CN102402184B - 井筒压力模型预测系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井筒压力模型预测系统控制方法，涉及钻井井筒压力控制技术领域，在施工过程中，监测井底压力、立套压、注入流量和出口流量，判断是否存在溢流和漏失；若不存在溢流和漏失时，根据井底压力或者立套压的微小波动进行微调井口套压使井底压力或立套压在设定值；当存在溢流和漏失时，运用井筒多相流动态模型拟合计算溢流或者漏失位置，以及溢流或漏失开始时间，预测钻井过程中井筒压力在未来一个时间段内的变化行为，并利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数；第一次控制参数设置选定后，下一时间段的优化过程重复进行。本方法能使控制的井筒压力在工程允许的波动范围内，达到了精确压力控制的目的。

Description

井筒压力模型预测系统控制方法

技术领域

    本发明涉及钻井井筒压力控制技术领域，确切地说涉及一种井筒压力模型预测系统控制方法，可以确保控制的井底压力或井筒压力剖面在安全窗口内，任意时刻的井口压力控制对于井筒而言均是安全的。

背景技术

近年来随着对石油天然气勘探开发力度的加大，各种复杂地区钻井日益增多，应用常规OBD压力控制技术已经不能很好地满足目前复杂地区、窄密度窗口安全钻井、含H₂S气层钻进、高密度泥浆漏失引起的缩径卡钻和井控风险等生产要求，因为其压力控制技术还是传统的人工“粗放型”压力控制方式，即还是依靠现场操作人员的经验控制井口压力，拟达到控制井底压力的目的，往往反复的调节节流阀，井内也达不到一个相对稳定的状态，且其井底压力波动比较大，不能“精细”控制井底压力使压力波动控制在非常小的范围，近似井底压力恒定，而国外应用精细压力控制技术进行窄密度窗口等复杂地区钻井，能降低80%常规钻井技术遇到的问题。

由于井内的不确定性因素太多，是个模糊的系统，如果按照常规井口恒压控制手段将会导致井筒压力精确控制的失败，甚至造成事故，特别是在溢流情况下，反映到井口来看似套压升高该调大节流阀开度，实际上这将会使地层流体进一步进入井筒，降低井底压力。同时，目前钻探过程中，要求的井底压力和井筒压力分布波动范围越来越小，稍有不慎导致控压失败，造成井漏溢流等复杂事故。

现在压力控制方法上国内外对于井筒流动计算研究很多，但经检索，尚缺乏一套压力计算预测控制算法，能确保任意时候的压力控制对于井筒而言都是安全的。该问题不能得到很好解决，将直接影响欠平衡钻井（UBD）技术和控压钻井（MPD）技术的推广应用效果，增加钻井井控风险，并使钻井成本居高不下，使许多原本可以开发的油田不能及时开发。

刊名为“石油钻探技术”，第39卷第4期，发表日期为“2011年7月”，作者为杨雄文，周英操，方世良，刘伟，名称为“控压钻井分级智能控制系统设计与实验装置”的期刊文献，公开了一种MPD分级控制策略，但该技术仍然没有解决下述技术问题：

1、控制目标是在控制井口压力，虽然文章提到控制目标是控制井底压力，但是在框图2、3、4中以及其解释中，都是以井口压力为控制目标，这对于实际的井筒压力控制来讲，只是涉及到一小部分，相当于人操纵传统的手动节流阀一样，如何确保井口压力与设定值相当，未解决如何通过井口压力控制反应到井底，即如何控制井底压力在设定值。

2、在算法中，事实上在实际操作中，难以准确知道溢流量，在井口监测的溢流量都是在溢流达到井口附近变化值，若以此再来计算控制已经很晚，达不到精确控制的目标。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的“不能确保任意时候的压力控制对于井筒而言都是安全的”技术难题，本发明提出了一种井筒压力模型预测的系统控制方法，本方法能使控制的井筒压力在工程允许的波动范围内，达到了精确压力控制的目的。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：

在施工过程中，监测井底压力、立压、套压、注入流量和出口流量；

判断是否存在溢流和漏失；

若不存在溢流和漏失时，根据井底压力或者立套压，与目标压力之间的差值，及井底压力或者立套压的微小波动进行微调井口套压，使井底压力或立套压在设定值，调节的量依照传统的模型预测控制算法进行优化计算下一个时刻的控制目标参数，以确保井底压力或者立套压在目标设定值；

当存在溢流和漏失时，运用井筒单相或者多相流动态模型拟合计算溢流或者漏失位置，以及溢流或漏失开始时间，预测钻井过程中井筒压力在未来一个时间段内的变化行为，并利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数；

第一次控制参数设置选定后，下一时间段的优化过程重复进行。

所述井筒单相或者多相流动态模型的预测控制方程由下式表示：

                               (1)

式中：代表井筒压力系统，其计算模型井筒水力学单相流和多相流理论计算；

为井筒漏失或者溢流量；

——t时刻的状态矢量，如套压；

——t时刻的套压；

——t时刻的井底压力；

——井底压力误差。

进一步的，本方案还包括对所得到的所述井筒单相或者多相流动态模型的预测控制方程进行离散化处理：

将已建立的井筒连续模型转化为下列离散模型：

   　　                (2)

式中：

——k时刻状态矢量；

——k时刻的套压；

——地层漏失或溢流矢量；

——k时刻井底压力计算值；

在两个时间间隔内的套压，通过两个相邻时间间隔k－1时刻的套压

和k时刻套压

线性插值得到。

实测立套压和预测计算的立套压之间存在的偏差为预测误差，预测误差e(k+i)为：

　　          　　　　　　          (3)

式中：

为当前时刻模型输出值；为当前时刻实测值。

对于未来n＋i时刻误差的预测e(k+i)，采取基于已知时刻数值基础上的多项式误差拟合法进行估计，由k时刻的误差和一个修正误差组成，这个过程(L>l2 >1)(其中取L=l2)称为自补偿：

    (4)

其中：

为k时刻的误差；

为拟合多项式的系数；

为拟合多项式展开阶数。

井底压力按指数出接近参照压力

，此时井底压力参考曲线由下式给出：

        　　　　　                (5)

其中：

；

——采样时间；

——参考曲线指数时间；

符号

是指在根据时刻数据评价(k+i)时刻参考曲线，采用非线性模型来预测井底压力，超出模型预测范围时采用事前输人的曲线

来预测井底压力：

  (6)

              　　　　　             (7)

其中由井筒水力学单相流和多相流理论公式计算得出。

所述利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数具体是指：

在一些拟合点上使过程的预测输出值最接近参考轨迹，其优化性能指标一般为二次型性能指标并采用优化方法求解，如：

     　　　　             (8)

           　 　　　             (9)

式中：(k+i)是第(k+i)拟合时间点，m是拟合点的个数，

是过程的预测值，

是(k+i)时刻的模型预测输出， e(k+i)为预测误差，

为第(k+i)时刻的参考轨迹,通过求解上述方程的极小值，得到其实时控制的最优参数。

当套压指令下达给套压控制机构时候，控制机构的监控系统执行控制指令，其执行的过程中开启节流阀大小程度，按照传统自动控制的模型预测MPC反馈控制算法执行，正如文章1中描述那样，再此不再描述。

所述的实际井底压差最小是致溢流漏失量最小。

所述的实际井底压差最小下的控制参数中控制参数包括立套压、注入流量、钻井液密度及粘度。

本方法包括并不限于基于PWD实测数据的模型预测系统控制方法。

本方法包括并不限于基于实测数据的水力学模型校核方法。

与现有技术相比，本方法的技术效果如下：

1、采用本方法所说的根据实际情况，实时在线监测并预测未来一段时间井口和井内压力变化情况，并优化其控制量，实时调节控制目标套压（反应到执行单元即调节井口节流阀开启度控制套压），从而使井底压力保持在安全窗口内；解决现有技术中所存在的“不能确保任意时候的压力控制对于井筒而言都是安全的”技术难题，能使控制的井筒压力在工程允许的波动范围内，达到了精确压力控制的目的；同时，采用本方法有助于油气钻井大幅度降低井下复杂事故的发生，提高勘探开发效益，具有重要的意义。

2、本方法采用预测误差的方法，能进一步提高控制算法的精细度。

3、本方法采用基于已知时刻数值基础上的多项式误差拟合法进行估计，可以提高误差预测的精度。

4、在本发明中，基于井筒是个模糊大系统原理，井底压力或者井口立套压作为控制的目标，井底压力计算基于井筒流体力学基础理论，按照计算的结果和实际结果进行模型预测模型处理，给出最终的控制套压目标值，使得井底压力时刻在目标值，井筒压力处在一个安全范围，解决了背景技术控压钻井分级智能控制系统设计与实验装置的期刊文献中只考虑节流阀调节开度依靠MPC算法的短板。

5、本发明中采用“若不存在溢流和漏失时，根据井底压力或者立套压，与目标压力之间的差值，及井底压力或者立套压的微小波动进行微调井口套压，使井底压力或立套压在设定值，调节的量依照传统的模型预测控制算法进行优化计算下一个时刻的控制目标参数”的技术方案，相对于背景技术控压钻井分级智能控制系统设计与实验装置的期刊文献，能确保井底压力或者立套压在目标设定值。

6、本发明中采用“当存在溢流和漏失时，运用井筒单相或者多相流动态模型拟合计算溢流或者漏失位置，以及溢流或漏失开始时间，预测钻井过程中井筒压力在未来一个时间段内的变化行为，并利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数”，从而相对于背景技术控压钻井分级智能控制系统设计与实验装置的期刊文献，达到了精确压力控制的目的。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，其中：

图1为系统分析示意图

图2为井筒压力模型预测控制基本原理图

图3为井筒压力实时模型预测优化控制思路图

图4为压力模型预测控制原理示意图

图中标记：

输入I（Input，用I表示），可以是可控参数，如不常变因子（钻井液密度、排量、流变参数、其他井身结构参数等）和实时易于改变因子（套压）；

系统S（System，用S表示），井筒；

输出O（Output，用O表示），即井筒压力剖面或井底压力。

具体实施方式

实施例1

本发明公开了一种井筒压力模型预测系统控制方法，在施工过程中，监测井底压力、立套压、注入流量和出口流量，判断是否存在溢流和漏失；若不存在溢流和漏失时，根据井底压力或者立套压的微小波动进行微调井口套压使井底压力或立套压在设定值；当存在溢流和漏失时，运用井筒多相流动态模型拟合计算溢流或者漏失位置，以及溢流或漏失开始时间，预测钻井过程中井筒压力在未来一个时间段内的变化行为，并利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数；第一次控制参数设置选定后，下一时间段的优化过程重复进行。

上述方案中，所述的井筒单相或者多相流动态模型除了本发明技术方案部分中所述的方式外，可以采用本领域中现有技术来实现，最优化算法除了本发明技术方案部分中所述的方式外，可以采用本领域中现有技术来实现。

采用上述技术方案，与现有技术相比，基本达到了如下技术效果：根据实际情况，实时在线监测并预测未来一段时间井口和井内压力变化情况，并优化其控制量，实时调节井口节流阀开启度控制套压，从而使井底压力保持在安全窗口内；解决现有技术中所存在的“不能确保任意时候的压力控制对于井筒而言都是安全的”技术难题，能使控制的井筒压力在工程允许的波动范围内，达到了精确压力控制的目的；同时，采用本方法有助于油气钻井大幅度降低井下复杂事故的发生，提高勘探开发效益，具有重要的意义。

实施例2

作为本发明的一较佳实施方式，本发明的涉及原理及所采用的技术方案如下：

1、在井筒压力控制时，把井筒当作一个大系统进行压力控制。

在钻井过程中，因为地层压力的不确定性，在打开有供给能力的地层时，地层流体还是有可能进入井筒，进入量除与地层参数有关外，也受井底压力的影响，而井底压力直接受到套压的影响，也受到循环状态、摩擦压降的影响，地层流体进入井筒后，将引起井内流动状态的变化，井内流动状态发生改变时反过来也影响着地层入流，因此，井筒与地层是一个相互影响，相互耦合的统一整体，是一个大系统。为了控制井筒压力剖面或井底压力为预期的控制目标值，则需要把整个井筒作为一个系统（System，用S表示）考虑。

给系统一个“激动”，即输入（Input，用I表示，可以是可控参数，如不常变因子（钻井液密度、排量、流变参数、其他井身结构参数等）和实时易于改变因子（套压），则系统就会出现相应的“反应”，即输出（Output，用O表示，即井筒压力剖面或井底压力），如图1所示。

2、井筒压力控制时是基于井筒流动规律模型，进行模型预测控制井筒压力剖面或井底压力。

虽然井筒系统受多种因素影响，是个模糊的系统，但井筒内的流体流动还是有其自身的水动力学流动规律和相应的理论计算模型，但模型计算结果受到模型自身描述客观物理规律不精确的影响，还受外界因素的很大干扰，可能需要的控制结果O和输出的结果有所差别，因此，可以引入模型预测控制（MPC）思想，基于系统规律的预测控制井筒压力，让输入的I和基于系统S的规律情况下，输出预期的结果O，确保控制的井筒压力每时每刻均在安全范围内。

其井筒在线实时压力预测控制详细技术思路是：

全程监控井底压力、立压、套压和注入流量、出口流量，以及施工工艺过程，引入模型预测控制（MPC）的基本思想，以达到钻井过程中，以一个循环周内最优的井筒压力实时优化控制的目的，根据相应情况进行的有预见性的环空压力补偿或调节，保证未来一个或多个循环周内各个时刻环空压力剖面均在安全范围内。井底压力模型预测控制基本原理如图2、图3所示。

如图2、图3所示，在施工过程中，监测PWD实测井底压力、立套压、注入排量和出口流量，判断是否存在溢流和漏失及其数值，若不存在溢流和漏失时，根据井底压力或者立套压的微小波动进行微调井口套压使其在设定值；当存在溢流和漏失时候，运用井筒多相流动态模型拟合计算溢流或者漏失位置，以及溢流或漏失开始时间，预测钻井过程中井筒压力的在未来一个时间段内(如一个循环周内)的变化行为，并及时利用最优化算法计算在前述安全条件下一个时间段内实际井底压差最小(溢流漏失量最小)下的控制参数，如套压、排量、钻井液密度及粘度等参数。在一定时间范围内，通过不同时间间隔，采用不同的控制设置来实现该目的。第一次控制设置选定后，下一时间段的优化过程重复进行。

如图4所示，应用离散化时间设置，为k时刻的时间序列，图示垂线为当前时间，图中给出了当前时间之前的实际井底压力曲线、模拟计算曲线，模拟所得参数通过实际数据进行反馈校正。图中显示了当前时刻模拟曲线与控制点不重合。根据这个差值设置参考曲线。促使预测曲线与参考曲线的差值最小，求得最优的套压预测曲线。

实施例3

参照说明书附图，本发明的最佳实施方式为：

井筒压力模型预测系统控制方法基本算法：

假定井筒系统

中，不确定可变参数为钻井液漏失量和溢流量，那么相应的井筒压力分布就要发生相应的变化，并设定可以通过套压调节调节达到控制的目的。

根据井筒压力模型预测控制原理 (如图3所示)，井筒压力参数关系可以描述为模型预测控制方程形式，由下式表示：

                                     (1)

式中：井筒压力系统，其计算模型井筒水力学单相流和多相流理论计算；

——t时刻的状态矢量，如套压；

——t时刻的套压；

——t时刻的井底压力；

——井底压力误差。

将已建立的井筒连续模型转化为下列离散模型

   　                      (2)

式中：

——k时刻状态矢量；

——k时刻的套压；

——地层漏失或溢流矢量；

——k时刻井底压力计算值。

该离散非线性油气井储层模型的时间间隔，比控制时间间隔短，因此在两个时间间隔内的套压，可以通过两个相邻时间间隔k－1时刻的套压

和k时刻套压

线性插值得到。

控制算法的目的是为了控制井底压力与参照压力(

)一致。由于实测立套压和由于噪声和模型失配等的影响，从而引起预测计算的立套压和实测立套压存在一定的偏差，称为预测误差。模型预测控制中，需要将预测误差通过一个预估器，对未来优化时域中的误差进行预测，并作为前馈量引入到参考预设轨迹加以补偿。误差预测方法有多种，例如可以取未来的误差e(k+i)为：

　　          　　　　　　          (3)

式中：

为当前时刻模型输出值(立套压或井底压力)；为当前时刻实测值(立套压或井底压力)。

对于未来n＋i时刻误差的预测e(k+i)，为提高精度起见，一般采取基已知时刻数值基础上的多项式误差拟合法进行估计。它是由k时刻的误差和一个修正误差组成，这个过程(L>l2 >1)(其中可以取L=l2)称为自补偿。

    (4)

其中：

为k时刻的误差；

为拟合多项式的系数；

为拟合多项式展开阶数。

为了避兔压力波动，井底压力应该按指数接近。此时井底压力参考曲线由下式给出：

       　　　　　　                (5)

其中：

——采样时间；

——参考曲线指数时间。

符号是指在根据时刻数据评价(k+i)时刻参考曲线。通常情况下采用非线性模型来预测井底压力，超出模型预测范围时采用事前输人的曲线

来预测井底压力

  (6)

              　　　　　             (7)

其中可由井筒水力学单相流和多相流理论公式计算得出。

在预测模型控制的滚动优化算法中，最优的未来控制作用输入曲线

是通过迭代、最优化和约束等一系列步骤来得到的，最常用的方法是：在一些拟合点上使过程的预测输出值最接近参考轨迹，其优化性能指标一般为二次型性能指标并采用优化方法求解，如：

        　　　             (8)

            　 　　　             (9)

式中：(k+i)是第(k+i)拟合时间点，m是拟合点的个数，是过程的预测值，

是(k+i)时刻的模型预测输出， e(k+i)为预测误差，

为第(k+i)时刻的参考轨迹。

通过求解上述方程的极小值，得到其实时控制的最优参数。节流阀最佳开启度是指保持井底压力在参考压力状态，

是由最优化算法通过公式求极小值得到的。初始的套压已知，然后根据算法明确给出一组新的套压曲线，即利用公式(8)计算。分析测定的结果，然后选出一组新套压曲线。重复该过程，直到求出参考井底压力一致的最佳控制套压。

实施例4

在实施例3的基础上，井筒压力模型预测系统控制方法一：基于PWD实测数据的模型预测系统控制方法：

为了准确预测控制下一个时刻的压力变化，和提前采取精确控压措施以保证井底压力在当前时刻和未来时刻都在在给定范围，本控制方法将现代控制理论中的模型预测控制的基本思想引入到井筒压力控制中来，可以应用基于井筒水力学理论，进行计算井筒压力剖面，利用井底压力监测方法实时监测井底压力，并实时校核水力学模型，基于历史信息预测计算井筒环空动态压力变化，并确定应该采取的控压措施。其基本简易的算法思路如下：

水力学模型实时计算分析井筒压力，给出第i时刻控制套压

：

                               (10)

其中，i为第i时刻， 

为井底压力目标控制值，

为钻井液静液柱压力，为环空摩阻压力。

实时计算的井底压力BHP计算与实测的BHP实测有一定的误差：

                           (11)

那么有了实时测量的井底压力，就可以修正校核下一个时刻的计算井底压力，使计算的井底压力更加准确，并使下一个时刻计算的和实测的井底压力都更加接近控制目标井底压力：

                   (12)

其中：， 

为前i个时刻的误差趋势修正函数，其计算可以应用现代控制理论中的模型预测控制算法进行计算；

由此预测计算下一个时刻的井底压力，并给出控制套压控制方程：

                         (13)

若在正常钻进中，其他工况参数均无变化且不考虑压力温度对钻井液柱压力及摩阻影响情况下可得出下一个时刻套压调节控制方程：

                                    (14)。

实施例5

在实施例3和4的基础上，井筒压力模型预测系统控制方法二：基于实测数据的水力学模型校核方法

当没有PWD实时数据时候，可以应用存储式压力计的数据校核水力学模型进行下一趟钻或者基本相同参数的邻井的水力学模型校核。

主要校核的参数为摩擦压耗，一般来讲重位压降受到外在因素变化大不大，因此决定井底压力变化的主要是循环摩擦压耗。为此，当有对应井深（垂深）井底压力数据时，可以计算出实际的摩擦压耗，拟合出水力学模型计算的摩擦压耗与实际的摩擦压耗之间的随井深的相关关系

，为此在下一趟钻时候，应用该关系校核水利学计算的循环压耗（并考虑密度、排量和井深变化的校核系数），其基本能满足井底压力控制的需要。

Claims (7)

1.一种井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：

在施工过程中，监测井底压力、立压、套压、注入流量和出口流量；

判断是否存在溢流和漏失；

若不存在溢流和漏失时，根据井底压力或者立套压，与目标压力之间的差值，及井底压力或者立套压的微小波动进行微调井口套压，使井底压力或立套压在设定值，调节的量依照传统的模型预测控制算法进行优化计算下一个时刻的控制目标参数；

当存在溢流和漏失时，运用井筒单相或者多相流动态模型拟合计算溢流或者漏失位置，以及溢流或漏失开始时间，预测钻井过程中井筒压力在未来一个时间段内的变化行为，并利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数；

第一次控制参数设置选定后，下一时间段的优化过程重复进行。

2.根据权利要求1所述的井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：所述井筒单相或者多相流动态模型的预测控制方程由下式表示：

                               (1)

式中：

代表井筒压力系统，其计算模型井筒水力学单相流和多相流理论计算；

——t时刻的状态矢量，如套压；

——t时刻的套压；

——t时刻的井底压力；

——井底压力误差。

3.根据权利要求2所述的井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：还包括对所得到的所述井筒多相流动态模型的预测控制方程进行离散化处理：

将已建立的井筒连续模型转化为下列离散模型：

   　　                (2)

式中：

——k时刻状态矢量；

——k时刻的套压；

——地层漏失或溢流矢量；

——k时刻井底压力计算值；

在两个时间间隔内的套压，通过两个相邻时间间隔k－1时刻的套压和k时刻套压

线性插值得到。

4.根据权利要求1或3所述的井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：实测立套压和预测计算的立套压之间存在的偏差为预测误差，预测误差e(k+i)为：

　　          　　　　　　          (3)

式中：

为当前时刻模型输出值；

为当前时刻实测值。

5.根据权利要求4所述的井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：对于未来n＋i时刻误差的预测e(k+i)，采取基于已知时刻数值基础上的多项式误差拟合法进行估计，由k时刻的误差和一个修正误差组成，这个过程(L>l2 >1)(其中取L=l2)称为自补偿：

    (4)

其中：

为k时刻的误差；

为拟合多项式的系数；

为拟合多项式展开阶数。

6.根据权利要求5所述的井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：井底压力按指数出接近参照压力

，此时井底压力参考曲线由下式给出：

        　　　　　                (5)

其中：

；

——采样时间；

——参考曲线指数时间；

符号

是指在根据

时刻数据评价(k+i)时刻参考曲线，采用非线性模型来预测井底压力，超出模型预测范围时采用事前输人的曲线

来预测井底压力：

  (6)

              　　　　　             (7)

其中

由井筒水力学单相流和多相流理论公式计算得出。

7.根据权利要求1所述的井筒压力模型预测系统控制方法，其特征在于：所述利用最优化算法计算在所述未来一个时间段内实际井底压差最小下的控制参数具体是指：

在一些拟合点上使过程的预测输出值最接近参考轨迹，其优化性能指标一般为二次型性能指标并采用优化方法求解，如：

     　　　　             (8)

           　 　　　             (9)

式中：(k+i)是第(k+i)拟合时间点，m是拟合点的个数，是过程的预测值，是(k+i)时刻的模型预测输出， e(k+i)为预测误差，

为第(k+i)时刻的参考轨迹,通过求解上述方程的极小值，得到其实时控制的最优参数。

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