侯林 陳春霞 耿艷峰 陳峰 季威 蔣榮星 雷彪

(1.中國石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院 2.中海油田服務(wù)股份有限公司 3.四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司)

0 引 言

近年來，隨著油氣勘探開發(fā)的持續(xù)深入和鉆井技術(shù)的不斷進步，各種類型的油氣藏和特殊工藝井不斷增加，此舉對固井技術(shù)、裝備和作業(yè)水平提出了更高的要求[1]。為滿足大排量連續(xù)泵注要求，固井施工中普遍采用連續(xù)混漿方式生產(chǎn)水泥漿，該方式具有井場設(shè)備多、施工工序長、操作步驟繁等特點，經(jīng)常出現(xiàn)高壓風(fēng)險作業(yè)區(qū)施工人員多、施工工序銜接不緊密以及關(guān)鍵工藝參數(shù)控制精確度差等問題[2]。固井作業(yè)的重要性和復(fù)雜性決定了提高施工自動化水平的必要性和緊迫性，因此現(xiàn)代固井工程正逐步從以人工經(jīng)驗操作為主向全流程實時監(jiān)測、自動化與智能化方向發(fā)展[3]。

長期以來，國外大型油田技術(shù)服務(wù)公司在固井混漿裝備制造和控制系統(tǒng)開發(fā)等方面占據(jù)著領(lǐng)先地位[4]。例如，早在20世紀80年代，哈里伯頓公司便推出了全球首家固井設(shè)備自動控制系統(tǒng)——水泥漿自動密度控制(Automatic Density Control，ADC)系統(tǒng)[5-7]。配合循環(huán)水泥攪拌系統(tǒng)使用，該系統(tǒng)可實現(xiàn)固井施工中密度、壓力、排量等關(guān)鍵操作和工藝參數(shù)的實時監(jiān)測，以及水泥漿密度的自動調(diào)控，水泥漿密度偏差可控制在±0.01 g/cm3以內(nèi)，并能完成高密度、高黏度水泥漿混配任務(wù)。哈里伯頓公司又于2017年推出了新一代固井-井控系統(tǒng)HCS Advantage OneTM。該系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程控制以及與供液設(shè)備、批混設(shè)備等的協(xié)同控制，使固井工程向“設(shè)計優(yōu)化、施工監(jiān)測、自動調(diào)控、跟蹤分析”的科學(xué)化邁出關(guān)鍵的一步。道威爾-斯倫貝謝公司推出的CPS系統(tǒng)同樣具備密度控制、泵注、試壓及液添設(shè)備與批混設(shè)備的聯(lián)合控制等功能。貝克休斯公司現(xiàn)役的控制系統(tǒng)為MCM2000系統(tǒng)，也具備密度控制及混漿設(shè)備流程控制、液添控制及液添設(shè)備流程控制等功能。值得注意的是，上述研究成果均已申請獲批了發(fā)明專利，并對其核心技術(shù)進行嚴格保密。

20世紀90年代后，四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司率先研制出新一代自動混漿控制系統(tǒng)(Automatic Cement Mixing II，ACM-II)[8]。該系統(tǒng)是通過計算機控制下灰量來實現(xiàn)對水泥漿密度的控制，控制系統(tǒng)收集當(dāng)前的清水流量、水泥漿密度和干灰計量閥閥位，再根據(jù)作業(yè)設(shè)置參數(shù)采用比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制算法對下灰蝶閥開啟程度進行精確調(diào)整，對作業(yè)過程中可能存在的水流量、設(shè)定密度值及干灰傳輸能力等變化及時響應(yīng)，最終達到設(shè)定密度需要的干灰量。經(jīng)過10多年的研究和實踐，該系統(tǒng)已從ACM-II發(fā)展到密度與液位自動控制系統(tǒng)(ACM-V)，并具備自動試壓、遠程控制等功能。國內(nèi)方面，2014年以來，中海油田服務(wù)股份有限公司科研團隊與四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司多次合作，相繼推出國內(nèi)首套深水固井裝備、大排量固井裝備及國內(nèi)首臺大功率電驅(qū)海洋固井裝備，這些設(shè)備分別在HY981平臺、HY943平臺及藍鯨一號平臺得到了成功應(yīng)用[9]。2018年，中國石油工程技術(shù)研究院聯(lián)合長城鉆探、川慶鉆探、渤海鉆探突破固井工程核心數(shù)理模型、裝備自動控制關(guān)鍵方法，形成了以AnyCem?固井軟件為核心、自動化固井成套裝備為載體的設(shè)計-仿真-監(jiān)控一體化技術(shù)[10]。

綜上所述，目前國內(nèi)外這些研究[11-14]多致力于提高固井單一設(shè)備/參數(shù)/操作流程的自動化水平，固井作業(yè)多設(shè)備、多參數(shù)和全流程的自動控制技術(shù)尚未成型，仍無法有效地解決固井作業(yè)過程中經(jīng)驗依賴性強、操作一致性差和關(guān)鍵參數(shù)控制精度差等關(guān)鍵問題[15]。為此，本文開發(fā)了一套面向“一鍵固井”的固井連續(xù)混漿自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)混漿作業(yè)設(shè)備運行參數(shù)的全覆蓋采集，并在統(tǒng)一的信息平臺上實現(xiàn)供水、供灰、混漿和泵注等多設(shè)備的集成管理與控制。

1 “一鍵式”全自動固井控制系統(tǒng)

固井作業(yè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它需要綜合運用供液、供灰、混漿和泵注等多套井場設(shè)備，以共同完成沖洗液、隔離液、首漿、尾漿、后置液制備和管路清洗等多個階段性任務(wù)，具有工序繁雜、操作連貫性要求高等特點。本文所設(shè)計開發(fā)的 “一鍵式”全自動固井作業(yè)控制系統(tǒng)，是在對固井作業(yè)操作流程深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合固井專家經(jīng)驗知識，對作業(yè)任務(wù)進行合理的階段劃分，并在統(tǒng)一的信息平臺上實現(xiàn)固井關(guān)鍵設(shè)備的集成管理與控制。

圖1為面向海洋鉆井平臺大排量雙機雙泵橇的全自動控制系統(tǒng)人機交互界面(Human Machine Interactive Interface，HMI)。該系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，實時采集作業(yè)設(shè)備運行參數(shù)(見表1)、設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)以及報警信息，并將結(jié)果匯總至本界面集中顯示。

表1 固井作業(yè)運行參數(shù)采集Table 1 Working parameters collected in cementing operation

圖1 全自動固井控制系統(tǒng)人機交互界面Fig.1 Human-machine interaction interface of fully automatic cementing control system

該系統(tǒng)基于控制邏輯(見圖2)，可實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、傳動箱檔位、恒壓罐進灰閥、清水計量閥及干灰計量閥的手動/自動/遠程無擾切換控制。另外，也可以由此屏面切換至模擬設(shè)置界面、作業(yè)設(shè)置界面、壓力測試界面、密度/壓力/排量等關(guān)鍵控制參數(shù)變化趨勢監(jiān)控界面；同時可以進行大循環(huán)/小循環(huán)管匯的快速切換。

圖2 全自動固井作業(yè)控制系統(tǒng)邏輯圖Fig.2 Logic diagram of fully automatic cementing operation control system

2 關(guān)鍵控制階段

2.1 作業(yè)流程控制

針對連續(xù)混漿作業(yè)工序繁雜，操作連貫性要求高的特點，基于固井作業(yè)專家經(jīng)驗知識，將固井作業(yè)劃分為沖洗液、稀沖洗液、隔離液、混合水、首漿、首漿混合水、中間液、尾漿混合水、尾漿、后置液、頂替液共11個階段。作業(yè)開始前，作業(yè)人員在人機交互界面對各階段相關(guān)參數(shù)(包括水泥漿密度、排量、排出總量、混合水總量(只顯示首漿和尾漿之外的階段)、水泥灰總量以及水閥選擇)進行設(shè)置，將不參與作業(yè)的階段排出總量或混合水總量設(shè)置為0；作業(yè)開始后，流程從第一個設(shè)定排出總量或混合水總量不為0的階段開始運行，控制器根據(jù)工藝流程自動打開/關(guān)閉蝶閥/旋塞閥，自動啟動/停止離心泵、風(fēng)扇及攪拌器，自動調(diào)節(jié)恒壓罐進灰閥、干灰計量閥、清水計量閥，自動進行傳動箱換擋及發(fā)動機調(diào)速，當(dāng)實際排出總量大于或等于設(shè)定排出總量時，本階段自動停止；待外部條件具備后，再按“運行”鍵進入下一個設(shè)定排出總量或混合水總量不為0的階段；依次進行，直至最后一個設(shè)定排出總量或混合水總量不為0的階段為止。

因此，一鍵式自動控制作業(yè)流程包括：參數(shù)設(shè)定→開始作業(yè)→進水→加灰→混拌→測量→密度液位報警→液控開閥→離心泵供輸→開啟泵注→作業(yè)完成自動停機。整個作業(yè)過程都通過電腦顯示屏遠程操作控制，實現(xiàn)了全流程的自動化操作。圖3為固井作業(yè)流程控制工藝參數(shù)設(shè)置界面。

圖3 固井作業(yè)流程控制工藝參數(shù)設(shè)置Fig.3 Setting of process parameters for cementing operation process control

2.2 密度/料位解耦控制

混漿密度是固井作業(yè)過程中重要的監(jiān)控參數(shù)?；鞚{均勻穩(wěn)定且密度達標是實現(xiàn)高質(zhì)量固井的重要前提。為此，混漿罐水泥漿循環(huán)管線上裝有高精度的在線密度計，可實時檢測混漿罐內(nèi)水泥漿密度，灌注泵后同樣裝有密度計，可檢測均衡罐底部泵出水泥漿的密度。此外，均衡罐還裝有液位計，以確保連續(xù)混漿產(chǎn)量能夠滿足泵注需求。因此，連續(xù)混漿作業(yè)的目標是：通過操縱清水閥開度和下灰閥開度控制進水量和進灰量，在混漿罐內(nèi)生產(chǎn)出滿足固井泵注需求的足量合格水泥漿。同時，作業(yè)過程中還需要對可能出現(xiàn)的若干種變化情況(如設(shè)定密度值變化、排量變化、干水泥灰輸送能力變化以及清水流量變化等)及時準確響應(yīng)，以確保固井安全和質(zhì)量。然而，混漿工作過程的復(fù)雜性(例如混拌過程速度快、非線性特征明顯、水泥灰流量不可測、不確定擾動源多以及變量耦合嚴重等問題)使得采用傳統(tǒng)單回路PID控制策略很難獲得滿意的控制效果[2]。為此，固井混漿自動控制系統(tǒng)采用基于線性自抗擾的混漿過程密度和料位解耦控制方法(見圖4)。該方法的目的：①減少混漿密度與料位之間耦合影響；②降低混漿過程中非線性因素影響；③抑制排量、水泥灰輸送能力以及測量噪聲等干擾因素影響。

圖4 混漿密度/料位解耦控制系統(tǒng)Fig.4 Decoupling control system of slurry density/level

自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)技術(shù)是一種由非線性PID控制發(fā)展而來的非線性控制算法，主要由跟蹤微分器(Tracking Differentiator，TD)、擴張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer，ESO)、非線性狀態(tài)誤差反饋律(Nonlinear State Error Feedback，NLSEF)3部分構(gòu)成[16]。自抗擾控制將影響控制系統(tǒng)輸出的由內(nèi)部和外部因素統(tǒng)稱為系統(tǒng)的“總擾動”，并利用擴張狀態(tài)觀測器實時估計該“總擾動”。進行擾動動態(tài)補償時，可以將原系統(tǒng)補償為線性積分器串聯(lián)型系統(tǒng)，再通過構(gòu)造非線性狀態(tài)誤差反饋律對擾動進行抑制，從而得到良好的控制效果。這使得自抗擾控制方法克服了傳統(tǒng)PID的局限性，且不依賴于被控對象必須是精確數(shù)學(xué)模型。在未知擾動存在的情況下，將系統(tǒng)的未知擾動當(dāng)作總擾動進行估計和動態(tài)補償，有望獲得魯棒性強、精度高的控制效果[17]。但自抗擾控制需要整定的參數(shù)多達12個，且非線性控制器難以采用頻域分析以確定穩(wěn)定性邊界，因此有必要將控制器和擴張狀態(tài)觀測器線性化，得到線性自抗擾控制器(Linear Active Disturbance Rejection Control，LADRC)。線性自抗擾控制器主要由跟蹤微分器、線性擴張狀態(tài)觀測器(Linear Extended State Observer，LESO)以及線性狀態(tài)誤差反饋律(Linear State Error Feedback，LSEF)3部分構(gòu)成，但控制器參數(shù)降至3個，更便于工程實現(xiàn)[18]。

線性擴張狀態(tài)觀測器是線性自抗擾控制器的核心部分，用以估計系統(tǒng)的總擾動并進行動態(tài)補償，最終將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為積分器串聯(lián)型系統(tǒng)以擺脫對被控對象(精確模型)的依賴[19]。設(shè)1階系統(tǒng)的方程如下：

(1)

式中：t為時間變量；y(t)、u(t)和w(t)分別為系統(tǒng)的輸出變量、輸入變量和外部擾動變量，均為關(guān)于時間t的函數(shù)；a、b均為模型系數(shù)。

式(1)可以變換為：

(2)

其中：

f(t)=-ay(t)+w(t)+(b-b0)u(t)

(3)

式中：b0為被控對象輸入-輸出臨界增益系數(shù)，f(t)為未知總擾動。

定義增廣狀態(tài)變量x如下：

(4)

于是式(2)可以變換為連續(xù)的擴張狀態(tài)空間方程，具體如下：

(5)

相應(yīng)地，由上述可以構(gòu)造連續(xù)線性擴張狀態(tài)觀測器，如下式所示：

(6)

其中：

(7)

(8)

式中：z為觀測器狀態(tài)向量；z1(t)與z2(t)分別為觀測器第1、2狀態(tài)量；L為待設(shè)計的觀測器誤差反饋增益系數(shù)矩陣；ω0為觀測器帶寬。

狀態(tài)誤差反饋律將跟蹤微分器的輸出與線性擴張狀態(tài)觀測器觀測值之間的誤差進行線性組合，利用線性擴張狀態(tài)觀測器估計的總擾動進行計算，最終得到控制作用方程：

(9)

式中：ωc為控制器的帶寬[13]；r(t)為被控對象的設(shè)定值。

2.3 自動清洗控制

管路清洗是混漿作業(yè)后的重要操作階段，通常包括對泵頭、離心泵、密度計、混合器、流量計、上水管線、循環(huán)管線、排出管線的清洗，涉及部件較多，操作復(fù)雜。操作界面如圖5所示。

圖5 管路清洗操作界面Fig.5 Pipeline cleaning operation interface

全自動固井控制系統(tǒng)根據(jù)工藝流程將清洗控制進一步細分為：①清理緩沖罐剩余水泥灰；②清洗循環(huán)及增壓管匯密度計；③清洗各水泥漿管匯；④清水泵、備用清水泵循環(huán)沖洗；⑤大、小循環(huán)清洗泵頭及高壓管匯+管匯排污；共5個階段。在自動模式時，控制器根據(jù)各階段的設(shè)定參數(shù)自動從第一個階段運行到最后一個階段；在手動模式時，可根據(jù)作業(yè)需要選出其中的一個或多個階段多次運行，以重點清洗某些零部件。

3 廠內(nèi)應(yīng)用測試

3.1 測試過程

為驗證“一鍵式”全自動固井作業(yè)連續(xù)混漿控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，聯(lián)合國內(nèi)某油田服務(wù)公司和固井泵橇設(shè)備制造商開展了多次廠內(nèi)應(yīng)用測試試驗。圖6為所搭建的測試平臺設(shè)備構(gòu)成的全景圖。測試平臺主要由供液設(shè)備(液添和清水計量柜等)、供灰設(shè)備(空壓機、下灰立罐和恒壓罐等)、混漿/泵注設(shè)備(固井大排量雙機雙泵橇)、水泥漿處理設(shè)備(水泥攪拌車)和遠程控制室等構(gòu)成。

圖6 全自動固井控制系統(tǒng)測試平臺Fig.6 Testing platform of fully automatic cementing control system

測試步驟如下：

(1)在作業(yè)設(shè)置屏面(見圖3)根據(jù)工藝要求輸入各階段作業(yè)參數(shù)(如水泥漿密度、排量、排出總量、混合水總量、水泥灰總量等)。

(2)點擊“全自動”，選擇自動模式。

(3)點擊“運行”開始作業(yè)。

(4)在首漿或尾漿階段，關(guān)閉水閥和灰閥，左發(fā)動機設(shè)定在1 800 r/min，右發(fā)動機設(shè)定在1 400 r/min，左右傳動箱設(shè)定在1擋；如果暫停時間過長，混漿池內(nèi)水泥漿需要通過排污口排出時，可在主操控屏面上點擊“排污”鍵，左、右發(fā)動機回到啟動轉(zhuǎn)速，左、右傳動箱回到空擋；同時打開排污閥，待混漿池內(nèi)液體排空后，再點擊“運行”鍵，重新從預(yù)混開始繼續(xù)混漿作業(yè)。

(5)當(dāng)前階段的實際排出總量大于設(shè)定總量時，本階段結(jié)束，并出現(xiàn)相應(yīng)提示。

(6)再次點擊“運行”進行新階段的作業(yè)。

(7)當(dāng)作業(yè)設(shè)計的最后一個階段完成后，點擊“管匯”進入管匯流程屏面進行清洗操作。

(8)在管匯屏面點擊“清洗設(shè)置”，設(shè)置清洗相關(guān)參數(shù)。

(9)在管匯屏面點擊“手動清洗”，切換到自動清洗。

(10)在管匯屏面點擊“清洗開始”，待所有階段自動清洗結(jié)束，即完成一次固井作業(yè)。

3.2 測試效果及分析

根據(jù)固井工藝要求，連續(xù)混漿作業(yè)大致可以劃分為首漿和尾漿2個階段。首漿階段的主要目的是改善水泥漿流動狀態(tài)，也起著隔離液的作用，而尾漿階段任務(wù)則主要是壓穩(wěn)地層。因此不同作業(yè)階段內(nèi)除了需要使用不同的添加劑外，對水泥漿密度的要求也不一樣。測試時，固井作業(yè)參數(shù)設(shè)置如圖3所示。此時首漿作業(yè)階段水泥漿密度設(shè)定值為1.58 g/cm3(對應(yīng)時間段09∶30∶51—09∶43∶26)，尾漿作業(yè)階段密度設(shè)定值則為1.90 g/cm3(對應(yīng)時間段09∶43∶27—10∶24∶56)。圖7為一個固井作業(yè)周期內(nèi)記錄的混漿實際密度測量值、密度設(shè)定值、下灰能力、柱塞泵后壓力和總排量等固井作業(yè)關(guān)鍵工藝參數(shù)的實時監(jiān)控曲線。圖8為同一作業(yè)周期內(nèi)均衡罐料位和水閥開度的實時監(jiān)控曲線。

圖7 混漿密度、柱塞泵后壓力和排量監(jiān)控曲線Fig.7 Monitoring curves of slurry density，pressure and displacement of plunger pump

圖8 均衡罐料位和水閥開度監(jiān)控曲線Fig.8 Monitoring curves of slurry level in equalizing tank and opening of water valve

從圖7可知，整個作業(yè)周期內(nèi)，所開發(fā)的固井連續(xù)混漿控制系統(tǒng)能夠確保水泥漿密度始終很好地跟蹤并維持在各自設(shè)定值(1.58和1.90 g/cm3)附近，且密度控制超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間分別小于0.5%和68 s。從圖8可知，整個作業(yè)周期內(nèi)，均衡罐內(nèi)水泥漿料位始終保持在安全操作區(qū)域內(nèi)平穩(wěn)變化；綜合圖7和圖8可知，啟動柱塞泵排出水泥漿時(首漿階段對應(yīng)時間為09∶35∶21，尾漿階段對應(yīng)時間約為09∶55∶38)，水閥和下灰閥可以及時協(xié)調(diào)動作，確保水泥漿密度和料位同時穩(wěn)定控制在期望安全操作范圍內(nèi)。

測試結(jié)果表明，全自動化固井作業(yè)控制系統(tǒng)作用下，水泥漿密度、泵注排量、均衡罐料位等關(guān)鍵操作參數(shù)、施工設(shè)備各部件及閥門開閉的監(jiān)控成功率為100%，數(shù)據(jù)及遠程傳輸準確率達100%，監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)值誤差≤2%，水泥漿密度控制偏差≤±0.01 g/cm3，排量控制偏差≤±0.01 m3/min。綜上所述，所開發(fā)的“一鍵式”自動化固井控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

(1)實現(xiàn)固井混漿作業(yè)準無人化操作，極大降低了操作勞動強度和高壓作業(yè)區(qū)風(fēng)險性；

(2)有效解決混漿密度持續(xù)波動問題，克服了因排量、下灰能力變化對密度控制的擾動影響；

(3)混漿密度平穩(wěn)可控，且控制偏差≤±0.01 g/cm3，提升了作業(yè)精準度和一致性；

(4)具備可靠的手動/自動無擾切換和系統(tǒng)預(yù)警功能，保障了固井施工安全。

4 結(jié)論及認識

針對我國固井作業(yè)自動化水平不高、控制軟件匱乏以及國外先進技術(shù)對我國嚴格封鎖的現(xiàn)狀，研發(fā)出適應(yīng)我國固井作業(yè)工藝和操作要求、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“一鍵式”全自動固井作業(yè)控制技術(shù)和軟件，并在模擬實際固井作業(yè)工況下進行了可靠性和有效性測試。結(jié)合測試的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)結(jié)合固井工藝知識，將作業(yè)流程劃分為多個階段，并在統(tǒng)一的信息平臺上實現(xiàn)了多設(shè)備多操作參數(shù)的聯(lián)動協(xié)同控制，能夠有效地解決目前固井作業(yè)各階段操作銜接性差等突出問題。

(2)針對連續(xù)混漿過程不確定干擾因素多、密度與料位耦合嚴重的問題，設(shè)計了基于線性自抗擾控制的密度與料位解耦控制系統(tǒng)，基于狀態(tài)觀測器，設(shè)計反饋控制率，及時克服多干擾源對密度控制的不利影響，提高了固井關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制精度(控制偏差≤±0.01 g/cm3)，有效地保證了固井作業(yè)的質(zhì)量。

固井作業(yè)正在朝著信息化、自動化和智能化方向快速發(fā)展。鑒于實際作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，要全面實現(xiàn)全自動固井作業(yè)尚存在很多問題，亟待今后加以解決。例如：在實現(xiàn)混漿密度嚴格控制的同時，混漿自動控制系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的故障診斷和預(yù)測性維護功能，能夠及時診斷傳感器、執(zhí)行器的工作狀態(tài)，為固井設(shè)備正確操作提供依據(jù)；有必要進一步研究如何通過軟件功能的完善彌補硬件功能的不足，通過軟件冗余策略提高系統(tǒng)的可靠性；在生產(chǎn)間隙期間，應(yīng)及時準確地挖掘分析作業(yè)數(shù)據(jù)中蘊含的有用信息，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備可靠性方面問題，從而為系統(tǒng)零部件的預(yù)測性維護提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。