尹士軒　徐寶昌　孟卓然　陳貽祺

摘 要 首先，介紹了控壓鉆井（Managed Pressure Drilling，MPD）技術(shù)，系統(tǒng)分析了MPD理論的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點探討井筒環(huán)空壓力控制方法（從經(jīng)典PID算法到先進控制算法，再到引入智能化思想）的發(fā)展過程，同時闡述了MPD參數(shù)估計方法的研究現(xiàn)狀；其次，介紹了國內(nèi)外控壓鉆井裝備及技術(shù)現(xiàn)狀，特別指明了我國現(xiàn)有裝備的制造水平；最后，指出了MPD技術(shù)值得深入研究的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞 控壓鉆井 井筒環(huán)空壓力 先進控制 智能化 裝備研發(fā)

中圖分類號 TE249? ?文獻標志碼 A? ?文章編號 1000-3932（2023）05-0622-10

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFA0708304）。

鉆井是石油開采過程中最重要的流程之一，是油氣勘探開發(fā)的重要手段。在全球油氣勘探過程中，淺層油氣資源的開發(fā)已經(jīng)達到峰值水平，開采重心逐漸聚焦在深部復(fù)雜地層的油氣藏［1］，而深層、超深層和特深層的復(fù)雜極端環(huán)境（溫壓高、窗口窄、鹽層厚）使得常規(guī)技術(shù)手段難以滿足安全與高效鉆進的需求，易出現(xiàn)“溢漏塌卡”等影響井筒穩(wěn)定的共性難題，嚴重制約深層油氣的勘探開發(fā)［2］。因此，確保鉆井安全是現(xiàn)階段保障油氣規(guī)模持續(xù)上產(chǎn)、長期穩(wěn)產(chǎn)的首要問題。

控壓鉆井（Managed Pressure Drilling，MPD）技術(shù)與裝備的攻關(guān)促使我國石油工程服務(wù)技術(shù)向高端化、原始創(chuàng)新化轉(zhuǎn)變。MPD作為有效處理復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、快速提升鉆井安全的工藝技術(shù)之一，迅速成為了新一代石油服務(wù)技術(shù)與裝備的研究熱點［3］。目前，在渤海灣、塔里木山前及柴達木探區(qū)等深部復(fù)雜地層的鉆井實踐中已經(jīng)證實，MPD具有有效縮短非生產(chǎn)時間、顯著改善生產(chǎn)效率及保護儲層等優(yōu)勢。筆者圍繞MPD技術(shù)的控制理論研究與裝備研發(fā)展開，重點分析了MPD井筒環(huán)空壓力控制方法和參數(shù)估計問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，詳細介紹了國內(nèi)外MPD技術(shù)與裝備的發(fā)展動態(tài)，最后結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀，指出了MPD技術(shù)值得深入研究的關(guān)鍵問題。

1 MPD概述

1.1 MPD定義

2005年國際鉆井承包商協(xié)會（International Association of Drilling Contractors，IADC）做出如下定義：MPD通過可調(diào)壓力的環(huán)空上返泥漿系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)控制裝置共同作用，精確控制井筒壓力，達到減少非鉆進時間以及減少鉆井事故的目

的［4］。2009年，AGR公司將MPD技術(shù)進行了重新定義：MPD技術(shù)是一種能夠精確控制井筒中環(huán)空壓力剖面的自適應(yīng)鉆井程序，它可以保證井底壓力環(huán)境和壓力剖面的一致［5］。

事實上，MPD技術(shù)是基于常規(guī)鉆井與欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展起來的一種先進鉆井技術(shù)，其將鉆井過程中的井控設(shè)備和井控工藝進行了進一步的集成和強化［6］。MPD系統(tǒng)如圖1所示，其關(guān)鍵是將鉆井液循環(huán)系統(tǒng)作為一個密閉壓力容器，進而通過一定方法實施控制，同時能夠?qū)崟r監(jiān)測井筒環(huán)空壓力，以自動化全閉環(huán)方式解決窄安全壓力窗口、多壓力體系地層的鉆井難題［7］。

1.2 MPD任務(wù)

作為一個集控制、測量、估計于一體的系統(tǒng)工程，MPD核心控制任務(wù)主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，通過控制井口回壓、環(huán)空損耗等，使鉆井過程在合適的壓力窗口下進行；另一方面，在地層流體侵入井筒后，利用高精度質(zhì)量流量計監(jiān)測出口流量，并控制井口節(jié)流管匯將環(huán)空內(nèi)過量的地層流體安全排出，以建立新的壓力體系。

1.3 MPD的特點及優(yōu)勢

MPD技術(shù)的重要特點是配備高精度質(zhì)量流量計并依賴于井口節(jié)流管匯的高精度節(jié)流，與常規(guī)井控相比在地層流體侵入時無需關(guān)井且無需配置重漿。概括起來，MPD在技術(shù)上的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

a. MPD技術(shù)可以有效控制整個井筒環(huán)空壓力剖面，避免地層流體侵入影響鉆井液性能或是造成井涌，并使用高精度質(zhì)量流量計檢測溢流或漏失。

b. 在接單根（停泵）和起下鉆（停泵）時有效控制井底壓力，降低抽吸壓力引起溢流或漏失的可能性。

c. MPD技術(shù)通過精確的井底壓力監(jiān)測和水力學(xué)模型能解決窄壓力窗口層段的鉆井難題。通過調(diào)控節(jié)流閥并配合水力學(xué)參數(shù)分析計算，快速排出井內(nèi)地層流體，阻止出現(xiàn)二次復(fù)雜事故。

1.4 MPD分類

在實際應(yīng)用中，會根據(jù)不同的工藝工況和應(yīng)用對象采用不同的MPD技術(shù)類型。從工藝和技術(shù)角度對MPD進行分類，具體見表1。

2 MPD控制理論的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自MPD技術(shù)出現(xiàn)以來，國外學(xué)者在MPD理論研究上迅速發(fā)展。國內(nèi)理論研究相對于國外雖有滯后，但已經(jīng)對MPD系統(tǒng)適用的模型、估計與控制方法進行了廣泛研究。中國石油大學(xué)（北京）柳貢慧和李軍團隊、中國石油大學(xué)（北京）李根生和宋先知團隊、中國石油大學(xué)（華東）孫寶江和王志遠團隊、西南石油大學(xué)孟英峰團隊以及東北石油大學(xué)閆鐵團隊對MPD瞬態(tài)多相流水力學(xué)模型進行了深入研究；中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司周英操和劉偉團隊系統(tǒng)研發(fā)了MPD高端裝備；中國石油大學(xué)（北京）徐寶昌團隊深入研究了基于MPD模型的最優(yōu)估計與控制理論。

2.1 基于PID的MPD井筒壓力控制方法

目前，PID或改進的PID控制算法是國內(nèi)MPD井筒壓力控制過程中最主要的控制算法。在中國石油集團工程技術(shù)研究院（下稱中石油工程院）研制的PCDS精細控壓系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)由測量控制模塊和水力計算模塊構(gòu)成，在測量控制模塊中運行PID控制算法以進行井口壓力控制并對井口設(shè)備的平板閥進行邏輯開關(guān)控制［8，9］。吳紅建等提出的MPD測控系統(tǒng)采用PID算法進行壓力控制，PID控制器參數(shù)的整定通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)的算法來實現(xiàn)，其實質(zhì)仍然是經(jīng)典的PID控制算法［10］。王文深等建立了MPD

三級井底壓力自動化控制架構(gòu)，并且在反饋控制層引入模糊PID控制算法，在此基礎(chǔ)上對國外某井進行MPD多級控制仿真模擬［11］。

PID控制算法的優(yōu)勢在于只需較少的被控對象相關(guān)知識，并且只需要調(diào)整3個參數(shù)。但PID控制算法僅依賴輸出反饋對過程實施控制，對于深井復(fù)雜地層井筒壓力分布這樣具有典型非線性、多變量、時變動態(tài)特性的對象，其控制響應(yīng)遲緩，從而導(dǎo)致井底壓力出現(xiàn)較大波動（僅考慮PWD測量信號傳輸滯后這單一因素，都會導(dǎo)致PID算法的控制效果不佳）。

2.2 MPD井筒壓力先進控制方法

2.2.1 基于模型的MPD井筒壓力控制方法

針對應(yīng)用PID控制算法進行MPD井筒壓力控制的不足，國外學(xué)者很早就關(guān)注利用基于模型的先進控制算法來提高MPD井筒壓力控制的精度和可靠性。GODHAVN J M等通過實驗對基于PID算法和基于模型的控制算法的井筒壓力控制效果進行比較，結(jié)果表明基于模型的控制方法無論是控制精度還是適應(yīng)性均優(yōu)于PID算法［12］。

基于模型的先進控制算法首先在于構(gòu)造能夠描述井筒環(huán)空動態(tài)特性的模型，這一動態(tài)模型的建立仍然以瞬態(tài)水力學(xué)機理為基礎(chǔ)，但往往采用一定的近似、簡化以及數(shù)學(xué)變換的方法，使得模型的形式、復(fù)雜程度滿足后續(xù)控制算法的設(shè)計與分析。動態(tài)模型主要包括經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、集總參?shù)模型和分布參數(shù)模型3類。表2給出了迄今用于井筒壓力控制的動態(tài)模型類型。

根據(jù)不同的動態(tài)模型類型，可引申出不同的控制方法。GRAVDAL J E等在2005年首次將Kalman濾波應(yīng)用于基于氣液兩相流模型的MPD過程不可測變量估計中，并基于估計得到的參數(shù)進行控制，可以看作是基于模型的MPD井筒壓力控制方法研究的最早嘗試［22］。模型預(yù)測控制

（Model Predictive Control，MPC）作為在流程工業(yè)中應(yīng)用最為成功的先進控制算法，最早被引入到MPD的控制中［23，24］。NYGAARD G H等設(shè)計了基于動態(tài)模型的非線性模型預(yù)測控制算法（Nonlinear Model Predictive Control，NMPC）來穩(wěn)定井底壓力，并和以泵流量作為前饋的比例積分（PI）控制、手動控制做了對比，得出PI控制和NMPC都優(yōu)于手動控制的結(jié)論，但控制過程沒有考慮液動節(jié)流閥的動態(tài)特性，同時沒有考慮模型參數(shù)變化情況下控制算法的魯棒性［25，26］，進一步BREYHOLTZ ？覫等將NMPC算法應(yīng)用于雙梯度鉆井過程中，通過控制算法自動控制泥漿泵流量、水下泵流量和起下鉆速度，以克服井底壓力波動［27～29］。M？覫GSTER J等使用挪威國家石油公司內(nèi)部MPC軟件SEPTIC通過對泥漿流量和節(jié)流閥開度的控制實現(xiàn)了對井底壓力的跟蹤，但是該控制器在處理溢流和泵排量嚴重下降時的效果還有待研究［30］。最近幾年有文獻將NMPC與Hammerstein-Weiner模型結(jié)合用于MPD控制，該控制器的控制目標是控制井底壓力的同時減少溢流［31］。

以上大都是以集總參數(shù)模型為基礎(chǔ)進行控制算法的設(shè)計。但實際控壓過程中通過控制地面節(jié)流閥開度來改變井底壓力，由于節(jié)流閥位于地面而被控變量在幾千米下的井底，用分布參數(shù)模型刻畫環(huán)空動態(tài)特性更為準確，此時的控制轉(zhuǎn)化為典型的邊界控制問題。對于MPD井筒壓力分布參數(shù)控制系統(tǒng)的研究近幾年得到更多的關(guān)

注［32～34］。分布參數(shù)模型可以更準確地描述井筒壓力的動態(tài)變化特性，但其后續(xù)的控制方法設(shè)計過于復(fù)雜，并且計算量龐大，算法的數(shù)值魯棒性差，因此對于復(fù)雜地層井筒壓力控制這種安全可靠性要求極高的問題來說，如何將高精度分布參數(shù)模型納入實時控制的同時又能夠降低控制算法復(fù)雜度和計算成本、提高算法的魯棒性也受到學(xué)者的關(guān)注［35］。徐寶昌等基于分布參數(shù)系統(tǒng)所描述的井筒環(huán)空水力學(xué)模型，提出了一種無限維邊界控制方法，通過將PDE系統(tǒng)等價轉(zhuǎn)換并分解為若干子系統(tǒng)設(shè)計邊界控制器，實現(xiàn)井底壓力的恒定與跟蹤［36］。

2.2.2 MPD井筒壓力的多變量協(xié)同控制方法

傳統(tǒng)的MPD井筒壓力多變量控制方法更多局限在以操控節(jié)流閥開度和泵流量為主，且控制目標多局限在井底壓力的控制上。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在考慮重要操控變量（RPM、WOB等）的基礎(chǔ)上，逐漸實現(xiàn)了在保證井底壓力控制精度的同時優(yōu)化鉆進效率的目標。圖2描述了多源變量協(xié)同機制下的控制系統(tǒng)框架。

MAMMADOV E等提出將MPD系統(tǒng)與其他操控子系統(tǒng)（如司鉆子系統(tǒng)）綜合考慮以解決鉆井過程的機械鉆速（ROP）優(yōu)化控制問題，將井底壓力、ROP、RPM控制耦合到單一的鉆井控制器中，利用井下和地面測量的數(shù)據(jù)同時調(diào)節(jié)井底鉆具組合（BHA）壓力并使ROP最大化［37］。SOOKLAL S等分析了回壓、泵流量之外其他影響MPD井底壓力的因素，包括RPM、環(huán)空固相分量的變化、LCM的影響，并指出有效抑制這些因素的干擾是在深水、高溫高壓井中應(yīng)用MPD控制井筒壓力的關(guān)鍵［38］。孟卓然等針對井底壓力控制精度低且鉆進時效差等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，建立適合控制系統(tǒng)設(shè)計的MPD過程全局模型，且基于先進控制理論提出穩(wěn)定井底壓力、提高機械鉆速并減弱粘滑振動幅值的非線性模型預(yù)測控制方法，構(gòu)建了一種綜合多性能指標的控壓鉆井過程協(xié)調(diào)控制方法［39］。

2.3 MPD井筒壓力控制中智能控制方法的應(yīng)用

對于深井復(fù)雜地層的MPD井筒壓力控制問題，已有不少基于模型的先進控制算法的應(yīng)用，但是在智能控制方法上所做的工作仍十分有限。

在智能控制器方面，Weatherford公司明確提出在其MPD裝置中應(yīng)用智能控制單元（Intelligent Control Unit，ICU）以實現(xiàn)井筒壓力的智能控制，但關(guān)于ICU中的核心控制算法未見公開［40～42］。MOOSAVINIA M等指出MPD智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)需要借鑒流程工業(yè)智能化的思想，從多傳感器表決系統(tǒng)、接單根/起下鉆時節(jié)流閥控壓性能、智能儀表的應(yīng)用與在線故障檢測、自適應(yīng)PID算法的應(yīng)用等幾個方面論述了當今MPD系統(tǒng)存在的問題與未來的展望，指出自動控制與智能算法的深度融合才能推動智能MPD系統(tǒng)的進一步發(fā)展［43］。SEHSAH O等基于智能鉆桿提出智能鉆井系統(tǒng)，其更側(cè)重于井下信息的高效傳輸，同樣對于智能控壓方法并未詳細描述［44］。中國石油大學(xué)（北京）的鄭德建建立了反映井筒壓力動態(tài)特性的非線性模型，將徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與狀態(tài)觀測器結(jié)合對井下不可測狀態(tài)進行估計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計L1自適應(yīng)控制器對井底壓力進行控制［45］。

另外，近二十年來人工智能技術(shù)逐漸滲透和應(yīng)用于鉆井過程的智能處理、閉環(huán)控制及優(yōu)化決策等各個層次當中，形成特定且具有智能特征的鉆井技術(shù)，對MPD井筒壓力的智能控制也具有一定的借鑒意義。

2.4 MPD參數(shù)估計方法研究

MPD井筒壓力控制過程中，井下可測變量非常少，并且傳輸速率不足以滿足實時控制的要求。因此，研究可靠的參數(shù)估計方法對MPD井下不確定信息進行實時估計，對保證安全高效鉆井具有重大意義。

ZHOU J等基于簡化的水力學(xué)模型（集總參數(shù)，ODE），通過設(shè)計狀態(tài)觀測器估計鉆頭處流量和井底壓力，設(shè)計了井底壓力非線性控制律。區(qū)別于傳統(tǒng)的井底壓力預(yù)測方法，ZHOU J等是將自適應(yīng)觀測器理論與動態(tài)模型相結(jié)合，通過簡化的三階ODE模型實現(xiàn)不可測狀態(tài)估計-非線性反饋控制律的一體化設(shè)計［46～48］。為實現(xiàn)井下不確定參數(shù)與未知狀態(tài)的聯(lián)合估計，徐寶昌等設(shè)計了一種全新的非線性狀態(tài)觀測器，以井筒為對象建立井下三階動態(tài)模型，準確估計井下流量和壓

力［49］。

此外，MPD參數(shù)估計對于鉆井過程中異常工況的判斷具有重要意義。徐寶昌等以井下氣侵工況的早期監(jiān)測為目標，提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的氣侵診斷新方法，將MPD裝備采集的數(shù)據(jù)通過自適應(yīng)觀測器處理，估計井下未知參數(shù)和不可測變量，并將估計的變量與其他可測變量進行獨立主元分析，提取數(shù)據(jù)的獨立元，確定統(tǒng)計量控制限用于氣侵工況診斷［50］。遺憾的是，受限于模型結(jié)構(gòu)與精度，基于觀測器理論的氣侵診斷方法并未在現(xiàn)場大規(guī)模應(yīng)用。為增強該方法在實際應(yīng)用中的可行性，徐寶昌等在傳統(tǒng)控壓鉆井水力學(xué)模型中添加氣體膨脹項，建立控壓鉆井氣液兩相流模型，并設(shè)計一種可對未知參數(shù)以及未知狀態(tài)進行聯(lián)合估計的自適應(yīng)觀測器，在估計井底壓力的基礎(chǔ)上判斷異常工況的發(fā)生［51］。

3 MPD裝備的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

3.1 國外MPD裝備

隨著鉆井需求的增加，MPD裝備從20世紀90年代末開始研發(fā)。目前國際上形成商業(yè)化產(chǎn)品且能夠進行現(xiàn)場施工服務(wù)的主要有以下3類MPD系統(tǒng)［6］。

3.1.1 Weatherford MFC

Weatherford公司研發(fā)的MPD系統(tǒng)主要以微流量控制作為控壓方式，通過實時監(jiān)測進出口鉆井液的微小壓力、質(zhì)量流量、當量循環(huán)密度及流速等參數(shù)，快速改變井口回壓以滿足鉆井工藝要求。該MPD系統(tǒng)能在小于80 L時檢測到溢流，并可在2 min內(nèi)控制溢流，使總溢流體積小于800 L。

3.1.2 Schlumberger DAPC

Schlumberger公司研發(fā)的MPD系統(tǒng)的主要控壓方式為井底恒壓法，通過節(jié)流管匯、回壓泵、水力學(xué)模型和綜合壓力控制器協(xié)同工作，提供不間斷的精確壓力控制，使井底壓力保持在允許范圍內(nèi)。在強調(diào)自動調(diào)節(jié)回壓、動態(tài)控制和保持井底壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，追求在系統(tǒng)中實現(xiàn)自適應(yīng)控制。

3.1.3 Halliburton MPD

由Halliburton公司自主研發(fā)的控壓鉆井系統(tǒng)（圖3）引入了自循環(huán)回壓泵以確保在施加壓力時能夠平穩(wěn)地補償回壓，從而減小壓力波動。此外，該MPD系統(tǒng)能夠通過節(jié)流閥改變環(huán)空壓力，并通過手動或自動調(diào)整節(jié)流控制裝置，成功實現(xiàn)了對井底壓力的精準控制。其裝備具有自動化、反應(yīng)迅速及控制精度高等優(yōu)勢，對井口回壓自動控制的精度達到0.35 MPa。

3.2 國內(nèi)MPD裝備

國內(nèi)石油公司從2008年開始MPD裝備的研制工作，并取得了一定進展［52］，具有代表性的是中石油工程院研發(fā)的PCDS精細控壓鉆井系列化裝備［53～55］。

3.2.1 PCDS-Ⅰ精細控壓鉆井裝備

PCDS-Ⅰ精細控壓鉆井裝備集恒定井底壓力控制與微流量控制于一體，在正常工況下可實現(xiàn)0.2 MPa的井底壓力控制精度。該系統(tǒng)主要由自動節(jié)流系統(tǒng)（圖4）、回壓泵系統(tǒng)（圖5）、液氣控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和控制中心等部分構(gòu)成。

裝備集成了井底壓力測量、地面參數(shù)監(jiān)測、控壓鉆井水力計算模型、設(shè)備在線智能監(jiān)控與應(yīng)急處理功能，具有三節(jié)流通道，即主、備、輔3條通道，可隨工況的變化自動切換通道，可實現(xiàn)出入口流量監(jiān)測、流量自動補償以及實時參數(shù)采集與監(jiān)測等功能，適用于窄壓力窗口井、高溫高壓井、復(fù)雜壓力體系井和欠平衡控壓井。

3.2.2 PCDS-Ⅱ精細控壓鉆井裝備

PCDS-Ⅱ精細控壓鉆井裝備（圖6）在PCDS-Ⅰ的基礎(chǔ)上，重點對軟件系統(tǒng)進行了升級。升級后的系統(tǒng)裝備具備模塊化施工能力，實現(xiàn)了分模塊控制和工藝工況自動匹配、回壓控制及流量補償分離等功能。另外，集成軟件將控壓鉆井水力學(xué)模型、設(shè)備在線智能監(jiān)控與應(yīng)急處理集中于一體，做到了兼容外部設(shè)備的功能。

裝備具有雙節(jié)流通道，即主、備雙通道，可自由切換，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計和高精度出口流量監(jiān)測，可選擇不同的流量補償裝置（包括固井泵等第三方裝備），適用于海洋控壓鉆井、窄壓力窗口井和欠平衡控壓井等。

3.2.3 PCDS-S精細控壓鉆井裝備

PCDS-S精細控壓鉆井自動控制系統(tǒng)（圖7）由中石油工程院和中國石油大學(xué)（北京）徐寶昌團隊共同研制。相比PCDS-Ⅰ和PCDS-Ⅱ精細控壓鉆井系統(tǒng)，PCDS-S控壓鉆井系統(tǒng)添加了自動平衡立壓的欠平衡模塊及異常工況緊急處理的專家模塊，進一步完善了水力模擬和計算軟件模塊，實現(xiàn)了PLC系統(tǒng)、錄井、井下儀器、中控機多平臺數(shù)據(jù)通信及處理等功能，在降低裝備成本的基礎(chǔ)上拓展了軟件功能，增強了復(fù)雜工況下的適應(yīng)性。

PCDS-S精細控壓鉆井裝備的特征是具有單節(jié)流通道和出口流量監(jiān)測，適用于低滲/特低滲井、欠平衡控壓和較大壓力窗口井。

3.2.4 海洋精細控壓鉆井裝備

三通道海洋控壓鉆井裝備（圖8）由中石油工程院和中國石油大學(xué)（北京）徐寶昌團隊共同研制，應(yīng)用一種雙閉環(huán)串級智能控制算法實現(xiàn)對井口壓力和液動節(jié)流閥閥位的控制，在完成現(xiàn)場實驗后已順利投入生產(chǎn)。

自動控制系統(tǒng)主要包括自動節(jié)流管匯系統(tǒng)和控制房。其中自動節(jié)流管匯系統(tǒng)包括節(jié)流撬防爆控制柜、高精度液控節(jié)流控制操作站、節(jié)流管匯、智能檢測儀表、節(jié)流閥、平板閥及手動閥等裝置。該套控壓系統(tǒng)既可以遠程自動控制節(jié)流管匯中的節(jié)流閥開度，又可以在液控操作站本地手動控制節(jié)流閥開度，保證任何情況下的不間斷連續(xù)鉆井工作。

4 MPD技術(shù)的關(guān)鍵問題

近十幾年來，MPD作為一項解決復(fù)雜鉆井問題的重要技術(shù)，在控制理論研究與裝備研發(fā)方面都得到了飛速發(fā)展，然而在以下方面仍然值得深入研究：

a. 國內(nèi)控壓鉆井裝備研制工作雖在近年來取得了一定進展，但由于鉆井過程存在復(fù)雜的工況變化和諸多不確定性干擾，以及被傳統(tǒng)鉆井工程技術(shù)理念束縛，導(dǎo)致鉆井過程以技術(shù)人員的手動操作為主，自動化裝備為輔。事實上，控壓鉆井裝備的自動化水平遠遠滯后于當代信息化、自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，且異常工況（微溢、微漏、溢漏同存等）的早期診斷、發(fā)生異常工況后抑制壓力波動和消除異常工況的能力仍然不足。

b. 突破深部地層井筒壓力控制性能瓶頸的關(guān)鍵是信息的充分獲取與利用。首先，在井筒壓力控制過程中，如果能夠充分利用采集到的井底、地面大量的實時動態(tài)數(shù)據(jù)（例如基于動態(tài)模型對未知參數(shù)和變量進行有效的實時估計），則可能對井下信息有更迅捷、清晰的感知，并利用這些信息進行更為超前、智能的控制。其次，目前沒有可靠的模型可以完全精準地描述井筒水力特性，因此基于實時計算與反饋校正方法，利用適當模型并結(jié)合有效數(shù)理變換方法，實現(xiàn)模型校正的同時揭示井筒早期參數(shù)監(jiān)測機制與變化規(guī)律至關(guān)重要。

c. 近年來隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能鉆井技術(shù)正在成為極具發(fā)展?jié)摿Φ挠蜌饪碧介_發(fā)新技術(shù)之一。在深部復(fù)雜地層的井筒壓力控制中，將人工智能理論與已有知識（專家經(jīng)驗、地質(zhì)-工程數(shù)據(jù)等）深度融合，減少單純依靠人工經(jīng)驗所導(dǎo)致的不確定性和不可預(yù)測性，以形成更為智能的決策和控制，可能為提升深部復(fù)雜地層井筒壓力控制性能起到關(guān)鍵作用。

5 結(jié)束語

MPD技術(shù)在處理復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、快速提升鉆井安全方面具有極大優(yōu)勢，逐漸成為我國鉆井技術(shù)的研發(fā)熱點。筆者系統(tǒng)且詳細地對MPD技術(shù)的控制理論研究與裝備研發(fā)進行了以下方面的綜述：

a. 從定義、任務(wù)、優(yōu)勢與分類4個方面對MPD技術(shù)進行了詳細地概述。

b. 進行了MPD理論的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析。國內(nèi)外學(xué)者對MPD系統(tǒng)中的井筒壓力控制方法進行了廣泛研究，從初始階段的經(jīng)典PID算法，到逐漸應(yīng)用先進控制算法，再到引入智能化思想，MPD井筒壓力控制方法正在經(jīng)歷一個從簡單控制到復(fù)雜控制、從基本自動化向智能控制發(fā)展的歷程。同時，也強調(diào)了MPD模型與參數(shù)估計問題的發(fā)展現(xiàn)狀。

c. 介紹了MPD裝備的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)。在分析國外Weatherford、Schlumberger和Halliburton三大公司精細控壓鉆井系統(tǒng)的同時，特別介紹了國內(nèi)自主研發(fā)的PCDS精細控壓鉆井系列化裝備與海洋精細控壓鉆井裝備。

d. 國內(nèi)MPD技術(shù)在理論日趨成熟的同時也在工程實踐中取得了良好效果，然而在信息化、自動化、智能化水平的提升上亟待攻關(guān)。

參 考 文 獻

［1］? ?李根生，吳文，陳勉，等.深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究［J］.中國科技成果，2014（13）：21-22.

［2］? ?蘇義腦，路保平，劉巖生，等.中國陸上深井超深井鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及攻關(guān)建議［J］.石油鉆采工藝，2020，42（5）：527-542.

［3］? ?劉偉，王瑛，郭慶豐，等.精細控壓鉆井技術(shù)創(chuàng)新與實踐［J］.石油科技論壇，2016，35（4）：32-37.

［4］? ?DAS A K，SMITH J R，F(xiàn)RINK P J.Simulations comparing different initial responses to kicks taken during managed pressure drilling［C］//SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition.SPE，2008：SPE-112761-MS.

［5］? ?HINTON A J.A new chapter in MPD：subsea pumping［C］//IADC/SPE Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference & Exhibition. OnePetro，2009：SPE-122201-MS.

［6］? ?劉偉，蔣宏偉，周英操，等.控壓鉆井裝備及技術(shù)研究進展［J］.石油機械，2011，39（9）：8-12.

［7］? ?王果，樊洪海，劉剛，等.控制壓力鉆井技術(shù)應(yīng)用研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（1）：34-38.

［8］? ?LIU W， SHI L， ZHOU Y C， et al.Development and application of Managed Pressure Drilling system （PCDS） for drilling complex problem［C］//International Petroleum Technology Conference.Beijing，China：IPTC，2013：IPTC-17143-MS.

［9］? ?王德玉，李才良，徐建平，等.計算機控制在井控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2007，36（1）：52-55.

［10］? ?吳紅建，郗鳳亮，柯曉華.智能控壓鉆井控制技術(shù)試驗研究［J］.石油天然氣學(xué)報，2013，35（11）：150-154；10.

［11］? ?王文深，張淼淼，盧怡，等.基于模糊PID算法的MPD仿真控制研究［J］.石油機械，2017，45（6）：36-39.

［12］? GODHAVN J M，PAVLOV A，KAASA G O，et al.Drilling seeking automatic control solutions［J］.IFAC Proceedings Volumes，2011，44（1）：10842-10850.

［13］? ?GRAVDAL J E，NIKOLAOU M，BREYHOLTZ ？覫， et al.Improved kick management during MPD by real-time pore-pressure estimation［J］.SPE Drilling & Completion，2010，25（4）：577-584.

［14］? ?STAMNES O N， ZHOU J， KAASA G O， et al.Adaptive observer design for the bottomhole pressure of a managed pressure drilling system［C］//2008 47th IEEE Conference on Decision and Control.Piscataway，NJ：IEEE，2008：2961-2966.

［15］? ?KAASA G O，STAMNES？覫 N，IMSLAND L，et al.Simplified hydraulics model used for intelligent estimation of downhole pressure for a managed-pressure-drilling control system［J］.SPE Drilling & Completion，2012，27（1）：127-138.

［16］? ?GJERSTAD K，AAMO O M.A dynamic model of two-phase flow for simulating gas kick and facilitating model-based control in drilling operations［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2021，205：108902.

［17］? ?ZUBER N，F(xiàn)INDLAY J A.Average volumetric concentration in two-phase flow systems［J］.Journal of Heat Transfer，1965，87（4）：453-468.

［18］? ?FJELDE K K， ROMMETVEIT R， MERLO A， et al.Improvements in dynamic modeling of underbalanced drilling［C］//IADC/SPE Underbalanced Technology Conference and Exhibition. OnePetro，2003：SPE-81636-MS.

［19］? ?PEREZ-TELLEZ C， SMITH J R， EDWARDS J K.A new comprehensive，mechanistic model for underbalanced drilling improves wellbore pressure predictions［J］.SPE Drilling & Completion，2003，18（18）：199-208.

［20］? ?CHOI J，PEREYRA E，SARICA C，et al.An efficient drift-flux closure relationship to estimate liquid hold-

ups of gas-liquid two-phase flow in pipes［J］.Energies，2012，5（12）：5294-5306.

［21］? ?BHAGWAT S M，GHAJAR A J.A flow pattern independent drift flux model based void fraction correlation for a wide range of gas-liquid two phase flow［J］.International Journal of Multiphase Flow，2014，59：186-205.

［22］? ?GRAVDAL J E，LORENTZEN R J，F(xiàn)JELDE K K，et al.Tuning of computer model parameters in managed pressure drilling applications using an unscented Kalman filter technique［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.SPE，2005：SPE-97028-MS.

［23］? ?NYGAARD O G H.Multivariable process control in high temperature and high pressure environment using non-intrusive multi sensor data fusion［D］.Porsgrunn，Norway：Telemark University College，2006.

［24］? ?NYGAARD G， NAEVDAL G. Nonlinear model predictive control scheme for stabilizing annulus pressure during oil well drilling［J］.Journal of Process Control，2006，16（7）：719-732.

［25］? ?NYGAARD G H，IMSLAND L S，JOHANNESSEN E A.Using NMPC based on a low-order model for controlling pressure during oil well drilling［J］.IFAC Proceedings Volumes，2007，40（5）：159-164.

［26］? ?NYGAARD G H，JOHANNESSEN E，EINAR GRAV-

DAL J，et al.Automatic coordinated control of pump rates and choke valve for compensating pressure fluctuations during surge and swab operations［C］//SPE/IADC Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference and Exhibition.SPE，2007：SPE-108344-MS.

［27］? ?BREYHOLTZ ？覫，NYGAARD G，NIKOLAOU M.Advanced automatic control for dual-gradient drilling［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.SPE，2009：SPE-124631-MS.

［28］? ?BREYHOLTZ ？覫，NYGAARD G，NIKOLAOU M.Automatic control of managed pressure drilling［C］//Proceedings of the 2010 American Control Conference.Piscataway，NJ：IEEE，2010：442-447.

［29］? BREYHOLTZ ？覫，NYGAARD G，NIKOLAOU M.Ma-

naged-pressure drilling：Using model predictive control to improve pressure control during dual-gradient drilling［J］.SPE Drilling & Completion，2011，26（2）：182-197.

［30］? ?M？覫GSTER J，GODHAVN J M， IMSLAND L S.Using MPC for managed pressure drilling［J］.Modeling，

Identification and Control（MIC），2013，34（3）：131-138.

［31］? ?NANDAN A，IMTIAZ S.Nonlinear model predictive control of managed pressure drilling［J］.ISA Transactions，2017，69：307-314.

［32］? ?KRSTIC M，SMYSHLYAEV A.Backstepping bounda-

ry control for first-order hyperbolic PDEs and application to systems with actuator and sensor delays［J］.Systems & Control Letters，2008，57（9）：750-758.

［33］? ?DI MEGLIO F， VAZQUEZ R， KRSTIC M， et al.Backstepping stabilization of an underactuated 3×3 linear hyperbolic system of fluid flow equations［C］//2012 American Control Conference （ACC）. Piscataway，NJ：IEEE，2012：3365-3370.

［34］? ?ANFINSEN H，AAMO O M.Boundary parameter and state estimation in 2×2 linear hyperbolic PDEs using adaptive backstepping［C］//2016 IEEE 55th Conference on Decision and Control（CDC）.Piscataway，NJ：IEEE，2016：2054-2060.

［35］? ?EATON A N，BEAL L D R，THORPE S D，et al.Real time model identification using multi-fidelity models in managed pressure drilling［J］.Computers & Chemical Engineering，2017，97：76-84.

［36］? ?徐寶昌，胡松，孟卓然，等.井筒環(huán)空水力分布參數(shù)系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制方法［J/OL］.控制工程：1-

8［2023-07-06］. https：//doi. org/10.14107/j.cnki.kzgc.

20220553.

［37］? ?MAMMADOV E，OSAYANDE N，BREUER J，et al.Predicting and optimizing ROP in competent shale by utilizing MPD technology［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.SPE，2015：SPE-174805-MS.

［38］? ?SOOKLAL S， HERNANDEZ J， ARNONE M， et al.MPD-Overlooked Factors that Impact Annular Pressure Control with High-Solids Concentration Drilling Fluid? Systems? in? Narrow? Window Wells［C］//SPE/

IADC Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference and Exhibition.SPE，2018：D021S010R002.

［39］? ?孟卓然，徐寶昌，羅雄麟.基于綜合性能指標的控壓鉆井過程多變量協(xié)調(diào)控制［J］.Journal of China University of Petroleum，2022，46（2）：183-195.

［40］? ?GUMUS F，POBEDINSKI I， HANNEGAN D， et al.Live Well Display & Automated Data Analysis to Improve Timely Well Control & Drilling Optimization Decision-Making in MPD Operations［C］//Offshore Technology Conference.OTC，2014：D011S002R001.

［41］? OZEGOVIC A，GOMEZ E，ZAMBRANO R，et al.Managed Pressure Drilling Strategies Enable Successful Drilling of the Deepest HPHT Exploratory Well in the Mediterranean Sea［C］//Offshore Medite-

rranean Conference and Exhibition. OMC， 2015：OMC-2015-231.

［42］? ?ROSTAMI S A.Enhancing MPD Functionality：Successful Application of Adaptive Intelligent Drilling Software in Deepwater，Offshore and Onshore Operations［C］//IADC/SPE Managed Pressure Drilling & Underbalanced Operations Conference & Exhibition.OnePetro，2017：SPE-185287-MS.

［43］? ?MOOSAVINIA M，PARKER M，ALEXANDROV V，et al.Intelligent control for MPD［C］//SPE/IADC Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference and Exhibition.SPE，2016：SPE-180069-MS.

［44］? ?SEHSAH O，GHAZZAWI A，VIE G J，et al.Intelligent drilling system： expanding the envelope of wired dr-

ill pipe［C］//Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference.SPE，2017：D021S059R003.

［45］? ?鄭德建.基于L1自適應(yīng)算法的MPD井底壓力控制［D］.北京：中國石油大學(xué)（北京），2018.

［46］? ?ZHOU J，STAMMNES Ф N，AAMO O M，et al.Obese-

rved-Based Control of a Managed Pressure Drilling System［C］//2008 Chinese Control and Decision Conference（CCDC 2008）. Piscataway，NJ：IEEE，3474-3480.

［47］? ?ZHOU J，STAMMES Ф N，AAMO O M，et al.Pressure regulation with kick attenuation in a managed pressure drilling system［C］//IEEE Conference on Decision and Control.Piscataway，NJ：IEEE，2009：5586-5591.

［48］? ?ZHOU J，STAMNES Ф N，AAMO O M，et al.Switched control for pressure regulation and kick attenuation in a managed pressure drilling system［J］.IEEE Transactions on Control System Technology，2011，19（2）：337-350.

［49］ 徐寶昌，孟宇，劉偉.控壓鉆井井下不可測變量的非線性估計［J］.石油學(xué)報，2016，37（12）：1543-1549.

［50］ 徐寶昌，周家立，劉偉，等.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的鉆井過程氣侵工況預(yù)測方法［J］.石油學(xué)報，2019，40（10）：1263.

［51］ 徐寶昌，孟卓然，陳貽祺，等.控壓鉆井井下氣侵工況的自適應(yīng)參數(shù)及狀態(tài)估計［J/OL］.控制與決策：1-9［2023？鄄08？鄄01］.DOI：10.13195/j.kzyjc.2022.0673.

［52］ 劉偉，周英操，段永賢，等.國產(chǎn)精細控壓鉆井技術(shù)與裝備的研發(fā)及應(yīng)用效果評價［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：34-37.

［53］ 劉偉，周英操，王瑛，等.國產(chǎn)精細控壓鉆井系列化裝備研究與應(yīng)用［J］.石油機械，2017，45（5）：28-32.

［54］ 周英操，楊雄文，方世良，等.PCDS？鄄Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)研制與現(xiàn)場試驗［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（4）：7-12.

［55］ 周英操，劉偉.PCDS精細控壓鉆井技術(shù)新進展［J］.石油鉆探技術(shù)，2019，47（3）：68-74.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-07）

Control Theory Research and Progress in the Equipment Development

of Managed Pressure Drilling

YIN Shi-xuan， XU Bao-chang， MENG Zhuo-ran， CHEN Yi-qi

（College of Information Science and Engineering， China University of Petroleum （Beijing））

Abstract? ?In this paper， the MPD （managed pressure drilling） technology was introduced and the domestic and foreign research status of the MPD theory was systematically analyzed， including mainly discussing the development process of wellbore annular pressure control methods （from classical PID algorithm to advanced control algorithm， and then to the intelligentization concept） and the research status of MPD parameter estimation methods. In addition， the current status of the MPD equipment and technology at home and abroad was introduced and manufacturing level of existing equipment at home was emphasized to point out key issues worthy of further research in the MPD technologies.

Key words? ?MPD， wellbore annular pressure， advanced control， intelligentization， equipment development

作者簡介：尹士軒（1999-），博士研究生，從事復(fù)雜系統(tǒng)建模、參數(shù)估計與故障診斷方面的研究。

通訊作者：徐寶昌（1974-），副教授，從事基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜系統(tǒng)建模、油氣集輸過程的智能控制與優(yōu)化、控壓鉆井技術(shù)、鉆井過程智能控制與協(xié)同優(yōu)化的研究，xbcyl@cup.edu.cn。

引用本文：尹士軒，徐寶昌，孟卓然，等.控壓鉆井的控制理論研究與裝備研發(fā)進展［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：622-631.