SU1479632A1 - Система автоматического управлени процессом бурени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к колонковому бурению геологоразведочных скважин и позвол ет повысить эффективность управлени  за счет установлени  новых значений режима бурени  при смене горных пород и защиты бурильной колонны от раскручивани  и прижогов. Система снабжена задатчиками: 8 мощности на вращение бурильной колонны, 9 интенсивности частоты вращени , 10 начальной частоты вращени  и 16 мощности на бурение, регул тором частоты вращени  (РЧВ) 6 и регул тором осевой нагрузки (РОН) 13. К входам РЧВ 6 подключены выходы датчика 4 момента, первого сумматора 5, задатчика 7 допустимого вращающего момента и задатчика 8. Сигнал на выходе РЧВ 6 характеризует заданную частоту вращени . Дл  предотвращени  раскручивани  и прижога бурильной колонны выход РЧВ 6 соединен с исполнительным механизмом 11 через задатчик 9, второй вход которого подключен к задатчику 10. К входам РОН 13 подключены выходы блока 18 адаптации, второго сумматора 14, датчика 12 и задатчика 15 механической скорости бурени , а также задатчика 16. Сигнал на выходе РОН 13 характеризует заданную осевую нагрузку и подаетс  на первый вход исполнительного механизма 17, где сравниваетс  с сигналом датчика 23 осевой нагрузки. По сигналу рассогласовани  осуществл етс  подача бурильной колонны. Блок 18 адаптации включает два сумматора 19 и 20, два задатчика граничных значений осевой нагрузки и два элемента 21 и 22 ограничени  пределов, выходы которых  вл ютс  выходами блока 18. Алгоритм работы блока 18 позвол ет осуществл ть оптимальное управление по заданной мощности на разрушение горной породы на границах допустимых значений осевой нагрузки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

1

Изобретение относитс  к контролю и управлению процессом бурени , в частности к системам автоматического управлени  режимами колонкового бурени  геолого-разведочных скважин .

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности управлени  за счет установлени  новых значений режима бурени  при смене горных пород и защиты бурильной колонны от раскручивани  и прижогов.

На фиг. 1 изображена функциональна  схема системы автоматического управлени  процессом бурени ; на фиг.2 регул тор осевой нагрузки; на фиг.З- регул тор частоты вращени  с задат- чиком интенсивности; на фиг. 4 - адаптации.

На фиг. 1 изображен объект 1 управлени , включающий буровой станок 2 с приводом и конструктивный элемент 3, отображающий взаимосв зь привода подачи бурового станка 2 и перемещение бурильной колонны при ее подаче , так как механическа  скорость бурени   вл етс  суммой скоростей перемещени  бурильной колонны и подачи ее верхнего конца. Система автоматического управлени  процессом бурени  содержит (фиг. 1) датчик 4 вращающего момента, выход которого соединен с первыми входами первого сумматора 5 и регул тора 6 частоты вращени , второй вход которого подключен к выходу первого сумматора 5. Выход задатчика 7 допустимого вращающего момента соединен с вторым входом первого сумматора 5 и с третьим входом регул тора 6 частоты вращени , четвертый вход которого подключен к выходу задатчики 8 мощности на вращение бурильной колонны, а выход - к первому входу задатчика 9 интенсивности частоты вращени . Выход задатчика 10 начальной частоты вращени  соединен с вторым входом задатчика 9 интенсивности частоты вращени , выход которого подключен к входу исполнительного механизма 11 по частоте вращени . Контур регулировани  осевой нагрузки включает датчик 12 механической скорости бурени , регул тор 13 осевой нагрузки, второй сумматор 14, задатчик 15 механической скорости, задатчик 16 мощности на бу рение, исполнительный механизм 17 по осевой нагрузке, блок 18 адаптации, включающий два сумматора 19 и 20, соединенные с соответствующими элементами 21 и 22 ограничени  пределов и датчик 23 осевой нагрузки. Два выхода блока 18 адаптации, выходы второго сумматора 14, датчика 12 и задатчика 15 механической скорости, а также задатчика 16 мощности на бурение соединены соответственно с шесть входами регул тора 13 осевой нагрузки , выход которого подключен к первому входу исполнительного механизма

0

5

0

5

45

0

17 по осевой нагрузке. Выходы задатчика 15 и датчика 12 механической скорости соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора 14, а выход датчика 23 осевой нагрузки подключен к входу блока 18 адаптации и к второму входу исполнительного механизма 17 по осевой нагрузке .

Регул тор 13 осевой нагрузки, регул тор 6 частоты вращени , задатчик 9 интенсивности частоты вращени  и блок 18 адаптации (фиг. 1-4) могут быть выполнены на операционных усилител х и интегральных микросхемах, предназначенных дл  выполнени  операций умножени  и делени  в аналоговой форме о

В основу технического решени  положено следующее. Известно, что при алмазном бурении геолого-разведочных скважин механическа  скорость пропорциональна частоте вращени  или имеет пологую нелинейность, поэтому бурение всегда следует вести в режиме максимальной частоты вращени  бурового снар да. Этот режим может быть обеспечен при бурении на номинальной мощности бурового станка. Известно, что

VN,

(о

где

М«Г

К - вращающий момент; to - частота вращени ;

номинальна  мощность электродвигател  бурового станка. Так как бурение всегда следует вести при заданном вращающем моменте, равном допустимому, то и регулирование частоты следует вести исход  из изложенного.

Возьмем полную производную от формулы (1) мощности

1Ш dN М 3 +и Ы 0. (2) dt dt dt dt

Переход  от параметрического задани  (2) к производной по моменту, получим

d&3 j- dM,

(3)

подставл   в (3) (О, N,e /I,, где СО j. - заданна  частота вращени  при М и , и переход  к приращени м, получим

ш - bj, 4И.

О

(4)

Выражение (4) позвол ет весьма точно определ ть приращение частоты вращени  при изменении вращающего момента , так как знаменатель в (4) величина переменна , завис ща  от удалени  фазовой траектории переменной М от заданной. Таким образом, структура регул тора 6 частоты вращени  может быть получена из соотношени 

со м- (5)

Из (5) следует, что переход из одного состо ни  системы в другое возможен практически мгновенно (дл  процесса бурени ), если не учитывать электромеханическую посто нную привода . Но при резком уменьшении электромагнитного вращающего момента верх бурильной колонны замедлит свое движение, а низ будет вращатьс  с то же начальной дл  момента торможени  скоростью. Такое управление приведет к развинчиванию бурильной колонны. Дл  исключени  развинчивани  сигнал управлени  следует подавать через задатчик 9 интенсивности частоты вращени , в котором происходит интегрирование сигнала до заданного уровн . При этом следует предусмотреть исключение прекращени  вращени  при превышении момента, чтобы исключить при жог. Дл  этого задатчик интенсивности должен иметь вход от задатчика 10 начальной частоты вращени .

При регулировании осева  нагруз ка может выйти за установленные предельные значени . В этом случае бурение следует вести на линии огр 35 ничени , так как в случае смены за дани  разрушение горной породы буд происходит не на оптимальном (в смы сле технической возможности бурово станка) режиме. Если же оставить о

Аналогично регул тору частоты вра- 4Q вую нагрузку статически посто нной

щени  можно синтезировать структуру регул тора 13 осевой нагрузки на забой:

.r ; V +Р l I dV,

V dt at - v

If

а так как P Nj5/V3 dP dV. Тогда имеем:

)(, т.е. не регулировать, то перемещение верхнего конца бурильной колонны будет неравномерным, что пр ведет к самозаклинивани м керна,

45 уменьшению средней скорости в рейсе и проходки. Дл  реализации управлени  на условный экстремум используе скольз щие режимы, суть которых сво дитс  к следующему. В работу вступа

UP

iV,

1479632

или

p-Vv v-VvNs1 Yv (7)

где N g-- заданна  мощность на бурение (перемещение верхнего конца бурильной колонны), равна 

VT - текуща  механическа  скорость .

Из формулы (7)  сна структура регул тора 13 осевой нагрузки. Это пропорциональный регул тор с переменным коэффициентом усилени , завис щим от положени  текущей скорости относительно заданной.

Пример, Дано N ,0 xlO4 H м/ч; ,0 м/ч и J 10 H. Пусть м/ч, тогда получим Р

,5- 10 H; VT 1 м/ч

10 Н. Пример показы .,. - |71L

p.,o -fl{Ј-Z.

вает, что при любом рассогласовании механической скорости осева  нагрузка установитс  равной оптимальной, т.е. обратно пропорциональной механической скорости.

При регулировании осева  нагрузка может выйти за установленные предельные значени . В этом случае бурение следует вести на линии огра- ничени , так как в случае смены задани  разрушение горной породы будет происходит не на оптимальном (в смысле технической возможности бурового станка) режиме. Если же оставить осевую нагрузку статически посто нной

)(, т.е. не регулировать, то перемещение верхнего конца бурильной колонны будет неравномерным, что приведет к самозаклинивани м керна,

45 уменьшению средней скорости в рейсе и проходки. Дл  реализации управлени  на условный экстремум используем скольз щие режимы, суть которых сводитс  к следующему. В работу вступа50 ет блок 18 адаптации в соответствии со следующим алгоритмом:

(9 Ъ sipnfP -Р) Г° при Р

О, МЧРКР, Р) (, приР P}VO,

(8)

при этом значение j A, | Vi-Ут|и осева  нагрузка будет уменьшатьс . При р pma 0 и осева  нагрузка станет возрастать. При работе блока 18 адаптации в таком режиме всегда Vj.feVT) а осева  нагрузка скользит

по линии ее ограничени , так как при Р -i Pm и осева  нагрузка начне возрастать. В том случае, когда Р5- Рто(Х и разность V,VT уменьшаетс  (Vr растет) например, из-за трещиновато сти или бурени  прослойки меньшей категории буримости, то осева  нагрузка будет уменьшатьс . Даже если .,, a Vr увеличиваетс , то все равно Р уменьшаетс „ Следовательно,

-vigncp -p)- L0

V 2

v, г,

В этом случае также значение

-VTJ и осева  нагрузка будет увеличиватьс , так как дл  этого слуKJ

ча  характерно VT5:Vj.,

а осева  на-

грузка скользит по нижней линии ее ограничени .

Следовательно, такое техническое решение позвол ет не только стабилизировать механическую скорость буре- ни  в однородных породах, но и управл ть оптимально по заданной мощности на разрушение горной породы при ее смене и на лини х ограничени  осевой нагрузки. Помимо этого обеспечи- ваетс  режим вращени  бурильной колонны на номинальной мощности электродвигател  бурового станка при допустимом моменте на бурильной колонне без ее развинчивани  и возможных при- жогах.

Система автоматического управлени  процессом бурени  работает следующим образом.

Перед началом задатчиком 8 мощное- ти на вращение бурильной колонны устанавливаетс  сигнал, пропорциональный номинальной мощности электродвигател  бурового станка N.... Задатчи- ком 10 устанавливаетс  начальна  час- тота вращени , а задатчиком 7 - допустимый вращающий момент на бурильной колонне. После этого задатчик 16 мощности на бурение устанавливаетс  сигнал, пропорциональный заданной мощности на бурение N,g-. Так как V,0, то и осева  нагрузка равна нулю . При установке заданного значени  V, задатчиком 15 механической скорости бурени , на выходе регул тора 13 осевой нагрузки по вл етс  сигнал, который поступает на первый вход исполнительного механизма 17 по осевой нагрузке, который начинает уве

Q

при любом сочетании параметров процесса блок 18 адаптации также участвует в стабилизации механической скорости .

При повышении текущей скорости бурени  и снижени  блок 18 адаптации работает аналогично, что и при достижении максимальной предельной линии по осевой нагрузке и в соответствии с формулой

rm;n6P

при 7т-„ с ( при Рр. V ;

0

5 0 5

0 5

0

личивать осевую нагрузку на забой. Сигнал с выхода регул тора 13 осевой нагрузки в начальный момент достигает наибольшего значени  согласно формулы (6), так как механическа  скорость бурени  равна нулю . Увеличение осевой нагрузки будет происходить до тех пор, пока она не станет равной заданной. Одновременно с установкой осевой нагрузки по вл етс  скорость подачи верха бурильной колонны Vn и скорость перемещени  колонны VK. Эти скорости суммируютс  в конструктивном элементе 3 и регистрируютс  датчиком 12 механической скорости, с выхода которого сигнал поступает на второй вход второго сумматора 14 и четвертый вход регул тора 13 осевой нагрузки. На выходе второго сумматора 14 сигнал рассогласовани  из-за изменени  осевой нагрузки уменьшитс . Уменьшаетс  и коэффициент передачи регул тора 13 осевой нагрузки. При бурении однородной породы, дл  которой заданы оптимальные V и Р , устанавливаютс  оптимальные значени  Р и V, равные заданным.

С подачей осевой нагрузки увеличиваетс  вращающий момент, регистрируемый датчиком 4, значени  которого поступают на первые входы первого сумматора 5 и регул тора 6 частоты вращени . С выхода сумматора 5 сигнал рассогласовани  & ,ОП-МТ поступает на второй вход регул тора 6, на выходе которого устанавливаетс  сигнал, пропорциональный требуемой частоте вращени , в соответствии с формулой (5). Последний подаетс  на первый вход задатчика 9 интенсивности частоты вращени , в котором происходит преобразование импульсного

сигнала с регул тора 6 частоты вра- щени  в плавно измен ющийс  сигнал, который поступает на вход исполнительного механизма 11 по частоте вращени  . Происходит плавное торможение бурильной колонны. Когда сигнал рассогласовани  &. М станет равным нулю , изменение частоты вращени  прекратитс . При резких изменени х вращающего момента (срыв керна, кратковременный прихват снар да) изменени  частоты вращени  будут незначительными и плавными, что обеспечит устойчивую работу контура регулировани  частоты вращени  и осевой нагрузки.

Когда при бурении произойдет смена породы, то изменитс  скорость бурени  VT, на выходе регул тора 13 осевой нагрузки по витс  сигнал рассогласовани  U, который будет отрабатыватьс  исполнительным механизмом

17по осевой нагрузке в соответствии с выражением (6). С изменением осевой нагрузки на второй вход исполнительного механизма 17 поступит сигнал от датчика 23 осевой нагрузки.

И при равенстве нового заданного значени  осевой нагрузки текущему значению отработка рассогласовани  прекратитс .

В случае, если механическа  скорость бурени  снизитс  до уровн , при котором устанавливаема - осева  нагрузка должна быть выше предельной в работу вступает блок 18 адаптации, На выходе его первого сумматора 19 по вл етс  сигнал, который поступает на вход первого элемента 21 ограничени  предела, с выхода которого на второй вход регул тора 13 осевой нагрузки поступит сигнал (см, (8)), который имеет знак,-противоположный рассогласованию и значение I 4i 1 1,1 1и в результате чего осева  нагрузка будет уменьшатьс . Когда осева  нагрузка станет равной или меньше Рта%, то Ц), 0 и регул тор 13 осевой нагрузки начнет увеличивать осевую нагрузку. Цикл скольз щего режима повторитс .

При снижении осевой нагрузки ниже заданного минимального значени  Р ,

OtiVl

с выхода второго сумматора 20 блока

18адаптации сигнал поступит на вход второго элемента 22 ограничени  предела , на выходе которого значение |flz|(Ul. Поэтому осева  нагрузка начнет увеличиватьс . При РьР„,;п осева  нагрузка вновь начнет уменьшатьс .

Стабилизаци  механической скорости происходит так. Если при отработке рассогласовани  U и установке нового значени  осевой нагрузки регул тором 13 осевой нагрузки и исполнительным механизмом 17 рассогласование U из0 менитс , то изменитс  значение сигнала осевой нагрузки. Например, U 0, то осева  нагрузка начнет возрастать и при равенстве устанавливаемого значени  нагрузки текущий ис5 полнительный механизм прекратит отработку рассогласовани . Но, если изменилась V , например, увеличилась, то и регул тор 13 начнет уменьшать осевую нагрузку.

о О выборе начального оптимального режима. Этот режим может быть выбран заранее, если известны свойства разбуриваемых пород и типы породоразру- шающего инструмента или найдены в хо5 де бурени , Б этом случае оптимальным  вл етс  режим бурени , соответствующий произведению базовой осевой нагрузки и базовой механической скорости, доставл ющий минимум стои0 мости 1 м проходки.

Система автоматического управлени  процессом бурени  позвол ет оптимально (в смысле быстродействи ) устанавливать новые значени  режима

5 бурени  при смене горных пород, не требует настройки статической характеристики на плоскости режима бурени  и механической скорости, обеспечивает бурение на границах режима и

0 поддерживает заданную механическую скорость при проходке однородных пород , а также снижать колебани  частоты вращени  при резких колебани х вращающего момента, обеспечивает за5 щиту бурильной колонны от раскручивани  и прижогов.

Использование предлагаемой системы обеспечит повышение проходки в рейсе, уменьшение расхода алмазов

0 и повышение механической скорости бурени  , а также повышение срока службы бурильной колонны.

Claims (1)

1. Система автоматического управлени  процессом бурени , содержаща  датчик вращающего момента и задатчик допустимого вращающего момента, вы-

Р/ГЩ

Фиг. 2

V

Ю

ъ