深水钻井隔水管反冲控制系统建模与仿真.pdf

◀海洋石油装备▶ 深水钻井隔水管反冲控制系统建模与仿真 ∗ 何新霞１ 张方芬１ 田秀娟１ 刘秀全２ （１􀆱 中国石油大学 （华东） 信息与控制工程学院 ２􀆱 中国石油大学 （华东） 海洋油气装备与安全技术研究中心） 摘要 海洋深水钻井作业过程中， 由于动力定位失效造成钻井船无法保持其有效位置时， 须断 开隔水管与井口的连接， 此时， 隔水管会发生反冲， 若反冲得不到有效控制， 易发生钻井事故。 为 此， 针对液压缸直接作用式隔水管张力器反冲控制系统， 提出一种基于模糊 ＰＩＤ 控制器调节反冲 阀开度， 达到控制隔水管垂直位移的控制方法， 并对控制算法进行设计。 基于 Ｍａｔｌａｂ 构建反冲控 制系统的精确仿真模型， 进行一系列的仿真研究分析。 分析结果表明， 闭环控制可以达到较好的 控制效果， 系统的稳定性增强， ＰＩＤ 控制和模糊 ＰＩＤ 控制都能发挥较好的控制作用， 有效地控制 了隔水管的反冲速度， 经过综合比较可知， 模糊 ＰＩＤ 控制降低了隔水管起升位移的峰值， 减少了 液压系统的压力冲击， 提高了系统控制性能。 研究结果可为深水钻井隔水管的安全应用提供参考。 关键词 隔水管； 张紧系统； 反冲控制； 模糊 ＰＩＤ 控制； 仿真 中图分类号 ＴＥ９５１ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ １０􀆱 １６０８２／ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－４５７８􀆱 ２０１６􀆱 ０３􀆱 ０１４ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｄｅｅｐｗａｔｅｒ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｒｉｓｅｒ Ｈｅ Ｘｉｎｘｉａ１ Ｚｈａｎｇ Ｆａｎｇｆｅｎ１ Ｔｉａｎ Ｘｉｕｊｕａｎ１ Ｌｉｕ Ｘｉｕｑｕａｎ２ （１􀆱 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｈｕａｄｏｎｇ）； ２􀆱 Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｈｕａｄｏｎｇ） ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ， ｉｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆａｉｌｅｄ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｓｈｉｐ ｉｎ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｉｓｅｒ ａｎｄ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｍｕｓｔ ｂｅ ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄ􀆱 Ｒｉｓｅｒ ｒｅｃｏｉｌ ｗｏｕｌｄ ｏｃｃｕｒ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｆ ｎｏｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ􀆱 Ｔａｋｉｎｇ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｉｒｅｃｔ⁃ａｃｔｉｎｇ ｒｉｓｅｒ ｔｅｎｓｉｏｎｅｒ ａｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ， ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ􀆱 Ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｖａｌｖｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ􀆱 Ａｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ􀆱 Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ⁃ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ， ｅｎｈａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ａｎｄ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｒｅｃｏｉｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ􀆱 Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ， ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｄｕｃｅｄ ｒｉｓｅｒ ｒａｉｓｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｅａｋ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｍ⁃ ｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ􀆱 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒｉｓｅｒ； ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ； ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引 言 在海上钻井作业过程中， 由于突然遭遇恶劣海 况或因其他因素导致平台或钻井船定位失效， 不能 保持位置而发生漂移时， 必须及时断开隔水管与井 口的连接， 如果在平台偏离超出最大允许位置之前 没有成功断开隔水管， 就会对隔水管及井下设备造 ３６ ２０１６ 年 第 ４４ 卷 第 ３ 期 石 油 机 械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ∗基金项目 国家科技重大专项 “深水钻井隔水管作业管理及安全评价技术” （２０１１ＺＸ０５０２６－００１－０５）。 成严重损害。 在深水钻井作业中， 处于连接状态的 深水钻井隔水管系统顶部受到张紧力的作用， 储存 着巨大的势能， 紧急断开时， 一旦下部隔水管总成 （ＬＭＲＰ） 与井口防喷器 （ＢＯＰ） 实现脱离， 张力 作用下储存于隔水管系统中的巨大势能将会释放出 来， 引起隔水管轴向产生破坏性的加速度和位移响 应， 产生反冲［１］。 如果反冲不能得到有效控制， 可能导致伸缩节与分离器及月池发生碰撞， 隔水管 压缩破坏， 严重时会导致钻井船或平台产生灾难性 事故［２－３］。 为了在短时间内对隔水管反冲进行有效控制， 通常采取防反冲措施来降低隔水管紧急脱离后的上 冲运动， 最主要的措施是通过减小反冲阀的阀口开 度来控制张紧器液压油的流速； 除此之外， 也可通 过关闭一定数量的隔离阀控制系统压力／ 容积， 从 而达到控制目的［４］。 笔者针对液压缸直接作用式 隔水管张力器反冲控制系统， 分析了隔水管反冲控 制系统的构成， 对反冲控制系统控制算法进行了设 计， 并基于 Ｍａｔｌａｂ 构建反冲控制系统的精确仿真 模型， 进行了仿真研究分析， 以期为深水钻井隔水 管的安全应用提供参考。 １ 反冲控制系统工作原理及数学模型 １􀆱 １ 工作原理 反冲控制系统［５］是在隔水管张紧器系统基础 上添加一系列的反冲阀、 隔离阀及对反冲阀进行闭 环控制的控制系统构成的， 核心设备为反冲控制 阀。 不同结构的张紧器工作原理不同， 但反冲控制 系统实现的功能及工作原理基本相同。 基于反冲控 制系统的结构特点， 只有改变张力器对隔水管的顶 张力大小， 才能实现通过控制张力器对隔水管的运 动进行控制。 笔者研究通过调整反冲阀的阀口开度 大小来控制高压油气蓄能器与液压缸高压侧之间的 液压油流速， 从而达到控制隔水管反冲运动的目 的［６－８］。 １􀆱 ２ 数学模型 根据反冲控制系统要求， 反冲阀采用电液比例 阀， 其传递函数为［９］ Ｗｖ（ｓ） ＝ ｑ（ｓ） Ｉ（ｓ） ＝ Ｋｑ ｓ２ ω２ ｖ ＋ ２δｖ ωｖ ｓ ＋ １ （１） 式中 Ｋｑ为电液比例阀增益， ｑ 为输出流量， Ｉ 为 输入电流， ωｖ为比例阀固有频率， δｖ为比例阀的 阻尼比， ｓ 为传递齿数模型。 液压缸下油腔内液压油压力与其压缩量的关系 式为［５，１０－１１］ ｄｐ２ ｄｔ ＝ Ｋ Ｖ２ [ － ｑ Ｒ － Ａ ２（ｘｓ － ｘ ｇ ） ] （２） 式中 ｐ２、 Ａ２分别为活塞下油腔瞬时压力及下油 腔面积； Ｋ 为液压油体积弹性模量； Ｖ２为液压缸 高压侧油腔的体积， Ｖ２ ＝ Ａ ２Ｌ２， Ｌ２ 为无杆腔长度； ｑＲ表示流出油缸流量， 即流入蓄能器流量； ｘｓ为 活塞位移； ｘｇ为液压缸沿轴向位移。 活塞的速度和液压缸沿活塞杆方向的速度可以 表示为［５，１０－１１］ ｘｓ ＝ ｘ ｐ ／ ｃｏｓα（ｔ）（３） ｘｇ ＝ ｘ ｈ ／ ｃｏｓα（ｔ）（４） 式中 ｘｈ为钻井船的上、 下运动位移， ｘｐ为钻井 隔水管的位移， α（ｔ）为任意时刻 ｔ 活塞杆与轴向的 夹角。 设隔水管脱离前与张紧器顶端间的垂直距离为 Ｌ， 隔水管与张紧器之间的水平距离为 ｄ， 则 α（ｔ） 可表示为［５，１０－１１］ ｃｏｓα（ｔ） ＝ （Ｌ － ｘｐ ＋ ｘ ｈ） （Ｌ － ｘｐ ＋ ｘ ｈ） ２ ＋ ｄ ２ （５） ２ 反冲控制系统构成及控制算法设计 ２􀆱 １ 系统构成 为了在短时间内对隔水管反冲进行有效控制， 通常采用防反冲措施来降低隔水管紧急脱离后的上 冲运动。 其中， 最主要的措施是通过减小反冲控制 阀的阀口开度大小以控制张紧器液压油的流速来实 现。 在每个张力器液压缸上均安装有位置传感器， 将液压缸内的位移传感器检测到的位移信号与给定 值进行比较， 经过一定的控制算法调节后， 控制器 的输出经电流放大器放大来控制电液比例阀的动 作， 通过改变阀口的开度大小控制张力器液压油的 流速， 以控制液压缸内活塞杆的运动， 最终控制活 塞杆上隔水管的运动。 隔水管反冲控制系统构成框 图如图 １ 所示［１２］。 图 １ 反冲控制系统构成框图 Ｆｉｇ􀆱 １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ４６ 石 油 机 械２０１６ 年 第 ４４ 卷 第 ３ 期 ２􀆱 ２ 控制算法设计 隔水管的反冲是一个复杂的动态过程， 张力 器、 反冲控制系统、 隔水管以及钻井液同时互相作 用与耦合， 针对隔水管反冲控制系统具有非线性、 时变和大惯性的特点， 设计模糊 ＰＩＤ 控制器控制 反冲阀开度来调节张力器液压油的流速， 从而控制 隔水管垂直位移。 模糊 ＰＩＤ 控制器［１１］主要由模糊控制和参数可 调的 ＰＩＤ ２ 部分组成， 设计的模糊控制器为两输入 三输出结构。 选择隔水管位移偏差 Ｅ 及位移偏差 变化量 ＥＣ作为输入语言变量， ＰＩＤ 控制的 ３ 个参 数 ＫＰ、 ＫＩ和 ＫＤ作为输出语言变量。 根据反冲控制系统的结构特点， 笔者将变量 Ｅ、 ＥＣ的论域均设定为 ［－３， ３］， 并将其量化为 ｛－３， －２， －１， ０， １， ２， ３｝ ７ 个等级。 同时设定 输出变量 ΔＫＰ、 ΔＫＩ和 ΔＫＤ的模糊论域为 ［－３， ３］， 并将其量化为 ｛－３， －２， －１， ０， １， ２， ３｝ ７ 个等级。 根据上述变量的论域设定各模糊变量的语言值 集合均为 ｛ＮＢ， ＮＭ， ＮＳ， ＺＯ， ＰＳ， ＰＭ， ＰＢ｝ ７ 级语言变量。 选择分辨率较高的三角形作为隶属函数。 根据 系统控制要求， 按照上述模糊变量论域量化等级， 建立模糊控制规则， 结果如表 １ 所示。 表 １ ΔＫＰ／ ΔＫＩ／ ΔＫＤ模糊控制规则 Ｔａｂｌｅ １ ΔＫＰ／ ΔＫＩ／ ΔＫＤｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｕｌｅｓ Ｅ ＥＣ ＮＢＮＭＮＳＺＯＰＳＰＭＰＢ ＮＢＰＢ／ ＮＢ／ ＰＳＰＢ／ ＮＢ／ ＮＳＰＭ／ ＮＭ／ ＮＢＰＭ／ ＮＭ／ ＮＢＰＳ／ ＮＳ／ ＮＢＺＯ／ ＺＯ／ ＮＭＺＯ／ ＺＯ／ ＰＳ ＮＭＰＢ／ ＮＢ／ ＰＳＰＢ／ ＮＢ／ ＮＳＰＭ／ ＮＭ／ ＮＢＰＳ／ ＮＳ／ ＮＭＰＳ／ ＮＳ／ ＮＭＺＯ／ ＺＯ／ ＮＳＮＳ／ ＺＯ／ ＺＯ ＮＳＰＭ／ ＮＢ／ ＺＯＰＭ／ ＮＭ／ ＮＳＰＭ／ ＮＳ／ ＮＭＰＳ／ ＮＳ／ ＮＭＺＯ／ ＺＯ／ ＮＳＮＳ／ ＰＳ／ ／ ＮＳＮＳ／ ＰＳ／ ＺＯ ＺＯＰＭ／ ＮＭ／ ＺＯＰＭ／ ＮＭ／ ＮＳＰＳ／ ＮＳ／ ＮＳＺＯ／ ＺＯ／ ／ ＮＳＮＳ／ ＰＳ／ ＮＳＮＭ／ ＰＭ／ ＮＳＮＭ／ ＰＭ／ ＺＯ ＰＳＰＳ／ ＮＭ／ ＺＯＰＳ／ ＮＳ／ ＺＯＺＯ／ ＺＯ／ ＺＯＮＳ／ ＰＳ／ ＺＯＮＳ／ ＰＳ／ ＺＯＮＭ／ ＰＭ／ ＺＯＮＭ／ ＰＢ／ ＺＯ ＰＭＰＳ／ ＺＯ／ ＰＢＺＯ／ ＺＯ／ ＰＳＮＳ／ ＰＳ／ ＰＳＮＭ／ ＰＳ／ ＰＳＮＭ／ ＰＭ／ ＰＳＺＯ／ ＰＢ／ ＰＳＮＢ／ ＰＢ／ ＰＢ ＰＢＺＯ／ ＺＯ／ ＰＢＺＯ／ ＺＯ／ ＰＭＮＭ／ ＰＳ／ ＰＭＮＭ／ ＰＭ／ ＰＭＮＭ／ ＰＭ／ ＰＳＮＢ／ ＰＢ／ ＰＳＮＢ／ ＰＢ／ ＰＢ ３ 仿真模型建立及结果分析 ３􀆱 １ 仿真模型建立 根据隔水管反冲控制系统的理论模型［５］， 结 合工程实际选择隔水管张紧系统的相关参数［１１］。 隔水管参数为 钻井液密度 ２􀆱 ０４ ｇ／ ｃｍ３， 隔水 管长度 ３ ０００ ｍ， 液压缸的面积 ０􀆱 ２４６ ８ ｍ， 隔水管 直径 ５３３􀆱 ４ ｍｍ， 液压缸初始压力 １４􀆱 ５ ＭＰａ， 隔水 管壁厚 １５􀆱 ９ ｍｍ， 液压缸活塞总冲程 ２０􀆱 １ ｍ， 隔 水管密度 ７ ８５０ ｋｇ／ ｍ３， 液压缸活塞的质量 ６００ ｋｇ， 截流阀截面积 ０􀆱 ０３ ｍ， 液压缸缸体的厚度 ３１􀆱 ０ ｍｍ， 液压油密度 ８００ ｋｇ／ ｍ３， 脱离前隔水管与张紧 器顶部距离 ２６􀆱 ２５ ｍ， 张紧器顶端与隔水管之间的 水平距离 ２􀆱 ２５ ｍ。 基于 Ｍａｔｌａｂ 依次构建钻井液、 隔水管、 蓄能 器压力、 液压缸高压侧压力、 液压缸低压侧压力及 系统顶张力等各部分的仿真模型， 根据各部分的内 在联系得到反冲控制系统的开环仿真模型， 如图 ２ 所示。 图 ２ 反冲控制系统开环仿真模型 Ｆｉｇ􀆱 ２ Ｏｐｅｎ⁃ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ５６２０１６ 年 第 ４４ 卷 第 ３ 期何新霞等 深水钻井隔水管反冲控制系统建模与仿真 模型中的钻井液模块模拟反冲过程中隔水管内 部钻井液的运动轨迹， 根据钻井液运动学方程式构 建。 正常条件下， 隔水管内部储存有大量的钻井 液， 紧急分离时由于没有足够的时间将钻井液循环 替换， 在 ＬＭＲＰ 与井口防喷器分离后， 钻井液会 从隔水管底部流出， 作用于隔水管内壁的摩擦力将 起到显著的阻滞作用， 通过仿真可以观察钻井液在 整个下落过程中的运动轨迹。 隔水管模块根据反冲过程中隔水管运动方程式 构建而成， 用来模拟反冲发生时隔水管的运动轨 迹。 正常工作条件下， 隔水管顶部由于液压缸活塞 杆的拉伸作用储存了很大的弹性势能， 当反冲发生 时， 这部分弹性势能会转化成很大的向上的冲力。 通过仿真可观测到隔水管的运动是否能控制在合理 范围内， 以便更好地调控反冲阀开度， 防止发生危 险情况。 液压缸及蓄能器内部压力模块根据液压缸及蓄 能器压力变化方程式搭建， 反应隔水管反冲过程中 各部分压力变化情况， 观测隔水管运动的合理控制 情况。 系统顶张力变化模块根据系统顶张力变化方程 式构建， 反映隔水管反冲控制过程中张紧器系统施 加在隔水管顶部顶张力大小的变化情况， 并观测控 制隔水管的提升力是否在合理范围内。 在开环仿真模型的基础上， 根据对反冲控制系 统控制算法的设计， 构建反冲控制系统闭环仿真模 型， 如图 ３ 所示。 模型中钻井液、 隔水管以及液压 缸高压侧压力等子模块与图 ２ 中的对应子模块结构 及功能相同， 油液流量 ｑＲ与隔水管反冲时产生的 位移 ｘｐ之间的关系子模块根据液压缸内液压油流 速与隔水管的速度关系式［１１］构建， 模糊 ＰＩＤ 控制 器模块 Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 根据所设计的模糊 ＰＩＤ 控制算法构建， 反冲控制阀的仿真模型基于其传递 函数模型构建。 图 ３ 反冲控制系统闭环仿真模型 Ｆｉｇ􀆱 ３ Ｃｌｏｓｅｄ⁃ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ３􀆱 ２ 仿真结果分析 根据构建的系统仿真模型， 对反冲控制系统分 别进行开环及不同控制算法的闭环控制仿真研究， 得到隔水管紧急脱离后系统中各参数的变化曲线。 其中， 隔水管位移和速度变化曲线分别如图 ４ 和图 ５ 所示。 隔水管发生紧急脱离时， 由于张紧力与自身形 变因素会产生很大的加速度， 瞬间速度增大， 随后 由于反冲控制系统的作用［１２－１４］， 隔水管速度逐渐 变小最后趋于 ０， 隔水管位移则基本稳定在 １４􀆱 ２５ ｍ 附近， 跟随钻井船做振幅为 １ ｍ 的正弦运动。 从 图 ５ 可以看出， 无论是开环控制还是闭环控制， 隔 水管在反冲过程中既与下部的 ＢＯＰ 组件保持了安 全的提升距离， 也没有超出伸缩节的冲程， 不会与 上部钻井平台相撞。 图 ４ 隔水管位移变化曲线 Ｆｉｇ􀆱 ４ Ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ 虽然开环控制达到了反冲控制的基本要求， 但 ６６ 石 油 机 械２０１６ 年 第 ４４ 卷 第 ３ 期 是系统超调量大， 震荡时间比较长， 系统的稳定性 较差。 闭环控制效果明显优于开环控制， 在闭环控 制中， 隔水管紧急脱离时基于模糊 ＰＩＤ 控制时其 位移幅值明显减小， 且能更快地跟踪钻井船的正弦 运动， 动态调节性能优于 ＰＩＤ 控制， 有较好的稳 定性能。 图 ５ 隔水管速度变化曲线 Ｆｉｇ􀆱 ５ Ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ ４ 结束语 针对深水钻井隔水管系统可能发生的紧急脱离 状况， 设计了紧急脱离反冲控制系统， 建立了系统 的数学模型。 对于加入了反冲控制阀的张紧系统， 针对隔水管发生紧急脱离时的情况进行了仿真分 析， 分析结果表明， 反冲控制阀的加入可以实现反 冲控制的目标， 使隔水管最终处于稳定状态， 并且 不存在隔水管与上部结构发生碰撞的风险。 通过选定特殊的反冲控制阀进行闭环控制仿真 分析可知， 闭环控制可以达到较好的控制效果， 系 统的稳定性增强， ＰＩＤ 控制和模糊 ＰＩＤ 控制都能发 挥较好的控制作用， 有效地控制了隔水管的反冲速 度， 经过综合比较， 模糊 ＰＩＤ 控制降低了隔水管 起升位移的峰值， 减少了液压系统的压力冲击， 提 高了系统控制性能。 参 考 文 献 ［１］ 张磊， 畅元江， 刘秀全， 等 􀆱 深水钻井隔水管与防 喷器紧急脱离后的反冲响应分析 ［Ｊ］ 􀆱 石油钻探技 术， ２０１３， ４１ （３） ２５－３０􀆱 ［２］ Ｂｒｅｋｋｅ Ｊ Ｎ􀆱 Ｋｅｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐ ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ［Ｒ］ 􀆱 ＳＰＥ ６７８１２， ２００１􀆱 ［３］ Ｂｒｅｋｋｅ Ｊ Ｎ， Ｓｏｌｅｓ Ｊ， Ｗｉｓｈａｈｙ Ｍ Ａ， ｅｔ ａｌ􀆱 Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓ⁃ ｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ［ Ｃ］ 􀆱 ２Ｈ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｉｎｃ􀆱 ， Ｈｏｕｓｔｏｎ， ＴＸ， ＵＳＡ， ２００７􀆱 ［４］ Ｙｏｕｎｇ Ｒ Ｄ， Ｈｏｃｋ Ｃ Ｊ􀆱 Ａ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｒｉｓｅｒ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔａａｎｔｉ⁃ｒｅｃｏｉｌｓｙｓｔｅｍ ［ Ｒ ］􀆱 ＳＰＥ ２３８５８， ２００１􀆱 ［５］ 陈黎明 􀆱 深水钻井隔水管系统作业风险控制与评价 ［Ｄ］ 􀆱 东营 中国石油大学 （华东）， ２０１２􀆱 ［６］ Ｓｔａｈｌ Ｍ Ｊ， Ｂｒｅｋｋｅ Ｊ， Ｈｏｃｋ Ｃ Ｊ􀆱 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｒｉｓｅｒ ｒｅｃｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｕｌｌ⁃ｓｃａｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ［Ｒ］ 􀆱 ＳＰＥ ６２９５９， ２０００􀆱 ［７］ Ｓｔａｈｌ Ｗ Ｊ， Ｗｉｓｈａｈｙ Ｍ􀆱 Ｒｉｓｅｒ ｒｅｃｏｉｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｔ ａ ｈａｒｓｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｄｅｅｐｗａｔｅｒｓｉｔｅ ［ Ｒ ］􀆱 ＯＭＡＥ ５１６２８， ２００４􀆱 ［８］ Ｙｏｕｎｇ Ｒ Ｄ， Ｈｏｃｋ Ｃ Ｊ， Ｋａｒｌｓｅｎ Ｇ， ｅｔ ａｌ􀆱 Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎｔｉ⁃ｒｅｃｏｉｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ ｏｆ ａ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｒｉｓｅｒ Ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ［ Ｒ ］ 􀆱 ＯＴＣ ６８９１， １９９２􀆱 ［９］ 黄银萍， 唐志勇 􀆱 工程机械电液比例阀控制系统模 糊 ＰＩＤ 控制器研究 ［Ｊ］ 􀆱 机床与液压， ２０１０， ３８ （１３） ５２－５４， １８􀆱 ［１０］ 田秀娟 􀆱 深水钻井隔水管张紧系统反冲控制研究 ［Ｄ］ 􀆱 青岛 中国石油大学 （华东）， ２０１３􀆱 ［１１］ 张方芬 􀆱 深水钻井隔水管装置防反冲控制对策及 应用研究 ［Ｄ］ 􀆱 青岛 中国石油大学 （华东）， ２０１５􀆱 ［１２］ 李艳杰， 崔天宇， 王海， 等 􀆱 比例阀控液压缸位置 ＰＩＤ 闭环控制的 ＰＬＣ 软件实现 ［Ｊ］ 􀆱 沈阳理工大 学学报， ２０１３， ３２ （４） ３７－４０， ４６􀆱 ［１３］ 畅元江， 段梦兰 􀆱 南海深水钻井隔水管设计与作 业技术 ［Ｊ］ 􀆱 天然气工业， ２０１４， ３４ （５） １０６－ １１１􀆱 ［１４］ 盛磊祥， 王荣耀， 许亮斌， 等 􀆱 台风应急期间深水 钻井隔水管悬挂撤离安全分析 ［Ｊ］ 􀆱 石油钻探技 术， ２０１５， ４３ （４） ２５－２９􀆱 第一作者简介 何新霞， 女， 副教授， 生于 １９６６ 年， １９８８ 年毕业于石油大学生产过程自动化专业， 现从事油气 测控技术、 电 力 传 动 及 控 制 系 统 的 研 究 工 作。 地 址 （２６６５８０）山东省青岛市。 Ｅ⁃ｍａｉｌｕｐｃ＿ｈｘｘ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 收稿日期 ２０１５－０８－２４ （本文编辑 刘 锋） 􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅 􀤅􀤅􀤅􀤅 􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅􀤅 􀤅􀤅􀤅􀤅􀦅 􀦅 􀦅 􀦅 环境与人类共存，开发与保护同步 ７６２０１６ 年 第 ４４ 卷 第 ３ 期何新霞等 深水钻井隔水管反冲控制系统建模与仿真