况下井底压力主要受控于泥浆密度和泥浆泵排量。在静态条件下， 第一章绪论 井底压力妒口曲是静液柱压力( 尸力的函数，在动态条件下，即开泵循环时，则是n 和环空压耗( n 力的函数，见图1 - l 。 图1 l 常规钻井钻井原理不意图 f i g1 - 1c o n v e n t i o n a ld r i l l i n go fs c h e m a t i cd i a g r a m 与常规的钻井方式相比，动态环空压力控制系统的钻井液循环系统是井口封闭而 且井口是有压力的，通过加装的液动节流阀，利用计算机自动控制节流阀开度，实现 对井口压力大小的调节，将井底压力控制在精确范围内；同时控制系统能够实时监控 钻井状态，将采集的钻井参数储存、检测、分析并加以处理，根据对数据的检测分析 实现对压力的控制，同时在出现钻井问题( 井涌、井漏) 时，系统还能实现实时报警等 功能，提醒操作者采取措施。 动态环空压力控制系统的井底压力为井口回压、井筒钻井液柱压力、钻井液循环 压耗之和【2 】即： = 乓+ 匕+ 只f ( 1 - 1 ) 其中： 井底压力，m p a ； 岛钻井液柱压力，m p a ； 名井口回压，m p a ； 只f 钻井液循环压耗，m p a 。 常规钻井的如都是0 ，要控制井底压力就要改变泥浆的密度。而动态环空压力 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 控制系统是通过控制节流阀开度和回压泵的流量来控制井口回压如从而来控制井底压 力p b h 。动态环空压力控制系统是通过检测井底压力、进口流量和出口流量等反映井底 工况的参数，并和设定值进行比较，控制系统根据各个参数的变化情况，调节节流阀开 度，调节回压控制井底压力。控制井底压力并不是将井底压力控制在一个值，而是将其 控制在一个特定的安全允许范围内，例如士0 5 m p a 。 d a p c 系统可以快速控制井眼中的井底压力，是因为井眼环空中的钻井液是不可 压缩的流体，地面上节流管汇节流阀的微小压力变化都将在井口井眼环空中得到迅速 响应。例如井眼深度为4 0 0 0 m 的井，地面节流管汇的压力调节3 秒就可以传至井底【3 j ， 流体对压力传播速度迅速响应的特性是d a p c 系统实现快速控制井底压力的理论基 础。 1 1 3 动态环空压力控制系统的关键技术 根据d a p c 系统的技术原理，如果将该技术和下列技术的发展更好的结合，将会达 到更好的为现场钻探施工作业服务效果。因此为了使该钻井技术的发展更为成熟和广泛 推广，应从理论和实验相结合，从所需要的关键技术入手，实现对该钻井技术的成功应 用，解决在钻井过程中遇到的问题。 d a p c 系统的关键技术要素如下【4 - 5 】： ( 1 ) 随钻压力测量( p r e s s u r em e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n g 缩写为p w d ) d a p c 系统就是根据井底压力是否在设计的压力窗口，发出相应的控制指令，调节 d a p c 节流管汇节流阀的开度，因此井底压力对于所有的控压钻井系统都是一个很重要 的参数，需要在钻井作业过程中对井底压力以及其他重要的钻井数据实现实时的测量， 并通过相关的随钻测量工具将其传送到地面，控制系统加以分析，为控制压力钻井提供 准确的井底参数。为适应新钻井技术的发展，满足对井底参数监测的需要，哈里伯顿公 司已经研制开发出了p w d ，并且投入广泛的现场使用。斯伦贝谢、威德福等国外公司对 于p w d 工具也进行了开发研制，并且也都已经在现场使用并取得了较好的实用效果。 ( 2 ) 地层压力( 包括破裂压力、空隙压力和坍塌压力等) 的预测和随钻测量【岳7 】 动态环空压力控制系统是根据地层各种压力设定井底压力，使井底压力维持在安全 范围内，因此实现地层压力的准确预测和随钻监测是不可或缺的。通过地层压力的随钻 测量，可以直接指导钻井作业，同时也可以用此验证水力计算理论模型的可靠与准确性， 这对于欠平衡钻井技术、精细控压钻井技术以及将来的实时自动控压钻井技术有非常重 第一章绪论 要的意义。 ( 3 ) 精确的水力学计算模型 精确的水力学计算是所有钻井作业中必不可缺的，通过水力学模块计算得出井底压 力，都是必要的【引。在控制压力钻井过程中，井下随钻测量工具传回的随钻测量数据容 易受现场钻井作业的钻井液波动、钻具振动等的干扰，同时也会受到井下复杂情况的影 响，容易发生随钻测量传送数据中断或者数据出现偏差的问题，因此需要应用水力计算 进行必要的校正。水力模型是利用钻井液相关参数( 包括密度、温度、流量、含气量、 流速、流态等) ，井眼结构参数( 井眼垂直深度、剖面结构等) 以及其他相关参数( 例如钻 柱的机械转速、钻速、钻具组合等) 计算井底压力，作为随钻测量的补充，与随钻测量 工具获得数据加以比较分析，然后与设定的井底压力对比，计算所需的井口回压。系统 根据分析计算的井口回压和测得的井口回压，得出所需调节节流阀的开度大小。水力学 计算模块可以使控制系统更加可靠，减小误差是很有意义的。 ( 4 ) 控制机构及软件控制系统 系统为了精确迅速的调节井底压力，需要控制软件产生精确的控制信号，准确的控 制机构到指定的位置。 如果这些关键技术能够得到很好的完善和解决，d a p c 钻井技术势必得到更迅速的 发展。 1 1 4d a p c 系统的应用对钻井工程的意义 d a p c 系统作为m p d 的一种实现形式，采用井口封闭的钻井液循环系统，进行平衡 压力钻井，主要解决由钻井窗口狭窄而引发的复杂问题，提高区块可钻性，避免钻井问 题引起的经济问题【9 1 。该系统主要用于地层钻井窗1 2 狭窄、裂缝及地层高温高压的区块。 该技术可以在地面上将井底压力控制在0 2 - - 0 4 m p a 的精度范围内。虽然单靠d a p c 技术 并不能解决钻井过程中所有的问题，但是d a p c 技术是解决一类问题的有效办法。 d a p c 钻井技术具有以下优点【7 1 1 9 。1 0 1 。 ( 1 ) d a p c 技术可以将井底压力控制在0 2 0 4 m p a 的精度范围内，使钻井作业顺 利通过地层破裂压力和孔隙压力窗口很小地层段。 ( 2 ) d a p c 系统能在2 m i n 内自动检测到地层侵入并且加以控制，使地层侵入总量限制 在0 2 4 m 3 以内。 ( 3 ) d a p c 技术钻井在关泥浆泵( 接单根时和起下钻) 也就是钻井液停止循环时，施加 4 中国石油大学( 华东) 硕。l ：学位论文 井口回压用于补偿消失的摩阻压力损失，确保井底压力在钻井液不循环时和钻井液正常 循环时不产生太大的波动，有效减少因停泵产生的压力波动诱发的钻井问题发生。 ( 4 ) 采用d a p c 技术钻井可以防止井底压力超过地层破裂压力，减少发生井塌、井漏、 卡钻等钻井事故发生概率，缩短非生产时间。 ( 5 ) d a p c 技术钻井可以优化井身结构，减少下套管层数。 ( 6 ) 应用d a p c 技术钻井泥浆密度会比传统钻井所使用的密度低，可以提高钻速，缩 短整个钻井工程的作业时间，降低钻井成本。 ( 7 ) 可以在不需要控压钻井时迅速恢复常规钻井作业。 可以对常规钻井设备进行比较小的改进和短期的钻井工作人员的培训就可以在较 为复杂、高温高压的井下工况下进行钻井作业。d a p c 系统可以应用于【4 叫： ( 1 ) 探井，即破裂压力和空隙压力等地质条件不确定的井； ( 2 ) 高温高压井； ( 3 ) 地层压力窗口较窄的井； ( 4 ) 衰竭储层的区块，特别是依靠注水等维持地层压力的中晚期区块； ( 5 ) 地质条件变化剧烈的地层； ( 6 ) 易发生井涌溢流的区块，d a p c 系统可以有效的减少井涌溢流的发生。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 国外研究与发展现状 控制压力钻井技术因为巨大的优势，在国外得到了迅速的发展，形成了系统、完整 的工艺理论，提出和发展了不同的控制压力钻井工艺技术，如井底压力恒定的控制压力 钻井技术、带压泥浆帽钻井技术、双梯度钻井技术等。目前，国夕b w e a t h e f f o r d 、s h e l l 和s t a t o i l 等公司已进行了相关的控制压力钻井技术研究和现场试验应用，并且将这些技 术应用于工程，取得了较好的效果【5 】。 动态环空压力控制系统是a t b a l a n c e 公司开发的f l l 】。2 0 0 3 年动态环空压力控制系统样 机成功测试，通过不断的测试完善系统，用来精确的控制整个井筒中环空压力的一种自 适应钻井系统，可以将井底压力控制在o 2 o 4 m p a 精度范围内【1 2 1 。2 0 0 5 年s h e l l 公司将 该技术用于墨西哥湾的海洋钻井。 从2 0 0 4 年以来，控制压力钻井对石油工业产生了巨大的吸引力。巴西国家石油公司 在四口井钻井作业中，成功试验应用了控制压力钻井。而后又在2 0 0 6 年第二季度进行了 第一章绪论 二口陆地井的实验，在2 0 0 6 年下半年开展了海上钻井实验计划。采用控压钻井系统克服 了钻探高温高压地层所遇到的问题，节省许多的非生产时间，提高了钻井效率，创造了 更大的经济效益。 到目前为止有很多海上项目已经运用了m p d 技术，并且逐步达到成熟。通过这些年 的发展，空压钻井在各种不同类型的海洋平台钻机都获得成功，达到钻井要求。在北海、 墨西哥湾和巴西近海也已开始广泛应用，m p d 在发达国家已经成为主流的钻井技术。 m p d 技术在亚太地区已开始使用，桑托斯公司、壳牌公司、马来西亚国家石油公司、康 菲公司等公司在南海、越南、印尼、马来西亚的5 0 多个项目，包括自升式和半潜式平台 上成功应用了m p d 技术，这些钻井技术包括动态环空压力控制钻井、双梯度钻井、加压 钻井液帽钻井等钻井技术。许多钻井作业公司正把控压钻井技术作为首选并将其运用到 更广阔的领域。下面是应用的一些实例： a u g e r 平台侧钻钻井中控制压力钻井技术的成功应用【1 3 - 1 4 1 ，壳牌开发生产公司在墨 西哥湾深水区的a u g e r 平台运用动态环空压力控制技术进行小井眼侧钻，成功钻出4 个分 支井眼，未出现环空钻井液漏失、井眼不稳定及卡钻等钻井问题。 s h e l l 公司在墨西哥湾深水的m a r st n s i o nl e g 平台钻井中【1 5 - 1 6 使用了动态环空压 力控制技术，成功解决了钻井液循环漏失和井眼不稳定的问题。在s h e l l 公司的深水 钻井作业中，遇到了因油藏衰竭引起的岩石应力重新分布的钻井问题。井眼稳定需要 高泥浆密度，但是产层和非产层的破裂压力梯度都有所降低，所以在m a r sa 1 4 井在 两次常规钻井失败后，在第三次侧钻作业中使用了d a p c 钻井技术，维持当量循环密 度在孔隙压力和破裂压力梯度窗口之间，在钻至设计井深过程中没遇到循环漏失、溢 流和井眼不稳定的问题，成功下入生产尾管进行固井。 据统计，在发达国家的钻井作业中，运用的u p d 、m p d 等与控制压力钻井的相 关技术已经达到了钻井作业的6 0 以上。 1 2 2 国内发展现状 d a p c 钻井技术是兴起的技术，集机、电、液技术于一体，国内对于m p d 技术 的研究刚刚起步，有些还处于理论水平，和国外还有很大的差距。但是国内在某些控 压技术以及配套设备的研究起步很快，近年来也有了不错的进展和应用【1 7 】。 2 0 0 8 年3 月，中石化国际勘探公司在沙特b 区块应用m p d 技术，在f r a s 0 0 0 1 井钻井过程中随钻点火，发现多层气层，取得海外勘探作业的重大油气发现。2 0 0 9 年 6 中国石油人学( 华东) 硕七学位论文 3 月，塔里木勘探开发指挥部第四勘探公司成功应用m p d 技术，高效打成了塔里木油 田的第一口碳酸盐岩超深超长水平段的水平井塔中6 2 h l l 井，创下了塔里木油田水 平井钻井水平位移最长的纪录。 埕岛油田埕北3 0 区块在常规钻井技术无法正常钻进情况下，应用控压钻井技术钻 成了八口井，投产后产油量都在1 0 0 m 3 d 以上，埕北3 0 a 2 1 井产油量更是高达2 8 5 m 3 d 。 塔中6 2 井区为奥陶系油气层属凝析气藏，气油比高，地层有裂缝和溶洞，钻进中易发 生井漏和溢流，而且含有硫化氢，为此，在塔中6 2 2 2 7 井进行控压钻井试验，顺利钻 至设计井深。此后，又先后在中古2 井、轮南6 3 3 井、塔中7 2 2 井和塔中7 2 3 井实施 了控压钻井，都取得了良好的效果。此外，压力控制钻井技术在n 8 井19 1 、中古8 t 2 0 1 、 在川科l 井1 2 、衡6 井1 2 2 和塔中6 2 2 7 井f 2 3 1 都成功应用。 m p d 控制系统技术和装备的研制，国外已经作了大量深入的研究，并且在现场已 经大量应用，取得了巨大的进展和效益。虽然国内也取得了不错的成绩，但是研究起 步比较晚或者是直接应用的国外技术，相对来说比较落后。随着勘探的难度的挑战日 益加大，利用传统的方法不能够解决地质难题的情况不断增加，阻碍勘探步伐，因此 需要对钻井装备进行完善和改进，以解决因地质条件复杂不能勘探的难题。应用控压 钻井可以减少钻井成本开支和缩短施工时间、提高效益、保护环境和人员安全，因此 我们急需对m p d 安全钻井设备的自主开发。 1 2 3 发展趋势 d a p c 控压钻井技术发展的最终目标是自动、闭环的钻井技术，实现这一目标，除 了完善的软件和精确的水力计算模型以外，关键设备和工具必须过关，包括以下几个方 面的技术和设备发展趋势： ( 1 ) 系统关键设备的研制。旋转防喷器的额定工作压力会越来越高、节流阀的新材料 防冲蚀磨损性更好以及井口连续循环装置( c c s ) 。 ( 2 ) 自动测量仪器的研制。随钻测量工具( a p w d ) 的可靠性和准确性都会提高以及该 技术的普及运用都会得到发展。 ( 3 ) 更加深入研究气- 液固多相流流动规律，精确的水力模型理论建模与井底压力计 算模块的开发。 ( 4 ) 软件支持系统的研发朝着智能化方向发展，为动态环空压力控制系统实现动态、 自动、闭环的压力控制奠定技术基础。 7 第一章绪论 钻井技术发展的趋势必将朝着自动、闭环、实时精确的控制井底压力的方向发展， 在复杂地质下确保钻井施工作业更安全、高质量、高效率与高效益。 1 3 本文研究内容与研究方法 1 3 1 研究主要内容 本文研究的动态环空压力控制系统( d a p c ) 是控压钻井( m p d ) 的一种实现形式，在 阅读大量的国内外文献以后，尤其是国外知名石油企业网站上的最新资料和s p e 文献 中关于动态环空压力控制系统的论文，对动态环空压力控制系统的原理、设备、水力 学计算、控制系统及控制仿真等方面进行研究，主要分析了影响井底压力的各种因素， 并对动态环空压力控制系统的相关设备、原理及控制方法做了系统全面的分析，有利 于准确的分析和认识动态环空压力控制系统的特点、适用的地层以及需要改进和发展 的方向，具体内容包括： 理论分析方面： ( 1 ) 通过翻译和阅读国内外的文献资料，研究了动态环空压力控制系统控制井底压 力的原理、控制系统原理以及设备构成。 ( 2 ) 分析影响井底压力的因素：包括泥浆密度、环空压耗、流量大小、地面井口回 压、井眼的形状等等；系统在钻井作业过程中的压力控制流程都做了详细的分析。 ( 3 ) 对其控制系统的的组成做了详细的分析，建立控制器对节流阀的自动控制的数 学模型，验证控制系统的可行性、稳定性和快速性。并采用p i d 控制方法设计三个参 数，对系统的响应进行仿真分析。 ( 4 ) 实现井底压力的模糊控制，以井底压力实际值和设定的压力值的差、井底压力 和设定压力的压力差变化率作为输入量，p i d 控制器的三个参数酶、局和k d 做为输 出量，建立模糊控制规则，与p i d 控制结合，设计适合动态环空压力控制系统的模糊 p i d 控制。 计算机仿真方面： ( 5 ) n 用m a t l a b s i m u l i n k 模块对回压控制系统建立控制仿真模型，分析其动态 性能，对控制压力系统的p i d 控制和模糊p i d 控制进行仿真，分析两者的优越性。 1 3 2 研究的主要方法和思路 ( 1 ) 分析了动态环空压力控制系统的技术原理，以常规钻井作业作为指导，结合现 8 中国石油大学( 华东) 顾十学位论文 场钻井作业，分析其设备的组成及作用。 ( 2 ) 根据常规钻井作业结合动态环空压力控制系统的特点，对d a p c 的水力学参数 和控制过程进行分析。 ( 3 ) 建立各环节的数学模型，对d a p c 系统进行动态分析，验证其是否满足稳定性 和快速性要求，为m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真模型，建立理论依据。 ( 4 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 模块及p i d 控制、模糊p i d 控制方法，进行控制系统 的控制仿真。 9 第二章动态环空压力控制系统原理及设备组成 2 1 原理 第二章动态环空压力控制系统原理及设备组成 2 1 1 井口回压的产生 井口回压是旋转控制装置下的井口压力，井口回压的产生是由于在原来的常规钻 井井口敞口处加装旋转控制头使井口变为封闭式阱】，如图2 1 所示。 泥浆注入 图2 - 1d a p c 泥浆循环不意图 f i g2 - 1d a p cm u d c i r c u l a t i o nd i a g r a m 然后在和旋转控制头相连的钻井液返回管线上安装d a p c 节流管汇，节流管汇上 安装有液动节流阀，液压缸驱动节流阀的阀芯移动，使节流阀的流通面积发生改变， 调节节流阀的压降，回压的产生正是由于节流阀的节流作用，使井口的压力大小变大 或者变小，如果不计旋转控制装置到节流管汇的管道压力损失，井口回压的大小其实 就是d a p c 节流管汇节流阀入口处的压力。 动态环空压力控制系统在钻井过程中，井底压力包括井筒中钻井液静液柱压力、 井口回压、环空循环压耗( 钻井液在循环时的环空流动阻力) 、压力波动( 如激动压力、 抽吸压力和因钻柱旋转造成的压力影响) 的总和【2 5 1 ，即式( 2 1 ) ： = 最+ 斥+ 巴f ( 2 1 ) 其中： 1 0 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 井底压力，m p a ； 易为钻井液柱压力，m p a ； b 为井口回压，m p a ； 只f 钻井液环空循环压耗，m p a ； 对比常规钻井，井口回压如都是零，控制井底压力是通过改变泥浆的密度，也可 以通过改变钻井液流量在小范围内调节井底压力；动态环空压力控制系统是通过控制 节流阀开度和钻井液的流量来调节井口回压如控制井底压力p s h ，动态环空压力控制 系统通过检测井底压力、钻井液进出口流量等反映井底压力是否处于安全的参数，与 设定值进行比较，根据这些参数的变化，可以判断是否发生钻井问题，如果发生则调 节节流阀开度，调节回压控制井底压力。图2 2 是动态环空压力控制系统的控制工艺 流程图。 钻井过程中相关参数采集： 泵压、井底井口回压、流量 、钻速、钻并液密度、注入 量返回量 实时人机控制界面显示钻井各个 参数包括井底压力和井口回压 据设定井底压力，计算所需 口回压，允许一个波动范围 0 5j 旧a 井底压力是否与设定出现偏差? 否 图2 - 2d a p c 系统控制工艺流程图 f i g2 - 1d a r cs y s t e mc o n t r o lf l o wc h a r tp r o c e s sf l o wd i a g r a m 通过d a p c 系统可以快速控制井眼中的井底压力，这是因为井眼环空中的钻井液 是不可压缩的流体，地面上节流管汇节流阀的微小压力变化都将在井口、井眼环空中 得到迅速的响应。例如井眼深度为4 0 0 0 m 的井，地面d a p c 节流管汇的压力调节可以 在3 s 内传至井底【2 6 1 ，流体对压力传播速度迅速响应的特性是d a p c 控制系统实现快 速控制井底压力的重要理论基础。 2 1 2 节流阀 第二章动态环空压力控制系统原理及设备组成 井口回压的产生是由于节流阀的节流作用，正是节流阀的节流，改变钻井液的压 降，来改变井口回压的大小。图2 3 是针形节流阀的结构示意图，主要有阀座、阀芯 组成。通过阀芯的移动就可以改变节流阀的流通面积。 图2 - 3 针形节流阀结构不意图 f i g2 - 3c h o k ev a l v es t r u c t u r ed i a g r a m 根据节流阀的流动方程我们知道压降勿与流量q 的关系【2 6 】如式( 2 2 ) 所示： g = c a l 吾卸 p 2 ， 式中： c 由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数； 彳。节流阀通流截面积，i n 2 ； p 钻井液密度，k g m 3 ； 4 p 节流阀压降，m p a ： 节流阀的开度定义为节流阀的流通面积么j 与阀座的流通面试彳的比值，由图2 3 所示的节流阀阀芯移动位移讲，阀芯进入或者移出阀座的距离也是位移刃，节流阀的 阀芯占阀座的面积变化幽2 为：