一种深水钻井隔水管系统自适应反冲抑制控制律确定方法、设备及存储介质

本发明属于海洋油气勘探，尤其涉及一种深水钻井隔水管系统自适应反冲抑制控制律确定方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、深水钻井隔水管的紧急解离过程发生速度快、动态特性强，对其反冲响应做出及时有效的控制是海洋油气勘探安全系统面临的一大挑战。若控制不当，隔水管可能会向下冲击海底油井口，向上挤压钻井平台底部设备。现有技术对精确模型的要求较高，且控制律设计过程较难直接实现。本项目针对深水钻井隔水管反冲控制系统的动力学建模及其控制过程，引入机器学习方法，分析影响反冲响应的下泄液计算模型和数据模型，并将其纳入反冲抑制控制律的设计进程；针对隔水管系统不易建模的部分，引入参考模型控制机制，使用不准确的模型参数设计自适应控制律，使其能够自动适用于实际存在时变特性的隔水管系统反冲控制问题。本项目研究成果有利于深水钻井隔水管反冲控制系统动力学相关理论的丰富和发展，提升海上钻探工作的安全性，为我国石油工程、海洋工程和控制过程多学科交叉领域提供新思路。

技术实现思路

1、本发明提供了一种深水钻井隔水管反冲过程自适应反冲抑制控制律的确定方法、系统及存储介质，可用于降低隔水管解离反冲过程的碰撞风险。

2、第一方面，本发明提供一种深水钻井隔水管自适应反冲抑制控制系统，包括：张紧器-隔水管反冲进程实际模型模块、下泄液摩擦力计算模型模块、下泄液摩擦力数据模型模块、参考模型模块、自适应控制律模块；

3、所述张紧器-隔水管反冲进程实际模型模块计算隔水管系统在紧急脱离后的反冲运动状态，包括隔水管各等效点的位移、速度和加速度值，在得出隔水管反冲运动进程的基本动力学表达式后，将张紧器对隔水管本体的镇定作用耦合进隔水管动力学分析系统。

4、所述下泄液计算模型使用全液柱模型计算钻井液下泄过程对管壁产生的摩擦阻力数据，抽取出关于钻井液摩擦阻力的具体数值。

5、所述下泄液数据模型模块根据钻井液和海水流体下泄数据，包括实际运行数据及仿真实验数据，以神经网络为学习工具，重构下泄液对隔水管产生摩擦阻力的物理过程，并作用至张紧器-隔水管反冲进程实际模型模块。

6、所述参考模型模块以实际模型的粗糙参数为基础，二者在动力学方程构成上有相同阶数，在描述实际隔水管系统准确度时有不同程度的差异。

7、所述自适应控制律模块包括参考信号前馈和输出信号反馈两部分，其中前馈部分以参考模型的控制信号为基准量，反馈部分以实际模型输出信号为基准量，前馈和反馈增益以参考模型和实际模型误差系统设计参数更新规则进行自适应，以满足李雅普诺夫稳定性条件为约束保证闭环系统渐近稳定。

8、第二方面，本发明提供一种深水钻井隔水管自适应反冲抑制控制律确定方法，步骤包括：

9、收集现有实际平台、试验平台及仿真平台中，张紧器-隔水管复合系统进入解离反冲过程后的反冲响应数据，包括隔水管反冲响应位移、速度及加速度响应变量，以及隔水管关于质量、刚度和阻尼的各项物理参数，获取张紧器-隔水管反冲进程实际模型；以有限的实际模型参数为基准，附加部分不准确参数，建立粗糙参考模型。

10、在下泄液摩擦力计算模型的基础上，根据已有下泄液计算模型的基础数据，使用机器学习方法，获取下泄液摩擦力数据模型。

11、基于下泄液摩擦力数据模型，在相同下泄液摩擦力的实验条件下，同时运行张紧器-隔水管反冲进程实际模型和参考模型，获取实际模型和参考模型的反冲响应。

12、计算张紧器-隔水管反冲进程实际模型与粗糙参考模型二者反冲响应的误差量，根据参考模型粗糙矩阵参数，选取合适的李雅普诺夫函数，设计自适应反冲控制律。

13、第三方面，本发明提供一种深水钻井隔水管系统下泄液摩擦力的数据建模方法以用于所述自适应抑制控制律的设计，包括如下步骤：

14、步骤s101：收集现有实际平台、试验平台及仿真平台中，深水钻井隔水管进入解离反冲过程后钻井液及管内流入海水的液体下泄流量数据，包括流体速度、管内横截面积、钻井液液柱长度，和管内液体对隔水管内壁造成的等效摩擦力；

15、步骤s102：使用机器学习方法，并明确用于计算摩擦力的基本物理变量，在所收集的数据集上做训练，拟合出隔水管内液体下泄过程的时间序列生成模型，估算液体对管壁施加的摩擦力；

16、步骤s103：通过动力学分析理论，将关于下泄液所产生摩擦力的时间序列生成模型与张紧器-隔水管反冲系统模型耦合，得到下泄液摩擦力数据模型；所述下泄液摩擦力数据模型是现有关于深水钻井隔水管反冲控制系统下泄液摩擦力计算模型的复合学习模型。

17、第四方面，本发明提供一种深水钻井隔水管系统反冲控制硬件设备，包括：传感设备、控制端计算机及液压伺服电机；

18、所述传感设备包括集成采集卡、信号增益模块、位移传感器、速度传感器，采集隔水管反冲响应状态采集，将信号传递至计算机控制端，并根据所述的自适应控制方法将响应信号处理成对应的控制信号，传递至液压伺服电机的阀门开度端口。

技术特征：

1.一种深水钻井隔水管自适应反冲抑制控制系统，其特征在于，系统包括：张紧器-隔水管反冲进程实际模型模块、下泄液摩擦力计算模型模块、下泄液摩擦力数据模型模块、参考模型模块、自适应控制律模块；

2.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管自适应反冲抑制控制系统，其特征在于，所述的下泄液摩擦力的数据模型，是现有关于深水钻井隔水管反冲控制系统下泄液摩擦力计算模型的复合学习模型；

3.一种深水钻井隔水管参考模型自适应反冲抑制控制律确定方法，其特征在于，步骤包括：

4.根据权利要求3所述的一种深水钻井隔水管参考模型自适应反冲抑制控制律确定方法，其特征在于，所述的深水钻井隔水管系统下泄液摩擦力的数据模型获取步骤，具体包括：

5.根据权利要求3所述的一种深水钻井隔水管参考模型自适应反冲抑制控制律确定方法，其特征在于，所述的深水钻井隔水管系统下泄液摩擦力的数据模型获取步骤，用于拟合及训练学习的数据仅包含计算模型得到的下泄液摩擦力和实际下泄液摩擦力，而不包括其他在计算模型中出现的物理量；用于拟合及训练学习的数据包含多个过去时刻关于下泄液摩擦力物理量，其中具体时刻视实际情况给定。

6.根据权利要求3所述的一种深水钻井隔水管参考模型自适应反冲抑制控制律确定方法，其特征在于，所述的深水钻井隔水管系统下泄液摩擦力的数据模型获取步骤，训练结束后，在输入实际下泄液摩擦力数据时，输出当前及未来时刻的实际下泄液摩擦力数据；在输入计算模型得出的下泄液摩擦力数据时，输出对应计算模型应得到的当前及未来时刻的下泄液摩擦力数据。

7.一种深水钻井隔水管系统反冲控制硬件设备，其特征在于，包括：传感设备、控制端计算机及液压伺服电机；

技术总结
本发明属于海洋油气勘探技术领域，提供了一种深水钻井隔水管系统自适应反冲抑制控制律确定方法、设备及存储介质，所述方法包括：在现有隔水管系统实际模型的基础上，提取粗糙参考模型；收集现有隔水管反冲进程中钻井下泄液的等效摩擦力，使用机器学习方法，在所收集的数据集上做训练，得到隔水管系统下泄液摩擦力的数据模型；在相同下泄液摩擦力环境下分别获取隔水管系统实际模型和参考模型的反冲响应；以实际模型和参考模型二者反冲响应的误差为基本量，设计自适应反冲抑制控制律，用于抑制隔水管系统的反冲响应。本发明的深水钻井隔水管系统下泄液摩擦力的数据建模方法及自适应反冲抑制控制律确定方法对实际模型精确度要求低，在工程中更易于实现。

技术研发人员：张赟,张宝琳,刘喜梅,张斌
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16