Система автоматического управления процессом механического колонкового бурения

(23) ПриоритетОпубликовано 05.06.80, Бюллетень Рй 21 Дата опубликования описания 05.06.80 до делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Киевский ордена Ленина геологоразведочный трест."Киевгеология" Министерства геологии Украинской С(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Система содержит экстремальный Регулятор,который воздействует на параметр осевой нагрузки, который не учитьвает динамику работающей бурильной колонны, а также процессовРазрушения горной породы и кернообразова.ния и при его воздействии на объект регулирования нарушается кери горной породы, чтовызьвает самоподющнки керна и рейс прекращается, к тому же экстремум механическойскорости бурения является критерием системырегулирования и может находиться эа пределами технической возмоллости бурового оборудо.валия,Цель изобретения - повышение точностиза счет обеспечения автоматического поиска оп.тимальной механической скорости бурения истабилизации ее на найдеютом уровне при максимально возможной частоте вращения 1Изобретение относится к области бурения скважин и, в частности к самонастраивающим. ся системам автоматического регулирования параметров режима бурения.Известна система автоматического управления, включающая датчик скорости бурения; вы 5 - ход которого через экстремальный регулятор связан со входоь блока регулирования осевой нагрузки и через переключатель способа бурения (алмазный или твердосплавный) связан со входами функциональных преобразователей, выходы которых соединены со входом регулируемого привода. Она включает также исполнительные схемы по осевой нагрузке и частотевращения (1).Такая система регулирования воздействует на регулируемые параметры без учета техничес кой возможности объекта регулирования, что может привести к аварийным ситуациям последнего.20Система регулирования работает по сигналу датчика скорости бурения, абсолютная величи. на которого не отражает действительного состояния процесса бурения и включает в себя ве 2лнптну характеризующую деформации и напря жения в нагруженной бурильной колонне, что приводит к искажению регулирующего воздей.ствия, поступающего по обоим каналам на.объект регулирования.739219 Поставленная цель достигается тем, что си. 1стема снабжена управляющим блоком адаптации, датчиком осевой нагрузки, датчиком изадатчиком крутящего момента, эадатчнкомскорости бурения, двумя схемами сравнения,при этом входы управляющего блока адапта.ции соединены соответственно с выходами датчика осевой нагрузки и датчика скорости бурения, а выходы управляющего блока адаптациисоединены со входом первой схемы сравненияодин непосредственно, а второй через задатчикмеханической скорости бурения, причем выходыдатчика и задатчика крутящего момента подклю.чены через вторую схему сравнения ко входуисполнительной схемы по частоте вращения, авыход первой схемы сравиения соединен совходом исполнительной схемы по осевой нагрузке,А также тем, что управляющий блок адан.тации выполнен в виде последовательно соединенных командного блока и коммутатора, вы.ходы которого подключены соответственно ковходам генератора импульсов и блока памяти,а выходы генератора и блока памяти подключены ко входам сумматора.За критерий качества принимается диапазонрегулирования осевой нагрузки (Р; - ; Р),определяющийся физико-механическими свойствами горных пород и типоразмерами породоразрушающего инструмента и обеспечивающийнеобходимые условия для нормальной работырезцов при контакте с горными породами. 10 15 20 25 50 Установлено, что равномерное перемещение бурильной колонны, то есть при бурении напостоянной механической скорости (Чпах) улучшается процесс кернообразования, что увеличи. вает такие показатели бурения, как рейсовую скорость, техническую скорость, проходку на коронку и длину рейса. Поэтому в основурегулирования был заложен алгоритм Ч,ех = = Сопат. Реализация этого алгоритма осуществляется за счет регулирования осевой нагруз. ки (Р) в выбранном диапазоне Р; - ; Р45При разведочном механическом колонко. вом бурении механическая скорость прямо пропорциональна частоте вращения бурильной колонны. Максимальная частота вращения бу. рильной колонны ограничивается величиной50 рабочего крутящего момента, определяющегопрочность бурильной колонны. Поэтому, чтобы ограничить рост крутящего момента выше рабочего значения (М аб ) и вести бурение на максимально возможной частоте вращения55 бурильной колонны на всем протяжении рейса, используется принцип стабилизации рабочего РУтЯщего момента (М аб = Сопят), за счет изменения частоты вращения в обратной эавн 4симости от текущего значения момента (Мтрк),те,и=1( --- ),1МтекТаким образом, имея оптимальную осевуюнагрузку н максимальную частоту врашения,получим в каждый момент времени оптимальную механическую скорость бурения,На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления процессом механического колонкового бурения.Система содержит объект 1 регулирования,(буровой станок, бурильная колонна, породораэрушающий инструмент, забой скважины),датчики осевой нагрузки 2, скорости 3 бурения, крутящего момента 4 бурильной колонны,управляющий блок 5 адаптации, включающийв себя командный блок 6, коммутатор 7, генератор 8 сигналов, блок 9 памяти, сумматор 10,основное управляющее устройство 11, включаницее задатчик 12 механической скорости бу.рения, схему 13 сравнения, исполнительную схему 14 по параметру осевая нагрузка, задатчик15 сигналов по крутящему моменту, схему 16сравнения и исполнительную схему 17 по частоте вращения.Связь блоков управляющего блока адаптации 5 и основного управляющего устройства 11происходит следующим образом.Управляющий блок адаптации 5, получаясигнал, пропорциональный действующей осевойнагрузке, с датчика 2, управляет основным уп"равляющим устройством 11, воздействующимна объект 1 регулирования, в зависимости отдействующего значения осевой нагрузки Р. При значении осевой нагрузки Р, соответствующей диапазону регулирования (Р Ртах) те 1 РаЬуправ ющий блок 5 адаптации включает основное управляющее устройство 11 в режим стабилизации механической скорости бурения. За счет регулирующего воздействия основного управляющего устройства 11 осевой нагрузкой на объект регулирования поддерживается постоянное значение действующей механической скорости бурения, то есть Ч= Сойвт.мехПри выходе осевой нагрузки 1 Р) из диапазона регулирования, т.е, РР ; или Р Р управляющий блок адаптации 5 формирует сиг. нал нового значения механической скорости бурения Ч, , соответствующий данному диапазо.мехну регулирования. Сигнал нового значения ме. ханической скорости бурения поступает на основное управляющее устройство 11, которое переключается на работу уже относительно нового значения механической скоростих ре. гулируя осевую нагрузку в том же диапазоне5 73921регулирования Р , + Р , чтобы сохранитьусловие мех СопяТаким образом, самонастраивающаяся система управления стабилизации критерия качестваосуществляет автоматический поиск механической скорости бурения, отвечающей выбранному диапазону регулирования (Рп РП 1 а )осевой нагрузки и стабилизации ее на всем протяжении рейса, т.е. Ч;м = Сопэт.Функциональная связь блоков системы дляавтоматического управления процессом механи.ческого колонкового бурения происходит следующим образом.Командный блок 6 прослеживает сигнал, поступающий с датчика 2, пропорциональный дей. 15ствующему значению осевой нагрузки (Р). Приосевой нагрузке, соответствующей значениямвыбранного диапазона регулирования (РР ), командный блок 6 включает коммутатор 7 в режим стабилизации механической скорости бурения (Ч= Сопят), Если осеваянагрузка (Р) не соответствует диапазону, токомандный блок 6 включает коммутатор 7в режим поиска Чм ,В режиме стабилизации механической скорости бурения сигнал текущей механическойскорости Чтек с датчика 3 через коммутатор 7поступает на схему сравнения 13, где сравнивается с сигналом (Ч ) задатчика 12. На выходе схемы сравнения 13, за счет алгебраичес. 30кого вычитания Ч - Ч = +О, получается,сигнал рассогласовайия +О. Этот сигнал служитуправляющим воздействием, который черезисполнительную схему 14 воздействует на объект1 регулирования по параметру осевой нагруз- З 5ки (Р), изменяя ее в обратной зависимости оттекущей механической скорости, т.е. Р 1 ( - )Чтвхдо тех пор пока сигнал рассогласования не ста.нет равным нулю, т.е, О = О. При этом сигнал 40задатчика 12 (Ч ) сравняется с сигналом те.кущей механической скорости датчика 3 (Ч )тек "т.е, Ч = Ч, а механическая скорость бу.дет сохраняться на постоянном уровне, т.е.Чмех Сопзт, ВыбРанный диапазон осевой нагрузки Р;-; Р служит диапазоном регулирования, где эа счет изменения осевой на.груэки (Р) осуществляется стабилизация механической скорости бурения Чмех = Сопзт. Еслидля этого равенства не хватает заданного ди. 50апазона регулирования и осевая нагрузка выходит за его пределы, т,е. Р ( Р;илиРР ах, то управляющий блок 5 адаптациивключается в режим поиска значения механической скорости бурения, которое бы соответствовало заданному диапазону регулирования(Р-. Р,). При этом сигнал найденногозначения механической скорости с управляюще. 9 6го устройства адаптации поступает на задатчик основного управляющего устройства 11.В режиме поиска механической скорости бурения с командного блока 6 на коммутато 1.- поступает сигнал "плюс" или "минус"., опреде. ляющий положение значения осевой нагрузкит 1 п относительно крайних точек диапазона Рили Р а. При значениях РР,;и поступает сиг. нал "плюс", при РРсигнал минус", В соответствии с поступившим сигналом коман ды генератор 8 импульсов формирует сигнал приращения механической скорости (+ЬЧ) или ( - ЬЧ), который поступает на сумматор, куда приходит с блока 9 памяти, запомненный сиг. нал текущей механической скорости Ч, потекф ступающий через коммутатор с датчика 3 скорости бурения. Сумма сигналов ЧЬЧ с сумматора 10 поступает на эадатчик 12 задания и становится новым значением сигнала задания ЧзадДля проверки правильности выбора значе-ния нового сигнала задания Ч = Ч 1 ЬЧ,тек коммутатор 7 включает основйое управляющее устройство 11 для прослеживания новогозна. чення сигнала задания с текущей механической скоростью на время г, которое необходимо, чтобы регулирующим воздействием осевой нагрузки (Р) уравнять сигнал задания (Ч )зад с сигналом текущей механической скорости (Чтек) те Чза = Чтек, Если после первого приращения (+ ЬЧ Ч ) осевая нагрузка не вышла в диапазон регулирования, а находится в одном из крайних положений его, т.е. РР;или Р Р- Р , то операция приращения повторяется, т.е. Ч; 1 ЬЧ ло тех пор, пока осевая нагрузка не выйдет в диапазон регулирования, При этом командный блок 6 переключит коммутатором 7 основное управляющее устройство 11 в режим стабилизациимеханической скорости бурения относительнонового значения выбранного сигнала задания, на эадатчике 12,Для автоматического выбора максимальновозможнои частоты вращения бурильной колон. ны на задатчике 15 устанавливается рабочий крутящий момент Мэад М б сигнал кото" рого всегда сравнивается с сигналом датчика 4 крутящего момента бурильной колонны, про. порционального текущему значению крутящего момента(Мте, ). Сравнение сигналов происходит в схеме 16 сравнения, где происходит алгебраическое вычитание М - М, =ЬМ Сигнал приращения МЬМ является сигналом управляющего воздействия, который через ис. полнительную схему 17 воздействует на объект 1 регулирования по частоте вращения бурильСистема автоматического управления про. цессом механического колонкового бурения, содержащая датчик скорости бурения, испол. нительные схемы по осевой нагрузке и частоте вращения, о т л и ч а.ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности за счет обеслече. ния автоматического поиска оптимальной механической скорости бурения и стабилизации ее на найденном уровне при максимально возможной частоте вращения, она снабжена управляющим блоком адаптации, датчиком осевой нагрузки, датчиком и задатчиком крутящего мо.мента, эадатчиком механической скорости буреСоставитель Н, Чи едактор Н. Шильникова Техред И.Асталошова орректор Г,Назароваодписное каэ 3016/5 Тираж 626 ПЦНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/ ПЛП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 7 7 ной колонны (п), увеличивая или уменьшая частоту вращения, добиваясь условия ЬМ=О, Тогда задающий сигнал станет равный сигналу текущего значения крутящего момента, т,е, М М а так как Мзад раб то крутящий момент будет стабилйзирован, т.е, Мр б. Сопв 1, а частота вращения, при услоаб.вии что и 1 ) будет максимально возИможной. Тех 1Форм ла изобретения 39219 8ния, двумя схемами сравнения, при этом входьуправляющего блока адаптации соединены соот.ветственно с выходами датчика осевоч нагрузкии датчика скорости бурения, а выходы управл- ющего блока адаптации соединены со входомпервой схемы сравнения один непосредственно,а второй через эадатчик скорости бурения, причем выходы датчика и задатчика крутящего момента подключены через вторую схему сравне 1 О ния ко входу исполнительной схемы по частоте вращения, авыход первой схемы сравнениясоединен со входом йсполнительной схемы поосевой нагрузке,2. Система по п. 1, о т л и ч а ю щ аИ я с я тем, что управляющий блок адаптациивыполнен в виде последовательно соединенныхкомандного блока и коммутатора, выходы которого подключены соответственно ко входамгенератора импульсов и блока памяти, а выхоэо ды генератора и блока памяти подключены ковходам сумматора,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР У 470592,2 кл, Е 21 В 45/00, 1969 (прототип).