目前,国内控压钻井技术和装备与国外相比,无论是在装备研制,或是在控制性能及精度上仍然存在较大差距,而且在控制方法上多是采用传统PID控制算法,正在大力发展的先进控制方法在控压钻井控制方面应用还比较少。因此,本文基于西门子PCS7设计了一套控压钻井装备操作软件,设计了自动控制系统,可以对控压钻井的过程进行实时监控操作。基于控压钻井压力控制方法及井口回压调节的研究,对节流阀压力控制使用先进控制算法仿真。国内外专家学者已经对井筒环空多相流水力模型做了大量的研究,且有运用到控压钻井装备的模型计算上,也取得了较为丰硕的成果,但国内对井筒多相流尤其是气侵的研究还有待进一步的开拓。在前人对井筒环空两相流模型研究基础上,本文研究控压钻井井筒环空气液两相流以及气侵期间气液两相流模型,对气液两相流气侵过程进行一定的模拟,结果分析可以为控压钻井过程中的气侵控制提供一定的理论支持。考虑工艺流程以及控制要求,针对三通道控压钻井控制系统,本文设计了一种基于现场总线的控制方案,对控制系统进行了一系列的设计,包括做软硬件组态、仪器仪表选型等。利用西门子PLC和Win CC组态软件设计了一套操作软件,通过组态监控界面能够实现实时数据监控、工况控制、报警联锁等功能,全数字化的智能仪器仪表以及信号传输方式的应用,提高了控制系统的控制精度。从数学模型及控制对象本身出发,分析对象的动态特性,然后根据试验数据做曲线拟合。针对传统控制算法在压力控制方面的局限,采用基于非线性模型预测控制的先进方法,对控制目标进行模拟仿真。实验表明模型预测控制方法能够很好的改善系统的控制性能。