井口回压调控方法与装置与流程

本发明涉及石油钻井过程控制领域，尤其涉及一种井口回压调控方法与装置。
背景技术：
：随着石油工业的快速发展，实际勘探开发对各种钻井技术的要求也越来越高。钻井技术开始不断向着自动化和智能化的方向发展，大量新型的自动化智能化钻井技术开始不断的涌现出来，并被广泛的应用于各种作业现场。精细控压钻井技术是自动化钻井的一个方面，用于自动监控井底压力。精细控压钻井是指通过数据监测系统和井口设备对井筒压力进行实时监控，实现安全钻井。在控压钻井系统装备中，通过调节节流管汇上的控压钻井节流阀来实现对井口回压的控制，保持整个钻井过程井口压力的平衡，是控压钻井硬件设备中实现压力控制的关键组成部分。目前，井口回压的控制方法主要存在以下问题：一方面，节流阀的控制具有非线性、时变不确定性的特点，而传统方法直接建立回压到液压调节的方法，没有考虑系统内部的非线性和时变的特性，控制效果差。另一方面，节流阀调节为液压缸双向动作，但实际中难于建立压力与液压缸双向动作的反馈控制方法，因此而降低了精细控压钻井实际操作时的调节精度。综上，亟需对现有的回压控制方法进行改进以解决上述问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题之一是需要对现有的回压控制方法进行改进以提高其调节精度。为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种井口回压调控方法，包括实时获取井口的回压值与节流阀的开度值，并分别计算井口的回压偏差与节流阀的开度偏差；当所述回压偏差大于预设的回压粗调阈值时，基于所述节 流阀的开度偏差对井口回压进行调控，使节流阀达到节流阀的开度设定值；当所述回压偏差小于等于预设的回压粗调阈值时，基于所述节流阀的开度偏差及所述井口的回压偏差对井口回压进行调控，使井口回压达到井口回压设定值的预设的精度范围内。优选地，在基于所述节流阀的开度偏差对井口回压进行调控，使节流阀达到节流阀的开度设定值之前，还包括，获取节流阀的开度设定值：建立节流阀开度特性曲线；基于所述节流阀开度特性曲线计算与井口回压设定值对应的节流阀开度，并将该节流阀开度作为节流阀的开度设定值。优选地，在基于所述节流阀的开度偏差对井口回压进行调控，使节流阀达到节流阀的开度设定值的步骤中包括：实时获取节流阀的开度值，根据所述节流阀的开度设定值与获取的节流阀的开度值计算节流阀的开度偏差；当所述开度偏差的绝对值大于预设的偏差基准值时，以最大速度调节所述节流阀来调控井口回压；当所述开度偏差的绝对值小于等于预设的偏差基准值时，以pid方式调节所述节流阀来调控井口回压。优选地，根据如下表达式建立所述节流阀开度特性曲线：其中，xspv为节流阀的开度值，cv为节流阀的特性值，a,b,c,d,e为常系数。优选地，在基于所述节流阀的开度偏差及所述井口的回压偏差对井口回压进行调控之前，还包括，获取节流阀的开度设定值：建立井口回压控制模型；基于所述井口回压控制模型及实时获取的井口的回压偏差计算压力的控制量；将所述压力的控制量进行标准化处理以得到压力的控制输出量，并将所述压力的控制输出量作为节流阀的开度设定值。本申请的实施例还提供了一种井口回压调控装置，包括：检测单元，其实时获取井口的回压值与节流阀的开度值，并分别计算井口的回压偏差与节流阀的开度偏差；快速调节单元，其当所述回压偏差大于预设的回压粗调阈值时，基于所述节流阀的开度偏差对井口回压进行调控，使节流阀达到节流阀的开度设定值；精细调节单元，其当所述回压偏差小于等于预设的回压粗调阈值时，基于所述节流阀的开度偏差及所述井口的回压偏差对井口回压进行调控，使井口回压达到井口回压设定值的预设的精度范围内。优选地，所述快速调节单元根据以下步骤获取节流阀的开度设定值：建立节 流阀开度特性曲线；基于所述节流阀开度特性曲线计算与井口回压设定值对应的节流阀开度，并将该节流阀开度作为节流阀的开度设定值。优选地，所述快速调节单元根据以下步骤调控井口回压：实时获取节流阀的开度值，根据所述节流阀的开度设定值与获取的节流阀的开度值计算节流阀的开度偏差；当所述开度偏差的绝对值大于预设的偏差基准值时，以最大速度调节所述节流阀来调控井口回压；当所述开度偏差的绝对值小于等于预设的偏差基准值时，以pid方式调节所述节流阀来调控井口回压。优选地，所述快速调节单元根据如下表达式建立所述节流阀开度特性曲线：其中，xspv为节流阀的开度值，cv为节流阀的特性值，a,b,c,d,e为常系数。优选地，所述精细调节单元根据以下步骤获取节流阀的开度设定值：建立井口回压控制模型；基于所述井口回压控制模型及实时获取的井口的回压偏差计算压力的控制量；将所述压力的控制量进行标准化处理以得到压力的控制输出量，并将所述压力的控制输出量作为节流阀的开度设定值。与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：通过建立三层反馈回压调控方法，实现了开度控制与回压控制的无扰动切换，切换时压力平稳无波动。该方法具有大偏差时快速调节、小偏差时精确调控的能力，控制效果好。简化了控制方法，容易实现，控制效果稳定，能够满足控压钻井技术中的井口回压精细调控要求。本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。图1为根据本发明一实施例的井口回压调控方法的流程示意图；图2为根据本发明一实施例的井口回压调控方法的三层调控原理图；图3为根据本发明一实施例的井口回压调控方法的双pid开度反馈的原理图；图4为根据本发明的一示例的节流阀开度调节模型示意图；图5为根据本发明另一实施例的井口回压调控装置的结构示意图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。为了达到精细控压钻井技术对井口压力的控制精度要求，需要适应节流阀的调节特性，特别是非线性与时变性。具体的，能够实现大开度快速调节、小开度精确调节的需求，同时解决节流阀开度双向调节的问题。能够结合节流阀特性曲线快速进行压力粗调，并实现压力控制与开度控制相互协作以实现井口压力的实时精细调节。图1为本发明实施例的井口回压调控方法的流程示意图。如图所示，该调控方法包括：步骤s110、实时获取井口的回压值与节流阀的开度值，并分别计算井口的回压偏差与节流阀的开度偏差。步骤s120、当所述回压偏差大于预设的回压粗调阈值时，基于所述节流阀的开度偏差对井口回压进行调控，使节流阀达到节流阀的开度设定值。步骤s130、当所述回压偏差小于等于预设的回压粗调阈值时，基于所述节流阀的开度偏差及所述井口的回压偏差对井口回压进行调控，使井口回压达到井口回压设定值的预设的精度范围内。下面结合图2和图3的原理图详细说明。如图2所示，该调控方法包括外层的压力反馈控制与内层的开度反馈控制，主控制回路为压力反馈控制回路，副控制回路为开度反馈控制回路，其中，开度反馈控制实现井口压力的粗调节，压力反馈控制实现井口压力的精细调节。具体的，粗调节和精细调节的是分步进行的。通过预设的回压粗调阈值进行切换。举例而言，如果预设的回压偏差设定为0.25mpa，则当回压偏差大于0.25mpa时，实施开度反馈控制。再次判断当回压偏差小于0.25mpa时，实施压力反馈控制。 当井口压力等于井口回压设定值时，停止调节。当只采用开度反馈控制时，外环压力反馈控制暂不工作。如图2所示，需要根据井口回压设定值得到节流阀的开度设定值，包括以下步骤：首先建立节流阀开度特性曲线，然后基于节流阀开度特性曲线计算与井口回压设定值对应的节流阀开度，并将该节流阀开度作为节流阀的开度设定值。节流阀开度特性曲线用于表征节流阀的特性值与节流阀的开度值之间的对应关系。节流阀的特性值根据表达式(1)的定义得到：式中，cv为节流阀的特性值，用于反映节流阀的流通能力，是一个无因次量。q为钻井液的排量，单位为m3/h。ρ为钻井液的密度，单位g/cm3。δp为节流阀前后的压差，单位为mpa。基于离线辨识建立节流阀开度特性曲线。具体的，进行节流阀开度控制实验，测量并记录下节流阀每个开度下的排量，密度、节流阀前后的压差，然后根据表达式(2)计算cv，可以得到不同的cv值与节流阀不同开度值之间的对应关系。再基于多项式拟合算法，对上述对应关系进行曲线拟合来得到节流阀开度特性曲线。在本发明的一个实施例中，节流阀开度特性曲线具有如表达式(2)所示的形式：式中，xspv为节流阀的开度值，以相对于节流阀的全开度行程的百分比来表示。a,b,c,d,e为拟合系数，根据不同的实际的钻井过程进行不同的取值。假设节流阀的入口处的压力等于井口回压设定值，其出口处的压力等于大气压，则δp近似等于井口回压设定值。因此，根据表达式(2)可以计算得到与井口回压设定值对应的节流阀开度，以此作为节流阀的开度设定值实施开度反馈控制。开度反馈控制回路采用电液比例阀对节流阀的液压缸进行控制，在本发明的一个实施例中，进一步针对节流阀的非线性和时变的特点，建立一种非线性反馈控制方法。因为需要对液动节流阀实施双向调节，因此使用双向电液比例阀进行两个方向的液压控制。为实现节流阀开度的精确快速调控的目的，采用双pid开度反馈控制。具体的，如图3所示，在当节流阀的开度设定值与通过测量获取的开度值 之间的偏差较大时，直接对电液比例阀输出最大控制值spv，以最快的速度调节节流阀开度。当节流阀的开度设定值与通过测量获取的开度值之间的偏差较小时采用pid反馈调节进行精确控制，其中pid1对应电液比例阀的一个线圈a，pid2对应电液比例阀的另一个线圈b，实际操作时，通过判断节流阀的开度设定值与通过测量获取的开度值之间的偏差，即开度偏差与预设的偏差基准值之间的关系来决定是采用最大控制值spv输出，还是采用pid输出。进一步地，通过判断开度偏差的正负来决定是由pid1输出还是由pid2输出。上述开度控制过程可以由如下的表达式(3)～(6)描述。根据实时测量得到的节流阀的开度值，计算节流阀的开度偏差的绝对值，如表达式(3)所示：式中，sp(k)为当前k时刻的节流阀的开度设定值。pv(k)为当前k时刻的节流阀开度的测量值，ed为节流阀的开度设定值与测量的开度值之间的偏差，e(k)为当前k时刻的开度偏差的绝对值。进一步在本发明的实施例中，为适应节流阀的调节特性和非线性，根据开度偏差的绝对值的大小进行分段控制，具体为，当开度偏差的绝对值大于预设的偏差基准值时，以最大速度调节节流阀使其开度发生变化。当开度偏差的绝对值小于等于预设的偏差基准值时，以pid方式调节节流阀使其开度发生变化。该调节过程如表达式(4)、(5)、(6)所示。当e(k)>efg时，控制电液比例阀的输出量u(k)为：式中，efg为设定的偏差基准值，实际中可以根据节流阀的性能参数进行选定。spv为控制电液比例阀以最大速度对节流阀进行调节的控制量的值。上式中的正负号表示电液比例阀的调节方向。当e(k)≤efg时，在k时刻控制电液比例阀进行输出的输出量u(k)为：式中，u1(k)和u2(k)分别为控制电液比例阀的两个线圈(线圈a和线圈b)进行输出的输出量。当采用pid方式进行调节时，u1(k)和u2(k)具体可以为表达 式(6)所示的形式：式中，e(k)为当前k时刻的开度偏差的绝对值，e(k-1)为k-1时刻的开度偏差的绝对值，kp1,ki1,kd1分别为u1(k)的pid控制算法(pid1)的比例、积分、微分项系数，kp2,ki2,kd2分别为u2(k)的pid控制算法(pid2)的比例、积分、微分项系数。现有技术中采用单一pid控制算法的开度反馈控制，只有一个输出控制，无法满足双向液压控制的需求。而本发明实施例的开度反馈控制是一种双pid开度反馈，如图3所示，通过判断节流阀的开度设定值与测量的开度值之差的正负来决定pid1输出还是pid2输出，pid1和pid2分别对应电液比例阀线圈a和线圈b，这样就可以实现大开度快速调节，小开度精细调节的需求。在本发明实施例中，基于节流阀的特性值与节流阀开度调节模型，将外层的井口压力转换为内层的节流阀的开度，通过直接调节开度，实现对井口压力的粗调节，有利于提高回压调节的速度。当开度调节到节流阀的开度设定值时，节流阀可以将井口压力调节到井口回压设定值附近，此时将外环的压力反馈控制回路与开度反馈控制回路串接起来，实现串联控制，如图2所示。压力反馈控制回路基于井口回压控制模型进行调控。井口回压控制模型的输入为通过实时测量并计算得到的井口的回压偏差，输出为压力的控制量。在本发明的一个实施例中，采用增量式pid控制算法建立回压控制模型，如表达式(7)所示：uu(k)＝kp3[ee(k)-ee(k-1)]+ki3ee(k)+kd3[ee(k)-2ee(k-1)+ee(k-2)](7)式中，ee(k)为当前k时刻的回压偏差，ee(k-1)为k-1时刻的回压偏差，ee(k-2)为k-2时刻的回压偏差。ee(k)可以根据ee(k)＝psp(k)-ppv(k)计算得到，其中psp(k)为当前k时刻井口回压的设定值，ppv(k)为当前k时刻测量得到的井口的回压值，kp3,ki3,kd3分别为pid控制算法的比例、积分、微分项系数。uu(k)为压力的增量值。需要注意的是，根据表达式(7)计算得到的uu(k)仅为控制增量，需要根据上一时刻的压力的控制量得到当前时刻的压力的控制量的 大小。接下来，将得到的压力的控制量进行标准化处理，得到压力的控制输出量，并将压力的控制输出量作为节流阀的开度设定值传递给开度反馈控制回路，在主控制回路与副控制回路之间建立控制量的传递关系。这里的标准化处理是一种数学转换方法，将压力的控制量转换为0-1(即0-100％)这个范围内，通过这个标准化处理后得到的压力的控制输出量可以用来控制其他的控制对象。举例而言，假如控制对象的设定值范围为4-20，那么只要将控制输出量的0-1范围内的标准值转化为4-20的区间范围内就可以了。本发明实施例的井口回压调控方法是一种三层反馈控制方法，能够满足控制精度高、响应速度快的技术要求。其在最内层建立节流阀的开度反馈控制，实现节流阀开度的快速精确调控。在中间层通过建立节流阀开度特性曲线，将外层反馈数据传递给内层液控系统，并根据开度偏差值分别采用不同的调控方法，实现井口压力的粗调。在最外层设计实现井口回压到开度的串级控制，根据实际检测的井口回压值与设定的回压值对比，生成回压偏差，并通过井口回压模型将该偏差转换为目标开度值传递给节流阀开度控制系统，其再通过液控系统调节节流阀开度，使井口回压达到井口回压设定值的预设的精度范围内，最终实现井口设定压力的精细调节。在满足井口回压控制的快速响应要求的同时提高了调节精度。本发明所涉及的控制方法可满足节流阀开度控制、井口回压控制的需求。具有大偏差时快速调节、小偏差时精确调控的能力，控制效果好。能够实现开度控制与回压控制的无扰动切换，切换时压力平稳无波动。简化了控制方法，容易实现，控制效果稳定，能够满足控压钻井技术中的井口回压精细调控要求。为了进一步明确上述实施例的调控方法的调节流程，下面结合一示例进行说明。设定钻井液的排量为72m3/h，钻井液密度1.45g/cm3。当前时刻测量压力为1mpa，测量开度为59.9％，设定的井口的回压值为4mpa，井口回压控制方法需要将回压从1mpa调节到4mpa，efg取为3％。根据本申请实施例的方法的调节过程如下：(1)基于离线辨识建立节流阀开度特性曲线。提前进行节流阀性能调节测试试验，得到节流阀的特性值cv关于开度变化的实验数据，如表1所示：表1当前开度对应的cv值开度(％)cv值开度(％)cv值开度(％)cv值00.003525.4570106.8251.874036.4575113.30102.314548.8480117.35153.065061.9285119.04205.285574.9690119.20259.646087.2195119.433016.396598.01100119.50将表1中的数据代入表达式(2)，得方程组，通过回归计算出开度关于cv值的曲线方程为：得到的节流阀开度特性曲线如图4所示。(2)整定节流阀开度控制的pid参数：pid参数需要根据实际操作进行整定确定。为了便于说明流程，这里假定电液比例阀的两个线圈没有差别，因此认为系统两个方向工作特性相同，设定两个pid参数相同，需要注意的是，基于实际情况考虑，两个pid参数也可以有差别。这里给出一组pid参数系数：kp1＝kp2＝2.1，ki1＝ki2＝0.2，kd1＝kd2＝0，将系数代入表达式(6)得：(3)整定井口回压控制模型的增量式pid参数：增量式pid参数需要根据实际操作进行整定确定。为了便于说明流程，这里给出一组pid参数系数：kp3＝0.75，ki3＝0.07，kd3＝0，将系数代入表达式(7)得：uu(k)＝0.75[ee(k)-ee(k-1)]+0.07ee(k)(8-3)(4)计算当前时刻的cv值：根据当前的排量72m3/h、密度1.45g/cm3及期望的井口回压值4mpa，将这些参数代入到表达式(1)计算cv的值得：cv＝43.35。(5)根据cv的值计算所需要调节的开度值xsp：将cv代入表达式(8-1)得：xspv＝43.08％(8-5)(6)计算开度偏差：将式(8-5)的计算结果代入表达式(3)得：e(k)＝abs(43.08％-59.9％)＝16.82％(8-6)(7)输出调节节流阀开度的控制量：当e(k)>efg时，使用表达式(4)输出控制量u(k)，使节流阀以最大的速度将开度往43.08方向调控。当e(k)≤efg时，使用表达式(5)输出控制量u(k)，输出控制采用pid方法进行43.08左右的精确调控。(8)获取新的开度测量值。根据位移传感器采集最新的节流阀开度值，并转到步骤(6)进行新的计算与控制，直至达到节流阀的开度设定值为止，实现节流阀开度精确调控。(9)计算回压偏差及回压的增量值。根据当前测量得到的压力值和井口回压设定值计算回压偏差(ee(k)＝psp(k)-ppv(k))，并代入表达式(8-3)计算所需的压力的控制量的增量值。其中，uu(k)为增量式输出，需要在原设定值上进行增减以得到压力的控制量，并将得到的压力的控制量作为节流阀的开度设定值。假定在上述内层的开度调控的粗调完成后，第一次转入压力调控时测量节流阀的开度为43％，节流阀压力为3.7mpa，将设定的井口的回压值为4mpa与上述参数代入表达式(8-3)和ee(k)＝psp(k)-ppv(k)中，计算得到回压偏差为ee(k)＝0.3，控制输出uu(k)＝0.23。(10)内环开度调节根据步骤(9)得到的新的目标开度值，转入步骤(6)进行开度反馈调节，直至调节完成。(11)获取新的压力测量值采集节流阀压力传感器数据获得新的压力测量值，并转入步骤(9)进行压力精细调控，直至井口回压达到井口回压设定值的预设的精度范围内为止，例如 0.05。图5为根据本发明另一实施例的井口回压调控装置的结构示意图。如图所示，检测单元51执行步骤s110的操作，快速调节单元52执行步骤s120的操作，精细调节单元53执行步骤s130的操作，此处不再详细展开。本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属
技术领域：
内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。当前第1页12