科研動(dòng)態(tài)
控壓鉆井井下氣侵工況的自適應(yīng)參數(shù)及狀態(tài)估計(jì)
中文題目：控壓鉆井井下氣侵工況的自適應(yīng)參數(shù)及狀態(tài)估計(jì)
論文題目：Adaptive parameter and state estimation of managed pressure drilling while downhole gas kick
錄用期刊/會(huì)議：控制與決策 （EI中文期刊）
原文DOI：10.13195/j.kzyjc.2022.0673
發(fā)表時(shí)間：2024-2
作者列表：
1） 徐寶昌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化系教師
2） 孟卓然 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 博20
3） 陳貽祺 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 博20
4） 劉 偉 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司
5） 吳 楠 中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司
摘要:
針對(duì)控壓鉆井過(guò)程中井下可能發(fā)生氣侵的特殊工況,提出一種可在異常工況下估計(jì)井底壓力,并借此判斷異常工況的方法.首先,基于簡(jiǎn)化的漂移通量模型,在傳統(tǒng)控壓鉆井水力學(xué)模型中添加了氣體膨脹項(xiàng),建立了控壓鉆井氣液兩相流模型;其次,將井下環(huán)空摩擦積分和井底氣侵量視為未知參數(shù),將井底流量視為未知狀態(tài),設(shè)計(jì)了一種可對(duì)未知參數(shù)以及未知狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)的自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器,并以此為基礎(chǔ)估計(jì)井底壓力.最后,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的有效性.仿真結(jié)果表明,所建氣液兩相流模型可在井下發(fā)生氣侵時(shí)模擬井底壓力變化,且所提觀(guān)測(cè)器能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤井底流量及壓力變化
背景與動(dòng)機(jī):
面對(duì)氣侵、漏失等井下復(fù)雜事故,控壓鉆井( Managed Pressure Drilling, MPD)可以有效避免事故加劇并穩(wěn)定井底壓力,大大提升鉆進(jìn)效率.但是,深部地層環(huán)境復(fù)雜、 存在眾多不確定因素及干擾且監(jiān)測(cè)成本高,導(dǎo)致井下反饋信息極為不清晰,不能及時(shí)判斷異常工況.這將使得地面控制器難以及時(shí)獲取所需要的參數(shù)及狀態(tài)信息,嚴(yán)重影響了實(shí)時(shí)控制效果.因此,研究可靠的井下信息估計(jì)方法對(duì)于控制井底壓力、減弱復(fù)雜事故的發(fā)生至關(guān)重要。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
1、氣液兩相流簡(jiǎn)化模型
上述漂移通量方程難以直接應(yīng)用于井底壓力的估計(jì)問(wèn)題,需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化.簡(jiǎn)化過(guò)程中使用的假設(shè)條件包括已有的漂移通量假設(shè),在推導(dǎo)氣液兩相流簡(jiǎn)化模型前,還提出另外三個(gè)假設(shè)，并給出最終簡(jiǎn)化后的模型表達(dá)形式。
同時(shí), 當(dāng)井下發(fā)生氣侵時(shí), 井底壓力的計(jì)算需加入下式：
2、觀(guān)測(cè)器構(gòu)造
由于泥漿泵出口壓力和井口回壓為可測(cè)的井上壓力, 而井底流量為不可測(cè)變量, 定義如下關(guān)于泥漿泵出口壓力和井底流量的坐標(biāo)變換：
對(duì)上式求導(dǎo)可得：
將上式改寫(xiě)為如下形式：
關(guān)于井底流量的觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)如下：
計(jì)算誤差項(xiàng)整理得到關(guān)于誤差項(xiàng)的微分方程
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
針對(duì)已建立的氣液兩相流模型，使用自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器估計(jì)井下未知參數(shù)及狀態(tài)。首先假設(shè)井底已發(fā)生氣侵，井下未知參數(shù)的估計(jì)結(jié)果如圖1—圖3所示，井底流量和壓力的估計(jì)結(jié)果如圖4—圖5所示。
圖1未知參數(shù)θ1仿真結(jié)果 圖2未知參數(shù)θ2仿真結(jié)果 圖3未知參數(shù)θ3仿真結(jié)果
圖4氣侵工況下井底流量仿真結(jié)果 圖5氣侵工況下井底壓力仿真結(jié)果
圖6單相水力學(xué)模型氣侵工況下井底流量仿真結(jié)果 圖7單相水力學(xué)模型氣侵工況下井底壓力仿真結(jié)果
仿真結(jié)果表明, 在氣侵發(fā)生前, 環(huán)空中無(wú)氣相存在, 文獻(xiàn)[12]所提單相水力學(xué)模型準(zhǔn)確刻畫(huà)了井底壓力與井底流量的變化趨勢(shì), 其自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器能夠準(zhǔn)確地估計(jì)井底流量與壓力. 但是, 當(dāng)仿真進(jìn)行至300s 時(shí), 井下突然發(fā)生氣侵, 環(huán)空流體從單相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗔?/span>, 文獻(xiàn)[12]中提出的機(jī)理模型及觀(guān)測(cè)器方法估計(jì)精度大大降低, 自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器估計(jì)井底流量的平均相對(duì)誤差達(dá)到了74.67%，估計(jì)井底壓力的平均相對(duì)誤差為1.52%。
結(jié)論:
本文首先對(duì)漂移通量模型所構(gòu)建的PDE方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化, 建立了一種簡(jiǎn)化的ODE氣液兩相流模型。其次, 根據(jù)該兩相流模型設(shè)計(jì)了一種估計(jì)精度高、可靠性強(qiáng)的自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器, 用于同時(shí)估計(jì)井下未知參數(shù) (環(huán)空摩擦積分) 和未知狀態(tài) (井底壓力及井底流量), 并通過(guò) Lyapunov 穩(wěn)定性理論證明了觀(guān)測(cè)器的收斂性。仿真結(jié)果表明, 簡(jiǎn)化的兩相流模型有效平衡了計(jì)算精度與模型復(fù)雜度, 準(zhǔn)確反映了氣液存在時(shí)井下變量的動(dòng)態(tài)變化。特別是在氣侵發(fā)生時(shí), 提出的自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地觀(guān)測(cè)井底流量及壓力變化, 為井下復(fù)雜事故診斷與監(jiān)測(cè)方法提供了新的思路。
作者簡(jiǎn)介:
徐寶昌，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事復(fù)雜系統(tǒng)的建模與先進(jìn)控制；鉆井過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)；井下信號(hào)的測(cè)量與處理；多傳感器信息融合與軟測(cè)量技術(shù)等方面的研究工作?，F(xiàn)為中國(guó)石油學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)信息技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研課題的科研工作，并在國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表了論文60余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄20余篇。