石油鉆機自動送鉆控制系統研究

陳勇剛　席志鵬　李昊　王虹

【摘 要】石油鉆機在自動送鉆過程中，被控量（鉆壓）難以測量，有的對象參數未知或參數變化緩慢，有的對象帶有延遲或隨機干擾。傳統的PID調節器不能有效的克服受控象不確定性、非線性、復雜性的控制系統。建立恒鉆壓自動送鉆數學模型，采用參數自整定PID方法，對PID參數進行時實整定，結合Matlab可視化仿真軟件，在Matlab/Simulink中進行仿真。該控制策略及算法與傳統PID相比更為優越，且各方面動態性能指標都達到理想要求。

【關鍵詞】自動送鉆控制系統；自整定PID；研究

1 現有自動送鉆裝置控制系統存在的不足

建立合理的數學模型是控制系統分析與設計的基礎。目前自動送鉆裝置所采用的控制方法都是線性閉環控制。眾所周知，巖石性能、泥漿性質、井壁阻力和剎車機構性能等因素均會對鉆壓的大小產生影響。井下諸多己知的或未知的因素給建立合理的數學模型帶來困難。石油鉆機自身在工作時也存在大量的不確定性。也就是說，在線性閉環控制數學模型中被認為恒定的參數是時變的、非線性的，即使閉環控制具有一定的準確性、穩定性、快速性，但這種控制方法己制約著控制效果的進一步提高。

2 石油鉆機自動送鉆控制系統

2.1 石油自動送鉆設備組成

一部完整的陸地鉆機由八大系統及其相應設備組成[1]：轉盤；水龍頭；鉆桿柱；鉆頭；鉆挺與井底動力鉆具；鉆井泵；地面管匯；液池；鉆井液槽；振動篩；絞車；貓頭；滾筒與輔助剎車；天車；游車；大鉤；游車系統鋼絲繩；井架；動力機；鉆臺底座；井口裝置防噴器。

2.2 石油鉆機自動送鉆控制系統工作原理

在鉆井過程中，鉆壓應相對保持恒定。在某一地層，某一深度，合適的鉆壓值對鉆井是十分有利的，且利用恒鉆壓鉆井，可以提高鉆井效率，減小鉆頭的磨損。相反，過高的鉆壓可能造成事故，如折斷鉆桿、鉆頭，鉆頭損壞等；過低的鉆壓又使鉆井效率十分低。從經濟效益上說是不合理的。因此，在鉆井過程維持相對恒定的鉆壓是至關重要的，恒鉆壓打井是最理想的。

鉆壓，實際就是鉆桿對鉆采面的壓力。鉆具在井筒中的受力分析MG=F1+F2+F3。MG 、F1、F2、F3分別表示鉆具凈重，鉆具在泥漿中的浮力，受到鋼絲繩的拉力，受到鉆采面向上的支持力。因為鉆具對鉆采面的壓力N3與鉆具對鉆采面向上的支持力F3是一對反作用力。則有：N3=F3=MG-（F1+F2） Fl+F2可視為鉆具在井筒中的懸重，因此為保持鉆壓N3=F3恒定，可知鉆壓只與懸重有關。在穩定時，鉆壓與懸重成反比關系。因此可得出下面的結論：在鉆井過程中，當鉆壓升高且超過原來預設的鉆壓時，應使懸重提高，使鉆壓降下來；反之，當鉆壓減小且小于原來預設的鉆壓時，應使懸重降低，使鉆壓升上去，從而維持鉆壓的恒定，實現恒鉆壓鉆井的效果。由此可知，對懸重的正確控制是自動送鉆系統對鉆壓實行恒值控制的關鍵，恒鉆壓控制也就是恒懸重控制。

自動送鉆電機在工作時，因為電機輸出速度的變化很容易導致鉆壓的變化，所以要求對自動送鉆電機的調速性能相當高，在打鉆時我們在變頻器中選用帶編碼器的矢量控制方式，編碼器用于檢測交流電機實際的速度輸出[27]。一般轉速電流雙閉環中電流環按照典型Ⅰ型系統近似，轉速環按Ⅱ型系統近似。對于矢量控制變頻器來說，我們取Tn=0.0174，Tn是三相橋式電路的平均失控時間。式中h為中頻寬，取h為5。從而可求取其閉環傳遞函數。我們在求取鉆壓控制的數學模型時，需要以下的相關知識，就是鉆壓、轉速、鉆進速度以及各種鉆井參數之間的關系。

根據油田作鉆進試驗的典型擬合曲線，鉆進參數保持不變的情況下，鉆壓與鉆速存在對應關系。由擬合曲線可見，最初鉆壓很小，巖屑量小，井底凈化充分，鉆速沿oa段與鉆壓平方成正比。繼續增加鉆壓，巖屑量相應增多，但因為水力參數不變，井底凈化條件逐漸變差，鉆速增長率逐步下降而沿ab段幾乎與鉆壓成線性關系。此后再增加鉆壓，井底凈化條件將嚴重惡化，鉆速增長更慢，而且可能不再增加。當在鉆壓和其它鉆進參數都不改變的條件下，轉盤轉速與鉆進速度的關系曲線。我們發現，在軟地層也就是井底凈化充分的情況下，鉆速與轉速成正比；當地層變硬，鉆速與轉速不再成正比，這是因為轉速快，單位時間內鉆齒對巖石的沖擊次數多，鉆速加快，但卻縮短了鉆齒與地層的接觸時間T，當T低于巖石破碎所需時間時，鉆齒不能吃入，破巖效率便會顯著下降。

各國的專家、學者在各種鉆井實驗的基礎上得到了多個關于上述各參數之間的數學表達式，但最具有影響力也最權威的數學表達式是1969年的YoungEs.提出的鉆速模式，稱為楊格模式，后來有人對此進行了修正，便得到目前廣泛采用的修正楊格模式。即：V=KICpCH（W-M）nλ（1/（1+C2h）式中V——鉆進速度；KI——巖石可鉆性系數，與巖石硬度及鉆頭類型等有關；Cp——壓差影響系數，與泥漿密度等有關；CH——水力參數影響系數，與比水功率有關；W——井底鉆壓；M——門限鉆壓，與巖層性質有關；n——轉盤轉速；λ——轉速指數，與巖層性質有關；C2——鉆頭牙齒磨損系數，與牙齒特性及巖層性質有關；h——鉆頭牙齒磨損量，隨時間而變化。由式可以看出，在轉速n以及其他參數不變的情況下，在克服門限鉆壓M后，鉆進速度V與鉆壓W成正比。在此基礎上建立以速度環為內環，鉆壓環為外環。可以得到自動送鉆控制系統數學模型。

3 自動送鉆模糊自整定PID控制器模型建立

帶參數模糊自整定PID，在Matlab/Simulink建立數學仿真模型。該模型中對模糊PID控制器進行了封裝，其fuzzy pid子模塊Subsystem中封裝。模型中e、ec 作為模糊控制器fuzzy的輸入信號，Kap、Kai、Kad分別為控制器的經模糊推理后的輸出信號，在將e、ec、Kap、Kai、Kad分別作為PID控制器的輸入信號，即完成對模糊自整定PID控制器模型的初步建立[4]。本模型中，同時對模糊控制器，PID控制器分別進行了再次封裝。模型結構圖中PID控制器中，kp=0.1、ki=0.3、kd=0.03分別為PID控制器的初值設定值。由公式建立以上PID控制器的數字仿真模型[5]。設置系統仿真時間為10秒，起動仿真按鈕：其仿真如，超調量為3.12%，上升時間tr為：2.57秒。即調節時間ts（5%）小于3秒，滿足系統性能設計要求。

4 結論

采用參數自整定PID方法，對PID參數進行時實整定，結合Matlab可視化仿真軟件，在Matlab/Simulink中進行仿真。該控制策略及算法與傳統PID相比更為優越，且各方面動態性能指標都達到理想要求。

【參考文獻】

[1]王平，趙清杰，楊汝清.技術研究[J].石油機械，2006，34（12）：54-58.

[2]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真（第二版）[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]張國良.模糊控制及其MATLAB應用[M].西安交通大學出版社，2002，11.

[4]P.J.KING and E.H MAMDANI.The Applieationof Fuzzy Control systems to Industria1 Proeesses[J].Automatiea.1997，13：235-2.

[責任編輯：湯靜]