基于模型预测控制(MPC)的深水钻井隔水管应急解脱后回弹振动抑制研究

针对深水钻井隔水管系统在应急解脱后因弹性势能释放与钻井液排放耦合作用引发的回弹振动问题，中国研究人员开发了一种集成操作约束与滚动优化的模型预测控制器(MPC)。该研究通过建立多物理场耦合动力学模型，将回弹抑制转化为二次规划问题，仿真表明MPC在位移幅值抑制和振荡缓解方面显著优于传统最优回弹控制器(ORC)和前馈补偿最优控制器(ORCFC)，为深海钻井安全提供了创新性解决方案。

　　

在波涛汹涌的深水海域，钻井隔水管系统如同连接海面平台与海底井口的"生命线"，承担着循环钻井液、调控井压等关键任务。然而当遭遇台风或系统故障触发应急解脱时，这根"生命线"会像突然松开的弹簧般剧烈回弹——弹性势能的瞬间释放与钻井液排放形成"双重打击"，可能引发隔水管屈曲、疲劳断裂等灾难性后果。传统控制方法如同用固定节奏应对复杂舞步，难以协调多变的流体-结构相互作用、平台升沉运动等动态因素，更无法处理"禁止轴向压缩"等刚性约束。

中国石油大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的这项研究，创新性地将模型预测控制(MPC)引入深水隔水管回弹抑制领域。通过建立融合钻井液排放阻力与平台升沉运动的三自由度集中参数模型，将复杂的多物理场耦合振动转化为可量化调控的状态空间方程。研究团队设计的MPC控制器如同一位"预见性舞伴"，通过滚动时域优化实时调整控制策略，在满足各种操作约束的前提下，将回弹振动抑制转化为二次规划(QP)问题求解。

关键技术方法包括：1）基于有限元法和集中质量法建立隔水管回弹动力学模型；2）构建包含状态约束和输入限制的MPC优化框架；3）采用模态叠加技术求解控制方程；4）通过高保真数值仿真验证控制器性能。研究特别考虑了实际工程中的禁止轴向压缩约束和张力器输出限制。

【Mechanical model】
通过有限元离散化建立的集中参数模型揭示：应急解脱后隔水管系统呈现张力器作用力、钻井液重力排放与弹性势能释放的三重耦合动力学特征。模型将连续体隔水管等效为质量-弹簧-阻尼系统，精确刻画了流体-结构相互作用引起的非线性振动模态。

【Architecture of MPC】
设计的MPC控制器采用"预测-优化-校正"闭环架构。在每个控制周期，基于当前系统状态预测未来时域内的动态响应，通过求解带约束的QP问题生成最优控制序列，仅实施首步控制后即进入下一轮滚动优化。这种机制使控制器能自适应调整应对时变扰动。

【Simulation validation】
数值仿真显示：相比ORC和ORCFC，MPC使隔水管顶端位移峰值降低23.7%，振荡衰减时间缩短41.2%。更关键的是，MPC严格保证了隔水管全程处于拉伸状态，完全避免了传统方法可能引发的危险轴向压缩。控制器对钻井液排放速率突变等扰动展现出强鲁棒性。

【Conclusions】
该研究实现了深水钻井隔水管回弹控制从"被动响应"到"主动预见"的范式转变。MPC框架通过系统状态约束的直接嵌入和滚动优化机制的引入，不仅解决了传统控制难以处理多约束的痛点，更开创了将现代控制理论应用于深海工程装备振动抑制的新途径。工程意义上，该技术可降低应急解脱工况下隔水管系统失效概率达60%以上，为我国深海油气资源安全开采提供了关键技术支撑。未来研究可拓展至考虑洋流-波浪耦合激励的更复杂场景，以及开发基于边缘计算的实时控制硬件系统。