（机械电子工程专业论文）石油钻机钻进过程智能控制系统最优决策与控制方法研究.pdf

中文摘要 论文题目：石油钻机钻进过程智能控制系统最优决策与控制方法研究 专业：机械电子工程 硕士生：王沣涛( 签名) 芝泣溘 指导教师：朱小平( 签名) 荤幺 ij 摘要 近年来，智能控制理论得到了广泛的研究和应用，其中的神经网络控制更是受到 广泛的关注。将智能控制技术用于自动送钻是近年来石油钻井领域的研究热点，也是 工程实际中亟待解决的问题。本文尝试将模糊神经网络控制技术应用于自动送钻控制 的实验研究中。 在石油机械实验室的z j 3 2 钻机实验台的基础上，进行改进设计，建成了自动送 钻实验系统。该实验系统由两个系统组成：一个是加载子系统，另一个是送钻子系统。 其中加载子系统用于模拟井下钻压的变化情况，送钻子系统用于模拟自动送钻，其控 制规律是核心和重点。本文首次将基于遗传算法的神经网络控制方法分别应用于加载 子系统及自动送钻子系统，设计了基于遗传算法的神经网络控制器，并进行了实验， 同时将结果与采用传统的p i d 控制结果进行了比较。实验的结果表明，对于具有非线 性、复杂性的自动送钻系统，将基于遗传算法的模糊神经网络控制方法应用于加载实 验和送钻实验是成功的，该实验为探讨自动送钻控制系统更先进、更实用的控制方法 奠定了基础，也是对自动送钻控制的深入研究和广泛应用起到了一定的推动作用。 关键词：模糊神经网络控制 遗传算法 自动送钻 钻机 论文类型：应用基础 英文摘要 i n f l l i g e n tc o n t r o lt h e o r yh a sr e c e n t l yb e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e dg e n e r a l l ya n d p o p u l a r l y e s p e c i a l y , n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt h e o r yh a sb e e nm o r ea t t r a c t i v ei nt h ea c a d e m i c a n di nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n g n ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt oa u t o m a t i cb i tf e e d s y s t e mi so n eo fh o ts u b j e c t si nt h ef i e l do fa u t o m a t i cd r i l l i n ga n dap r o b l e mw a i t i n gt ob e s o l v e da sq u i c k l ya sp o s s i b l e s ot h i sp a p e rh a sat r yt 0a p p l yf u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l t e c h n o l o g yi nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fa u t o m a t i o nb i tf e e d o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld e v i c ei np e t r o l e u m l a b o r a t o r y o fx i a ns h i y o u u n i v e r s i t y , z j 3 2d r i l l e rd e r r i c ks i m u l a t i n gd e v i c e , a na u t o m a t i o nb i tf e e ds y s t e mw a s b u i l t t h es y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m ：l o a d i n gs u b s y s t e ma n da u t o m a t i o nb i tf e e d s u b s y s t e m t h ef o r m e ri su s e dt os i m u l a t et h ec h a n g eo fw e i g h to nb i ta n dt h el a t t e ri su s e d t os i m u l a t et h ec o n t r o lo fa u t o m a t i o nb i tf e e d t h er e s e a r c ho fc o n t r o lr u l e si st h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e ma n dt h ec o r eo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e raf u z z yn e u r a ln e t w o r kb a s e d o ng e n e t i ca l g o r i t h mi sa d o p t e d ，a n dt h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rb o t hs u b s y s t e m a tl a s t ， s o m ee x p e r i m e n t sw e r em a d ew i t ht h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kb a s e do i lg e n e t i ca l g o r i t h m a n dt h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e r , r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s o fe x p e r i m e n t ss t a t et h a tt h e f u z z yn e u r a ln e t w o r kb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mi ss u c c e s s f u lf o rb o t hs u b s y s t e m sw i t h e o m p l e x i t ) , , n o n l i n a e r i t ya n du n c e r t a i n t y 1 1 l i sw i l lg i v es o m eb a s i sf o ra d v a n c e dc o n t r o l p r o j e e t sf o ra u t o m a t i o nb i tf e e da n di m p e lt h ef u r t h e rr e a e a r c ha n dw i d e ru s e k e y w o r d s ：f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，g e n e t i ca l g o r i t h m , a u t o m a t i o nb i t f e e d ，o i ld r i l l i n gr i g t h e s i s ： a p p l i e a n t i o n f o u n d a t i o n i l l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 至硅瘥 f t 期：趔z ：z ! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复 制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论 文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 多沣滨 茎磊 f t 期：塑1 2 ：! 多 日期：橐唑2 。! ：! 口 第一章绪论 第一章绪论 l 1 题目的来源及意义 本课题来源于西安石油大学机械工程学院石油机械实验室石油钻机实验系统改造 项目。 现代机电一体的钻机，主要由以下几个子系统组成：0 ) - - 大工作系统，即起升系统、 旋转系统和循环系统；( 2 ) m c c ( 电机控制中心) 系统；( 3 ) 智能仪表系统；( 4 ) 智能送钻操 作和监测系统。 在整个的钻机系统中，起升系统处于最重要的地位，它承担着井底钻压控制( 手动 控制和自动控制) 的重任，同时还肩负着起下钻具和套管串等主要钻井作业任务，因此 钻机起升系统的优劣直接影响着整台钻机的性能。 在钻井的过程中，最重要的是节约钻井成本。所以，延长钻头的使用寿命就成为钻 井控制中的重点。但是钻迸速度和钻头损耗是两个矛盾因素，因此要在二者之间取最优， 目前采取的方法主要是恒钻压钻进。采用自动送钻装置可以消除人为控制的缺点，能提 高钻井质量和经济效益。 自动送钻技术，按控制系统主动传动方式的不同进行分类，可分为：机械式、气动 式、液动式、电动式、电磁式、计算机式六类。为了保证在送钻作业出现突变情况时钻 井设备的安全，自动送钻装置必须能够可靠地控制钻压。因此，确定正确的控制策略就 是自动送钻技术中的一个重要问题，而控制策略的实现是其关键所在。所以对石油钻机 钻进过程智能控制系统最优决策与控制方法的研究重点就是对自动送钻系统( 或起升系 统) 的控制研究。也就是自动送钻策略及自动送钻算法的实现。利用计算机，通过软件 编程来实现控制策略，不仅免去了复杂的接口装置，而且由于软件编程的灵活性，可以 对各种控制算法进行优选、组合，通过实验选用适宜的控制算法，从而提高控制品质。 在自动送钻控制研究中，从经济上和安全上考虑，大部分研究仍处在实验室阶段， 主要是进行仿真和模型模拟实验，为自动送钻的现场实验推广应用奠定坚实的基础。所 以，从在钻井工程的广阔应用前景来说，进行自动送钻控制技术的实验室研究对钻进过 程有其重大的现实意义。本论文旨在找到一种优化的控制算法，以便于钻机钻进过程中 的决策与控制，从而提高钻机效率，节约成本。 1 2 国内外发展现状 1 2 1钻机自动化的发展状况 现在，国内外有关控制技术在钻机上的研究及应用主要集中在石油钻机的自动送 钻，基于数据仓库的钻井决策系统研究、实时故障诊断、钻机的噪声控制、钻机钻进过 程中的稳定性及振动控制等方面。 电驱动用于钻机最早开始于2 0 世纪5 0 年代中期，随后逐步完善、成熟。与机械驱 西安石油大学硕士学位论文 动相比，电驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障低、操作更安全、方便、 灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。特别是全数字控制系统的出现，使得电驱 动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更加便捷，故障诊断及维修 更方便。电驱动可以通过可编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操 作和联锁功能等。 国外在1 9 9 4 年已经生产出了全自动化钻机样机。现以研制出自动化、智能化电动 钻机，在钻井实践中取得了较好的使用效果。 ( 1 ) 美国自动化钻机：1 9 9 6 年以来，美国p o o l 公司所属新奥尔良的实验基地出现 了一种具有集中控制钻机顶部驱动回转、绞车升降、钻具自动排放、遥控操作钻井泵、 防喷器、节流压井管汇等功能的钻机以及有宽大、舒适、以透明玻璃罩与井场设施隔开 的控制室组成的全自动控制钻机。据介绍，该钻机仅由2 人坐在控制室的转椅上进行控 制操作( 一人负责钻机钻井操作，另一人负责钻具排放操作) 。因此，使用电脑控制静 液传动的转盘、绞车、顶部驱动和钻井泵，实现钻进、升降钻具和排放钻具，使钻机实 现无人或少人( 1 3 人) 操作，预计在本世纪将会得到进一步完善和推广使用。特别是， 全自动控制钻机将成为海上石油钻机发展的最终目标。 ( 2 ) 挪威自动化钻机：挪威t e m c o 公司生产的全自动化钻机，采用液压驱动的顶部 驱动钻机系统，选用了一种新型钻机结构，可降低钻机成本；采用机器人进行操作，在 钻机中采用了许多新材料和智能技术，是钻井作业全自动化。 ( 3 ) 小井眼自动化石油钻机：采用动力水龙头钻井方式，液压大钳、自动卡瓦、水 平推放钻杆，由机械手进行移运与排放。该钻机自动化程度较高，接单根时间只需要 6 s 。实际应用中，电驱动钻机比机械驱动钻机具有更好的经济效益。 我国电动钻机电气控制系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期。2 0 世纪8 0 年代末， 在借鉴国外先进技术的前提下，生产出我国第一台直流驱动的z j 4 5 d 陆地电动钻机。 2 0 世纪9 0 年代后期，在引进国外全数字控制技术的基础上，开始全数字钻机电气控制 系统的研究，如采用国外数字直流调速器，将模拟控制直流钻机升级为数字控制直流电 动钻机。全数字电控系统是目前电控系统的主流，它是用微机处理器实现软件控制，具 有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能。全数字控制系统各环节的控制参数可实 时调整，以满足钻井工艺的新要求和钻井工况的实时变化。 近几年将交流变频调速技术应用于石油钻采设备上，生产出全数字交流驱动电动钻 机。2 0 0 2 年宝鸡石油机械有限责任公司开发的7 0 0 0 m 、5 0 0 0 m 、和3 0 0 0 m 三种新型交 流变频钻机一并通过验收，代表着我国石油钻机发展的最高水平，其采用先进的全数字 矢量控制变频系统及高速、大功率宽频交流电动机，完全实现绞车、转盘、钻井泵0 , - - 1 0 0 范围内的无级调速智能游车位置控制功能，通过采集主电动机和滚筒编码器数字信号， 精确计算游车位置，与绞车控制系统相结合，实现防止上碰下砸功能；在国内首次采用 高速齿轮单轴绞车，质量轻；钻机通过电控系统与钻井仪表的一体化设计，电、气、液 2 第一章绪论 的统一控制，实现司钻的智能化控制。 从钻井发展历史看，整个钻机控制的发展大致可分为三个阶段，即司钻控制阶段、 自动控制阶段、全面最优化自动控制阶段。全面最优化自动化钻井，各种参数在钻井过 程均在变化，并保持着最优值钻井，所以具有最好的经济效益。全面最优化自动钻井由 参数测量记录显示系统、综合电子计算机中心、自动送钻装置三部分组成。 在现代的自动送钻控制研制中，广泛、大量地采用了计算机控制技术，进而进行全 面最优化自动控制钻井的研究。在这样的计算机控制系统中，采用什么样的控制方法去 实现其控制规律，是研究的核心和重点。所以。对控制理论的研究和应用是进行自动送 钻控制技术研究的主要内容之一。 1 2 2 控制技术的发展 控制理论从二十世纪四十年代诞生以来，已经经历了古典控制理论和现代控制理论 两个发展阶段。目前，正处在智能控制理论阶段。 “智能控制”这个术语早在1 9 6 7 年由l e o n d e s 等人提出。1 9 7 1 年，傅京生( k i n g s u n f u ) 通过对含有拟人控制器的控制系统和自主机器人诸方面的研究，以“智能控制”这 个词概念性地强调系统的问题求解和决策能力。他把智能控制( 圮) 概括为自动控制 ( a c ) 和人工智能( , 4 1 ) 的交集，即 i c = a c n , 4 1 ( 1 - 1 ) 傅京生主要强调人工智能中“仿人”的概念与自动控制的结合。以后，s a r i d i s 等人 从机器智能的角度出发，对傅京生的二元交集论进行了扩展，引入运筹学并以其作为另 一个集合，提出的三元交集的智能控制概念，即 1 c = a c n o r n a l ( 卜2 ) 式中o r 表示为运筹学。 智能控制开始成为一个新的学科的标志是1 9 8 7 年在费城举行的第一次国际智能控 制会议，许多原来从事自动控制系统或自动控制理论研究的工作者，在进一步探索自动 控制与其它领域的交叉发展的关系后，提出了自动控制、人工智能、运畴学相结合或自 动控制、人工智能、运畴学和信息论相结合的思想。它不同于经典控制理论和现代控制 理论的处理方法，是一门交叉学科，是针对系统的复杂性、非线性、不确定性而提出来 的。智能控制研究的主要目标不再是控制对象，而是控制器本身。控制器不再是单一的 数学模型解析型，而是数学解析和知识体系结合的广义模型，是多种学科知识的融合。 智能控制的特点是系统应体现“智能递增，精度递减”的一般组织结构的基本原理；开、 闭环控制结合和定性决策与定量控制结合的多模态控制；应具备学习功能、适应功能和 组织功能：在信息处理方法上，既有数学运算，又有符号运算的逻辑推理。 模糊逻辑控制、专家控制和神经网络控制是三种典型的智能控制方法1 1 j 。 ( 1 ) 专家控制 西安石油大学硕士学位论文 a s t o r m 将人工智能专家系统技术引入了控制系统形成了“专家系统”【2 】。专家控制 是基于知识的智能控制，由关于控制领域的知识库和体现该知识决策的推理机构构成主 体框架，通过对控制领域知识( 先验知识、动态知识、目标等) 的获取与组织，按某种 策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，进而对过程对象实施控制，或修改补充知识 条目。 ( 2 ) 神经网络理论 神经网络的研究已经有3 0 多年的历史，它的发展过程也不是一帆风顺的，有高潮 也有低潮，有成绩也有挫折。近几年的研究表明，神经网络在很多领域具有广阔的应用 前景。它在智能控制中的应用是其中的一个重要方面。 神经网络是介于符号推理与数值计算之间的一种数学工具。它具有很好的适应能 力和学习能力，因此它适合于用作智能控制的工具。从本质上看，神经网络是一种不依 赖模型的自适应函数估计器。给定一个输入，可以得到一个输出，但它并不依赖于模型， 即它并不需要知道输出和输入之间存在着怎样的数学关系。而通常的函数估计器是依赖 于数学模型的，这是它与神经网络的一个根本区别。当给定的输入并不是原来训练的输 入时，神经元网络也能够给出合适的输出，即它具有的插值功能或适应功能。人工智能 专家系统在一定意义也可将其看作为不依赖模型的估计器，它将条件映射为相应的动 作，它也不依赖于模型。在这一点上它与神经网络具有共同之处，但是它采用的是符号 处理方法，它不适应于数值的方法，也不能用硬件方法来实现。符号系统虽然也是随时 间改变的，但是它没有导数，它不是一个动力学系统。当输入不是预先设计的情况时， 它不能给出合适的输出。因而它不具备自适应的功能。在专家系统中，知识明显地表示 为规则，而在神经网络中，知识是通过学习例子而分布地存储在网络中。正是这一点， 神经网络具有很好的容错能力，当个别单元损坏时，对神经网络的整体行为只有很小的 影响，而不会影响整个系统的正常工作。神经网络还特别适合于用来进行模式分类，因 而它可用于基于模式分类的学习控制。 神经网络也是一种可以训练的非线形动力学系统，因而它呈现非线形动力学系统 的许多特性，如李雅普诺夫定理、平衡点、极限环、平衡吸引子、混沌现象等。这些也 都是在用神经网络组成智能控制系统时必须研究的问题。 ( 3 ) 模糊集合论 由于模糊控制主要是模仿人的控制经验雨不是依赖于控制对象的模型。因此模糊 控制器实现了人的某些智能，因而是种智能控制。 模糊集合理论是介于逻辑计算与数值计算之间的一种数学工具。它形式上是利用 规则进行逻辑推理，但其逻辑取值可在0 和1 之间连续变化，采用数值的方法而非符号 的方法进行处理。符号处理方法可以直裁了当地用规则来表示结构性的知识，但是它不 能直接使用数值计算的工具，因而也不能用大规模集成电路来实现一个a i 系统。而模 糊系统可以兼具两者的优点，它可以用数值的方法来表示结构性的知识，从而用数值的 4 第一章绪论 方法来处理。因而可以用大规模集成电路来实现模糊系统。 与神经网络一样，模糊系统也可以看成一种不依赖于模型的自适应估计器。给定 一个输入，便可得到一个合适的输出。它主要依赖于模糊规则和模糊变量的隶属度函数， 而无需知道输出和输入之间的数学依存关系。 模糊系统也是一种可以训练非线形动力学系统，因而也存在诸如稳定性等问题需 要加以研究。 ( 4 ) 优化理论 在学习控制系统中常常通过对系统性能的评判和优化来修改系统的结构和参数。 在神经网络控制中也常常是根据使某种代价函数极小来选择网络的连接权系数。在分层 递阶控制系统中，也是通过使系统的总熵最小来实现系统的优化设计。因此优化理论也 是智能控制理论的一个主要内容。 在优化理论中新近发展了一种遗传算法( g e n e t i ca l o g o r i t h m 一简称g a 算法) 它 是一种全局随机寻优算法。它模仿生物进化的过程，来逐步达到最好的结果。这种优化 算法也将在智能控制中发挥重要的作用。 ( 5 ) 智能决策支持系统 决策支持系统( d s s ) 是辅助决策的信息应用系统，而智能决策支持系统( i d s s ) 则是人工智能理论和技术与决策支持系统相结合的产物。 随着人工智能技术的发展，人工神经网络、模糊逻辑和专家系统已广泛地用于d s s 系统中，智能d s s 己曰益成为大、中型企业、政府管理部门、以及各种专业和事务管 理部门进行辅助决策的有力工具。智能决策支持系统是目前决策领域的一个研究热点， 各种技术正处在不断发展和完善，控制和决策关系是十分密切的。在工业生产过程中， 控制离不开决策，决策为控制提供依据p j 。 1 2 3 智能控制在自动送钻系统中的应用 目前将智能控制理论与技术应用于自动送钻系统中，这一课题还主要处于实验室研 究阶段。在国内，华中理工大学史玉升教授给出了利用反向传播神经网络( b p 网络) 建立钻压优化模型的方法，并进行了计算机仿真研究。它可以克服需要建立数学模型的 缺陷，满足自动送钻技术对实时性的要求。另外，中国石油大学针对一套盘式刹车自动 送钻系统，给出了盘式刹车钻压优化自动送钻微机控制系统的设计思想和研制方法，阐 述了系统的软硬件设计方法，该系统不但可以适应盘式刹车钻压优化自动送钻的控制， 而且还可以适应盘式刹车恒钻压自动送钻的控制。西安石油大学建立了一套自动送钻模 拟实验系统，并进行了加载部分的自适应模糊控制研究和加载部分的自组织模糊控制研 究。 5 西安石油大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要研究内容 本论文主要的研究内容是： ( 1 ) 石油钻机自动送钻系统的实验室装置改造 在原石油机械试验室的自动送钻系统上进行改建，建立智能控制及电气硬件部分。 ( 2 ) 神经模糊控制器设计 利用神经网络与模糊逻辑二者的关联、互补性建立模糊神经网络控制器。通过改进 遗传算法记忆这些规则样本，在线修正控制器参数。 ( 3 ) 控制系统软件的设计 在模糊神经控制器设计的基础上，开发系统的控制软件。软件包括数据采集和转换 程序、控制器算法的软件实现。 ( 4 ) 实验 模糊神经控制器的设计成功与否，在实验中加以验证，同时把基于遗传算法的模糊 神经网络控制结果与传统p i d 控制结果进行比较。 6 第二章石油钻机设备和工艺 第二章石油钻机设备和工艺 2 1 石油钻机设备概述 钻进设备主要是指用于钻油、气井的的一套重型联合机组。目前，国内外的钻井方 法主要是旋转钻井法，所用钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。 钻井工艺对石油钻机的基本要求是1 4 】： ( 1 ) 起下钻具能力。为了起下钻具及处理井下事故等，要有一定的起重能力和起升 速度。由钻机的起升系统承担。 ( 2 ) 旋转钻进能力。为了带动钻具、钻头旋转钻进等，要有一定的转矩和转速。由 钻机的旋转系统承担。 ( 3 ) 循环洗井能力。为了保证正常钻进、冲洗井底及携带岩屑等，循环钻井液要有 一定的压力和排量。由钻机的循环系统承担。 一部完整的陆地钻机由如下八大系统及其相应设备组成，如下图2 1 所示1 5 】。 图2 - i 石油钻机的组成 1 转盘；2 永龙头；3 钻杆柱；4 钻头；5 钻挺及井座动力钻具；6 钻井泵：7 地面管汇； 8 钻井液池；9 钻井液漕；1 0 振动筛：1 1 绞车；1 2 猫头；1 3 滚筒与辅助刹车；1 4 天 车；1 5 游车：1 6 大钩；1 7 游动系统钢丝绳；1 8 井架；1 9 动力机；2 0 钻台底座； 2 1 井口装置防喷器 7 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 起升系统 起丹系统由绞车( 1 1 ) 、井架( 1 8 ) 、天车( 1 4 ) 、游动滑车( 游车) ( 1 5 ) 、大钩( 1 6 ) 及钢 丝绳( 1 7 ) 等组成。游动系统( 天车、游车、钢丝绳) 及大钩悬挂在井架内。绞车的起升工 作是动力通过传动装置传递的，起升作业时还用一些辅助设备，如吊环、卡瓦、吊钳及 钻具运移机构等。起升系统设备的主要功用是起下钻具、控制钻压送钻、更换钻头和下 套管等。 ( 2 ) 旋转系统 旋转系统由地面的转盘( 1 ) 、水龙头( 2 ) 和井下钻具( 5 ) 、钻头( 4 ) 等组成。该系统的 主要功用是带动井下钻具、钻头等旋转、破碎岩石( 钻进) 及连接起升系统和钻井液循环 系统。 ( 3 ) 钻井液循环系统 钻井液循环系统设备很多，主要由钻井泵( 6 ) ，地面高压( 低压) 管汇( 7 ) ，立管，水 龙带，钻井液循环、净化、处理、配置设备及井下钻具、钻头等组成。该系统设备的主 要功用是通过钻井泵将钻井液送至立管、水龙带、水龙头( 2 ) 、方钻杆、井下钻柱及钻 头后冲洗井底，携带岩屑从环空( 即井眼与钻具之间的空隙) 带出地面，以利正常钻井。 ( 4 ) 动力驱动设备 目前一些老式钻机采用柴油机为动力；也有用柴油机带动交流发电机经过整流后， 用直流电动机作钻机的动力；由于交流调速技术的发展，现在还有用交流电动机为动力 直接驱动钻机设备。 ( 5 ) 传动系统 传动系统设备又称联动机组，指的是动力机与工作机之间的各种传动设备及部件。 钻机的传动方式，一般是机械、电、液、气传动的联合使用。大部分转盘钻机目前是机 械传动为主其它传动为辅的联合传动。机械传动主要包括齿轮、链轮、链条、皮带轮、 皮带、轴及轴承等组成的减速、变速装置。 ( 6 ) 控制系统 现在较先进的钻机多以机械、电、气、液联合控制。机械控制设备有手柄、踏板、 操纵杆等；气动( 液动) 控制设备有气( 液) 元件、工作缸等；电控制设备有变阻器、电位 器、继电器、微型控制器等。该系统设备的功用是根据钻井工艺的要求，使每台工作机 操作时反应迅速、动作准确可靠、便于集中控制和自动记录等，使操作者能够按自己的 意愿保证钻机各部件的安全正常的工作。 ( 7 ) 钻机底座 钻机底座主要由钻台底座、机泵底座及主要辅助设备底座组成。般是采用型钢或 管材焊接成简单的几何体。钻机底座的功用是：便于安装固定钻机的各种设备，满足搬 迁的要求。 ( 8 ) 钻机的辅助设备 8 第二章石油钻机设备和工艺 现代化的钻机还必须有大批的辅助设备，如供电，供气，供水，供油，防喷设旌， 钻井液的配制、储存、处理设施及各种仪器和自动记录仪表。还要有采暖等其它辅助设 备。 全钻进过程包括【6 j ： 第一次开钻，下表套管。 第二次开钻，从表层套管内用较小一级钻头往下钻进。如地层情况不复杂，可直接 钻到预定井深完井；若遇到复杂地层，用泥浆难以控制时，便要起钻，下技术套管。 第三次开钻，从技术套管内用小一级钻头往下钻进，直至预定深度。若在遇复杂地 层就需下第二层技术套管，进行第四次开钻。如此进行，直至钻完部井深，下油层套管， 进行固井和完井作业。 钻进作业主要包括以下工序：下钻、正常钻进、起钻、换钻头。换完钻头，又开始 下钻，重复上述作业，直至钻至设计井深。 随着科学技术的发展，钻井设备的不断改进，已出现了各种现代化的井1 ：1 2 1 2 具。自 动送钻技术的研制成功，液压钻机、顶驱钻机等的问世，或多或少地会改变上述操作， 但基本的钻井作业工序是不变的。 当钻穿油气层达到预定深度时，钻进阶段即告结束。 2 2 钻机工作原理 上- - d , 节介绍了石油钻机的组成，从中我们可以看出石油钻机的工作过程。参见图 2 一l ，钻进部分由纵向运动和水平旋转运动两部分组成。它们构成了钻机的主要运动部 分。其中纵向运动部分由绞车( 1 1 ) 带动，并通过游车( 1 5 ) ( 含滑轮组) 带动整个钻具，负责 钻具的上升和下降( 在钻井过程中一般只有钻具下降，而钻具的起升一般是在更换钻头 或增加钻杆的情况下才发生的) ：而水平旋转运动由动力机组带动钻杆上的转盘( 1 ) 驱使 钻杆水平旋转从而带动井底钻头旋转，以破碎岩石，保证钻头的持续向下钻进。 图2 - 1 中其余部分为辅助钻井部分，它们配合钻进部分工作从而达到更好的钻进 效果，所以也是石油钻机必不可少的组成部分，但本文所论述的控制部分只是针对钻进 部分而设计的，所以这里不多介绍辅助钻井部分。 2 3 钻进参数的选择 2 3 1影响钻井成本的因素 为了节约钻井成本，我们必须分析影响钻井成本的诸多因素，然后采取有效的方法 来处理，最终实现整体钻进成本最低。 在影响钻井经济效益的众多因索中，直接与钻进过程有关的因素可分为两大类：一 类是地质条件、岩层性质和钻井深度等不能任意改变的客观因素：一类是钻头类型、泥 浆性能、钻压和转速等可由人们选定的可调变量。 9 西安石油大学硕士学位论文 因为在可调变量中，一旦钻井设备确定，则相应的钻头类型也就固定下来，而泥浆 特性是与控制系统无关的，所以下面主要研究钻压和转速这两个与控制系统直接相关的 可调因素【5 】o 所谓钻压是指钻头与地层之间的压力，转速是指钻杆( 钻头) 的旋转速度，也就是转 盘的转速。钻压、转速是直接作用于井底藉以破碎岩石的基本参数。近三十年来，国外 在这方面进行了相当广泛深入的研究，并取得了比较满意的结果。由于钻压、转速是通 过钻头破碎岩石的，他们的作用不仅对钻进速度有影响，同时也会影响钻头的磨损速度 和工作寿命。因此在优选钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的影响，确定合理的最 优配合。 1 钻压、转速对钻速的影响 研究方法是在现场直接进行转速实验，严格控制其它参数不变，单独分别测定钻压 或转速对钻速的影响。 图2 2 是在油田作钻进试验的典型拟合曲线。其中图a 是在其它钻进参数保持不变 的情况下，钻压与钻速的关系曲线。由图可见，最初因钻压很小，岩屑量小，井底净化 充分，钻速沿o a 段与钻压平方成正比。继续增加钻压，岩屑量相应增多，但因水力参 数不变，井底净化条件逐渐变差，钻速增长率逐步下降而沿a b 段儿乎与钻压成线性关 系。此后再增加钻压，井底净化条件将严重恶化，钻速增长更慢，而且可能不再增加。 钻逢m m ( 米州埘) 钻速m m ( 米，j 、时) 图2 - 2 钻压、转速与钻速的关系曲线 c a ) = f ( p ) 1 一井底净化充分；2 一净化不充分 ( b ) 圪= 厂( 疗) 1 一软地层；2 一中软地层；3 一硬地层 ( 转盼) 钻井实践证明，在目前通用的钻压范围内，钻压一般都与钻速成线性关系，因为钻 压小于只时，钻速增长率虽比较高，但因钴压过低，一般都不采用：钴压超过b 以后， 井底净化条件难以改善，钻头磨损也会加剧，限制了钻速的进一步加大。因此在实际应 用中通常都选取图2 - 2 ( a ) 中的直线段( a b 线) 上的钻压值来进行钻进。 1 0 第二章石油钻机设备和工艺 图2 - ：2 ) 是在钻压和其它钻进参数都不改变的条件下，转盘转速与钻进速度的关系 曲线。从图中可以发现，在软地层也就是井底净化充分的情况下，钻速与转速成正比； 当地层变硬，钻速与转速不再成正比，这是因为转速快，单位时间内钻齿对岩石的冲击 次数多，钻速加快，但却缩短了钻齿与地层的接触时间t ，当t 低于岩石破碎所需时间 时，钻齿不能吃入，破岩效率便会显著下降。 2 钻压、转速对钻头磨损的影响 钻头磨损包括两个方面：钻头牙齿的磨损和钻头轴承的磨损。所以从上述两个方面 入手来分析钻压、转速对钻头磨损的影响。 ( 1 ) 钻压、转速对一钻头牙齿磨损速度的影响 钻头牙齿的磨损速度可以用单位时间内齿高磨损量的微商表示。它与钻压和转速的 关系曲线如图2 3 所示。图中d h d t 为单位时间内齿高磨损量的微商，c 为钻头直径( r a m ) 。 d h d t 钻童m m ( ；i 一哪， ( a ) 嘞 图2 - 3 牙齿磨损速度与钻压和转速的关系曲线 ( 转份) 由图2 - 3 ( a ) 可看出，对某种型号的钻头，随着钻压的升高，牙齿磨损速度加快，当 到达虚线所示的钻压值时，牙齿的磨损速度达无限大，也就是说虚线所示的钻压为该种 钻头的极限钻压。由图2 - 3 ( b ) 可看出，牙齿磨损速度随着转速的升高而加剧。而且地 层越硬，牙齿磨损加剧得越快。 ( 2 ) 钻压、转速对钻头轴承磨损速度的影响 在某些研磨性较低的岩层内，或用牙齿耐磨性很高的镶齿牙轮钻头时，钻头牙齿 往往磨损不多而轴承先期磨损。这时钻头的工作寿命则应由轴承的磨损速度来确定。根 据g r a h a mj ，w 等人的研究，钻压、转速与轴承磨损速度之间的关系式为： 型；_ ln p l 5 ( 2 1 ) d tb 。 式中b 是轴承磨损量，由轴承磨损分级标准确定，具体值可查阅相关表格。b 是轴 承工作系数，它与钻头类型及泥浆性能有关，应由实际资料确定。由上式可以看出，在 西安石油大学硕士学位论文 压力p 固定时，型里与转速n 成正比。 , i t 2 3 2 钻进参数的确定 截止到目前为止，实时控制最优化钻进还处于实验室研究阶段，原因很多，最主 要的是目标函数中包含的各参数不易获得( 特别是地质参数，而且随着地层的深入其值 处于变化状态) 。因此目前国内外在实际钻井过程中所采用的各参数值( 钻压和转速等) 都是在大量实践的基础上、同时参考邻近井的资料或试井资料而获得的。 目前实际钻井中对各参数的要求大多是钻压恒定、转速可调。通过对图2 2 的分析 可知，钻压取a b 段上的某一值，在该钻压下应该获得较高的钻进速度且钻头磨损速度 较低，而且注意要小于图2 3 中所述的极限钻压。由钻井技术人员根据邻近井的资料或 试井资料来确定理想的钻压值p ，一旦p 值固定，在某一口井的整个钻进过程中就不再 变化，也就是要保持恒钻压连续钻进，从而对钻机的控制系统提出了严峻的要求。 转速则须根据实际情况处于不断变化状态，由图2 2 和2 3 可知在硬地层高转速并 不会产生高钻速，而且会加剧钻头磨损，因此转速要根据实际需要而调整。 本文针对z j 3 2 型3 2 0 0 米陆地石油钻机，设计的控制系统所能达到的指标是：钻压 在钻进过程中保持恒定( 范围是2 0 t 一3 6 t ，可根据要求自行设定) ，且误差范围不超过 一0 5 t + o 5 t ：转速在大范围内可调，调整范围是6 0 r m ( 硬地层) 一1 9 0 r m ( 软地层) 。 本实验中，所使用的z j 3 2 模拟井架有效承载能力为2 0 0 0 0 n 。 1 2 第三章神经两络 第三章神经网络 3 1 人工神经元模型 人脑是由大量的神经细胞组合而成，它们之间互相连接。脑神经元由细胞体、树突 和轴突构成。细胞体是神经元的中心，它一般又由细胞核、细胞膜等组成。树突是神经 元的主要接受器，它主要用来接受信息。轴突的作用主要是传导信息，它将信息从轴突 起点传到轴突末梢，轴突末梢与另一个神经元的树突或细胞体构成一种突触的机构。通 过突触实现神经元之间的信息传递。 人工神经网络是利用物理器件来模拟生物神经网络的某些结构和功能。图3 - 1 是最 典型的人工神经元模型【7 1 。 图3 - 1 典型神经元模型 该神经元模型的输入输出关系为： s j = w j , - 0 j = w j , x , ( = 日，w j o = 一1 ) ( 3 1 ) y j = f ( s ，) ( 3 - 2 ) 其中0 ，称为阈值，w 。称为连接权系数，( ) 称为输出变换函数，下面给出了几种 索见的函数的解柝表达式： ( 1 ) 比例函数 y=f(x)=s(3-3) ( 2 ) 符号函数 y = f ( x ，= 二。： 。q ( 3 ) 饱和函数 西安石油大学硕士学位论文 ( 4 ) 双曲函数 ( 5 ) 阶跃函数 ( 6 ) s 型函数 y = ，( x ) = 1 j 一1 b 一三j 1 _ 磐 ( 4 1 5 ) 若综合考虑复制和杂交的影响，特定模式h 在下一代的数量可用下式( 4 - 1 6 ) 来估计 删，h 1 ) 圳即) 等【l 一只普】 ( 4 1 6 ) 可见，对于那些高于平均适配值且具有短的定义长度的模式将更多地出现在下一代 中。 ( 3 ) 变异对模式的影响 变异是对串中的单个位置以概率p 。，进行随机替换，因而它可破坏特定的模式。 一个模式h 要存活意味着它所有的确定位置都存活。因此，由于单个位置的基因值存 活的概率为( 1 一p 。) ，而且由于每个变异的发生是统计独立的，所以一个特定模式仅当 它的d ( 日) 个确定位置都存活时才存活，从而得到变异后，特定模式的存活率为 ( 1 一只) o 8 ( 4 1 7 ) 由于己 - m ( h , t ) 牮【l - 只等_ d ( 矾) 】 o ) 其中忽略了一项较小的交叉相乘项。 变异的加入需对前面的分析结论略加改进。从而完整的结论为：对于那些短定义长 度、低次数、高于平均适配值的模式将在后代中呈指数级地增长。这个结论十重要，通 常称它为遗传算法的模式理论。 根据模式理论，随着遗传算法的一代一代地进行，那些短定义长度、低次数、高于 平适配值的模式将越来越多，最后得到的串即这些模式的组合，因而可期望性能越来越 西安石油大学硕士学位论文 得到改善，并最终趋向全局的最优点。 4 2 改进的自适应遗传算法 为进一步解决全局收敛性与收敛速度问的矛盾，本节介绍并利用了种新的自适 应遗传算法( i m p r o v e ds e l f - a d a p t i v eg a ，i s a g a ) ，并介绍应用一种评价种群“早熟”程 度的新指标，对算法的重要控制参数以和t 7 。进行动态调整，使得算法不仅具有较高的 计算效率，而且在遗传迭代中能够维持群体的个体多样性，以增强算法的全局收敛性能。 4 2 1 传统遗传算法面临的闯题 传统的遗传算法往往存在两个严重缺点，即易发生“早熟”以及在进化后期搜索效 率较低，使得最终搜索得到的结果不是全局最优解，而是局部最优解。尽管目前关于如 何避免“早熟”的研究非常多【1 4 l 【1 5 】【1 6 1 ，但在如何定量地评价种群个体“早熟”程度方 而，相应的研究还不是很多。张晓馈等在讨论了种群分布的多样性程度( 也可理解为种 群个体早期收敛程度) 的基础上给出了3 个定量指标。本节在分析了这3 个指标的性能 和计算量的基础之上，介绍了一种新的种群“早熟”程度评价指标，并结合自适应调整 遗传算法控制参数的思想，介绍了一种改进的自适应遗传算法。实践表明，该算法不仅 能加快遗传算法进化速度，而且还能增强算法的全局收敛性能，从而得到满意的全局最 优值。 4 2 2 种群“早熟”程度的定量评价指标 改进遗传算法的困难在于：一方面为了保证遗传算法能全局收敛，必须使群体中有 足够多不同的个体，即保护群体的多样性；而另一方面，为了加快算法的收敛速度，又 必须使群体中的个体尽快向最优解方向靠拢，这样将不可避免地降低种群