随着石油钻采技术不断向着更加复杂的地层不断发展,窄密度安全钻井问题日益突出,已成为制约石油勘探开发技术瓶颈难题。为了有效解决这个难题,美国在21世纪提出控制压力钻井(MPD)技术,旨在通过精确控制井筒环空内压力剖面,从而达到精确控制井底压力的目的,有效的避免井涌、井漏、井塌、井喷等井下事故,从而提高钻井的效率和安全。目前,国外控压钻井技术能够依托井下和地面参数测量,实现实时监测与控制系统的一体化,并已经在多个油田上得到了应用,在此基础上不断的进行技术革新。相对于国外的控压钻井技术,国内的控压钻井技术起步较晚,且关键钻井技术大多是来自国外。同时,国内多采用对井口参数的测量来间接获取井下压力的变化情况,并没有一体化监测与控制系统,国内对于这方面的研究尚处于一个集成创新的阶段。本文在广泛调研国内外控压钻井的技术研究现状的基础之上,结合控压钻井压力控制原理和控制策略、施工工艺以及配套地面设备,选择了井口回压作为控制参数,并建立了节流阀回压控制系统控制数学模型,根据该模型的特点,设计出了一种改进粒子群优化PID神经元网络(IPSO-PIDNN)控制算法,在此基础之上设计了一套控压钻井节流回压优化控制系统,并在现场进行测试。本文取得了以下研究成果:1、广泛调研国内外关于控压钻井井底压力控制的技术文献,研究控压钻井系统井底压力控制的相关原理、配套装备组成以及控制工艺流程,并对影响井底压力的因素进行了分析,选择井口回压作为节流压力优化控制系统的控制参数。2、分析了控压钻井压力控制原理和控制策略,结合地面节流管汇中节流阀的特性,建立了节流阀回压控制数学模型,同时节流阀动作产生压力波,根据压力在井筒环空中传递的特点,建立了压力传递模型,来缩短控制时间,对节流阀压力控制量的设定具有指导作用,保证环空压力处于窄密度安全窗口钻井之中。3、根据节流阀回压控制数学模型的特点,提出了一种改进粒子群优化PID神经元网络(IPSO-PIDNN)算法,根据该算法建立了节流回压优化控制仿真模型,并在MATLAB环境下,对该模型进行仿真,将模型仿真结果和多种控制算法进行对比分析,证明该优化算法更为适合节流压力控制。4、依托节流回压优化控制仿真模型,结合井场现有的仪器仪表及控制单元,设计了一套控压钻井节流回压优化控制系统,集成了实时监测和数据采集模块和控制模块,并进行了现场应用,通过现场测试,软件系统运行良好,控制模型能够满足现场应用要求,确保钻井的安全进行。