一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法及系统。该方法包括：推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式；通过状态反馈精确线性化对系统进行线性化与解耦控制；利用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性；在此基础上采用滑模控制解决气水煤举升过程中出现的参数不确定和系统鲁棒性问题；通过改进切换函数，对滑模控制系统的抖振进行了抑制。本发明专利技术所设计的基于状态反馈精确线性化的滑模抖振抑制控制器能够有效的对气水煤举升系统进行解耦，不仅去除时滞带来的系统不稳定影响，而且对离心泵的抖振具有有效的抑制，具备良好的控制性能。备良好的控制性能。备良好的控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法与系统


[0001]本专利技术涉及煤层气开采过程井下混合物举升控制领域，尤其涉及一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法及系统。

技术介绍

[0002]我国煤层气资源丰富，具有广阔的开发前景。构造煤作为我国已发现煤炭资源中占比较高的一部分，具有富气、低渗、松软等特点，且多为煤与瓦斯突出煤层，开采利用较为困难。现阶段煤层气的开发主要围绕资源勘探与煤层气地面井开发两方面。随着煤层气的开发，煤粉问题已逐渐成为制约煤层气开发的重要问题。主要表现在煤粉迁移对于储层伤害和煤粉堵塞造成的排采故障。
[0003]通过煤粉生成与迁移的实验，表明生产过程中的煤粉对煤层渗透性具有显著影响。气液固三相实验表明煤粉粒径，液体流量和瓦斯流量对煤粉举升高度有明显的影响，而煤颗粒质量浓度的影响可忽略不计。对于举升装置的控制，现阶段多为借鉴石油天然气开采中较为成熟的控制方式，采用机器学习对人工举升系统进行了优化。通过设计新的管道，降低煤水悬浮液中的煤粉的沉降。
[0004]构造煤由于煤的构造变形程度高，井下煤粉浓度相比其他原生煤更高，平均粒径更小。在实际开采过程中，水平井诱导造洞穴垮落煤粉、储层应力释放后产出煤层气为主的流体和泵入井中的水构成气
‑
水
‑
高浓度煤粉多相混合物，混合物需要通过直井进行举升。倘若举升流量不够或举升不及时，容易造成煤粉卡泵、泵漏、泵阀难开启等问题。而流量过大或压力过大时，容易造成产气通道的破坏，导致后续产气量下降，降低煤层气开采的经济效益。因此控制气水煤混合物举升过程中流量稳定对实现混合物的高效举升具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法及系统。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]本专利技术提供一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤1：根据构造煤煤层气开采控制系统中的气水煤混合物举升过程，推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式；
[0009]步骤2：基于所述的状态空间表达式，采用状态反馈线性化对泵阀构成的举升系统进行直接解耦控制；
[0010]步骤3：基于所述的状态反馈线性化的直接解耦控制，采用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性；
[0011]步骤4：基于所述的具有改进型Smith预估器的状态反馈线性化的直接解耦控制，
运用滑模控制进一步提高泵阀控制系统的鲁棒性；
[0012]步骤5：基于所述的反馈线性化的滑模控制，利用改进切换函数以抑制泵阀控制系统的抖振，确定构造煤煤层气井下混合物举升的控制率；
[0013]步骤6：基于所述控制率对气水煤混合物举升系统进行控制。
[0014]进一步地，本专利技术的所述步骤1中，根据构造煤煤层气开采控制系统中的气水煤混合物举升过程，推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式，其具体方法为：
[0015]构造煤煤层气开采控制系统包括六大部分：煤系地层结构重构与相似材料子系统，水平井双向往复式钻井与洞穴完井子系统，水平井洞穴激励卸压与流体运移子系统，直井气水煤粉混合物举升与产出子系统，地面气水煤分离、收集与水循环使用子系统，仪器系统信息与自动化控制子系统；
[0016]构造煤煤层气开采控制系统用于构造煤煤层气开发，探索构造煤原位煤层气高效勘探开发理论和技术装备；该方法针对其中的直井气水煤粉混合物举升与产出子系统进行研究与控制；直井气水煤粉混合物举升与产出子系统通过泵阀控制系统控制举升设备和煤粉破碎与扰动装置，实现底层煤粉的及时破碎与水力输送，达到煤粉不堵塞管道与产出液平稳收集的目的；泵阀控制系统由动力液罐，离心泵，气动控制阀，设备管道，举升装备，产出液罐构成；
[0017]对泵阀控制系统从动力液罐到产出液罐由伯努利方程化简得到：
[0018][0019]式中，Q为管道中的流量，A为管道的横截面积，ρ为流体密度，L为管线总长度；ΔP
e
为泵提供的压力，ΔP
v
为阀门造成的压力损失，ΔP
c
为混合物举升设备造成的压力损失；
[0020]以流量Q，控制阀开度γ和离心泵转速n为状态变量，以阀开度设定γ
set
和离心泵转速设定n
set
为输入变量，以流量Q和控制阀压差ΔP
v
为输出变量，推导出泵阀控制系统的状态空间方程为：
[0021][0022]式中：
[0023][0024][0025][0026][0027]其中，T
γ
和T
n
分别为控制阀和离心泵的时间常数。
[0028]进一步地，本专利技术的所述步骤2中，基于所述的状态空间表达式，采用状态反馈线性化对泵阀构成的举升系统进行直接解耦控制，其具体方法为：
[0029]对状态方程中输出y求导，直到控制u明确出现；
[0030][0031]式中：
[0032][0033]其中，b为阀门压力损失拟合系数，K(γ)为阀门流量拟合曲线；
[0034]当控制率选择为
[0035][0036]时，将控制率代入线性化模型，则原模型描述为：
[0037][0038][0039]即可实现精确线性化的直接解耦。
[0040]进一步地，本专利技术的所述步骤3中，基于所述的状态反馈线性化的直接解耦控制，采用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性，其具体方法为：
[0041]对该时滞系统进行时滞平衡后，在原Smith预估器的设计基础上，在主反馈回路增加了一个一阶滤波环节G
f
(s)，用以降低模型误差与干扰带来的影响。
[0042]进一步地，本专利技术的所述步骤4中，基于所述的具有改进型Smith预估器的状态反馈线性化的直接解耦控制，运用滑模控制进一步提高泵阀控制系统的鲁棒性，其具体方法为：
[0043]定义滑模面：
[0044][0045]式中，e1＝y
1set
‑
y1，e2＝y
2set
‑
y2，α为常系数；
[0046]则
[0047][0048]式中
[0049][0050]系数α使得多项式满足赫尔维茨稳定性判据；
[0051]控制律选择为：
[0052]u＝G
‑1[d+k
·
sgn(S)
‑
F][0053]式中sgn(s
i
)是符号函数；
[0054][0055]式中且k1＞0,k2＞0；综上得到：
[0056][0057][0058]则因此s
i
在有限时间内趋于0；当轨迹到达滑模面时，误差趋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：根据构造煤煤层气开采控制系统中的气水煤混合物举升过程，推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式；步骤2：基于所述的状态空间表达式，采用状态反馈线性化对泵阀构成的举升系统进行直接解耦控制；步骤3：基于所述的状态反馈线性化的直接解耦控制，采用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性；步骤4：基于所述的具有改进型Smith预估器的状态反馈线性化的直接解耦控制，运用滑模控制进一步提高泵阀控制系统的鲁棒性；步骤5：基于所述的反馈线性化的滑模控制，利用改进切换函数以抑制泵阀控制系统的抖振，确定构造煤煤层气井下混合物举升的控制率；步骤6：基于所述控制率对气水煤混合物举升系统进行控制。2.根据权利要求1所述的构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，根据构造煤煤层气开采控制系统中的气水煤混合物举升过程，推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式，其具体方法为：构造煤煤层气开采控制系统包括六大部分：煤系地层结构重构与相似材料子系统，水平井双向往复式钻井与洞穴完井子系统，水平井洞穴激励卸压与流体运移子系统，直井气水煤粉混合物举升与产出子系统，地面气水煤分离、收集与水循环使用子系统，仪器系统信息与自动化控制子系统；构造煤煤层气开采控制系统用于构造煤煤层气开发，探索构造煤原位煤层气高效勘探开发理论和技术装备；该方法针对其中的直井气水煤粉混合物举升与产出子系统进行研究与控制；直井气水煤粉混合物举升与产出子系统通过泵阀控制系统控制举升设备和煤粉破碎与扰动装置，实现底层煤粉的及时破碎与水力输送，达到煤粉不堵塞管道与产出液平稳收集的目的；泵阀控制系统由动力液罐，离心泵，气动控制阀，设备管道，举升装备，产出液罐构成；对泵阀控制系统从动力液罐到产出液罐由伯努利方程化简得到：式中，Q为管道中的流量，A为管道的横截面积，ρ为流体密度，L为管线总长度；ΔP
e
为泵提供的压力，ΔP
v
为阀门造成的压力损失，ΔP
c
为混合物举升设备造成的压力损失；以流量Q，控制阀开度γ和离心泵转速n为状态变量，以阀开度设定γ
set
和离心泵转速设定n
set
为输入变量，以流量Q和控制阀压差ΔP
v
为输出变量，推导出泵阀控制系统的状态空间方程为：式中：
其中，T
γ
和T
n
分别为控制阀和离心泵的时间常数。3.根据权利要求2所述的构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，基于所述的状态空间表达式，采用状态反馈线性化对泵阀构成的举升系统进行直接解耦控制，其具体方法为：对状态方程中输出y求导，直到控制u明确出现；式中：其中，b为阀门压力损失拟合系数，K(γ)为阀门流量拟合曲线；当控制率选择为时，将控制率代入线性化模型，则原模型描述为：时，将控制率代入线性化模型，则原模型描述为：即可实现精确线性化的直接解耦。4.根据权利要求3所述的构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，基于所述的状态反馈线性化的直接解耦控制，采用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性，其具体方法为：对该时滞系统进行时滞平衡后，在原Smith预估器的设计基础上，在主反馈回路增加了一个一阶滤波环节G
f
(s)，用以降低模型误差与干扰带来的影响。5.根据权利要求4所述的构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，所述
步骤4中，基于所述的具有改进型Smith预估器的状态反馈线性化的直接解耦控制，运用滑模控制进一步提高泵阀控制系统的鲁...

【专利技术属性】
技术研发人员：李自成，朱钰辉，桑树勋，周效志，曹丽文，刘世奇，王海文，刘会虎，贾金龙，王后能，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：