基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法

王果

王果. 基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法[J]. 石油钻采工艺,2021,43(2):197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
引用本文: 王果. 基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法[J]. 石油钻采工艺,2021,43(2):197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
WANG Guo. MPD wellbore pressure control method based on linear throttle valve[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(2): 197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
Citation: WANG Guo. MPD wellbore pressure control method based on linear throttle valve[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(2): 197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010

基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法

doi: 10.13639/j.odpt.2021.02.010
基金项目: 国家重点研发计划“井筒稳定性闭环响应机制与智能调控方法”(编号:2019YFA0708303);国家科技重大专项“彭水地区常压页岩气勘探开发示范工程”(编号:2016ZX05061-002-001);中石化科技部攻关项目“精细控压钻井技术完善及推广应用”(编号:P17050-12)
详细信息
    作者简介:

    王果(1981-),主要从事控压钻井技术、井筒流体力学、信息处理与控制等方向的研究,博士,研究员。通讯地址:(100101)北京市昌平区沙河镇百沙路5号中国石化科学技术研究中心主楼902-2。电话:010-56606473。E-mail:wangguo.sripe@sinopec.com

  • 中图分类号: TE249

MPD wellbore pressure control method based on linear throttle valve

  • 摘要: 针对MPD钻井影响压力调控精度的关键问题,从底层调控硬件到顶层测算模型及调控方法等进行了原创性研究。首先针对现有节流阀难以满足回压精细控制的难题,提出了过流面积轴向动态优化的压降线性调控新理念,并设计出在25%~85%的开度范围内压降随开度线性变化的节流阀;然后针对井筒压力难以准确测算、控制模型复杂等问题,建立了一种实时模型系数预测方法,实现了井底压力实时准确测算;最后结合回压快速调控实现了井筒压力串级控制,解决了井筒压力精细调控难题。开发了井筒压力调控模块,通过实验及应用验证了控制方法的效果,井底压力控制精度达到0.2 MPa。研究结果为井筒压力精细调控提供理论与技术支撑。
  • 图  1  节流阀压力示意图

    Figure  1.  Schematic pressure of throttle valve

    图  2  新型线性节流阀轮廓结构

    Figure  2.  Outline of novel linear throttle valve

    图  3  节流阀压降性能曲线对比

    Figure  3.  Pressure drop performance curve comparison of throttle valve

    图  4  井底压力反馈控制框图

    Figure  4.  Flow chart of feedback control of bottom hole pressure

    图  5  井口回压快速调控原理

    Figure  5.  Principle of fast control of wellhead back pressure

    图  6  井筒压力四级反馈控制流程图

    Figure  6.  Flow chart of four-stage feedback control of wellbore pressure

    图  7  实验井井底压力调控效果(气侵0.3 m3)

    Figure  7.  Control effect of the bottom hole pressure of the test well (gas invasion 0.3 m3)

    图  8  JY68-3井井底压力调控效果(气侵0.6 m3)

    Figure  8.  Control effect of the bottom hole pressure of Well JY68-3 (gas invasion 0.6 m3)

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出版历程
  • 修回日期:  2021-01-23
  • 网络出版日期:  2021-06-21
  • 刊出日期:  2021-06-21

基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法

doi: 10.13639/j.odpt.2021.02.010
    基金项目:  国家重点研发计划“井筒稳定性闭环响应机制与智能调控方法”(编号:2019YFA0708303);国家科技重大专项“彭水地区常压页岩气勘探开发示范工程”(编号:2016ZX05061-002-001);中石化科技部攻关项目“精细控压钻井技术完善及推广应用”(编号:P17050-12)
    作者简介:

    王果(1981-),主要从事控压钻井技术、井筒流体力学、信息处理与控制等方向的研究,博士,研究员。通讯地址:(100101)北京市昌平区沙河镇百沙路5号中国石化科学技术研究中心主楼902-2。电话:010-56606473。E-mail:wangguo.sripe@sinopec.com

  • 中图分类号: TE249

摘要: 针对MPD钻井影响压力调控精度的关键问题,从底层调控硬件到顶层测算模型及调控方法等进行了原创性研究。首先针对现有节流阀难以满足回压精细控制的难题,提出了过流面积轴向动态优化的压降线性调控新理念,并设计出在25%~85%的开度范围内压降随开度线性变化的节流阀;然后针对井筒压力难以准确测算、控制模型复杂等问题,建立了一种实时模型系数预测方法,实现了井底压力实时准确测算;最后结合回压快速调控实现了井筒压力串级控制,解决了井筒压力精细调控难题。开发了井筒压力调控模块,通过实验及应用验证了控制方法的效果,井底压力控制精度达到0.2 MPa。研究结果为井筒压力精细调控提供理论与技术支撑。

English Abstract

王果. 基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法[J]. 石油钻采工艺,2021,43(2):197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
引用本文: 王果. 基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法[J]. 石油钻采工艺,2021,43(2):197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
WANG Guo. MPD wellbore pressure control method based on linear throttle valve[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(2): 197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
Citation: WANG Guo. MPD wellbore pressure control method based on linear throttle valve[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(2): 197-202 doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.010
  • 随着石油工业的快速发展,钻井技术不断向着自动化和智能化的方向迈进。钻井自动化的关键之一是控压钻井[1-6],其通过井筒压力的监测与控制,解决窄密度窗口下的安全钻井难题。目前,井筒压力控制存在以下问题:(1)现有节流阀[7-12]压力调节为非线性过程,小开度区间压力调节变化剧烈,大开度范围压力调节变化迟滞;(2)部分井筒参数(调整密度、温度分布等)无法实时获取,导致井底压力计算不准确,不能为井底压力控制提供准确参数;(3)传统的井底压力控制根据计算井底压力直接调控井口压力,较少考虑井筒因素及回压对井筒的影响,效果较差;(4)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。

    针对上述问题,提出了过流面积轴向动态优化的压力线性调控理念,基于压降线性变化调节提出了一种井口回压快速调节方法,保证了调节精度和响应速度。通过PWD/立压等实时修正技术提高实时测算精度,结合模型预测及串级控制方法,建立井筒压力精细调控分层模型,对精细控压钻井的研究具有重要价值。

    • 以压降线性变化为目标方程,结合流体能量守恒定律,首次建立了适合新型阀芯结构的线性节流调控模型。

    • 节流阀流动特性[13-16]图1所示。在直径为d1的管道中,接入一个调节阀,设阀在节流处的等效直径为d2,另外在不同截面处连接2个测压管a和b,其过流面积分别为A1A2,根据伯努利流体能量守恒方程和连续性守恒方程

      图  1  节流阀压力示意图

      Figure 1.  Schematic pressure of throttle valve

      $$\left\{ \begin{array}{l} \dfrac{{{p_1}}}{{\rho g}} + \dfrac{{v_1^2}}{{2g}} = \dfrac{{{p_2}}}{{\rho g}} + \dfrac{{v_2^2}}{{2g}} \\ \Delta p = {p_1} - {p_2} \\ Q = {A_1}{v_1} = {A_2}{v_2} \end{array} \right.$$ (1)

      式中,pl为阀前压力,MPa;p2为阀后压力,MPa;Δp为阀前后压差,MPa;ρ为流体密度,g/cm3A1为节流入口过流面积,cm2A2为节流处过流面积,cm2Q为排量,m3/h;v1为节流入口流速,m/s;v2为节流处流速,m/s。

      式(1)内的方程联立就可以建立节流阀前后压差与节流阀过流面积[17]的关系式。

      $$\Delta p = \frac{1}{2}\rho {Q^2}\left( {\frac{1}{{A_2^2}} - \frac{1}{{A_1^2}}} \right)$$ (2)

      压降线性调控可以根据节流开度精确定位压力,降低节流调控难度。由此建立阀门前后压差Δp与开度L线性目标方程为

      $$\frac{{\Delta p}}{{\Delta {p_{\max }}}} = K\frac{L}{{{L_{\max }}}} + C$$ (3)

      式中,L为阀门开度,%;Lmax为阀门最大开度,%;Δpmax为阀最大压差,MPa;KC为模型系数,无因次。

      式(3)代入式(2)建立压降线性变化下节流阀过流面积求解模型,根据该模型可以在不同节流阀开度L下求解出压降线性变化对应的过流面积,见式(4)。该过流面积共有n个(图2所示C1~Cn),形成一等值面曲线,该曲线决定了节流阀芯形状。沿着节流阀轴向开度每一点进行求解,可得到一组满足条件的等值面曲线簇,节流阀阀芯与这些等值面曲线簇相切,从而求解出对应的阀芯轮廓形状,见图2。根据上述过流面积轴向动态优化设计的节流阀芯结构形状[18]即可实现节流压降线性调节。

      图  2  新型线性节流阀轮廓结构

      Figure 2.  Outline of novel linear throttle valve

      $$\frac{1}{2}\rho {Q^2}\left( {\frac{1}{{A_2^2}} - \frac{1}{{A_1^2}}} \right) = \Delta {p_{\max }}\left( {K\frac{L}{{{L_{\max }}}} + C} \right)$$ (4)
    • 图3是新型线性节流阀与传统针形节流阀[17]的压降试验曲线对比,可以看出,传统针形阀压降与开度为非线性关系,在大于50%的开度范围内调节压力基本不变,在小于50%的开度范围压降变化非常剧烈。新型线性节流阀的压降曲线与理论值符合程度很高,在常用的25%~85%调节区间内线性系数为0.995,保证了节流阀压降的线性调节,为节流压力精细调控奠定基础。

      图  3  节流阀压降性能曲线对比

      Figure 3.  Pressure drop performance curve comparison of throttle valve

    • 井筒压力精细控制原理:首先实现节流压力线性调节,保证调控精度;其次实现井口压力快速调控,保证调节速度;再次实现井筒压力精细测算,包括高精度水力模型、实时修正算法等,为调控提供准确参数;最后实现井底压力到井口回压的串级精细控制(图4)。

      图  4  井底压力反馈控制框图

      Figure 4.  Flow chart of feedback control of bottom hole pressure

      井底压力到井口回压的串级控制就是在控制系统中采用不止一个控制器,而且控制器间相串接,一个控制器的输出作为另—个控制器的设定值。这种串级控制具有如下优点:(1)解决了井筒压力非线性控制难题,实现了地面井下参数相关联的过程控制,提高了控制精度;(2)增强了控制系统抗干扰能力,能迅速克服副回路(井口压力反馈控制)的扰动影响,对井下变化的适应性较强。

    • 井口回压快速调控方法如图5所示:当回压设定值与测量值偏差较大时,直接对节流阀输出最大控制值SPV,以最快的速度进行节流阀调节。当设定值与测量值的偏差较小时采用PID反馈调节[19-20]进行精确控制,其中PID1对应回压往大的方向调节,PID2对应回压往小方向调节,通过判断设定值与测量值之差的正负来决定PID1输出还是PID2输出。这样就可以实现大回压偏差快速调节,小回压偏差精细调节的需求。

      图  5  井口回压快速调控原理

      Figure 5.  Principle of fast control of wellhead back pressure

    • 井筒压力控制的关键之一是实时准确获取井底压力。但是理论计算模型无法实时全面考虑井下因素(例如井径、密度变化、温度等),造成理论模型总是与实际参数出现偏差;而PWD测量虽然可以获得准确数据,但是受传输效率影响,数据间隔时间长,且低排量和含气等情况无法实时上传数据。

      本文在高精度水力计算模型[21]中引入了摩阻修正系数,根据实时测量数据(PWD或者实时立压),应用无迹卡尔曼滤波(UKF)技术[22-23]连续对这些参数进行预测与实时修正,形成高精度井底压力实时计算模型,为井底压力精确控制提供准确实时参数。设w为计算模型校正系数向量,表示为

      $${{w}} = {\left( {{f_{\rm{p}}},{f_{\rm{a}}},{T_{\rm{p}}},{T_{\rm{a}}}} \right)^{\rm{T}}}$$ (5)

      式中,w为水力模型校正系数向量,无因次;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为钻柱内温度变化修正系数,无因次。

      (1)初始化。模型系数w的初始化均值和方差分别为

      $$ \left\{ \begin{array}{l} {{\hat w}_{\rm{0}}} = E\left[ w \right] \\ {P_{{\rm{w0}}}} = E\left[ {\left( {w - {{\hat w}_{\rm{0}}}} \right){{\left( {w - {{\hat w}_{\rm{0}}}} \right)}^{\rm{T}}}} \right] \end{array} \right. $$ (6)

      (2)状态估计。取样点及其状态时间更新计算公式为

      $$\left\{ \begin{array}{l} W_k^i = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\hat w}_k}}&{{{\hat w}_k} + \sqrt {\left( {L + \lambda } \right){P_{{\rm{w}}k}}} }&{{{\hat w}_k} - \sqrt {\left( {L + \lambda } \right){P_{{\rm{w}}k}}} } \end{array}} \right] \\ D_k^i = G\left( {W_k^i} \right) \\ {{\hat d}_k} = \displaystyle\sum\limits_{i = 0}^{2L} {C_i^{(m)}D_k^i} \end{array} \right.\\[-12pt]$$ (7)

      (3)测量更新。测量及状态更新计算公式为

      $$ \left\{ \begin{array}{l} {P_{{\rm{dd}}k}} = \displaystyle\sum\limits_{i = 0}^{2L} {C_i^{(c)}} (D_k^i - {{\hat d}_k}){(D_k^i - {{\hat d}_k})^{\rm{T}}} + R_k^e \\ {P_{{\rm{wd}}k}} = \displaystyle\sum\limits_{i = 0}^{2L} {C_i^{(c)}} (W_k^i - {{\hat w}_k}){(D_k^i - {{\hat d}_k})^{\rm{T}}} \\ {K_k} = {P_{{\rm{wd}}k}^{ }}P_{{\rm{dd}}k}^{ - 1} \\ { {\hat w}_{k}{}}^{\prime } = {{\hat w}_k} + {K_k}\left( {{d_k} - {{\hat d}_k}} \right) \\ { P_{{\rm{w}}k}}^{\prime} = {P_{{\rm{w}}k}} - {K_k}{P_{{\rm{wd}}k}}{K_k}^{\rm{T}} \end{array} \right. $$ (8)

      式中,$ \hat w_0$为初始均值,Pw0为初始方差,$W_k^i$为取样点向量,$ \hat w_k$为均值,Pwk为协方差,$D_k^i$为取样点状态变换,${{\hat d}_k}$为状态估计的加权处理,L为整数,λ为缩放因子,$C_i^{(m)}$为权重因子,Pddk为测量预测协方差,Pwdk为测量和参数混合协方差,$R_k^e$为测量噪声,Kk为UKF增益因子,${{{\hat w}_{k}{}}}^{\prime}$为更新后修正系数向量,${P_{{\rm{w}}k}}^{\prime }$为更新后的协方差。

      当新的测量数据可用时,通过更新参数向量${{\hat w}_{k + 1}{}}^{\prime}$=${{\hat w}_{k}{}}^{\prime}$${P_{{\rm{w}}k + 1}{}}^{\prime}$=${P_{{\rm{w}}k{}}}^{\prime}$+$R_k^r$就可以进行新一轮的迭代计算与模型系数的实时修正,其中$R_k^r$是过程噪声。

    • 完成井底压力准确测算后,将井底压力控制模块与井口压力控制模块串接起来,实现井底压力串级精细调控,详细调控流程为:(1)使用高精度普适性水力模型实时计算井底压力;(2)使用UKF方法结合实测PWD/立压数据精确预测与修正井底压力;(3)井底PID控制模块输出转到井口回压控制模型进行调节;(4)测量并计算井口回压偏差并判断是否大于设定阈值;(5)如果井口回压偏差大于设定的偏差阈值,则需要快速调节,转步骤(6),如果小于设定的偏差阈值,则需要精细调节,转步骤(7);(6)根据Cv值曲线计算所需开度,调用开度控制模块进行回压快速调控;(7)基于双向PID控制模块实时精细调控,并判断回压控制偏差是否达到控制精度;(8)如果回压没达到精度,返回步骤(4)继续进行调节,否则判断井底压力控制偏差是否达到控制精度;并确定是否转步骤(1)(见图6)。

      图  6  井筒压力四级反馈控制流程图

      Figure 6.  Flow chart of four-stage feedback control of wellbore pressure

    • 在中原实验井测试过程中在井下注气模拟气侵溢流,通过监测与控制验证了井筒压力精细调控模型。图7给出了井下注入0.3 m3压缩空气时井底压力控制情况,井底压力当量密度设定值为1.305 g/cm3。由图中可以看出基于PWD的模型系数预测修正使井底ECD测算平均误差由0.05 g/cm3提高到0.01 g/cm3,满足精细测控需求;且在发现气侵至气体完全循环出井过程中井底压力控制得非常平稳,最高误差为0.015 g/cm3

      图  7  实验井井底压力调控效果(气侵0.3 m3)

      Figure 7.  Control effect of the bottom hole pressure of the test well (gas invasion 0.3 m3)

    • 在重庆页岩气田JY68-3HF井进行了控压钻井现场试验,实现溢流早期监测,精确控制井底压力,安全控制茅口组浅层气。控压应用井段为900~2868 m,井口控制回压0.5~1.5 MPa。在井深1675 m处发现溢流,总入侵量为0.6 m3,实现了边钻进边排气。图8显示了侵入气体循环排出过程井底压力控制过程,井底压力控制平均误差为0.1 MPa,且在溢流排出井口过程中,井底压力控制依然平稳,最大控制误差为0.2 MPa。

      图  8  JY68-3井井底压力调控效果(气侵0.6 m3)

      Figure 8.  Control effect of the bottom hole pressure of Well JY68-3 (gas invasion 0.6 m3)

    • (1)提出了过流面积轴向动态优化的压降线性调控新理念。依据该理念设计的新型节流阀在开度25%~85%范围内压降线性变化,具有较高的工程应用价值。

      (2)建立一种基于实时数据的模型系数预测方法,将井底压力当量密度的计算误差减小到0.01 g/cm3,结合回压快速调控实现了井筒压力串级控制,解决了井筒压力精细调控难题,现场应用验证控制精度达到0.2 MPa。

      (3)这种压降线性调节新理念及井筒压力精细调控方法对控压钻井技术具有重要的理论意义和工程实践价值,同时有助于对钻井自动化进行理解与研究。

参考文献 (23)

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