Способ автоматического поддержания заданной плотности бурового раствора и циркуляционная система для его реализации

(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ЗАДАННОЙ ПЛОТНОСТИ БУРОВОГОРАСТВОРА И ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЕГО РЕАЛИЗАЦИИ о глубокого во СССР6, 1982. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Специальное проектноторское бюро автоматизацииразведочного бурения(57) Изо скважин. точности вого рас желителя дительно как проп ретение относится к бурению Цель изобретения - повьппени поддержания плотности буро- вора (БР) путем подачи утя- (У) с оптимальной произвотью при работе с дозаторами рционального, так и дискрет1518482 ВаЕТС 5 г РаВЕНСТВО г ного действия. Подают У в приемну 1 оемкость 1 с учетом текущего значенияплотности на входе емкости 1, Податгаосуществляется пропорционально расСОГЛаСОВаНИВ ТеКущЕГО и задаННОГОзначений плотности, Измеряют расходБР на входе в приемную емкостьи,учитывая плотность У, апредел 5 вт аптииальнув производительность паггачиУ как сумму прапорцианвлы 10 й и ком-"пенсационной составля 1 ощйх., Паслед 51515НЕ ЗаВИСИт От ПараМЕтрап БР На 1 ЬХОде емкости 1, Циркул 5 Ц 1 Онпа 5 Системадля осуцгествления способа содержитдозатор 2, датчики 3, 4 расхода иплотности БР на входе мкастп 1 датЧИК 5 ПЛОТНОСТИ Б На тЬХаттг Рот 11 г гтт1, задатчик 6 ттлатпост Брзада тИЗОбрЕТЕНИР ОТНОСИТСЯ К ГтОИГОТОВлепио и обработке буровых растворов,В 1 ттСТНОСТИ. 1. УТ 51 ЖЕ 1 ИО РНСТВОРД иПОД ьт РжаНИИ ЕГО ПЛОТ 11 ОСТ 11 Р УРЕНИт,ЭКСП 1 УЯтаЦИОПНЫХ 1 РаЗВ.,1 От:Ньтх СКВЬ.тОСТЫО ьНа фиГ., 1 приведена стру,тута:СХЕМа ЦИРКттЛЯЦИОП;Ой СПС. ЕМН РЕГУт 1 рования плотпости буро ага раствора:на фиг.2 - гоуикц 1:анель:тая схема диск 40ретнога преобразавате 1,1,:Ниркут 151 циа 1 на 5 сист.ьа гк;тавот;а РПрИЕМНув ЕМКОСТЬ 1, доеирующий .гЗЕЛ2 датчики 3 и 4 расхо,.га 1 латпас"5 дти бурового раствора,. зтекгтощега вемкость 1 датчик 5 плотности бурового раствора, вытекающего из емкости1, задатчик 6 плотности буровагараствора задатчик 7 ппатпост:т параш 9кообразтага у яжел:.1 е 151, пропорциа г т 1НаЛЫттй рртутт го, 8 б-тт 3 т 1 а.г - ", -Сации, Сумиатар 1 Д, тт гав -",ОаГг Ьрецэпа ут 5 желен 151 . д 1 с. ) тобразаватель 12 и т зт, ттт. т.узсл 13,БЛОК 9 КОЫПЕНСацтп . ОдЕрпт 1 Т Парг гвый и второй блоки 14О вьг 1;анв г блок 16 деления и блок 17 умнажен 151 чик 7 плотности У, пропорциональныйрегулятор 8, блок 9 компенсации, сумматор 1 О, переключатель 11 режиматУ,дискретный преобразоватЕль 12 и перемешивающее устройство 13, На выходерегулятора 8 формируется сигнал пропорциональной составляюцтей подачи У,на выходе блока 9 компенсации - сигнал компенсационной составляющей, Обесоставляющие, пройдя сумматор 10, поступают либо на аналоговый вход дозатора 2, либо через преобразователь 12на дискретный вход дозатора 2. В последнем случае У подается в емкость 1дискретными порциями через определенные промежутки времени, которые выт 11 СЛяОТСя В ПрЕОбраЗОВатЕЛЕ 12, 2 С.и 2 з,п,. д-и, 2 ил:. Дискретный преобразователь 12 вк 5 отает задатчик 18 веса дискретной порции утяжелителя, задатчик 19 времени поступления дискретной порции утяжелителя, интегратор 20, компара.ар 21, управляемый таймер 22 первый и второй однавибратары 23 и 24, 1 Ь-триггРр 25 первый и второй логичт.ские элементы ИЛИ 26 и 27 и логи-. ттескии злемент И 28Способ асуцтествляют следуощим образом,Б емкость 1 для поддержания требуеисй плотности бурового растворапрп помощи дозирующего узла 2 добавляюг 1 екаторое количество порашкообразнага утяжелигеля, плотность которого 0 заведома больше заданнойплот:.асти раствора . ,Т,е, 3стт фПаступаютций в емкость 1 порашкообтазный утяжелитель при помощи переиешиьавцего узла 13 равномерно рас.:ределяатся па всему объему еь.кости,В результате за счет добавления тяжела гбоак 11 ии ппатность ОаствораВтттХО 5 г 1 Е .тЗ ЕМКОТИ 1 УВЕттиттПВавт ДОпеаб:=ацииой ве-ичины, когда абеспечи 7 5 тт зад; (13Интенсивность ттоступления гтяжелителя регулируется дазирующим узлам 2 и характеризуется объемной82 Поэ тельДР ъадудовл 5 584производительностью (расходом) О,м /ч.Так как подача утяжелителя является единственным управляющим воздействием, обеспечивающим поддержаниезаданной плотности, оптимизация системы регулирования плотности буровогораствора состоит в определении такойоптимальной производительности,Я0дозирующего узла.2, при которой достигается минимум абсолютной величиныразности между текущим и заданнымзначениями плотности раствора на выходе из емкости 1 в течение всего 5процесса бурения, т,е,/ вых свд / =ш 1 п. (2)Сущность способа состоит в том, что производительность Я дозирую" 20 щего узла 2 определяют как сумму пропорциональной Яи компенсационной1 пЯ составляющих:О=Е+0 ,(3) при этом пропорциональная составляющая задается линейным законом пропорционального регулирования: о (живых ъад)(4).30 где К - комплексный коэффициент усиления регулятора 8,а компенсационная составляющая определяется по формуле Рз,-Р 35оуро Р, 3 о 1 ЬХКак видно иэ выражения (5), компенсационная составляющая производительности подачи утяжелителя. зависит только от параметров втекающего в ем .кость 1 раствора (и Оо) и от известной по технологической карте плотности утяжелителя и и не завиг 3 сит от плотности раствора на выходе из скважины и, следовательно, явля ется безынерционной, т,е. не зависит от запаздывания, связанного с процес-. сом перемешивания утяжелителя, посту. пающего из дозирующего узла 2 в ем,кость 1.50Иэ анализа математической модели процесса утяжеления следует, что оп" ределенная в соответствии с выражением (5) величина Я о.составляет большую долю от оптимальной с точки зрения критерия (2) производительностиопт дозирующего узла 2, т.е.для разности Д 0 Яоот 1компсправедливо утверждение ДО 0 опт(б)Таким образом, для осуществления точного поддержания плотности регулятором 8 пропорционального типа необходимо добавить к компенсационной составляющей полной производительности дозаторадобавку Щ, Так как в случае малых отклонений пропорциональный регулятор 8 работает в линейном режиме, что гарантирует высокую точность, можно утверждать, что производительность подачи утяжелителя, сформированная как сумма Чапо+1 комп с учетом выражений (4) и (5), будет практически совпадать с оптимальным значением производительности дозирую- щего узла 2, при котором достигается приемлемый минимум величинывь -Ъад)Если дозирующий узел 2 снабжен дискретным исполнительным механизмом, работающим по принципу открыто - закрыто, то в соответствии с предлагаемым способом следует организовать квазиоптимальный режим управления, состоящий в том, что утяжелитель подают в емкость 1 малыми фиксированными порциями весом ДР о . Вес утяжелителя Р, поступающего в емкость 1 за время Е при подаче его с некоторой производительностью Ц, определяется интегралом вида о (е)й.(7) тому, если подавать утяжелииксированными порциями весомерез промежутки времени Ь 1;,творяющие уравнениюИ;=Р(е) йс,о где О- вычисленное в соответствии с (3)-(5) значениепроизводительности, в каждый момент времени суммарный вес утяжелителя, поступающего в емкость 1, будет практически совпадать с величиной, которая поступала бы в емкость 1 при непрерывной оптимальной производительности дозирующего узла 2. При этом качество регулирования тем лучше, чем меньше порции ДРад, так как уменьшается влияние инерционности перемешивающей си.темы.Математическое одвлирс;ац 1 е псказаЛс тТО ПРИ ПРОИЗВСДИТЕтЬНССтт ДтСК-рвтных дозирующих узлов порядка10-15 т/ч пс,щи 0 сл(тд 5 ет Ограньтч 1"вать величиной 0,1-0.,2 т,. При зтсмВРЕМЯ ОТКРТОГО СОСТОЯтиц ДозРУОЕго узла составляет 0.,5-3;ицт чтоВполне приемлемо с 1 счк 1 зхе 1 и 51 управления заслонкой, ,0Таким образом, за счет применеНня СПОСОба В уСтаНОВВтЕМСя рджИМЕдсспгаетс 51 прьц(гГ 1 еск ОптимальнаятОЧНОСтЬ ПСДТЕР 5(аНИ 5 ЗазаЦНОй ПЛОТ"ности бурового раствора кдк цри не,прерывном, так и црн длскретпом режимах работы дсзирующе 10 уз 1 а 2АВТОаГН 311130 вдццьЯ:,. П)кУхЯДио"пая система, редлцзующ;. сттособ, ра эстает следующим образом,Требуемая плотность бурового раствора выставляется ца задаттике (тзруную цхц ди(."ацдс цгааптОМатитЕСКОГО УЦР(ЦАПЛЕ:ИЯ ВЕРХПЕГСиуровня (нс показана, да 10 гцчнс ца .1задатчике 7 выставляегся цлотнос.ьприменяемого в системе ,ц.с;тигеляИНфсрМатг 5 Ст Затагт 1(,. б и даГЧзц(:-.плотности буровогьсдс.; . Ора зак.дчиВаЕМОГО В СКва.:т:НУ, ЦсгУт 51 ЕТ:Д ЕР-,"Вй Т 1 ВГОРО ВХОДЫ тгОПО ЦЯО.атЬ ТС";ре 1 улятс)эа Б ца .тхсте ;.03,.3 г сг сМИРУЕтСЯ СПГНЗЛ Г:гтоясттСЦДЛ:-."ссставляОщей Ц, 1 е; ч - сЧи УТЯ(а т, Е,15Ид вхсчы бхскт ) кс гт"с;г и. цКОТОРОМ ССУЩЕСТВЛ. ЕТСЯ Сттнрант 5"числения хоппе:с(д;О;цссостав.,.:щей,гПЛОТНОСТП уд 5 ЖЕЛИТЕЛ 5, 3 адаттнтц(д Сплотности бурового раствора ца вхсгцдВ С (Ват(ЦЦУ и гтат КСВИ 5 РВСХ( ВДи пхогнссги бурового р;.Сгвора, ц е"кающего ц емкость ,. Р"сдящте в ос таВ бЛОКд КСМПЕНСВ 151 дрг,МЕТ тЕСО Пблок 14 и 15 зьтчтттапи; биск 16 де.ления и блок 17 умцсжсцця сбссгеч 1 гВДЮд (ОР ПтРОВаЦИЕтЕКдР И 1 ССКС ГО Ст ГНаЛа. П)ЗОПОРТ 1 сиаХЬЦОГ; Вгп ните КСМПСПСацПОной СОСтаВХяЮ.:Е 1 1, троИЗТЗСДИТЕТЦтОСТИ ПСДаЧ 1 5 д;:,Етт- Е)Я,котоРаЯ в соответствии с теД(т.3 те.стособов Вычисляется пс тсрь:ул 3. г )/ . , .,-СнпплЛт С ЗЫХС;03 30 5 Л 51 ГОРД О 1блока 9 комп енсации ма( татд бцртпдт:яи суммируются т су;5 ат(.ре 10,С выхода сумматора О аналоговый СИГЦЛ, ПРОПОРтсцаЛЬтгвИ ОПтИМДЛЬЬ 01 ИНТЕНСИВНОСТИ 0 ПоддтИ 5 тяжелителя, псст 5-,пает на переключатель 1рея(има утяжеления, .слл в системеиспользуется дозирующее устройство прсп 01 эциснальнОГо типа с переменной производительностью подачи, то переключатель 11 устанавливают в положение "Анахог", При зтсм андлс Овый сигнал с выхода сумматора 10 через первый нормально замкнутый контакт переключателя 1 Поступает нд,.аналоговый вход дозирующего узла 2, который обеспечивает псступлецие утяжели"Хт 3 ЕМКО. ТЬС ПгоЗтзсХИ ГЕЛЬттсст ью, . ав.ои.О, =О, +ткаьтп " пР"Еслл д( зру:ггЙ, 3 ех 2 снабжен лСПСХЦИЕЛГ НЬ:.", ЕХДизТОМ ВзСКРЕтНС гг;ттд расс т, ь им -,с 113,цтц 5 КРЫТО ОткрЬГГО И СбЕСЕтцхваЮи. Б ОТ кры, Ссстояцт. 0 н.Ткси 30 за 115 юЦГОИ 33 СВИТЕТЬ 5 ТОСТтз ;С;а :ТЛ тт 5 ПЕХтт ГЕЗтт, го ГЕРЕ.:ПВЧ,. даптРЕ;:(Има - ГТЯ 5(ЕТ(ТП 15 УсГДаптнваОТ:3 1 сложатЕ "Ц(скр . Я 3" сь спу .ае аналоговый с" гчд 1 Цтд с выхоттг с-чт тадорд ,; толтц "Е; ЧЕТ ЕЗ ГТС)30 л Контах ПаРЕ- - : дтаде(. 1та пертзый Б:сгт 1 г т( эг тг, н ". гс прессрд. очи геля 1,., на втсрои О КЗТСРО-С ЧЕ,ЕЗ гРЕт.й т(О ттат(д ч(тза(лючс 1 тел 5 1 1 тсдется цап 351(енис СГ.".ЕСКСТ ЕДЦттИДЫ С Г ВЕИНЕГО:.т ТОЧспорного сигнала (1 е показанСигнал логической едиицы с вто- рСГС -Хсд, д-.СКрЕТНС О ттрЕОбзазстцателя поступает нд первый однстзибра: стз 23 фор.,труо тии кратко вэеье-,тььЙ ТРЯТОУГОЛЬНЬй ИМПУЛЬС, т(ОТОРЫй ЧЕРЕЗ Ет.,:,;тл ЗЛЕтлЕгт Иц.,1 2 Я тОСдуттаЕ" 1:а 11;зход триггера 25 л 1 результате еа выходе триггера 2:срмирутз"сятР 3 цть ЛСГПЕст(ой С.т:,лттттт. и го СОСТВСТСТВуЕ Г унрав;ттщщЕй Комдт 1 дЕ От(ртьть дозатор, Одцсгреецто и.:"пульс с тьтхогта первого зле.;еьта ПИ 26 свотм передним ситом СбухЛег (с(трасызгет интеггр тор 20 т через второй элемент ИЛИ 27 таймер 22, а с:зоимДтттИ т дг)отТОМ ТОТ же И:.Ц 5 ТЛЬС ЗДП 5 ТС" т(дед 1.нгеградов 20 т тай:ср 22, Цо ИСТЕЧЕцлп В 3 ЕМЕтп. Г, 1;ВЕЛИЧИа"3КСгорОГО 310 ПИТС 51 В дйтЕр 22 С Заттддттит(а , Пд вьходе таймера 22 фср- ГРТ ЕТС т(РаГКОВРСМЕ 5 ттЬтт 1 ТМП 5 ХЬСдгде О - паспортная пэоизводитель 1ность открытого дозирующего узла 2.При этом за промежуток времени Ке, , в емкость 1 поступает порция утяжелителя вессм КРИнтегратор 20, запущенный одновременно с таймером 22, формирует сигнал, пропорциональный интегралу от оптимальной производчтепьности,цозатора Окоторый сравнивается на компараторе 21 с уставкой, поступающей с задатчика 18 про;орциональной заданному весу порции утяжелителя ЙР "рд20 Пусть через некоторый интервал времени Ьс, (причем Ьь;-Ь ьд, ), отсчитываемый от момента запуска ин - тегратора 20 (совггдаюц 1 его с момен - том предыдущег,открьтия дозируюшего улла 2). ве".ичина интервала от оптч - мальной нво звоцитеньности подачиь,щ, сравняется с уставкой Д м В этот момент на выходе компаргтора 21 формируется уровень погиеской единицы, который возбуждает второй одновибратор 24. Выходной импульс последнего через первый элемент ИЛИ 26 .устанавливает триггер 2 в состояние логической единицы, ,т.е, формирует команду "Открыть цозатор , Таким образом, время ДТ; между двумя открытиями дозирующего узла 2 соответствует времени, необходимому для поступления в емкость . порции утяжелителя весом Д Ро, при его непрерывной подаче с оптимальной производительностью, Положительный импульс с пря 50 мого выхода второго одновибратора 24 одновреме.:о с открытием дозирующего узла 2 осуществляет обнуление и повн торньй запуск интегратора 20 и таимера 22 что обеспечивает авто .атичес - 255 кое поддержание описанного цикла,При переходных процессах, например, когда в силу технологической необходимости ооратор резко увеличивакоторый через второй элемент ИЛИ 27 сбрасывает таймер 22 и через элементИ 28 поступает на Б-вход триггера 25, в результате чего на его выходе ус танавливается уровень логического нуля, что соответствует команде Дозатор закрыть". Необходимое время аС устанавливается по шормуле10 ет уставку по заданной плотностина задатчике 6. может на некоторое время возникнуть ситуация, прикоторой расчетное значение Я т навь 1 ходе сумматора 10 станет большемаксимальной производительностиоткрытого цозирующего узла 2, В этомслучае интерваль 1 времени Ьс , черезскоторые Формируется открывающий дозируюший узел 2 импульс одновибратора 24 и осуществляется перезапуск интегратора 20 и таймера 22, будутменьше заданной уставки по времениЬ(т.е, 6 е (й), При этом дозирующий узел 2 будет открыт до техпор, пока плотность раствора в емкости 1 снова не приблизится к величиненастолько, что расчетное значение оптимальной производительностистанет меньше максимальной производительности дозирующего узла 2,посл чего циклический процесс подачи утяжелителя порциями по ЬРадвозобновится.Элемент И 28 разрешает прохощение импульса с таймера 22 на закрытиедозирующего узла 2 только при отсутствии импульса на прямом выходе вто"рого одновибгатора 24. Это позволяетизбежать неопределенности в случаеодновременного появления импульсов навыходах второго одновибратора 24 итаймера 22, что возможно при случайном равенстве величинопт 0Применение предлагаемого способаи устроиства для его осуществленияпозволяет подцержать зацанную плотность бурового раствора в глубокихскважинах и обеспечить высокую точность регулирования при работе с дози -рующими узлами как пропорционального,так и дискретного действия,Формула изобретения1, Способ автоматического поддержания заданной плотности бурового раствора, включа л ий установление заданного и определение текущего значений плотности на выходе из приемной емкости, определение текущего значения плотности на входе приемной емкости, определение пропорциональной составляюцей расхода утяжелителя, подачу утяжелителя в приемную емкость в процессе циркуляции бурового раствора в объеме, прогорциональном резв ности текущего и заданноте эча енийплотности на выходе из приемной емкости с учетом значения плотности на входе приемной емкости, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности поддержания плотности путем .подачи утяжелителя с оп" тимальной производительностью, определяют расход бурового раствора на входе в приемную емкость и плотность О утяжепителя, определяют компенсационную составляющую производительности подачи утяжелителя по ЬомулеРъад-Лвххомп=. О ьх 5у ( задгде и - заданнаяфппотность бурова". заДго раствора;эх- плотность бурового раствора на входе в емкость;- плотность утяжелителя;20расход поступающего в емвхкость бурового раствора,а оптимальную производительность подачи утяжелителя определяют как сумму пропорциональной и компенсационнойсоставляющих утяжелителя.2, Способ по п. 1, о т л и ч а юц и Й с я тем, что утяжелитель подают в емкость заданными порциями,при.этом интервалы времени между очередными подачами утяжелителя определяют из соотношенияЫ;оп,ф "-ЫА фо 35Где дЬ - интервал времени между пре 1дыдущей и очередной подачами,- оптимальная производитель оптность подачи утяжелителя;Ьр - заданный вес порции утяжезсдлителя. 3, Циркуляционная система для автоматического поддержания заданнои плотности бурового раствора, содержащая приемную емкость, перемешивающий узел, доэирующий узел, пропорциональный регулятор, задатчик плотности бурового раствора, причем выход задатчика плотности буоового раствора соединен с первым входом пропорционального регулятора, второй вход которого подключен к первому датчику плотности бурового раствора, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она снабжена расходомером поступающего В ем-:.кость бурового раствора, задатчиком плотности утяжелителя, блоком компенсации, сумматором, переключателемрежима утяжеления, дискретным преобразователем, при этом первый, второй,третий и четвертый входы блока ком";пенсации подключены соответственнок выходу эадатчика плотности буровогораствора, установленному на входе вприемную емкость, второму датчикуплотности бурового раствора, эадатчику плотности утяжелителя и выходурасходомера, выход блока компенсациисоединен с первым входом сумматора,второй вход которого подключен к выходу пропорционального регуляторавыход соединен через первый нормально замкнутый контакт переключателярежима утяжеления с аналоговым входом доэирующего узла, дискретныйвход которого связан с выходом дискретного преобразс:атсля, первый ивторой входы которого подключены соответственно к второму и третьемунормально раэомкнугым контактам переключателя режима утяжеления,4. Система по и. 3, о т л и ч а ющ а я с я тем,. что дискретный преобразоватспь выполнен в виде эадатчика веса порции утяжелителя эадатчика времени поступления порции утяжелителя, интегратора, компаратора, таймера, первого и второго одновибратооов, КЯ-триггера, первого и второго логических элементов ИЛИ, логичес-.: кого элемента И, причем второй вход дискретного преобразователя соединен с входом первого одновибратора, первый вход подключен к входу ингегратора, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора подключен к эадатчику веса порции утяжслителя, выход соединен с входом второго одновибратора, прямой выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого одновибратора, выход подключен к Я-входу триггера, установочному и управляющему входам интегратора, управляющему входу таймера и первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с установочным входом таймера, вход которого подключен к задатчику времени поступ" ления порции утяжелителя, выход соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и первым входом элемента И, второй вход которого связан с инверс4 58482 ным выходом второго одновибратора,выход соединен с К входом триггера,Составитель А. Рыбаковжнина Техред Л.Сердюкова Корректор Т. Пал актор А. к тета по изобретениям и открыти ва, Ж, Раушская наб;, ц, 4/ при ГКНТ ССГ здательский комбинат Патен.Утент, г. жгород извод ен Гагарина,1 и 1 6579/Зб Тираж Государственного ко 113035, Мо. выход которого является выходом дискретного преобразователя,4 Подписное