Устройство управления буровым насосом

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 1027377 4/00 Е УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ эиъь"1н,ног и н ВНИ первого бп входом вто вход которо умножения К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный научно-исснедоватепьокий и проектно-конструкторский институтпо автоматизированному эпектроприводув промышленности, сельском хозяйствеи на транспорте(56) 1. Ишханов Э.П. и др. Повышениепроизводительности глубокого буренияпрн регулируемом приводе буровых насосов. "Энергетика и эпектрооборудомниеустановок нефтяной и газовой промышпенности", вып.2, М., ВНИИОЭНГ, 1970,2. Баршай Г.С. и др. О рациональномиспользовании гидравлической мощностибуровых насосов с регулируемым приведом. "Машины и нефтяное оборудомние, .вып.9. М., ВНИИОЭНГ, 1981, с, 14-17.3, Сапяк И.И., и др. Усовершенствомние схемы пуска асинхронного вентипьо каскада бурового насоса, Машиныефтяное оборудование, вып. 8, М;,ИОЭНГ, 1981, с. 23-24.4. Мопохейн Б.И. и Портной Т.З.Регулируемый эпектропрнвод дпя буровыхнасосов. - Энергетический бюллетень",1958, % 6, с. 15-21.5, Парфенов Б.М, Эпектропривод буровой установки дпя бурения скважинглубиной 7-10 км. Автоматизнромнный эпектропривод производственных механизмов", т.П. М., Энергия 1966,с. 334-339,6. Ишханов Э.П. Исспедомние регулируемых эпектроприводов буровых насосов при глубоком бурении скважин.Автореф. дис. Баку, 1972, с. 20 .(прототип).(54)(57) 1, Устройство УПРАЩЦ НИЯ БУРОВЫМ НАСОСОМ, содержащее регулируемый эпектропрнводр соедииенфе ный с исполнительным механизмом дат чик давления, установленный на выходе насоса, и блок задания уставок, о т п и ча юше еся тем,что,с денио поношения надежности работы устройства, в"него введены датчик плотности раство ра, датчик гнубины скважины бпок Фор миромния сигнала смены забойного- струмента и беж задания щшизводитепьности, при етом первый и второй выхсаы блока задания уставок соединены с первыми и вторыми входами бпока задания производительности и блока формрованясигнала сиены забойного инструйента третий вход которого соединен с датчикомплотности раствора, а выходы-с третьим ь и четвертым входами бпока задая производительности нятйй вход, которого: соединен с датчюим давления, вестой и еедьмой входы бежа задания провэводитепьности соединены с третъм четюртым выходами бпока задания уставок датчик гпубиег скважны подкпючен к восьмому входу бпока задания проэвщ- тепьности, первый выход которого соед- неи с входом регупируемого эектрорщю да, а второй - с входом биоа задая уставок.2. Устроющеес я ния сигнапа та содержит йство по и. 1, о т н ч атем, что беж формрова-, смены забойного ииструмеи беж деления, баи умножевозведения в степень и источия смещения, при этом выход ка депея соединен с первым рого блока депения, второй го соединен с выходом бежаа выход подкпючеи к входу1027377 входами блока. бнока возведения в степень, первый вход блока умножения соединен с источником напряжении смвщвння, второй вход бпока умножвння явпявтся первым входом бпока, первый н второй входы первого бпока цвпении явпяются соответственно вторим и трвтьнм входамн блока, выход блока возввдення в степень явпяется вторым выходом блока,3, Устройство по и. 1, о т и и ч ею щ е е с я тем, что блок задания производитепьности содержит бпок умножения, блок деления, сумматоры, пороговые .бпоки, эпвктронные ключи, бпок возведения в степень н блок формирования отрицательного напряжения,при этом блок умно жвния соецинвн с первым входом первого сумматоравыход которого соединен спервым входом блока деления, выход которого через бцок возведения в степень соединен с первыми входами второго сумИзобретение относится к буровой технике, а точнее к устройствам дпя осущвствпения рвгупировання производитепьностнбурового насоса с электрическим приводом, и может применяться в буренин 5 скважин, например, на .нефть и газ. Мвханнческое разрушение горных пород, например, при бурении скважин на нефть и газ связано с необходимостью ннтвн ц снвной промывкн забоя дпи удапвння чайф тичвк выбуренной породы на. поверхность, Топько при достаточной очистке забоя можно обеспечить максимапьные темша проходки скважин, оцрецепенные режнмом бурений, Наряду с очисткой забоя струя промывочной жидкости, нищ высокиМ давпвннвм поступакхная на забой из гндромониторных насадок допота, нвпосрвцстввнно способствуют разрушвнню породы" рр (гидромоннторный эффект). В большинстве спучаев поток промывочной жидкости, за качнваемой в скважину с помощью буровых насосов, используется дпя правою, , забойных гидравпнческнх двигателей д 5 (турбобур, вантовой цвигатепь), непосредственно сочпенэнных.с долотом. Таким образом, функции гидравлической системы буровой установки многообразны, прнчвм все они непосредственно связаны с осматора и первого порогового блока, выходы которых подключены к входам первого энвктронного кпюча, выходы второго порогового бнока и блока формированияотрнцатепьного. Напряжения соединены свходамн второго электронного ключа, выход которого подкпючен и второму входувторого сумматора, второй вход второгопорогового бпока явпяется первым входом бпока, второй н третий входы первого сумматора явпяются соответственновторым н седьмым входами бпока, второй вход блока депення является третьим входом бпока, первый вход второгопорогового бпока и вход бпока формирования отрииатвпьного напряжения объединейы н являются четвертым входом бпока,второй вход первого порогового блока яв, пяется пятым входом бпока, входы бпокаумножения явпяются шестым и восьмым новным технопогнчесиим процессом бурения - угпубпвнивм (проводкой) скважины.Потери давления в гидравпической системе возрастают по мере увеличения глубины скважины н умвныивння ее диаметра, Поэтому рационапьное испопьзованке гидравлической мощности, установ пенной на буровой установке насосной группы, возможно только при регупированин нроизводнтепьности насосов. Еспн привод насосов .Нврвгупирувмый, применяется ступенчатое регупнрование произвоцнтвпьностн буровых насосов путем смены еинищьовых втупок нпи диаметра иривоцны х акнвов, обеспечивающее средневзвешенное значение коэффициента нс. иопьзовання мощности 65-,75% 11. Применение регупнруемого эпектропрнвода буровых юсосов обеспечивает возможность ручного управления частотой вращения приводного эпектроцвигатепя н, соотввтствеино, бесступвнчатого регупнрования пронзводнтепьности насосов в достаточном диапазоне. Однако на практике даже простейший закон рвгупирования - поддержание постоянного макснмапьно допустимого дпя данной втупкн, давпвння и системе (постоянство мо мента На ваву двигателя) - при ручном102 ь управпении не всегда выпопняется с достаточной строгостью из-за перегруженности оператора (бурильщика) технопогическимн операциями. Тем более невозможно с достаточной точностью выполнятьбопее эффективные эаконь управленияподдержание оптимапьной забойной мощности ипи режима равновесного бурения,связанные не только с оперативным управпением, но и с выпопнением расчетауставок2.Известна система регупируемого апектропривода бурового насоса, предназначенная .для буровых установок с номинальной гпубиной бурения 3000-5000 м.Система регупируемого эпектроприводабурового насоса по схеме асинхронноговентильного каскада содержит асинхронный эпектродвигатель с фаэным ротором,мостовой роторный выпрямите пь, сглаживающий дроссель, резистор, инвертор исогпасующий трансформатор. Система автоматического управления электроприво.дом предусматривает пуск асинхронного,вентипьного каскада до номинапьной скорости с бесконтактным перекпючениемпускового резистора. Выбор установившейся скорости в диапазоне 0,5-1 отноминальной осуществляется вручную, посредством сельсинного командоаппарата 3,Известно также устройство для буровых установок с электроприводом постоянного тока, в котором осуществпяетсяавтоматическое регулирование скоростидвигатепя в диапазоне 0,8-1,25 от номинальной в функции одного из трех параметров (давления, производитепьностиипи глубины скважины) 4).Схема управления предусматриваетвозможность ввода информации ю гпубине скважины и коэффициентам гидравпических сопротивпений однако не содержитблоков формирования сигналов управпения и не может обеспечить автоматическое регулирование производнтепьностью.В дапьнейшем на установках с приводом постоянного тока скорость вращениядвигатепя изменяется вспедствие нелинейной обратной связи по давпению 5.Наиболее близким техническим решением к изобретению явпяется системаавтоматизированного эпектропривода бурового насоса, содержащая обратную связпо давлению в нагнетатепьном трубопроводе, регулируемый электропривод, испопнитепыой механизм - двигатепь,бпокзадания уставок, датчик давления на выходе насоса,7377 4Наличие обратной связи по давпеннюсущественно упучшает режим пуска поднагрузкой, способствует успешному восстановлениюю циркупяции. промывочной5 жидкости, а также снижению производительности буровых насосов при максимапьных давпениях, возникающих приаварийных ситуациях в скважине 6.Недостатком известного устройства10 является то, что система автоматизированного эпектропривода бурового насосане решает задачи автоматического регупирования производительности в функцииугпубпения скважины с цепью рационапь 15 ного испопьзования гидравлической мощности буровых насосов,Как известно 11 и Г 2 3 давпение вгидравлической системе буровой установки (на выкиде насосов) Р, опредепяется20 потерями давпения в манифопьде, эпементах циркупяционной системы и гидромониторных узпах допота и забойного двигатепя, СоответственноР ауЩ+аТС тО 7 Й О)где- ппотность промывочной жидкости;- коэффициент гидра впических сопротивлений эпементов циркупя+ционной системы, потери давпе 30 ния в которых зависят от гпубины скважины;ц - коэффициент гндравпических со-,1противлений ма нифопьда;б- коэффициент, характеризующий35гидравлическую характеристикугидромониторных узлов долота изабойного двигатепя.Коэффициент Ц ка правипо псоянеи за время бурения скважины. Коэфф 40 циент Ц 1 меняется редко с изменениемкомпановки бурипьной копонны и конструкции скважины. Коэффициент О меняется дискретно (не чаше чем один разна рейс долота).Максимапьная допустимая гидравпичеокая мощность буровых насосов развивается в том спучае, еспи во всем интервапе проходки скважины поддерживаетсямаксимапьно допустимое дйя данного диа 50метра сменной втупки давпение на выкиде насоса РАоп 1При Ри Рдоо законрегулирования произвоаитепьности Цопреде;лется з (1) Однако максимум гидравлической мощности насосов иа поверхности не всегдаобеспечивает подведение к забою максимальной гидравпической мощности и евреализацию. С аругой стороны известноев теорий усповие реализации максимальной забойной мощноститребует непрерывного изменения гидравлической характеристики забойных двигателей и долот, что практически неосущест вимо. Кроме того, этот способ приводит к непроиэвоаитепьным затратам суммарно расходуемой мощности.На современном уровне развития техники наиболее рапионапиым яваявтся, комбинированный способ регупирования . производительности буровых насосов, сочетающий работу при максимально допустимач давлении по уравнению (1) с периодическим изменением гиаравпической характеристики забойных механизмов при достижении условиящ, ЮЧсм 1,7653 ОПредлагаемое устройство управпвиия обеспечивает автоматическое рвгупироиьние частоты вращения ацектропривоаа бурового насоса (и соответственно производительности) в процессе угпубпения скважины с периодической заменой гидравлической характеристики забойных механизмов при достижении забойной мощности ЧснЦепью изобретения является повышение надежности работы устройства путем регулирования частоты вращения бурового насоса ирн поддержании максимапьных допустимого давления на выккде насоса и гиаравической мощности забойного механизма для повышения произвоаитепьности бурового агрегата, одновременно за счет рационального использования мощности сокращаются энергетические затраты на проводку скважины,Поставпенная цепь достигается тем, что в устройство уцравпения буровым насосом, содержащее регулируемый эпектропривод, соединенный с исполнительным механизмом, датчик давления, установленный на выкиае насоса, и блок задания уставок, ввваены датчик плотности раст ра, датчик глубины скважины, блок формирования сигнала смены забойного инструмента и блок задания производительности, при этом первый и второй выходы блока задания уставок соединены с пер ными и вторыми входами блока заданияпроизводительности и. блока формированиясигнала смены забойного инструмента,третий вход которого соединен с датчиком плотности раствора, а выходы - с третьим и четвертым вхоаамн блока задания производительности, пятый вход которого соединен с датчиком давления, шестой и седьмой входы блока задания производительности соединены с третьим нчетвертым выхоаами блока задания устаО вок, датчик гпубинь 1 скважины подключенк восьмому входу блока задания проиэводитепьности, первый выход которого соединен с входом регулируемого эпектропривода, а второй - с входом блока задания уставок. 15 Кроме того, блок задания производительности содержит блок умножения, бпо деления, сумматоры, пороговые блоки,эпектроиныв ключ, блок возведения встепень и бпок формирования отрицательного напряжения, прн атом блок умножения соединен с первым входом первогосумматора, выход которого соединен спервым входом блока деления, выхоа которого через блок возведения в степеньсоединен с первыми входами второго сумматора и первого порогового блока, выходы которых подключены к входам первого электронного ключа, выходы второго порогового бпока и блока формированияотрицательного напряжения соединены свходами второго электронного ключа, выход которого поакпючвн к второму входувторого сумматора, второй вход второгопорогового блока является первым входом блока, второй и третий входы первого сумматора являются соответственновторым и седьмым вхоааии блока, вто 50 55 Также блок формирования сигналасцены забойного инструмента содержит блоки аепвния, блок умножения, блок воз ведения а степень и источник напряжения смещения, при этом выход первого блока деления соединен с первым входом второ го бпока деления, второй вход которогосоваяви с выходом блока умножения, а выход подключен к входу блока воэвеае. ф ния в степень, первый вход блока умножения соединен с источником напряжения смещения, второй вход блока умножения является первым входом блока, первый и второй входы первого блока деления явля ются соответственно вторым и третьим входами блока, выход блока возведения в степень является вторым выходом бнорой вход блока цепения явпяется третьим входом блока, первый вхоа второго порогового бпока и вход бпока формиромния отрицательного напряжения объединены и явпяются.четвертым вхоаом блока, 5 второй вход первого порогового бпока является пятым входом блока, входы бпока умножения явпяются шестым и вось" мым входами бпока.Введением бдока формирования сигнала 1 О смены забойного инструмента со своими связями обеспечивается формирование "сигнала смены забойного инструмента из сигналов максимально допустимого цавпения на выкиде насосов, поступающего с бпока задания уставок, сигнапа плотности бурового раствора, поступаю щего с датчика плотности бурового раствора, и сигнала, характеризующего гидравпическую характеристику гидромониторных допот и забойных гидравпических двигателей, поступающего с блока задания уставок. формирование сигнала на смену забойного механизма необходимо апя рационапьного испопьэования гидрав пической мощности работающего забойного механизма, так как испопьэование укаэанного забойного механизма цпя дапьнейшего угпубпения скважины нерационально.30 Введением бпока задания проиэводитепьности со своими связями в устройство управления обеспечивается формирование сигнапа задания проиэвоцитепьнос 5 ти на систему автоматического регупирования эпектропривоаом насоса. Сигнап задания производительности формируется из сигналов, текущего давления, поступающего с цатчика давления на выкиае ые;м соса, сигналов значений гидравпического сопротивления эпементов циркупяционной системь, коэффициента гицравпического сопротивления манифоньда, коэффициента гиаравпического сопротивпения элементовциркуляционной системы, коэффициента, характеризующего гидравпическую характеристику гидромониторных узлов допота и забойного гидравлического дви гатепя, поступающих с пульта управпения, и сигналов текущей гпубины скважины, поступающих с датчика глубины скважины, и плотности бурового раствора с датчика плотности.На фиг. 1 представлена структурнаясхема устройства управления буровымнасосом с регупируемым электроприводом;на фиг, 2 - блок формирования сигнапа/ смены забойного инструмента; на фиг.Збпок задания проиэвоаитепьности.Устройство управпения содержит регулируемый эпектропривоа 1, исполнительный механизм - двигатепь 2, например двигатель постоянного тока дпя придания врашения буровому насосу, бпок 3 задания уставок, датчик 4 аавпения, например типа ППДР-З, установленный на выкиде насоса, цатчик 5 плотности раствора (например, типа ДПВ 2) и датчик 6 глубины скважины, (укаэанные датчики являются аатчиками параметров технопогического процесса иэ комппекта датчиков буровой установки), бпок 7 формирования сигнала смены забойного инструмента, бпок 8 задания проиэвоаитепьностиБпок 7 формирования сигнала сменызабойного инструмента содержит . (фиг, 2)первый блок 9 аеления сигнапов ивторой бпок 19 аепения, бпок 11 умножения,источник 12 напряжения смешения, бпок13 возведения в степень.Бпок 8 задания произвоцитепьностисодержит (фиг. 3) блок 14 умножения,первый сумматор 15, бпок 16 депения,блок 17 возведения в степень, первыйпороговый блок 18, второй сумматор19, первый электронный кпюч 20, второйпороговый бпок 21, блок 22 формирования отрицатепьного напряжения и вто рой электронный кшоч 23.Перец пуском устройстм проводят с еауюшие подготовитепьные работы. На блоке 3 задания уставок выставляются значения коэффициента гиаравпического сойротивления эпементов циркупяционной системы, коэффициента гидравпического сопротивпения манифопьаа, коэффициентагиаравпической характеристики гиаромониторах узлов цокота и забойного двигатепя, максимально допустимой гиаравлической мощности РПри вкпючении устройстм в работу иа выхоае бпока 14 умножения в бпоке8 задания произвоаитепьности появпяется сигнал, который суммируется на сумматоре 15 с сигнапами установок коэффициентов и поааниых с бпока 3 задания уставок. Сигнац с сумматора 15 поступает иа "торой вхоа блока 16 деления, в котором он взаимодействует с сигнапом с первого выхода бпока 7 формирования сигнапа смены забойного инструмента и являющегося в преобраэомнии сигнапов делимым. Полученный в бпоке 16 и преобразованный в бпоке 17 возведения встепень сигнал поступает в пороговыйблок 18, В блоке 18 сигйап с блока 1 7 сравнивается с сигналом, поступаюшим с второго выхоца блока 7, При равенстве этих сигналов на выходе порогового блока 18 появляется сигнал, управляющий электронным ключом 23.Сигнал с выхода блока 17 суммируется на втором сумматоре 19 с сигналом с выхода электронного ключа 20, который в первоначальный момент равен нулюи подается через электронный ключ 23 в регулируемый привоц,Двигатель 2 разгоняется, и на входе датчика 4 давления появляется сигнал об уровне давления бурового раствора в трубопроводе. Сигнал с датчика 4 подается через пороговый блок 21 на электронный ключ 20. Этот же сигнал с датчика 4 устанавливает на выходе блока 22 соответствующее отрицательное напряжение, которое поступает также на,электронный ключ 20. На пороговый блок 21 одновременно подается сигнал с блока 3 задания уставок о допустимом давлении РНа выходе электронного ключа 20 сигнал отрицательного напряжения появляется после превышения сигналом текущего давления Р.ек, поступающим сдатчика 4, сигнала о цопустимом давле- нии Рдоп. Сигнал на выходе электронного ключа 20, пропорциональный значению превышения РтЕк над Р и, подается на сумматор 16 и поддерживает на его выходе уровень сигнала, соответствующийзаданному значению уровня производительности насоса.Сигнал допустимого давления Рдл,поступающий с блока 3 задания уставок,в блоке 9 целится на сигнал плотностираствора, поданный с датчиков 3 и 4после преобразования, произведенного сситналом значения коэффициента гидравлического сопротивления манифольда в блоке 6, и подается на пороговый блок 18.На другой вход блока 18 поступает сигнал иэ блока 1 7,Сигнал на выходе порогового блока18 появляется при достижении Я-гк зна, чения Ц Оп и подается на управляющийвхоц электронного ключа 20, При этом сигнал задания на регулируемый привод снижается до нулевого значения, и на блок 3 задания уставок выдается сигнал. на смену забойного инструмента.Предлагаемое устройство по сравне-нию с известным обладает тем преимуществом, что автоматически выполняется наиболее рациональный режим регулирования производительности насосов, позволяющий подвести и реализовать на забое до 50% дополнительной мощности (по ЗО сравнению с регулированием в режимепостоянства давления) при одновременном снижении потребляемой мощности из сети, и исключает влияние субъективных факторов на эффективность работы., Раушскаа наб. каз 4696/36 Тираж 603 ВНИИПИ Государственного по депам изобретена 113035, Москва, Ж