论文部分内容阅读
随着我国深水石油勘探开发的不断发展，深水钻井隔水管系统这一深水钻井作业关键装备在我国的应用也更为广泛。由于深水钻井隔水管系统设备复杂、作业环境恶劣，当发生故障时，隔水管必须在限制时间内执行紧急脱离，隔水管在紧急脱离后会发生反冲，如果隔水管反冲得不到有效控制，将会对隔水管及平台设备造成严重损坏。国内对于隔水管反冲控制的研究尚处于初始阶段，存在大量空白，深入研究并掌握隔水管反冲控制技术，对于我国深水油气开采具有重要意义。本课题选题来源为国家科技重大专项“深水钻完井工程技术”的子课题(2011ZX05026-001-05)“深水钻井隔水管作业管理及安全评价技术”，进行深水钻井隔水管系统紧急脱离与反冲控制技术研究。本文首先研究深水钻井隔水管紧急脱离后发生反冲的原因、危害以及反冲控制的目标，对常用反冲控制系统的结构以及工作原理进行简要阐述，针对直接作用式隔水管反冲控制系统确定基于西门子S7-300PLC的控制方案、控制系统的构成以及需要实现的功能。根据系统的要求，进行PLC等硬件设备的选型以及I/O分配，完成反冲控制系统的硬件电路设计以及软件设计，软件设计实现系统隔水管紧急脱离的判断与启动，隔水管速度的控制，系统顶张力的控制以及故障的检测与报警等功能，设计基于PLC的模糊PID控制算法，模拟实现反冲控制的目标，同时设计基于WinCC组态软件的人机界面，通过WinCC与PLC之间的通讯，实现对反冲控制系统的实时监控与故障检测和报警等功能。另外，针对直接作用式隔水管张紧系统进行反冲分析，根据张紧系统各元件的特点，建立系统的运动学数学模型，采用MATLAB软件编制程序进行算例分析，结果表明隔水管反冲运动在反冲控制系统的作用下能够得到有效的控制，同时选择电液比例阀作为反冲控制阀，建立基于模糊PID控制的电液比例阀传递函数模型，并在SIMULINK中建立对应的仿真模型，采用开环控制、常规PID控制和模糊PID控制三种不同的控制方案进行对比分析，结果表明采用模糊PID控制算法可以使系统的稳定性得到明显的提升。