[發明專利]一種構造煤煤層氣井下混合物舉升的控制方法與系統

有效

• 申請號: 202110622578.0
• 申請日: 2021-06-04
• 公開（公告）號: CN113374449B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 李自成;朱鈺輝;桑樹勛;周效志;曹麗文;劉世奇;王海文;劉會虎;賈金龍;王后能
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: E21B43/00
• 分類號: E21B43/00;E21B43/12
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 劉琰

本發明公開了一種構造煤煤層氣井下混合物舉升的控制方法及系統。該方法包括：推導由泵閥控制系統控制下的數學模型，建立所述泵閥控制系統的狀態空間表達式；通過狀態反饋精確線性化對系統進行線性化與解耦控制；利用改進型Smith預估器去除時滯造成的系統不穩定性；在此基礎上采用滑模控制解決氣水煤舉升過程中出現的參數不確定和系統魯棒性問題；通過改進切換函數，對滑模控制系統的抖振進行了抑制。本發明所設計的基于狀態反饋精確線性化的滑模抖振抑制控制器能夠有效的對氣水煤舉升系統進行解耦，不僅去除時滯帶來的系統不穩定影響，而且對離心泵的抖振具有有效的抑制，具備良好的控制性能。

技術領域

本發明涉及煤層氣開采過程井下混合物舉升控制領域，尤其涉及一種構造煤煤層氣井下混合物舉升的控制方法及系統。

背景技術

我國煤層氣資源豐富，具有廣闊的開發前景。構造煤作為我國已發現煤炭資源中占比較高的一部分，具有富氣、低滲、松軟等特點，且多為煤與瓦斯突出煤層，開采利用較為困難。現階段煤層氣的開發主要圍繞資源勘探與煤層氣地面井開發兩方面。隨著煤層氣的開發，煤粉問題已逐漸成為制約煤層氣開發的重要問題。主要表現在煤粉遷移對于儲層傷害和煤粉堵塞造成的排采故障。

通過煤粉生成與遷移的實驗，表明生產過程中的煤粉對煤層滲透性具有顯著影響。氣液固三相實驗表明煤粉粒徑，液體流量和瓦斯流量對煤粉舉升高度有明顯的影響，而煤顆粒質量濃度的影響可忽略不計。對于舉升裝置的控制，現階段多為借鑒石油天然氣開采中較為成熟的控制方式，采用機器學習對人工舉升系統進行了優化。通過設計新的管道，降低煤水懸浮液中的煤粉的沉降。

構造煤由于煤的構造變形程度高，井下煤粉濃度相比其他原生煤更高，平均粒徑更小。在實際開采過程中，水平井誘導造洞穴垮落煤粉、儲層應力釋放后產出煤層氣為主的流體和泵入井中的水構成氣-水-高濃度煤粉多相混合物，混合物需要通過直井進行舉升。倘若舉升流量不夠或舉升不及時，容易造成煤粉卡泵、泵漏、泵閥難開啟等問題。而流量過大或壓力過大時，容易造成產氣通道的破壞，導致后續產氣量下降，降低煤層氣開采的經濟效益。因此控制氣水煤混合物舉升過程中流量穩定對實現混合物的高效舉升具有重要意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種構造煤煤層氣井下混合物舉升的控制方法及系統。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種構造煤煤層氣井下混合物舉升的控制方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：根據構造煤煤層氣開采控制系統中的氣水煤混合物舉升過程，推導由泵閥控制系統控制下的數學模型，建立所述泵閥控制系統的狀態空間表達式；

步驟2：基于所述的狀態空間表達式，采用狀態反饋線性化對泵閥構成的舉升系統進行直接解耦控制；

步驟3：基于所述的狀態反饋線性化的直接解耦控制，采用改進型Smith預估器去除時滯造成的系統不穩定性；

步驟4：基于所述的具有改進型Smith預估器的狀態反饋線性化的直接解耦控制，運用滑模控制進一步提高泵閥控制系統的魯棒性；

步驟5：基于所述的反饋線性化的滑模控制，利用改進切換函數以抑制泵閥控制系統的抖振，確定構造煤煤層氣井下混合物舉升的控制率；

步驟6：基于所述控制率對氣水煤混合物舉升系統進行控制。

進一步地，本發明的所述步驟1中，根據構造煤煤層氣開采控制系統中的氣水煤混合物舉升過程，推導由泵閥控制系統控制下的數學模型，建立所述泵閥控制系統的狀態空間表達式，其具體方法為：

構造煤煤層氣開采控制系統包括六大部分：煤系地層結構重構與相似材料子系統，水平井雙向往復式鉆井與洞穴完井子系統，水平井洞穴激勵卸壓與流體運移子系統，直井氣水煤粉混合物舉升與產出子系統，地面氣水煤分離、收集與水循環使用子系統，儀器系統信息與自動化控制子系統；