Устройство для управления режимами вращательного бурения скважин

О П И С А Н И Е (п,903564ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 220677 (2 ) 2499748/22-03 (51) М. КЛ. Е 21 В 44/00 с присоединением заявки Гесударстнвнный комитет СССР(53) УДК 622. 243.92(088,8) но данам изобретений и открытий(542 УСТРОКТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН 1Изобретение относится к средствам автоматического управления режима.ми вращательного бурения скважин иможет быть использовано на бурильныхмашинах и крупных буровых станках,эксплуатируемых на подземных и открытых горных работах.Известна система управления передвижной буровой установкой, котораяобеспечивает максимальную скорость1 Обурения различных по своим физикомеханическим свойствам горных пород1,Однако данное устройство не реализует оптимальную глубину внедрения15а режимные параметры настраиваются намаксимум механической скорости, чтоне всегда достигается при оптимальном ведении процесса разрушения.Наиболее близким техническим рещением является устройство, содержащеедатчики скорости бурения, частоты вращения, вибраций и усилия, схемы давления, вычислительный блок, задатчик 2глубины, регуляторы частоты вращения и нагрузки, усилители 2.1.Однако данное устройство не дает возможности выбора режимных параметров по границе их допустимых значений т.е. по оптимальной глубине внедрения при бурении крепких пород по минимуму энергоемкости или максимуму механической скорости, а при бурении карстовых воронок, заполненных вязкими глинами - по давлению в системе воздушно-водяной смеси.Цель изобретения - повышение точности и надежности управления при бурении в .условиях резко изменяющихся прочностных и структурных свойств пород при имеющемся диапазоне регулирования режимных параметров по уровню вибраций буровой машины и по моменту на инструменте.Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее датчик скорости бурения, частоты враще-. ния глубины, две схемы сравнения, 903564регулятор частоты вращения и усилия подачи, релейные элементы, усилители и выключатели, снабжено датчиками то" ка, задатчиками тока и уровня вибраций, экстремальным регулятором, тре-тьей схемой сравнения, коммутирующим блоком, двумя датчиками давления, схемой ИЛИ, двумя элементами НЕ, элементом ВРЕМЯ, электрогидравлическим клапаном бурового станка и блоком 1 о реверса подачи, при этом датчики скорости бурения и частоты вращения подклюцены к двум входам вычислительного блока, третий вход которого , подключен к выходу датчика тока, .а 1 выход вычислительного блока подклюцен к одному из входов первой схемы сравнения,. другой вход которой соеди" нен с выходом задатчика глубины, а выход первой схемы сравнения связан с одним из входов коммутирующего блока, четыре входа которого подключены соответственно к выходам второй схемы сравнения, первого и второго релейных элементов, датчика усилия подачи и одному входу задатчика глубины, причем другой вход задатцика глубины подключен к первому усилителю, при этом датчик вибраций подключен к второй схеме сравнения, связанной с задатциком уровня вибраций, а выход датчика тока подключен ко третьей схеме сравнения, связанной с задатчи кам тока, причем выход третьей схемы сравнения связан с входом регулятора35 частоты вращения и первым релейным элементом, соединенным с коммутирующим блоком и задатчиком глубины, задатчик глубины подключен через второй выключатель к экстремальному регулятору, соединенному через первый выключатель с датчиком скорости бурения и через третий выключатель с вычислительным блоком первый датчик давления подключен через последова 45 тельно соединенные схему ИЛИ и третий усилитель к электрогидравлическому клапану и через последовательна соединенные первый элемент НЕ и элемент ,ВРЕМЯ к второму элементу,НЕ,который. связан со схемой ИЛИ, кроме того, пер-О вый датчик давления соединен с первым усилителем, второй датчик давления подключен через второй усилитеЛь к блоку реверса подачи.На черетеже представлена функцио-. нальная блок-схема устройства управле ния режимами вращательного бурения :кважин. Устройство управления режимами вращательного бурения скважин содер-. жит регуляторы усилия подачи (Р)и частоты вращения (Рц) 2, входы ко - торых связаны с выходом коммутирующего блока (КБ) 3. Вход коммутирующего блока 3 соединен с выходом схемы сравнения глубины внедрения 4, а входы последнего с выходами задатцика глубины (3 Ь) 5 и вычислительного блока (ВБ) 6 реализующего текущее значение глубины внедрения, Коммутирующий блок также связан с подсистемами ограничений: с выходом схемы сравнения виброскорости 7, выходом релейного элемента (РЭ 1) 8 подсистемы ограничения по току, с выходом датчика усилия подачи (ДГ) 9, релейным элемен том (РЭ 2) 10 этой же подсистемы. Подсистема ограничений по вибрациям состоит из датчика вибраций (ДВ) 11, задатцика уровня вибраций (Зв) 12, схемы сравнения 7 и релейного элемента (РЭ 2) 8. Подсистема ограничений по току двигателя вращателя состоит из датчика тока (ДТ) 13, задатчика тока (3 Т) 14, схемы сравнения 15 и релейного элемента (РЭ 1) 8, Вход вычислительного блока 6 связан с датчиками тока 13, цастоты вращения (Во 15 и скорости бурения (ВЧ 8) 16, причем последний через выключатель (В 1) 17 соединен с входом экстремального регулятора(ЭР) 18, Выход экстремального регулятора 18 через выклюцатель (В 2) 19 и задатцик глубины 5 связан с одним из входов схемы сравнения глубины внедрения 4. Второй выход вычислительного блока 6, реализую.- щего энергоемкость (ее обратную величину), через выключатель (В 3) 20 соединен с входом экстремального регулятора 18. Задатчик глубины внедрения 5 связан также с подсистемой прохождения карста, состоящей из датчиков дав ления воздуха в системе воздушно-водя - ной смеси (ДД 1) 21 и (ДД 2) 22, усилителей (У 1) 23, (У 2) 24, (У 3) 25, логического элемента ИЛИ 26, логических элементов НЕ 27 и 28, логического элемента ВРЕМЯ 29, электрогидравлического клапана (ЭГК) 30 и блока реверса подачи(РП) 31. Устройство управления режимами бурения работает в одном из следующих режимов: 1 - отработка заданной величины глубины внедрения; 1 - поиск и отработка минимальной энергоемкостиЗащита бурового станка от вибра" ций осуществляется сбросом частоты вращения при превышении заданного уровня виброскорости. Сигнал текущего значения виброскорости р с 5 датчика вибраций 11 поступает на вход схемы сравнения , где сравнивается с заданным значением виброскорости Ч, установленным задатчиком вибраций 12. Сигнал рассогласования АЧ = К -Ча поступает на коммутирующий блок 3 и на релейный элемент 10. Сигнал с релейного элемента 8 также пос" тупает на коммутирующий блок 3 и, если производилось регулирование по частоте вращения, то отключает сигнал ЛЬ, а сигнал рассогласования со схемы сравнения 7 через коммутирующий блок 3 воздействует на регулятор частоты вращения 2 и частота вращения снижа" 20 ется до тех пор, пока не будет достиг нут заданный уровень вибраций, Снижение частоты вращения приводит к увеличению тока двигателя и при достижении его номинального значения выход из зо 25 ны повышенных вибраций осуществляется уменьшением усилия подачи. Эта подсистема работает во всех. трех режи" мах.Подсистема прохождения карста ра ботает следующим образом,При входе инструмента в закарсто"ванный участок, заполненный какправило, вязкими глинами, песком, сла 35 б:,ми сланцами происходит частичнаяили полная закупорка пневмомагистралей цолота, что повышает давление всистеме очистки забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью. Датчики 21 и 22 настроены соответственно на нижний и верхний уровень давления сжатого воздуха, При достижеии в процессе закупорки пневмомагистрали нижнего уровня давления сиг.- нал с датчика 21 подается на один извходов логического элемента ИЛИ 26, на вход логического элемента НЕ 2 и через усилитель 23 на задатчик глу" бины 5, Указанный сигнал отключает за 50 дание глубины внедрения, т.е, прекращается подача инструмента на забой. Одновременно на второй вход логического элемента ИЛИ 26 от логического элемента НЕ 28 поступает сигнал, Сигнал с элемента ИЛИ 26, усиленный усилителем 25, включает электрогидрав лический клапан 30, обеспечивая по, вышенный расход воды, подаваемой .в скважину. Увеличение расхода воды и превращение подачи инструмента на забой скважины приводит к расштыбовке долота, т.е. падению давления в пневмомагистрали, в результате чего исчезает сигнал с датчика 21. Исчезновение этого сигнала приводит к включению задатчика глубины внедрения 5, на выходе элемента НЕ 2 появляется сигнал, который элементом ВРЕМЯ 29 задерживается, т.е. на время задержки на входе элемента НЕ 28 отсутствует сигнал, а на его выходе и входе элемента ИЛИ 26 будет единичный сигнал, Таким образом, в течение времени задержки производится бурение с повышенным расходом воды. Если прекращение подачи инструмента на забой скважины и увеличение расхода воды не приводит к падению давления в пневмомагистрали.и давление достигает верхнего предела, сигнал с датчика давления 22 через усилитель 2 ч поступает на устройство реверса подачи 31, которое осуществляет подъем инструмента над забоем с повышенной подачей воды для расштыбов" ки долота. Достижение нормального рабочего давления воздуха в пневмомагистрали переводит станок в исходное положение.Предложенное устройство позволяет повысить скорость бурения на 10-201 и стойкость бурового инструмента на 35-103, снизить удельный расход электроэнергии на 15"203. Ожидаемый экономический эффект от внедрения 5-8 тыс, руб, на одно устройство.Формула изобретенияУстройство для управления режимами вращательного бурения скважин, содержащее датчики скорости бурения, частоты вращения, вибраций и усилия,вычислительный блок, задатчик глубины, две схемы сравнения, регуляторы частоты вращения и усилия подачи, релейные элементы, усилители и выключатели, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и надежности управления в условиях резко изменяющихся прочностных и структурных свойств пород при имеющемся диапазоне регулирования параметров и ограничениях по уровню вибраций буровой машины и по моменту на инструменте, оно снабжено датчиком тока, задат903564 1 Овходом регулятора частоты вращения ипервым релейным элементом, соединенным.с,коммутирующим блоком и задатчиком глубины, задатцик глубины подкз лючен через второй выключатель к экс" м. тремальному регулятору, соединеномучерез первый выключатель с датчикомскорости бурения и через третийвыклюцатель с вычислительным блоком1 ОВпервыи датчик давления подключен через. последовательно соединенные схемуИЛИ и третий усилитель к электрогидравлическому клапану и через последовательно соединенные первый элемент НЕ и элемент ВРЕМЯ к второму элементу НЕ, который связан со схемойИЛИ , кроме того первыи датчик давлениячсоединен с первым усилителем, второйдатчик давления подключен через втощв оой усилитель к блоку реверса подаии. аз 65/.15 Тираж 623 Подписн ВНИИ ПИ"Патент", г. Ужгород, ул. Проектная Фили ал чиками тока и уровня вибраций, экстремальным регулятором, третьей схемой сравнения, коммутирующим блоком,двумя датчиками давления, схемойИЛИ, двумя элементами НЕ, элементомВРЕМЯ, электрогидравлйческим клапанои блоком реверса подачи , причем:датчики скорости бурения и астотывращения подключены к двум входам вычислительного блока, третий входкоторого подключен к выходу датчикатока,а выход вычислительного блока подключен к одному из входов первой схемысравнения, другой вход которой соединенс выходом задатчика глубины, а выход,первой схемы сравнения связан с однимиз входов коммутирующего блока, че",тыре входа которого подклюцены соответственно к выходам второй схемысравнения, первого. и второго релей"ных Элементов, датчика усилия пода- .чи и одному из входов задатчика глубины, при этом другой вход задатчика глу-бины подключен к первому усилителю,датчик вибраций подключен к второйсхеме сравнения, связанной с задатчиком уровня вибраций, выход датчика тока подклюцен к третьей схеме сравнения, связанной. с задатциком тока, выход третьей схемы сравнения связан с Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США И 3593807,кл,Е 21 В3/02, опублик. 1969.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке И 1779660,кл.Е 21 В 44/00,1976 (прототип)