一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法、系统、设备及介质与流程

本发明属于钻井温度控制，具体地涉及一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、在深井、超深井与地热井钻进过程中，井底温度常超过150℃，局部可达200℃以上。钻井液携热返回地面后，如未及时有效降温，将引发一系列严重问题：高温导致聚合物降解、黏切力下降、携岩屑能力下降，直接影响钻井液的携岩与悬浮性能；筛网、泵阀体橡胶件、密封件、离心机轴承等加速老化，增加设备维护成本和非生产时间；mwd/lwd（随钻测量/随钻测井）稳定性下降，密度与黏度在线测量误差扩大，影响等效循环密度与井底压力窗口控制，严重时可能引发井控事故。

2、现有钻井液冷却多采用板式换热器、喷淋冷却塔或空冷器，其控制方式多为单回路pid按出口温度闭环调节。例如，申请公布号为cn114776239a的中国专利申请公开了一种高温钻井液冷却系统，可在三种冷却方式之间进行切换；申请公布号为cn120026840a的中国专利申请公开了一种可调钻井液冷却系统，采用流量-温度串级pid双闭环控制方案。然而，上述现有技术仍然存在以下不足：

3、第一，缺乏前馈控制。现有方案未将流量、入口温度与环境温度等扰动作为前馈量，导致响应滞后，在工况突变时难以及时抑制温度波动。

4、第二，热物性“常数化”假设。钻井液密度、含固量、含盐量、含油量及处理剂配方变化使等效比热容、黏度与换热系数动态变化，现有技术以固定参数计算冷负荷，会造成过冷或欠冷与能耗增加。

5、第三，缺乏分级协同。风冷、水冷与主动制冷之间缺少能效最优的自动切换与联动控制策略，易出现“大马拉小车”或“模式频繁抖动”。

6、因此，需要一种能在现场波动工况下实现高精度、低能耗、可解释且可实现的钻井液地面多级协同降温方法。‌‌

技术实现思路

1、本发明的目的，是要提供一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法，通过对钻井液等效比热容进行在线辨识，结合热负荷预测前馈与模糊自整定pid反馈，自动完成风冷-水冷-主动制冷的协同调度，实现出口温度稳定控制、工况突变快速抑制以及在满足温控前提下的能耗优化与设备保护；

2、本发明的第二个目的是要提供一种能够实现上述方法的一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温系统；

3、本发明的第三个目的是要提供一种终端设备，该设备执行自身程序时能够实现一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法；

4、本发明的第四个目的，是要提供一种计算机可读存储介质，用于存储一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法的相应计算机程序。

5、本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

6、一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法，包括以下步骤：

7、s1、通过传感器组实时采集钻井液入口温度、钻井液出口温度、钻井液体积流量、钻井液密度以及环境温度，同时获取各级冷却执行机构的当前运行状态参数；所述状态参数包括风机频率、泵频率、阀位以及冷水机负荷；

8、s2、在系统运行过程中，满足预设的辨识触发条件时，对冷却执行机构施加可控的微扰动作，并在辨识窗口内基于能量守恒原理反演计算当前钻井液的瞬时等效比热容，并对反演结果进行滤波处理得到有效的等效比热容估计值；

9、所述可控的微扰动作为：对冷却执行机构施加功率阶跃；

10、所述等效比热容估计值的计算方式为：

11、在辨识窗口内基于下式计算瞬时等效比热容：

12、

13、式中，为当前冷却链路对钻井液的移热功率，为管路沿程热损耗估计值，为系统换热效率系数；

14、利用卡尔曼滤波或指数滑动平均算法对上述瞬时等效比热容进行平滑处理，得到；

15、s3、根据采集的实时工况数据及所述等效比热容估计值，结合目标设定温度，计算当前工况下钻井液需移除的理论热负荷；

16、s4、根据所述理论热负荷、环境温度，以及各级冷却设备的换热能力边界，按照预设的能效寻优策略，自动选择冷却模式；所述冷却模式至少包括风冷模式、风冷与水冷协同模式、以及主动制冷辅助模式；

17、s5、基于所述理论热负荷生成前馈控制量，基于出口温度偏差采用模糊pid算法生成反馈控制量，将二者叠加后输出控制指令至已选择冷却模式的执行机构，调节风机转速、水泵频率或制冷机组负荷。

18、作为限定，所述辨识触发条件包括：系统首次启动并进入稳态运行后、钻井液体积流量发生阶跃变化超过设定阈值时、或钻井液入口温度的变化率超过设定阈值时。

19、作为第二种限定，所述微扰动作包括短时调整空冷器风机频率或冷却水循环泵频率，且调整幅度限制在不导致出口温度超出安全许可范围的区间内。

20、作为第三种限定，步骤s3中所述理论热负荷的计算公式为：

21、

22、

23、式中，为钻井液质量流量；

24、当≤0时，判定无需冷却或存在过冷风险，进入防过冷策略，降低冷却执行机构输出或优先走旁路。

25、作为第四种限定，步骤s4中冷却模式的选择方式为：

26、估算当前环境温度下空冷器的最大换热能力和板式换热器回路的最大换热能力；

27、若≤-，选择风冷模式；

28、若-＜≤-，选择风冷与水冷协同模式；

29、若＞-，选择主动制冷辅助模式；

30、模式切换需连续满足条件个采样周期，切换后至少驻留才允许再次切换；

31、其中，为预设的切换滞回量，为最小驻留时间。

32、作为第五种限定，步骤s5中所述模糊pid算法的具体控制逻辑为：

33、计算出口温度误差以及变化率；

34、将和作为模糊推理机的输入，根据预设模糊规则表在线动态调整pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

35、复合控制输出为：

36、

37、式中，为复合控制的输出，为基于热负荷计算的前馈控制量。

38、作为第六种限定，步骤s5中还包括异常工况的安全保护策略：

39、当检测到钻井液体积流量瞬间降低幅度超过安全阈值时，直接通过前馈通道强制降低执行机构输出功率；

40、当检测到传感器数据异常或断线时，自动切换至预设的安全运行频率或旁通模式；

41、当冷却水不足、压缩机高压或温度传感器失效时，进入安全模式。

42、一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温系统，用于实现上述的一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法，包括：数据采集单元、中央控制单元和执行机构单元；

43、数据采集单元，用于采集温度、流量、密度及环境参数，将采集到的数据传送至中央控制单元；

44、中央控制单元，内嵌有热物性自判识模块、热负荷计算模块、多级协同决策模块及模糊pid控制模块；所述热物性自判识模块的输出端连接至所述热负荷计算模块的输入端，用于向热负荷计算模块提供等效比热容估计值；所述热负荷计算模块的输出端分别连接至所述多级协同决策模块和所述模糊pid控制模块的输入端，用于向多级协同决策模块提供理论热负荷、向模糊pid控制模块提供前馈控制量；所述多级协同决策模块的输出端连接至所述模糊pid控制模块的模式选择输入端，用于向模糊pid控制模块提供选定的冷却模式；所述模糊pid控制模块的输出端作为所述中央控制单元的输出端与执行机构单元的输入端相连，用于将控制指令输出至执行机构单元；

45、执行机构单元，包括变频驱动的空冷器风机、变频驱动的冷却水循环泵、以及可选配的板式换热器旁路调节阀或冷水机组，接收并响应中央控制单元输出的控制指令。

46、作为限定，所述热物性自判识模块中预存储有系统换热效率系数的标定数据表，该标定数据表以风机频率、水泵频率和环境温度为索引变量。

47、一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法。

48、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现上述的一种基于热物性自判识的高温钻井液多级协同精密降温方法。

49、本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

50、（1）本发明的方法通过集成在线热物性自判识、动态热负荷预测前馈与模糊pid反馈复合控制，实现了对钻井液地面循环降温全流程的智能化协同管控，有效解决了传统方法中热物性参数固定化、控制响应滞后及模式切换不合理的技术难题，显著提高了降温控制的精度、响应速度与能效水平；

51、（2）本发明的方法在系统运行过程中主动施加小幅阶跃扰动并采集响应数据，实时反演当前钻井液的真实等效比热容，彻底摆脱了传统方法对固定比热容参数的依赖，使热负荷计算能够跟随钻井液配方、含固量、含盐量等物性参数的动态变化而自动调整，大幅降低了热负荷计算偏差；

52、（3）本发明的方法基于实时辨识得到的等效比热容与当前工况数据计算理论热负荷，并能够在温度尚未产生显著偏差之前完成执行机构的前馈预调，当钻井液流量骤降或入口温度突变时提前调整冷却功率，有效抑制了热冲击造成的出口温度波动，显著改善了系统的动态响应特性；

53、（4）本发明的方法根据理论热负荷与环境温度自动匹配最优冷却模式，按照风冷优先、水冷协同、主动制冷辅助的分级策略实现冷却资源的合理配置，同时引入切换滞回量与最小驻留时间有效抑制模式频繁切换，既保证了控温能力边界内的稳定运行，又大幅减少了高能耗主动制冷的非必要开启，实现了显著的节能降耗效果；

54、（5）本发明的方法将热负荷预测前馈与模糊pid反馈复合叠加，前馈通道实现快速预调、反馈通道实现精细校正，同时模糊推理机根据出口温度误差及其变化率在线整定pid参数使控制器自适应于不同工况，既克服了纯前馈控制无法消除稳态偏差的缺陷，又弥补了纯反馈控制在响应速度上的不足，实现了全工况范围内出口温度的高精度稳定控制；

55、（6）本发明的方法设置流量骤降前馈强降、传感器失效降级运行及冷却水不足/压缩机高压联锁保护等多重安全策略，在检测到异常工况时无需等待出口温度反馈即可主动执行保护动作，确保控制系统在全工况条件下的安全可靠运行，避免了因设备故障或工况剧变导致的过冷、超温或设备损坏等事故；

56、（7）本发明的系统通过数据采集单元、中央控制单元与执行机构单元的有机集成，实现了从数据采集、物性辨识、热负荷计算、模式决策到前馈-反馈复合控制的全流程自动化闭环运行，系统模块化程度高、适配性强，可灵活集成到各类钻井液地面冷却平台中。‌

57、本发明属于钻井温度控制技术领域，通过对钻井液等效比热容进行在线辨识，结合热负荷预测前馈与模糊自整定pid反馈，自动完成风冷-水冷-主动制冷的协同调度，实现高温钻井液地面循环系统的高精度、低能耗降温控制。