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基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略研究

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控制工程 2024年

作者：徐宝昌卢瑶瑶孟卓然刘伟中国石油集团工程技术研究院有限公司中国石油大学(北京)信息科学与工程学院

随着钻井自动化程度的提高，钻井目标逐渐趋向于经济、安全和有效的统一，传统钻井工程的控制仅靠司钻经验完成，在控制精度和钻井效率方面难以满足钻井需求。为此，提出一个基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略，在安全压力窗口内... 详细信息

随着钻井自动化程度的提高，钻井目标逐渐趋向于经济、安全和有效的统一，传统钻井工程的控制仅靠司钻经验完成，在控制精度和钻井效率方面难以满足钻井需求。为此，提出一个基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略，在安全压力窗口内实现高效钻井。上层以最优机械比能为优化目标，结合压力窗口等硬约束进行稳态优化，得到当前工况下的最优钻井参数。下层将上层得到的部分参数作为优化设定值，结合井底压力控制目标进行优化控制。实验结果表明，控制策略在满足安全条件的情况下，能综合提升机械钻速与钻井效率，并实现钻井参数的自动优化。

关键词：钻井过程机械比能动态优化控制递阶结构

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基于回压激励响应的实时地层压力反演方法

石油学报 2024年第6期45卷 1009-1018页

作者：徐宝昌尤香凝孟卓然文刘伟尹士轩中国石油大学(北京)信息科学与工程学院北京102249 中国石油集团工程技术研究院有限公司北京102206

随着石油勘探技术不断向深层复杂地层发展,深层复杂油气藏钻探过程中易发生气侵现象,准确、快速地反演出气侵发生时的地层压力,使井底压力快速回到安全窗口内,抑制更多气体从地层流入井筒是井控的关键。传统钻井过程中,大多数气侵发生... 详细信息

随着石油勘探技术不断向深层复杂地层发展,深层复杂油气藏钻探过程中易发生气侵现象,准确、快速地反演出气侵发生时的地层压力,使井底压力快速回到安全窗口内,抑制更多气体从地层流入井筒是井控的关键。传统钻井过程中,大多数气侵发生时的地层压力反演依靠关井压力恢复曲线得到,但关井求取地层压力需耗费大量时间,时效性差,基于此提出了一种无需关井的回压激励下地层压力反演方法。首先,建立简化两相流模型模拟环空内气液两相流动行为,通过与OLGA多相流模拟器对比,验证了简化两相流模型具备较高的计算精度,可用于提供地层压力反演算法所需的实时环空数据;其次,考虑到气侵过程中各组分体积关系,结合油藏模型,推导出地层压力反演公式,该方法需要在井口处施加回压激励气侵响应参数(井底压力、出口流量等)的变化,利用回压激励后控压钻井系统获得的地面测量数据和简化两相流模型计算的环空数据,反演出地层压力。仿真实验结果表明,回压激励法与递推最小二乘算法相比反演精度更高;最后,考虑钻井液密度、出口流量存在误差的情况,对回压激励算法进行鲁棒性分析。实验结果表明,钻井液密度、出口流量存在误差时,回压激励算法的反演结果仍准确,算法的鲁棒性好。

关键词：气侵地层压力反演油藏模型控压钻井两相流模型

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基于边缘强化神经拉动模型的三维表面重建

红外与激光工程 2024年第6期53卷 202-212页

作者：徐宝昌王毅豪郝围围尹士轩王威李雅飞中国石油大学(北京)信息科学与工程学院/人工智能学院北京102249 中国石油集团工程技术研究院有限公司钻井工艺研究所北京102206

通过学习空间点云数据的符号距离函数(Signed Distance Functions, SDFs)进行三维表面重建是当前的研究热点。为重建出高精度的水密模型,神经拉动(Neural-pull, NP)采用点云拉动,以训练同步更新SDFs,但在实际重建过程中,重建模型会因为... 详细信息

通过学习空间点云数据的符号距离函数(Signed Distance Functions, SDFs)进行三维表面重建是当前的研究热点。为重建出高精度的水密模型,神经拉动(Neural-pull, NP)采用点云拉动,以训练同步更新SDFs,但在实际重建过程中,重建模型会因为点云存在噪声和缺失而导致重建结果不够精细,带来错误的表面重建。针对以上问题,引入边缘提取强化输入点云的边缘信息,提出利用残差学习机制的边缘强化神经拉动模型(Neural Pull based on Edge Enhancement, NPEE)。为确保重建表面平滑的同时能够获取更多的表面细节,该方法在保留原本神经网络用于学习SDFs的基础上引入一个新的网络,利用残差学习机制学习点云的边缘SDFs。同时在原始点云的基础上,引入边缘因子σ,结合学习的边缘SDFs,通过点云边缘的鲁棒提取强化输入点云。为验证算法模型的优化效果,采用目前广泛使用的ABC数据集、斯坦福扫描模型和模拟扫描数据集设计对比实验,实验结果以及评估指标(CD)表明,NPEE可以有效改善神经拉动算法在边缘表面重建的缺陷,同时和其他重建方法相比,NPEE在面对稀疏点云和含噪点云时仍能保证重建的精确性和完整性。

关键词：深度学习三维点云表面重建符号距离函数

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控压钻井系统井下不确定参数与未知状态估计

控制理论与应用 2022年第8期39卷 1561-1568页

作者：徐宝昌吴楠孟卓然中国石油大学(北京)信息科学与工程学院北京102249

针对控压钻井过程中井下信息获取难度大的问题,本文设计了一种可以同时估计井下不确定参数与未知状态的自适应观测器.首先,针对未知状态中含有不确定参数的控压钻井系统,提出了一种可解耦不确定参数的观测器匹配条件.其次,根据此观测器... 详细信息

针对控压钻井过程中井下信息获取难度大的问题,本文设计了一种可以同时估计井下不确定参数与未知状态的自适应观测器.首先,针对未知状态中含有不确定参数的控压钻井系统,提出了一种可解耦不确定参数的观测器匹配条件.其次,根据此观测器匹配条件设计自适应观测器估计井下参数与状态,并通过李雅普诺夫稳定性理论证明了估计误差的渐近稳定性.最后,基于线性矩阵不等式方法求解观测器增益,提高观测器的鲁棒性.仿真分析表明:与已有针对控压钻井系统设计的自适应观测器相比,本文所设计的观测器对井下环空摩擦积分和井底流量的估计具有更好的收敛性以及鲁棒性.

关键词：控压钻井系统不确定参数自适应观测器观测器匹配条件线性矩阵不等式

基于综合性能指标的控压钻井过程多变量协调控制

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中国石油大学学报（自然科学版） 2022年第2期46卷 183-195页

作者：孟卓然徐宝昌罗雄麟中国石油大学(北京)信息科学与工程学院北京102249

针对井底压力控制精度低且钻进时效差等关键技术瓶颈,提出一种综合多性能指标的控压钻井过程协调控制方法。分析环空压力预测模型、钻柱系统集总参数模型、机械钻速模型等不同的单一过程模型,建立适合控制系统设计的控压钻井过程全局模... 详细信息

针对井底压力控制精度低且钻进时效差等关键技术瓶颈,提出一种综合多性能指标的控压钻井过程协调控制方法。分析环空压力预测模型、钻柱系统集总参数模型、机械钻速模型等不同的单一过程模型,建立适合控制系统设计的控压钻井过程全局模型;基于先进控制理论,充分考虑回压、泵流量、转速、钻压等不同操控变量对井底压力与机械钻速的影响,提出稳定井底压力、提高机械钻速并减弱黏滑振动幅值的非线性模型预测控制方法,并从控制效果、抗扰动鲁棒性等方面对比非线性模型预测控制与常规比例积分微分(PID)方法的差异性。结果表明在模型发生扰动时常规PID方法无法保证稳定控制;操控变量的选取影响在线优化时间与控制效果,相比于PID控制器,以井底压差、机械钻速为被控变量,回压、转速、泵流量三者为操控变量的非线性模型预测控制器在不停止钻进的情况下,泵流量辅助回压与转速更加有利于快速抑制气侵,同时提升机械钻速,保证钻井要求。

关键词：复杂地层井底压力机械钻速多源变量非线性模型预测控制

井筒环空水力分布参数系统的全状态反馈控制方法

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控制工程 2023年

作者：徐宝昌胡松孟卓然刘伟中国石油集团工程技术研究院有限公司中国石油大学(北京)信息科学与工程学院

为了解决石油钻井系统在循环钻进过程中，钻遇高压盐水层发生盐水侵入导致钻井液密度变化，产生钻井安全窗口变窄，难以平衡井底循环压力的问题。将钻井水力学模型建模为精度更高的双曲型分布参数系统，采用控压钻井技术，基于无限维Bac... 详细信息

为了解决石油钻井系统在循环钻进过程中，钻遇高压盐水层发生盐水侵入导致钻井液密度变化，产生钻井安全窗口变窄，难以平衡井底循环压力的问题。将钻井水力学模型建模为精度更高的双曲型分布参数系统，采用控压钻井技术，基于无限维Backstepping算法，结合边界控制，设计了一种全状态反馈控制。考虑实际工况，将控制器作用于井口回压，稳定了因钻井液密度变化而产生的压力波动，并实现了对目标设定值的跟踪。仿真表明该控制算法具有较高的精确度和良好的跟踪效果。

关键词：盐水侵入双曲型分布参数系统控压钻井边界控制全状态反馈

用于两相流环空压力预测的自适应物理信息神经网络模型

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石油学报 2023年第3期44卷 545-555页

作者：徐宝昌张学智王雅欣刘伟孟卓然中国石油大学(北京)信息科学与工程学院北京102249 中国石油集团工程技术研究院有限公司北京102206

石油勘探开发不断面向着更为复杂多变的地层,为应对深层复杂油气藏钻探过程中存在的气侵现象,需要采用控压钻井技术(MPD)以防止气侵导致的井喷事故。其中,通过求解气侵工况下两相流井筒水力学偏微分方程组(PDEs)来准确预测井底压力是制... 详细信息

石油勘探开发不断面向着更为复杂多变的地层,为应对深层复杂油气藏钻探过程中存在的气侵现象,需要采用控压钻井技术(MPD)以防止气侵导致的井喷事故。其中,通过求解气侵工况下两相流井筒水力学偏微分方程组(PDEs)来准确预测井底压力是制定控制方案的关键。采用基于自适应物理信息神经网络(PINN)方法对两相流井筒环空压力进行预测:首先,根据井筒机理设计全连接神经网络,用于拟合训练数据样本的分布;其次,将已知的两相流井筒模型的偏微分方程以微分形式约束条件融入神经网络的损失函数中,此外,采用可训练的自适应权重提升神经网络模型精度,使网络在训练过程中着重关注边界点、初始点等求解困难区域;最后采用Adam算法对网络参数和微分方程的权重进行优化,并使用L-BFGS算法对网络参数进一步优化。随机选取有限差分法在稠密网格情况下求解井筒水力学模型所得的部分数据作为实验数据集。实验结果表明,相较于常规的物理信息神经网络和传统的有限差分法,用于两相流环空压力预测的自适应物理信息神经网络模型性能更佳。

关键词：物理信息神经网络偏微分方程井筒水力学压力预测自适应

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控压钻井系统井下状态估计及参数校正方法

控制工程 2023年第3期30卷 479-486页

作者：徐宝昌吴楠孟卓然中国石油大学(北京)信息科学与工程学院北京102249

为克服控压钻井系统建模时的参数不确定性问题,基于经典的控压钻井水力学模型,使用坐标变换方法建立了一种可适应井下不确定摩擦积分和泥浆密度的自适应观测器,并在钻井过程中估计井底压力和井底流量。同时,针对模型中存在建模误差以及... 详细信息

为克服控压钻井系统建模时的参数不确定性问题,基于经典的控压钻井水力学模型,使用坐标变换方法建立了一种可适应井下不确定摩擦积分和泥浆密度的自适应观测器,并在钻井过程中估计井底压力和井底流量。同时,针对模型中存在建模误差以及传输过程存在不确定时滞的特点,从最小二乘算法出发,通过构造广义参数,提出了一种基于多输入单输出系统的不确定时滞和参数同时辨识的算法,利用滞后的井底压力测量数据对建模参数进行辨识校正,从而提高自适应观测器的估计精度。仿真结果表明,在钻井系统存在建模误差的情况下,将辨识算法与自适应观测器相结合,可以有效校正模型参数并准确估计井底压力和流量。

关键词：控压钻井井底压力自适应观测器不确定时滞参数校正

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基于Markov随机场的新型景像匹配算法

光学技术 2005年第6期31卷 849-853页

作者：徐宝昌陈哲北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083

为了提高景像匹配导航系统的定位精度,给出了一种基于Markov随机场理论和极大后验概率估计的新型景像匹配算法.考虑到在x方向和y方向位置偏差的实时图与基准图之间的灰度分布关系,利用图像上的灰度分布服从Markvov随机场分布这一特性,... 详细信息

为了提高景像匹配导航系统的定位精度,给出了一种基于Markov随机场理论和极大后验概率估计的新型景像匹配算法.考虑到在x方向和y方向位置偏差的实时图与基准图之间的灰度分布关系,利用图像上的灰度分布服从Markvov随机场分布这一特性,建立了景像匹配问题的条件概率分布模型.应用最小二乘法和噪声的先验统计信息估计位置偏差的方差,给出了描述基准图与实时图之间灰度偏差的测量模型,确定了测量的统计特性.基于极大后验概率估计准则计算了位置偏差的估值.由于新算法在计算位置偏差估值时用到了被估量和噪声的统计信息,因此具有很高的精度.将该算法与最小二乘景像匹配算法进行了仿真比较.仿真结果表明,新算法的匹配精度达到了0.1～0.2像素,高于最小二乘匹配算法的匹配精度.

关键词：景像匹配 Markov随机场最小二乘法极大后验概率估计