基于PCS7的控压钻井控制系统设计与开发

摘要

随着油气资源日益枯竭，石油勘探开采的难度越来越大，常规钻井技术已经难以满足复杂地层下高效钻井的要求，而控压钻井技术却能有效解决这一问题。因此，本文基于PCS7设计开发一套控压钻井控制系统，并对其高级控制技术进行研究和应用。 （1）控压钻井控制系统的总体方案设计。在控压钻井技术原理的基础上，分析控压钻井的工艺流程及技术特点，设计控制系统的总体方案，提出整体设计思路，为后续软硬件设计奠定基础。 （2）控压钻井控制系统的硬件设计。分析硬件各部分组成及功能；以控制方案为基础，设计管道仪表流程图；在满足工艺和控制的要求下，对自控仪表设备选型，并设计各I/O节点及其信号类型；通过ET200M解决PLC与现场仪表间的信号远传问题；采用硬冗余方式加强系统的安全性。最终设计出安全稳定的控压钻井硬件系统。 （3）控压钻井控制系统的软件设计。以PCS7为软件开发平台，在Step7中进行硬件组态；根据P&ID图使用CFC搭建井口回压、微流量、立压控制回路；使用SFC和SCL编写正常钻进、接单根、起/下钻等钻进模式程序；采用调整控制模式的方法处理井漏溢流工况；在WinCC中设计上位机流程画面；在OPC协议的基础上建立与水力参数软件间的数据传输。 （4）控压钻井系统高级控制算法研究。控压钻井对象具有非线性等特点，传统控制算法难以满足控制要求，在基于Matlab对模糊控制、模糊PID控制仿真研究的基础上，在PCS7中通过离线查询模糊控制查询表的方法，设计井口回压模糊控制器、模糊PID控制器。实验结果表明，相对其他传统控制算法模糊PID具有较好的控制效果。 （5）系统实验及结果分析。对系统进行实验研究，分析实验结果，实验结果表明系统能够有效完成控压钻井的任务，保证钻井过程安全和高效性。 总体来说，本文设计与开发出了一套控压钻井控制系统，并研究了高级控制算法在控压钻井系统中的应用，该系统能够有效地解决窄密度窗口下的安全钻井问题，对控压钻井技术的控制系统方面的研究提供了一定的参考价值。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 控压钻井控制系统的总体方案设计

2.1 控压钻井技术原理

2.2 工艺流程特性及控制需求分析

2.3 系统总体设计方案

2.4 控压钻井模拟实验装置

2.5 本章小结

第3章 控压钻井控制系统的硬件设计

3.1 硬件总体方案设计

3.2 管道仪表流程图设计

3.3 自控仪表设备选型

3.3.1 变送器选型

3.3.2 执行器选型

3.3.3 自控设备表

3.4 PCS7控制系统设计

3.4.1 系统的I/O节点

3.4.2 分布式IO设备

3.4.3 控制器

3.4.4 冗余方案设计

3.4.5 PCS7系统配置图

3.5 本章小结

第4章 控压钻井控制系统的软件设计

4.1 软件总体设计方案

4.2 软件开发环境

4.2.1 PCS7软件系统

4.2.2 编程语言

4.3 系统硬件组态

4.3.1 自动化站组态

4.3.2 操作员站组态

4.3.3 网络连接组态

4.4 控制模式程序设计

4.4.1 井口回压控制回路

4.4.2 微流量控制回路

4.4.3 立管压力控制回路

4.4.4 控制模式切换程序设计

4.5 钻进模式程序设计

4.5.1 正常钻进程序设计

4.5.2 接单根程序设计

4.5.3 起/下钻程序设计

4.5.4 手动模式程序设计

4.6 井漏/溢流处理程序设计

4.7 工艺流程画面设计

4.8 与水力参数软件通讯程序设计

4.9 本章小结

第5章 控压钻井系统高级控制算法研究

5.1 控制算法分析

5.1.2 模糊控制算法原理

5.1.3 模糊PID控制算法原理

5.1.4 模糊-PID复合控制算法原理

5.2 控制算法仿真研究

5.2.1 控压钻井系统模型的建立

5.2.2 模糊控制算法仿真

5.2.3 模糊PID控制算法仿真

5.2.4 模糊-PID复合控制算法仿真

5.2.5 仿真效果对比及分析

5.3 控制算法实验研究

5.3.1 传统PID实验

5.3.2 模糊控制算法实验

5.3.3 模糊PID控制算法实验

5.3.4 模糊-PID复合控制算法实验

5.3.5 实验结果对比及分析

5.4 本章小结

第6章 系统调试及实验

6.1 工艺流程实验研究

6.2 井漏溢流处理实验研究

6.3 实验结果分析

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果及参与科研

致谢