侯林 陳春霞 耿艷峰 陳峰 季威 蔣榮星 雷彪

(1.中國(guó)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(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司)

0 引 言

近年來(lái)，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(jìn)步，各種類型的油氣藏和特殊工藝井不斷增加，此舉對(duì)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(chǎng)設(shè)備多、施工工序長(zhǎng)、操作步驟繁等特點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)高壓風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)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(yàn)操作為主向全流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展[3]。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)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(jì)80年代，哈里伯頓公司便推出了全球首家固井設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)——水泥漿自動(dòng)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及水泥漿密度的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jì)優(yōu)化、施工監(jiān)測(cè)、自動(dòng)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(qǐng)獲批了發(fā)明專利，并對(duì)其核心技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格保密。

20世紀(jì)90年代后，四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司率先研制出新一代自動(dòng)混漿控制系統(tǒng)(Automatic Cement Mixing II，ACM-II)[8]。該系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)控制下灰量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)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(duì)下灰蝶閥開啟程度進(jìn)行精確調(diào)整，對(duì)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(shí)響應(yīng)，最終達(dá)到設(shè)定密度需要的干灰量。經(jīng)過10多年的研究和實(shí)踐，該系統(tǒng)已從ACM-II發(fā)展到密度與液位自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACM-V)，并具備自動(dòng)試壓、遠(yuǎn)程控制等功能。國(guó)內(nèi)方面，2014年以來(lái)，中海油田服務(wù)股份有限公司科研團(tuán)隊(duì)與四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司多次合作，相繼推出國(guó)內(nèi)首套深水固井裝備、大排量固井裝備及國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率電驅(qū)海洋固井裝備，這些設(shè)備分別在HY981平臺(tái)、HY943平臺(tái)及藍(lán)鯨一號(hào)平臺(tái)得到了成功應(yīng)用[9]。2018年，中國(guó)石油工程技術(shù)研究院聯(lián)合長(zhǎng)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(dòng)控制關(guān)鍵方法，形成了以AnyCem?固井軟件為核心、自動(dòng)化固井成套裝備為載體的設(shè)計(jì)-仿真-監(jiān)控一體化技術(shù)[10]。

綜上所述，目前國(guó)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(dòng)化水平，固井作業(yè)多設(shè)備、多參數(shù)和全流程的自動(dòng)控制技術(shù)尚未成型，仍無(wú)法有效地解決固井作業(yè)過程中經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)、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(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)混漿作業(yè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的全覆蓋采集，并在統(tǒng)一的信息平臺(tái)上實(shí)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(dòng)固井控制系統(tǒng)

固井作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它需要綜合運(yùn)用供液、供灰、混漿和泵注等多套井場(chǎng)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(gè)階段性任務(wù)，具有工序繁雜、操作連貫性要求高等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)開發(fā)的 “一鍵式”全自動(dòng)固井作業(yè)控制系統(tǒng)，是在對(duì)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(yàn)知識(shí)，對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行合理的階段劃分，并在統(tǒng)一的信息平臺(tái)上實(shí)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(tái)大排量雙機(jī)雙泵橇的全自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)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(shí)時(shí)采集作業(yè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)(見表1)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以及報(bào)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(yùn)行參數(shù)采集Table 1 Working parameters collected in cementing operation

圖1 全自動(dòng)固井控制系統(tǒng)人機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)箱檔位、恒壓罐進(jìn)灰閥、清水計(jì)量閥及干灰計(jì)量閥的手動(dòng)/自動(dòng)/遠(yuǎn)程無(wú)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(cè)試界面、密度/壓力/排量等關(guān)鍵控制參數(shù)變化趨勢(shì)監(jiān)控界面；同時(shí)可以進(jìn)行大循環(huán)/小循環(huán)管匯的快速切換。

圖2 全自動(dòng)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(duì)連續(xù)混漿作業(yè)工序繁雜，操作連貫性要求高的特點(diǎn)，基于固井作業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，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(gè)階段。作業(yè)開始前，作業(yè)人員在人機(jī)交互界面對(duì)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(jìn)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(gè)設(shè)定排出總量或混合水總量不為0的階段開始運(yùn)行，控制器根據(jù)工藝流程自動(dòng)打開/關(guān)閉蝶閥/旋塞閥，自動(dòng)啟動(dòng)/停止離心泵、風(fēng)扇及攪拌器，自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓罐進(jìn)灰閥、干灰計(jì)量閥、清水計(jì)量閥，自動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)箱換擋及發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速，當(dāng)實(shí)際排出總量大于或等于設(shè)定排出總量時(shí)，本階段自動(dòng)停止；待外部條件具備后，再按“運(yùn)行”鍵進(jìn)入下一個(gè)設(shè)定排出總量或混合水總量不為0的階段；依次進(jìn)行，直至最后一個(gè)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(dòng)控制作業(yè)流程包括：參數(shù)設(shè)定→開始作業(yè)→進(jìn)水→加灰→混拌→測(cè)量→密度液位報(bào)警→液控開閥→離心泵供輸→開啟泵注→作業(yè)完成自動(dòng)停機(jī)。整個(gè)作業(yè)過程都通過電腦顯示屏遠(yuǎn)程操作控制，實(shí)現(xiàn)了全流程的自動(dòng)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(dá)標(biāo)是實(shí)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(jì)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)混漿罐內(nèi)水泥漿密度，灌注泵后同樣裝有密度計(jì)，可檢測(cè)均衡罐底部泵出水泥漿的密度。此外，均衡罐還裝有液位計(jì)，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(biāo)是：通過操縱清水閥開度和下灰閥開度控制進(jìn)水量和進(jìn)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(shí)，作業(yè)過程中還需要對(duì)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(shí)準(zhǔn)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(cè)、不確定擾動(dòng)源多以及變量耦合嚴(yán)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(dòng)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(cè)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(lái)的非線性控制算法，主要由跟蹤微分器(Tracking Differentiator，TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(dòng)”，并利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)時(shí)估計(jì)該“總擾動(dòng)”。進(jìn)行擾動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)，可以將原系統(tǒng)補(bǔ)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(duì)擾動(dòng)進(jìn)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(duì)象必須是精確數(shù)學(xué)模型。在未知擾動(dòng)存在的情況下，將系統(tǒng)的未知擾動(dòng)當(dāng)作總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，有望獲得魯棒性強(qiáng)、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(dá)12個(gè)，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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(gè)，更便于工程實(shí)現(xiàn)[18]。

線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是線性自抗擾控制器的核心部分，用以估計(jì)系統(tǒng)的總擾動(dòng)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(duì)被控對(duì)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(shí)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(dòng)變量，均為關(guān)于時(shí)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(duì)象輸入-輸出臨界增益系數(shù)，f(t)為未知總擾動(dòng)。

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(kuò)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，如下式所示：

(6)

其中：

(7)

(8)

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

狀態(tài)誤差反饋律將跟蹤微分器的輸出與線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)值之間的誤差進(jìn)行線性組合，利用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)的總擾動(dòng)進(jìn)行計(jì)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(duì)象的設(shè)定值。

2.3 自動(dòng)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(duì)泵頭、離心泵、密度計(jì)、混合器、流量計(jì)、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(dòng)固井控制系統(tǒng)根據(jù)工藝流程將清洗控制進(jìn)一步細(xì)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(jì)；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(gè)階段。在自動(dòng)模式時(shí)，控制器根據(jù)各階段的設(shè)定參數(shù)自動(dòng)從第一個(gè)階段運(yùn)行到最后一個(gè)階段；在手動(dòng)模式時(shí)，可根據(jù)作業(yè)需要選出其中的一個(gè)或多個(gè)階段多次運(yùn)行，以重點(diǎn)清洗某些零部件。

3 廠內(nèi)應(yīng)用測(cè)試

3.1 測(cè)試過程

為驗(yàn)證“一鍵式”全自動(dòng)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(guó)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(cè)試試驗(yàn)。圖6為所搭建的測(cè)試平臺(tái)設(shè)備構(gòu)成的全景圖。測(cè)試平臺(tái)主要由供液設(shè)備(液添和清水計(jì)量柜等)、供灰設(shè)備(空壓機(jī)、下灰立罐和恒壓罐等)、混漿/泵注設(shè)備(固井大排量雙機(jī)雙泵橇)、水泥漿處理設(shè)備(水泥攪拌車)和遠(yuǎn)程控制室等構(gòu)成。

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

測(cè)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(diǎn)擊“全自動(dòng)”，選擇自動(dòng)模式。

(3)點(diǎn)擊“運(yùn)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(dòng)機(jī)設(shè)定在1 800 r/min，右發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定在1 400 r/min，左右傳動(dòng)箱設(shè)定在1擋；如果暫停時(shí)間過長(zhǎng)，混漿池內(nèi)水泥漿需要通過排污口排出時(shí)，可在主操控屏面上點(diǎn)擊“排污”鍵，左、右發(fā)動(dòng)機(jī)回到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，左、右傳動(dòng)箱回到空擋；同時(shí)打開排污閥，待混漿池內(nèi)液體排空后，再點(diǎn)擊“運(yùn)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(shí)際排出總量大于設(shè)定總量時(shí)，本階段結(jié)束，并出現(xiàn)相應(yīng)提示。

(6)再次點(diǎn)擊“運(yùn)行”進(jìn)行新階段的作業(yè)。

(7)當(dāng)作業(yè)設(shè)計(jì)的最后一個(gè)階段完成后，點(diǎn)擊“管匯”進(jìn)入管匯流程屏面進(jìn)行清洗操作。

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

(9)在管匯屏面點(diǎn)擊“手動(dòng)清洗”，切換到自動(dòng)清洗。

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

3.2 測(cè)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(gè)階段。首漿階段的主要目的是改善水泥漿流動(dòng)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(duì)水泥漿密度的要求也不一樣。測(cè)試時(shí)，固井作業(yè)參數(shù)設(shè)置如圖3所示。此時(shí)首漿作業(yè)階段水泥漿密度設(shè)定值為1.58 g/cm3(對(duì)應(yīng)時(shí)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(duì)應(yīng)時(shí)間段09∶43∶27—10∶24∶56)。圖7為一個(gè)固井作業(yè)周期內(nèi)記錄的混漿實(shí)際密度測(cè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)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(shí)間分別小于0.5%和68 s。從圖8可知，整個(gè)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(dòng)柱塞泵排出水泥漿時(shí)(首漿階段對(duì)應(yīng)時(shí)間為09∶35∶21，尾漿階段對(duì)應(yīng)時(shí)間約為09∶55∶38)，水閥和下灰閥可以及時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，確保水泥漿密度和料位同時(shí)穩(wěn)定控制在期望安全操作范圍內(nèi)。

測(cè)試結(jié)果表明，全自動(dòng)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(yuǎn)程傳輸準(zhǔn)確率達(dá)100%，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)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(dòng)化固井控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)實(shí)現(xiàn)固井混漿作業(yè)準(zhǔn)無(wú)人化操作，極大降低了操作勞動(dòng)強(qiáng)度和高壓作業(yè)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)性；

(2)有效解決混漿密度持續(xù)波動(dòng)問題，克服了因排量、下灰能力變化對(duì)密度控制的擾動(dòng)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(zhǔn)度和一致性；

(4)具備可靠的手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)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(rèn)識(shí)

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

(1)結(jié)合固井工藝知識(shí)，將作業(yè)流程劃分為多個(gè)階段，并在統(tǒng)一的信息平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備多操作參數(shù)的聯(lián)動(dòng)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(duì)連續(xù)混漿過程不確定干擾因素多、密度與料位耦合嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)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(cè)器，設(shè)計(jì)反饋控制率，及時(shí)克服多干擾源對(duì)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(dòng)化和智能化方向快速發(fā)展。鑒于實(shí)際作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，要全面實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)固井作業(yè)尚存在很多問題，亟待今后加以解決。例如：在實(shí)現(xiàn)混漿密度嚴(yán)格控制的同時(shí)，混漿自動(dòng)控制系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)功能，能夠及時(shí)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(jìn)一步研究如何通過軟件功能的完善彌補(bǔ)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(shí)準(zhǔn)確地挖掘分析作業(yè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的有用信息，及時(shí)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(cè)性維護(hù)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。