引 言
　　多级节流智能控制系统是一套复杂的机、电、液一体化系统，涉及多项技术，其中最关键的技术是应用计算机对井控节流阀压降的实时控制;系统采用计算机电液比例闭环控制，通过研究建立了系统的数学模型，并结合石油天然气井控的相关知识采用PID控制算法，对液动节流阀的阀芯位移和阀压降进行比较准确的控制;设计最大井控压力105MPa，压力控制误差小于0.5MPa;通过现场试验，表明该系统工作平稳，控制精度高，其安全性、可靠性和可操作性完全能够满足现场压井作业的需要。
　　在塔里木油田山前构造带油气勘探开发过程中，常遇到地层压力高(达102MPa)、产气量大、溢流速度快、地下复杂情况等，现有井控设备特别是现有节流系统已不能满足勘探开发的要求，容易导致井喷失控事故。有关专家提出采用多级节流压力控制系统，在节流管汇中串联多个节流阀，实现逐级降压，减少作用在单个节流阀上的压力负荷，提高节流阀的可靠性和使用寿命。在多级节流管汇中使用多个液动平板阀和多个液动节流阀，可根据实际情况选择一级、二级、三级节流，其控制操作比较复杂，为了减少在紧急情况下人工手动操作带来的失误，确保钻井作业施工安全，研制了多级节流智能控制系统。
　　1 系统组成
　　多级节流智能控制系统主要由工控机及控制监测软件、电液控制箱、多级节流管汇三大部分组成，其系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

　　计算机监测控制系统由工控机和相关软件构成。工控机通过采集安装在多级节流管汇上传感器传来的信号，监测套压、立压、排量、节流阀压降、阀芯位移等参数，显示并根据需要发送控制信号，通过电液控制箱转换并控制多个液动平板阀和多个液动节流阀动作。通过调节多级节流管汇中的液动平板阀开启和关闭来确定节流通路，通过实时调节多级节流管汇中液动节流阀的开度来使井内压力按照给定的压力值变化，完成井控施工作业。多级节流智能控制系统是一套复杂的机电液一体化系统，涉及多项技术，其中最关键的技术是实现对节流阀压降的实时控制。根据野外工作环境条件系统采用计算机电液比例闭环控制，其控制原理如图2所示。系统采用闭环反馈控制，可以大大减小干扰引起的误差，比开环空控制的精度更高。

图2 控制原理图

　　2 控制系统数学模型
　　控制部分主要由工控机、放大器、电液比例阀、液压缸、压力和位移传感器等组成。控制对象是钻井用节流阀。放大电路中放大环节的时间常数很小，一般小于0.001s，可将放大器看作一个比例环节;一般系统可将比例阀简化为一个一阶惯性环节;液压动力元件是一个阀控液压缸直线位移控制系统，根据流量连续性原理可以列出液压缸两腔的流量连续方程及活塞上的力平衡方程，考虑活塞杆直径较粗而忽略其弹性影响，简化后得到阀控液压缸数学模型;压力传感器(或位移传感器)的时问常数一般很小，所以检测反馈环节也可以看作一个比例环节。
　　按照井控理论，在压井过程中应保持泥浆排量不变的条件下始终使井底压力大于地层压力。井底压力等于井筒内液柱压力与井口压力之和，当井筒内液柱压力小于要求的井底压力时，就需要通过改变节流阀开度来改变液体流道面积而产生井口回压，从而使井底压力达到要求。多级节流井控中选择二级或三级节流时，使用一个固定节流阀与一个或两个可调液动节流阀串联，操作中仅实时控制一个液动节流阀，其余节流阀的开度固定不变。节流阀的压降与通流面积、流量之间的关系可由如下经验公式表达：

　　(1)
　　式中p为阀压降;ρ为钻井液密度;q为流量;c为流量系数;A为节流阀通流面积。设节流阀通流面积梯度为w，阀芯位移为xp，则A=wxp，于是有：

　　(2)
　　由于p与xp、q之间的关系是非线形关系，对其线形化并写出增量方程：
　　P=Kpxxp+Kpqq (3)
　　式中Kpx为节流阀压力——位移系数www.cechina.cn，Kpq为节流阀压力——流量系数。
　　根据上述分析，可以得出该控制系统的传递函数框图如图3所示。

图3 系统传递函数框图

　　3 计算机控制
　　PID控制是广泛应用的一种校正方法，计算机控制系统中PID控制可以根据对象的工况调整PID参数，并可以得到各种不同形式的PID控制器，具有很好的灵活性和适用性。为了使控制具有较好的稳定性和避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的密封磨损，在控制精度允许的条件下我们采用了带死区的控制算法。具体方法通过给定压力与实际采集的压力比较得到一个压力偏差e(k)，经过一个死区比较。

　　(4)
　　其中，ε即为设计要求的压力控制精度(比如0.5MPa)，当压力偏差在控制精度范围内时，控制器不动作;当偏差不在控制精度范围内时才输出控制。
　　根据液压系统数学模型可以使用Ziegler-Nichols法进行YIP参数整定。运用该方法进行整定的关键在于确定系统开始振荡时的比例系数Km和振荡频率ω1。这两个参数可以利用根轨迹法加以确定。在根轨迹图中对应穿越虚轴时的增益即为KmCONTROL ENGINEERING China版权所有，而此点的ω值即为ω1。计算PID参数Kp、Ki、Kd的值由Ziegler-Nichols法确定。
　　由于节流阀在不同工况点的阀系数的值不同，因此采用分段计算确定PID参数，而不是每一点计算，这样可以减少很多计算，节省计算时间。
　　4 试验结果分析与结论
　　2005年9月下旬，在塔里木油田康村二井95/8"套管井内进行了多级节流井控系统(手动操作和计算机控制)多项试验，获得了圆满成功。试验多级节流管汇示意图如图4所示。设计最大控制压力(井口压力)为105MPa，控制压力稳态误差小于0.5MPa，但受现场条件限制最大试验压力只能做到50MPa。

图4 试验多级节流管汇示意图

　　图5是在钻井液密度为2.0×103kg/m3，排量1.25×10-2m3/s，固定喷嘴直径1.2×10-2m的条件下做的计算机控制三级节流实验曲线。节流阀J1和J4b在100%开度的阀芯位移为5.0×10-2m，阀芯直径5.0×10-2m。

图5 三级节流实验

　　图中横坐标为记录时间，压力曲线和开度曲线由计算机同时自动记录绘制。实验数据表明，用计算机自动操作控制，能够很好地保持套压恒定，且控制时间远小于手动操作，控制精度远大于手动操作;试验结果可以看出www.cechina.cn，在三级节流时，虽然套压达50MPaCONTROL ENGINEERING China版权所有，作用在固定节流喷嘴的压降为23MPawww.cechina.cn，作用在两只液动节流阀J1和J4b上的压降仅为13MPa、14MPa左右，与常规一级节流相比，节流阀上作用的压降要小得多。
　　通过试验数据初步分析可以得出以下结论：
　　(1)多级节流井控计算机闭环控制系统工作平稳，能够实现自动恒压控制，控制时间短，控制精度高，如果将自动恒压控制技术移植到常规井控节流系统，有着广阔的应用前景。
　　(2)多级节流系统降低了单个节流阀的压降，比单级节流安全性、可靠性高，控制系统的可操作性完全能够满足生产现场压井作业需要。
　　(3)可以减少工人的劳动强度和人工操作带来的失误，自动化程度高。
　　图5是在钻井液密度为2.0×103kg/m3，排量1.25×10-2m3/s，固定喷嘴直径1.2×10-2m的条件下做的计算机控制三级节流实验曲线。节流阀J1和J4b在100%开度的阀芯位移为5.0×10-2m，阀芯直径5.0×10-2m。
　　图5 三级节流实验
　　图中横坐标为记录时间，压力曲线和开度曲线由计算机同时自动记录绘制。实验数据表明，用计算机自动操作控制，能够很好地保持套压恒定，且控制时间远小于手动操作，控制精度远大于手动操作;试验结果可以看出www.cechina.cn，在三级节流时，虽然套压达50MPaCONTROL ENGINEERING China版权所有，作用在固定节流喷嘴的压降为23MPawww.cechina.cn，作用在两只液动节流阀J1和J4b上的压降仅为13MPa、14MPa左右，与常规一级节流相比，节流阀上作用的压降要小得多。
　　通过试验数据初步分析可以得出以下结论：
　　(1)多级节流井控计算机闭环控制系统工作平稳，能够实现自动恒压控制，控制时间短，控制精度高，如果将自动恒压控制技术移植到常规井控节流系统，有着广阔的应用前景。
　　(2)多级节流系统降低了单个节流阀的压降，比单级节流安全性、可靠性高，控制系统的可操作性完全能够满足生产现场压井作业需要。
　　(3)可以减少工人的劳动强度和人工操作带来的失误，自动化程度高。