Устройство для моделирования автоматизированной буровой установки

(45) Дата опубликования описании 190 б,78(5 Ц М. Кл.067/48 Государственный комитетСовета Министров СССРпо делам изобретенийи открытнй(63) УДК б 81333(088,8) А,Г. Ярусов, В.Г, Блях, Г.Ь. Буткин, Е.Н. ЕФимов, В.А, Мазур, Н.Н. Новик и Е.О. Плоткин Институт технической кибернетики АН Белорусской ССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АВТОИАТИЗИРОВАННОЙ БУРОВОЙ УСТАНОВКИИзобретение относится к аналоговой вычислительной технике.Известно устройство для моделирования буровых установок Я содержащее турбобур, датчики. Устройство не позволяет моделировать основные параметры режима бурения. Это является его недостатком,Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для моделирования автоматизированной буровой установки 2 содержащее последовательно соединенные блок задания глубины скважины, блок моделирования циркуляционной систе" мы и блок вычисления механической скорости, блок задания аварийных ситуаций, выход которого подключен ко второму входу блока моделирования циркуляционной системы.Недостатком устройства является то, что оно может моделировать только процессы, связанные с явлением выбросов, открытого Фонтанирования из скважины и моделирует только ог" раниченную часть механизмов и систем буровой установки: насосов, штуцеров, измерителей механической скорости проходки, уровня промывочной жидкости и давления на стояке. Целью изобретения является расши- рение Функциональных воэможностей устройства. Цель достигается тем, что в устройство введены блок моделирования крутящего момента, блок вычисления веса на крюке, блок моделирования износа вооружения долота, блок и делироэания проходки, блок сопряжения с вычислительной машиной и блок моделирования динамики систем автоматического регулирования, выход которого соединен с первыми входами блока моделирования крутящего момента, блока вычисления веса на крюке, блока моделирования износа вооружения долота, блока сопряжения с вычислительной машиной, со вторым входом блока вычисления механической скорости и с третьим входом блока моделирования циркуляционной системы, выходы блока моделирования износа вооружения долота и блока вычис" ления механической скорости подключены к соответствующим входам блока моделирования проходки, выход блока задания аварийных ситуаций соединен со вторыми входами блока моделирования крутящего момента и блока вычисления веса на крюке, выход блока задания глубины скважины подключен ктретьим входам блока вычисления механической скорости, блока моделирования крутящего момента, блока вычисления веса на крюке и ко второму входу блока сопряжения с вычислительноймашиной, третий, четвертый, пятый ишестой входы блока сопряжения с вычислительной машиной соединены соответственно с выходами блока моделирования циркуляционной системы, блока моделирования крутящего момента, блокавычисления веса на крюке и блокамоделирования проходки, а выход блока сопряжения с вычислительной машиной подключен к блоку моделированиядинамики систем автоматического ре- )5гулирования,Под автоматизированной буровойустановкой подразумевается буроваяустановка, имеющая системы автоматического регулирования (САР) заданных параметров режима бурения - САРосевой нагрузки на долото (автоматподачи долота), САР скорости вращения ротора и САР скорости вращенияпривода буровых насосов (числа двойных ходов в минуту поршня), а такжедатчики веса бурового инструментана крюке, осевой нагрузки на долото,скорости вращения ротора, скоростивращения привода буровых насосов, 30давления и расхода промывочной жидкости на эыкиде буровых насосов,крутящего момента на верхнем концебурильной колонны и подачи буровогоинструмента. 35 Предлагаемое устройство для моделирования автоматизированной буровой установки предназначено для моделирования реакции буровой установки, т.е. сигнаов осевой нагруз-. ки на долотовеса инструмента на крюке 5 )скорости вращения ротора П крутящего момента М на верхнем конце бурильной колонны, проходки Ьдавления Р и расхода Я промывочной жидкости на выкиде буровых насосов и скорости вращения электропривода насосов Ин на изменение управляющих воздействий - управляющих сигналов нагрузки на долотом скорости враще)ния ротора Ч ,скорости вращения привода насосов йн.а также на изменение условий бурения - коэффициента К буримости породы,. глубины .И скважины, состояния опор и вооружения долота бурильной колонны и скважины. С помощью устройства можно моделировать сигналы датчиков автоматизированной буровой установки, характеризующие как процесс нормального (беэазарийного) бурения, так и возникновение осложнений и аварий: перегрузку бурильной колонны крутящим моментом заклинивание шарошек долота и нарушение герметичности бурильной колонны (обрыз или промыв). На чертеже представлена блок-схема устройства для моделирования ав 1 томатизированной буровой установкиУстройство для моделирования автоматиэированной буровой установкисодержит блок 1 моделирования динамики САР, блок 2 задания глубины скважины, блок 3 моделирования циркуляционной системы, блок 4 моделирования крутящего момента, блок 5 вычисления веса на крюке, блок 6 заданияаварийных ситуаций, блок 7 вычисления механической скорости, блок 8моделирования износа вооружения долота, блок 9 моделирования проходки и блок 10 сопряжения с вычислительной машиной.Блок 1, включающий в себя динамические звенья, предназначен для имитации динамических процессов исполнительных САР и механизмов буровойустановки: автомата подачи долота,ротора бурильной колонны и электропривода буровых насосов. Блок 2 задания глубины скважины состоит из делителя напряжения и переключателя и служит для формирования напряжения,имитирующего значение глубины Н скважины. В состав блока 3 моделированияциркуляционной системы входят дваделителя напряжения и сумматор. Этотблок предназначен для имитации параметров циркуляционной системы - давления Р и расхода Я промывочнойжидкости на выкиде буровых насосов.Блок 4 моделирования крутящего момента, состоящий из функционального преобразователя и сумматора, вырабатывает сигнал, имитирующий значениекрутящего момента М. В состав блока 5 вычисления веса на крюке входит сум.матор, функцией которого являетсяформирование сигнала, имитирующеговес бурильной колонны на крюке буровой установки Ч ,.Блок 6 задания аварийных ситуаций вырабатывает с помощью генератора возмущающие воздействия, имитирующие возникновение ава рийных ситуаций, Блок 7 вычисления механической скорости, в состав которого входят два функциональных преобразователя, два делителя напряжения, предназначен для вычисления сигнала, имитирующего значение механической скорости проходкиУВ блоке 8 моделирования износа вооружения долота с помощью функциональных преобразователей, множительного устройства, а также генератора со счетчиком моделируется процесс износа вооружения долота. Блок 9 моделирования проходки состоит из множительного устройства, преобразователя напряжения в частоту импульсов, шагового искателя, сельсина-датчика и предназначен для моделирования сигнала проходки, Блок 10 сопряжения с вычислительной машиной служит дляб 154 согласования устройства и каналовсвязи с вычислительной машиной,Устройство для моделирования буровой установки работает следующимобразом,Скгналы (:18 , и и и через блок 10поступают на 5 лок 1. Полученные навыходе блока 1 скгналыц 8 ) пи Ь к 5через блок 10 поступают в вычислительную машину и соответствуют сигналамреальных датчиков буровой установки,Изменение управляющих сигналовЦ 8;1( Р 1, и Ик должно вызывать изменение )0веса инструмента на крюкедавлеКния Р и расхода (,;) промывочной жидкости на выкиде насосов, крутящегомомента М на верхнем конце бурильнойколонны и скорости проходки.лСигнал 1 с выхода блока 1 поступае)т на вход блока 5 вычисления весана крюке, в котором вычитается изсигнала веса инструмента, вырабатываемого из сигнала глубины скважины Н20 где К 1 - коэффициент пропорциональ ности.На третьем входе блока 3 в нормальном (безаварийном) режиме сигнал равен нулю., Полученный на выходе блока 5 сигнал К поступает на вход ЭВМЪ) вместо сигнала датчика веса на крюке реальной бурильной установки.Сигнал Цк скорости вращения привода буровых насосов с выхода блока 1 поступает на блок 3 моделирования циркуляционной системы, на другом вхо-де которого имеется сигнал Н глубины скважины, заданный в блоке 2. На входе блока 3, связанном с блоком б задания.аварийных ситуаций, в нормальном режиме работы сигнал равен нулю) На выходе блока 3 моделирования циркуляционной системы получаются сигналы Ц и Р как функции аргументов й и Н: К 2 пн6=Н(2) 7=К Н п(3)где К и К - коэффициенты про 2порциональности,Сигналы Я и Р поступают черезблок 10 в ЭВМ в качестве сигналов сдатчиков расхода промывочной жидкостик давления на выкиде насосов реальнойбуровой установки,Зависимости (2) и (3),моделируют объективные связи расхода Я и давления Р циркуляционной системы реальной гяуровой установки: при увеличении скоРости вРащениЯ пРивода насосов П к 80 вследствие повышения производительности последних пропорционально возрастают Й и Р; при увеличении глуби 996ны скважины Н гидравлическое сопротивление скважины возрастает к возникает необходимость перехода напоршневую систему (втулки) насосоьменьшего диаметра, чем достигаетсяувеличение дав ения Р до требуемойвеличины при одновременном уменьшении расхода Я к неизменном произведенииЯ Р,Сигналы 8 и. Пс выхода блока 1,Н с выхода блока 2 к Й с выхода блока 3 поступают в блок 7 вычислениямеханической скорости, который вырабатывает сигналм = "Ь 1(Й а яр,й, Н), (4)характеризующий зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото, скорости вращения ротора и глубины скважины: при увеличении С 1 ) И ) и Я скорость бурения возрастает, а прк увеличении Н падает, так как с ростом глубины Н скважины буримость породы систематкчески уменьшается, Коэффициент бурк- мости К 8 может задаваться в блоке 7, что позволяет моделировать бурение пород, имеющих различную буркмость.Сигналы нагрузки на долото 8 к скорости вращения ротора Кс выхода блока 1 поступают также на блок 8 моделирования износа вооруженкя (зубьев) долота. Иа выходе блока 8 получается сигналЦ -Е Кф 13.где К - коэффициент пропорцио 4нальности,время бурения.Падение величины сигналаОа с ростоммоделирует экспоненцкальный износвооружения долота в процессе реального бурения. Коэффициент К 4 прк этомимеет смысл износостойкости вооружения или абразивности породы.Сигналы )(и 88 с выходов блоков 7и 8 поступают на блок 9 моделкрованкяпроходки и (подачи бурильной колонны),на выходе которого получается сигнал.тэ а кца,н)е")а, 6)о омоделирующий реальную зависимость проходки от осевой нагрузки на долотом,скорости вращения ротора Мрасходапромывочной жидкости Я, глубины скважины Н, коэффициента буримостк Квремени бурения Т 8 к коэффициента К 4 износостойкостк вооружения долота (абразивностк породы),Сигналы Дэ к пР с выхода блока 1поступают также на блок 4 моделирования крутящего момента,. на второмвходе которого имеется сигнал глубины Н с выхода блока 2. На третьемвходе блока 4, связанном с блоком б,в нормальном (безаварийном) режиме сигнал равен йулю. Выходной сигнал блока 4 моделирует зависимость крутящегомомента на верхнем конце бурильнойколонны, При этом первое слагаемоев выражении (7) представляет собоймомент на долоте, необходимый для породоразрушения, а второе - момент трения бурильных труб о стенки скважины. 10Рассмотрим несколько примеров аварийных ситуаций при буренииОбрыв верхней части бурильной колонны характеризуется значительнымуменьшением веса, на крюке С 1давле- )бК 1ния Р на выкиде насосов и крутящегомомента М. Эти явления моделируютсяпри помощи блока б задания аварийныхситуаций, который в режиме имитацииобрыва верхней части бурильной колонны выдает на блоки 3, 4 и 5 сигналы,которые уменьшают сигналы Р, М иКиа выходах этих блоков. Вычислительная машина, получив через блок 10эти изменения сигналов, распознаетвид аварии и сигнализирует о ней оператору,Обрыв резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб (УБТ), находящихся в нижней части бурильной колонны, характеризуется уменьшением кру"тящего момента М, давления Р и падением до нуля механической скоростиУА бУРЕНИЯ; ВЕС На крЮКеСкостаетсянеизменным. Эти явления моделируютсяблоком б, который в этом режиме выдает сигналы только на блоки 3 и 4,а также при помощи блока 7 путем задания в нем коэффициента буримостиК( а О, При этом в соответствии сФормулой (б) проходка И устанавливается на постоянном (достигнутом к этому моменту времени) уровне, что свидетельствует о нулевой механическойскорости.При промывке тела бурильной колонны или замковых соединений наблюдается уменьшение давления Р на выкиде 45насосов, а также уменьшение механической скорости бурениямии увеличение крутящего момента М вследствиеухудшения очистки забоя от выбуренной породы. Эти явления моделируются 50блоками б и 7 аналогично вышеописанному.Таким образом, благодаря введениюновых элементов и связей расширилисьФункциональные возможности устройства - появилась возможность моделирования динамики систем автоматического регулирования, моделирования крутящего момента, вес на крюке, износавооружения долота, проходки. Формула изобретенияУстройство для моделирования авто" матизированной буровой установки, содержащее последовательно соединенные блок задания глубины скважины, блок моделирования циркуляционной системы и блок вычисления механической скорости, блок задания аварийных ситуаций, выход которого подключен ко вто-. рому входу блока моделирований циркуляционной системы, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей, устройство содержит блок моделирования крутящего момента, блок вычисления веса на крюке, блок Моделирования износа вооружения долота, блок моделирования проходки., блок сопряжения с вычислительной машиной и блок моделирования динамики систем автоматического регулирования, выход которого соединен с первыми входами блока моделирования крутящего момента, блока вычисления веса на крюке, блока мо.- делирования износа вооружения долота, блока сопряжения с вычислительной ма- .иной, со вторым входом блока вычисления механической скорости и с третьим входом блока моделирования циркуляционной системы, выходы блока моделирования износа вооружения долота и блока вычисления механической скорости подключены к соответствующим входам блока моделирования проходки, выход блока задания аварийных ситуаций соединен со вторыми входами блока моделирования крутящего момента и блока вычисения веса на крюке, выход блока задания глубины скважины подключен к третьим входам блока вычисления механической скорости, блока моделирования крутящего момента, блока вычисления веса на крюке и ко второму входу блока сопряжения с вычислительной машиной, третий четвертый, пятый и шестой входы блока сопряжения с вычислительной машиной соединены соответственно с выходами блока моделирования циркуляцнонной системы, блока моделирования крутящего момента, блока .вычисления веса на крюке и блока моделирования про" ходки, а выход блока сопряжения с вычислительной машиной подключен к блоку моделирования динамики систем автоматического регулирования,Источники информации, принятые во . внимание при экспертизе:1, Галимов А.Г. и Паникарова Н.И. Стенд для испытания и обкатки турбобуРов. - Машины и нефтяное оборудование, Р 10, 1967, с.40.2.вайо 2 д О0 1974,Ш, ч 6 174,Р 4, р 53-54.. 615499 Составитель И.ЧичерюкинаРедактор Н.Белявская Техред М,Борисова Корректор Н лиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная Заказ 3911/39 Тираж 826 ЦНИИПИ Государственного ко по делам изобрет 113035, Москва, ЖПодписноетета Совета Министровий и открытийРаушская наб., д.4/5