一种基于反馈调节的压井作业节流阀自动控制系统及其方法技术领域
本发明涉及一种基于反馈调节的压井作业节流阀自动控制系统及其方法，属于钻
井压井井控技术领域。
背景技术
在油田钻井作业过程中，当钻遇高压地层时，原有钻井液可能难以平衡井底压力，
进而造成地层流体侵入环空，发生溢流。在发现溢流后，需要立即关井，并录取相关数据，进
行压井作业。即向失去平衡的井内泵如高密度钻井液，并控制井底压力始终略大于地层压
力。压井过程中控制井底压力略大于地层压力是借助节流管汇，控制一定的井口回压来实
现的。
在司钻法压井和工程师法压井中需要保证立管压力按照预定压井进度变化，这通
过调节节流阀来实现。在实际作业过程中，由于液柱压力波传递大约为300m/s，调节节流阀
时，压力传递存在滞后现象，人工很难调节立管压力等于目标值，容易出现井漏或井喷事
故。实际压井作业亟需一种能够根据相关数据自动控制节流阀的系统和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有作业方式的难点，提供一种基于反馈调节的压井作业
节流阀自动控制系统和方法，降低和避免现有作业方式的难度和隐患。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于反馈调节的压井作业节流阀自动控制系统，它包括自愈控制器(1)、PLC
控制器(2)、中央计算机(3)、反馈补偿器(4)、节流阀(5)、立管压力变送器(6)、传感器-数据
采集系统(7)、前馈补偿器(8)、基本数据源(9)，其结构如图1所示。
利用传感器-数据采集系统(7)采集包括钻井液循环增量、立管压力、套管压力等
压井作业必需数据；中央计算机(3)录取数据进行计算和多相流压力波数值模拟，分析环形
空间内的溢流情况，对压井作业的过程进行模拟，得到立管压力控制曲线和节流阀初始控
制曲线中央计算机(3)根据控制模型利用PLC控制器(2)控制节流阀(5)，PLC控制器(2)可显
著降低控制系统的复杂性，减少出错可能。
根据反馈调节模型，反馈补偿器(4)在多个采样周期间根据立管压力实际值与目
标值的偏差，决策设定值校正量并产生在多个采样周期后控制回路的设定值；根据反馈调
节模型，前馈补偿器(8)根据一个采样周期内立管压力上一个预测值与目标值的偏差，决策
设定值补偿量并产生在一个采样周期后控制回路的设定值，使立管压力保持在预定范围
内，在由于溢流或地层变化导致立管压力发生较大波动时，前-反馈补偿器能使立管压力迅
速稳定下来，并在微小范围内波动。
中央计算机(3)根据故障诊断模型利用自愈控制器(1)对控制系统可能出现的控
制错误进行修正，避免因控制系统出错而引起作业失控。
一种基于反馈调节的压井作业节流阀自动控制系统的方法，它包括以下步骤：
S1、进行压井作业前，传感器-数据采集系统(7)采集包括钻井液循环增量、立管压
力、套管压力等压井作业必需数据；中央计算机(3)录取数据进行计算和多相流数值模拟，
得到立管压力控制曲线和节流阀(5)初始控制曲线；
S2、进行压井作业时，中央计算机(3)对节流阀(5)初始控制曲线进行拟合，并利用
PLC控制器(2)控制节流阀(5)；立管压力变送器(6)将立管压力通过传感器-数据采集系统
(7)实时传输到中央计算机(3)；
S3、反馈补偿器(4)根据立管压力目标值与实际值的偏差决策设定值校正量，并在
相应周期进行校正；前馈补偿器(8)根据立管压力目标值与周期预测值的偏差决策设定值
补偿量，并在相应周期进行补偿；
S4、在整个作业过程中自愈控制器(1)根据中央计算机(3)内的故障诊断模型，对
控制系统可能出现的故障进行诊断和即时修正；
S5、通过整个控制系统的配合，将立管压力值稳定在预设压力范围内。
本发明的优点是，利用软件相关算法根据液相压力波传递速度与衰减规律可在压
井前根据压井相关数据模拟压井过程，得到整个压井作业的进度曲线和节流阀初始控制曲
线，计算机再根据模拟结果对节流阀初始控制曲线进行拟合，并利用PLC控制器控制节流
阀，作业过程中前-反馈控制器对压井过程进行反馈调节，使立管压力稳定在压井安全窗口
内，自愈控制器对可能出现的故障进行诊断和修正。该系统避免了人工操作产生的延迟和
误差，可远程自动操作，避免安全隐患。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构示意图。
图中：1-自愈控制器、2-PLC控制器、3-中央计算机、4-反馈补偿器、5-节流阀、6-立
管压力变送器、7-传感器-数据采集系统、8-前馈补偿器、9-基本数据源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示，一种基于反馈调节的压井作业节流阀自动控制系统，它包括自愈控制
器(1)、PLC控制器(2)、中央计算机(3)、反馈补偿器(4)、节流阀(5)、立管压力变送器(6)、传
感器-数据采集系统(7)、前馈补偿器(8)、基本数据源(9)。
利用传感器-数据采集系统(7)采集包括钻井液循环增量、立管压力、套管压力等
压井作业必需数据，必要时也可供人工作业参考；中央计算机(3)录取数据进行计算和多相
流数值模拟，得到立管压力控制曲线和节流阀(5)初始控制曲线。
中央计算机(3)根据控制模型利用PLC控制器(2)控制节流阀(5)，PLC控制器(2)可
显著降低控制系统的复杂性，减少出错可能。
根据反馈调节模型，反馈补偿器(4)在多个采样周期间根据立管压力实际值与目
标值的偏差，决策设定值校正量并产生在多个采样周期后控制回路的设定值；根据反馈调
节模型，前馈补偿器(8)根据一个采样周期内立管压力上一个预测值与目标值的偏差，决策
设定值补偿量并产生在一个采样周期后控制回路的设定值，使立管压力保持在预定范围
内，在由于溢流或地层变化导致立管压力发生较大波动时，前-反馈补偿器能使立管压力迅
速稳定下来，并在微小范围内波动。反馈调节模型依赖于压井模拟结果。
中央计算机(3)根据故障诊断模型利用自愈控制器(1)对控制系统可能出现的控
制错误进行修正。
一种基于反馈调节的压井作业节流阀自动控制系统的方法，它包括以下步骤：
S1、进行压井作业前，传感器-数据采集系统(7)采集包括钻井液循环增量、立管压
力、套管压力等压井作业必需数据；中央计算机(3)录取数据进行计算和多相流数值模拟，
得到立管压力控制曲线和节流阀(5)初始控制曲线；
S2、进行压井作业时，中央计算机(3)对节流阀(5)初始控制曲线进行拟合，并利用
PLC控制器(2)控制节流阀(5)；立管压力变送器(6)将立管压力通过传感器-数据采集系统
(7)实时传输到中央计算机(3)，中央计算机(3)以此为参考，对PLC控制器(2)、反馈补偿器
(4)、前馈补偿器(8)进行控制调整；
S3、反馈补偿器(4)根据立管压力目标值与实际值的偏差决策设定值校正量，并在
相应周期进行校正；前馈补偿器(8)根据立管压力目标值与周期预测值的偏差决策设定值
补偿量，并在相应周期进行补偿；
S4、在整个作业过程中自愈控制器(1)根据中央计算机(3)内的故障诊断模型，对
控制系统可能出现的故障进行诊断和即时修正；
S5、通过整个控制系统的配合，将立管压力值稳定在预设压力范围内，达到作业要
求。
在必要时，可人工接管压井节流阀控制系统。