Способ управления процессом бурения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУ БЛИН 1)5 Е 21 В 44/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский и пректно-конструкторский институт подобыче полезных ископаемых открытыьспособом(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМБУРЕНИЯ(57) Изобретение относится к бурениюскважин и позволяет повысить эффек"тивность управления процессом бурения в условиях разбуривания перемежающихся по свойствам горных пород,Новые параметрические программы регулирования позволяют учитывать углубИзобретение относится к горному делу, преимущественно к бурению взрывных скважин на открытых горных разработках, а также к геологоразведоч. ному и глубокому бурению, и может быть использовано для оптимизации ре" жимов бурения станками типа СБШ, СБР в угольной, рудной, строительной и др. отраслях промышленности.Целью изобретения является повышение эффективности управления процессом бурения в условиях раэбурива.ЯО 1548419 ление бурового инструмента за одиноборот и мощность подачи, Для определения нелинейных параметрическихпрограмм, соответствующих нелинейнымхарактеристикам процесса бурения,рассчитываются три коэффициента, Первый коэффициент по скорости бурения(СБ) устанавливают равным отношениюразности квадрата минимального значения частоты вращения (ЧВ) и произведения ее максимального и минимального значений к С 6. Второй коэффи"циент по СБ устанавливают равнымквадрату величины СБ при минимальныхзначениях ЧВ и осевого усиления (ОУ).Третий коэффициент по ОУ устанавливают при значении СБ, стремящемся кнулю, равно произведению разностимаксимального и минимального значенийОУ на первый коэффициент по СБ. Затем ЧВ регулируют пропорциональнокорню квадратному от СБ. Одновременно ОУ регулируют пропорционально квадрату СБ. 3 ил. я перемежающихся по свойствам горных пород.На фиг.1 изображены стандартные параметрические программы регулирования И (Ч), Р(Ч); на Фиг.2 - параметрические программы регулирования П( Я ), П(Р) по предлагаемому способу; .на Фиг.3 - вариант блок-схемы устройства для оптимального управления процессом бурения, реализующего способ,. Для повышения эффективности управления и регулирования параметров ре 1548419жима бурения при бурении перемежающихся по свойствам горных пород необходимо учитывать углубление бурового инструмента Ч/Я за один оборот его вращения и мощность подачи Р, Ч, реализуемую на этом инструмента, так как при неучете этих величин происходит потери производительности, особенно большие приизменении крепости Е горных пород в широких пределах (практически при бурении взрывных скважин величина Е меняется от 2 до 12-15 - для угольных разрезов, от 6 до 20 - для рудных карьеров).15Таким образом, должно быть Ч Кро ( мин КчРоЧ Ч ( ) 20Известны параметрические программы регулирования в виде следующих уравнений 1о Кч Ч Р = К - ,(2) 25Кч постоянные коэффициентС учетом ограничений по ряду параметров (Р, Я ,Ч и т,д.) программы принимают вид, показанный на фиг.1. Для них характерно наличие начальных (при Ч=О) значений частоты вращения Я ци осевого усилия Р акоС учетом этих условий 30 35 1 1 РмаксЯ =Яо - мин ч э о рЧ Ч(3) Физический смысл введения Я и и 40 Рмс, заключается в том, что в первый момент бурения необходимо придать буровому инструменту начальную частоту вращения и осевое усилие, без которых бурение невозможно.45Физический смысл коэффициента К, как видно из уравнений (1), заключается в том, что он определяет мощность подачи, удельную по скорости бурения Ч. В. теоретическом смысле 50 этот коэффициент является характеристикой гиперболы К, определяющей забойный процесс при бурении. Коэффициент Кч определяет величину, обратную приросту углубления долота при 55 изменении частоты вращения. Оба коэффициента (К, Кч) определяют пара,метры программы регулирования (параметрическую программу), которая в данном случае является нелинейной, гиперболической, что обуславливается нелинейностью (гиперболическая зависимость) самого забойного процесса.Рассмотрим теперь параметрические программы на фиг.1 более подробно, Видно, что уравнение Я (Ч) имеет вид линейной функции, а уравнение Р(Ч) выражается обратно пропорциональной (гиперболической) зависимостью только в области до Р , и Ы, в то время как величина Ч может принимать значение, меньшее Ч, и большее Ч (величина Ч , зависит от конструкции системы подачи бурового станка и типа долота). Конструктивные ограничения станка на Ри я создают зоны регулирования по Р и И где имеются изломы параметрических кривых регулирования (зоны 1 и 111). Любые нелинейности статических характеристик вызывают ухудшение динамики процесса. Имеются также технологические соображения в пользу сглаживания параметрических программ. Это, прежде всего, учет углубления долота Ч/Я и мощности подачи долота на забой РЧ. Для фиг.1 углубление долота Ч/ я сохранить постоянным можно лишь в зонах 1 и 11, а в зоне 111 величина его резко меняется. Для мощности подачи РЧ установленную мощность можно поддерживать лишь в зонах 11, 111, а в зоне 1 эта мощность уменьшается. В любом случае требуются корректировки параметрической программы, чтобы не допускать потери мощности на подачу и превышение углубления долота, что может вызвать бурение корпусом, влекущее к большим непроизводигельным расходам мощности и износу долота. Таким образом, параметрические программы регулирования, применяемые в настоящее время, имеют существенные недостатки. Поэтому предлагается способ управления процессом бурения, в котором применяются параметрические программы регулирования с учетом угЧлубления и мощности Р Ч подачи.ЯВводя вместо Ч и Р в уравнение (3) веЧличиныи Р Ч получимЯФ Ч КрЧюф(6) 20 КрРо Чг КрРо Рмнн + Чг(8) ЗО го мин о Кр И мин(9) в предыдущкая для удобсполучим 10) Ро ое5(о ю энач снар Рмин иа 515484От полученных уравнений (4) муно легко перейти к уравнениям регулирования, Для (4 а) имеем Для оптимального процесса бурения характерно оптимальное значение углубления. Обозначим его -- послеЧц Уо чего предыдущее уравнение принимаетвид15 г(о (мин о КцЧ Далее, для (4 б) можно написать Практическое использование уравнения связано с необходимостью введения 25 первоначального значения осевого усилия Рмнн, без которого бурение не может начаться Величина Ропределяется обычно свободным весом бурового снаряда, без принудительной подачи. В начальный момент бурения при приложении к буровому снаряду значений параметров режима, равных Я мнн и Рн, наблюдаоется начальное значение скорости бурения Чннн . Выделим эту величину из полного значения скорости бурения Ч олученное выражениее уравнение (8) и опуса индекс (1-штрих),уравнениях (6 и 10) обозначеныЯ и - оптимальное и минималния частоты вращения буровогода Ч - скорость бурения; Ро,- оптимальное и минимальное з 19 6чения осевого усилия и скорости бурения; коэффициент Кц определяет квадрат величины скорости бурения при минимальных установочных значениях параметров режима Я Р,н , необходимьк для начала бурения,Физический смысл полученных выражений (6) и (10) состоит в том что и уравнений (2). Они определяют траектории перемещения координат объекта при оптимальном ведении бурового процесса. Однако предлагаемые траектории имеют существенные отличия от известных. На фиг.2 изображены две пары известных П(у ), П (Р) и предлагаемых П( Я), П(Р) траекторий, из которых видно преимущества предлагаемых еУравнения регулирования (параметрические программы) могут быть выражены как в янном, так и неявном виде. Это зависит от удобства их использования в технических средствах. Суть уравнений от вида их выражения не меняется. Так, для И, имеем две формы уравнений (в неявном и явном виде): Если испольэовать в устройстве урравления уравнение формы (12), то надо применить два делителя, квадра тор, умножитель, два сумматора, вычислитель корня. Итого надо иметь семь ячеек, три из которых (делител вычислитель корня) имеют малую аппа ратурную точность. Использование в устройстве управления уравнения фор мы (11) позволяет обойтись четырьмя ячейками. (один квадратор, один сумма тор, два умножителя), причем аппара турно мало точные элементы в этом случае отсутствуют. Неявная Форма (11) уравнения (б) более выгодна те нически.Уравнения размерностей имеют сле дующий видв ;н 1Таким образом, коэффициенты К,К , К - размерные. Их размерностиразные. С технической точки зрениявсе величины уравнений могут задаваться электрическим путем (что и осуществляется во всех устройствах электрического типа). При этом преобразователями величин и размерностей, атакже средствами нормировки в современных технических устройствах служатэлектрические аппараты (блоки, ячейки) и трудностей это не представляет.Недостаток, связанный с невозможностью настройки клапана гидросистемы 20по всему диапазону регулирования, впредлагаемом способе устраняется, путем формирования (вместо использования естественной) искусственной характеристики (параметрической программы) согласно уравнениям (6) и (10)на основе применения стандартных узлов (квадраторы, умножители, сумма,торы, делитель),Таким образом, параметрическая 30, программа, в основе которой может лежать как критерий минимума себестоимости, так и другие, в том числе частные,критерии, в предлагаемом способе совпадает с естественной характеристикой забойного процесса уже не в однойточке, а во всем диапазоне регулирования, так как подчиняется тем жезакономерностям гиперболы, как и вобъекте (процессе) бурения. 40Блок-схема устройства для опти".мального управления процессом бурения содержит объект(буровой ста,нок) с регуляторами частоты вращения2 и осевого усилия 3, квадраторы 4 45и 9, умножители 5 и 7, сумматоры б,10 и 12, делитель 11 и элемент 8 сравнения.В общем случае для вычисления коэффициентов К, К и К нужно решить систему уравнений (б) и (10). Однако это неудобно для практики, В частных случаях, когда параметрические программы заданы первоначально в виде55 графиков, достаточно каждый из этих графиков описать метаматическимивыражениями независимо друг от друга. Если численные значения коэффициентовК в уравнении (6) и К - в уравнении (10) желательно получить равными (например, когда в устройстве управ" ления предполагается использовать один задатчик величин К и К 1 что удобно для практики), то требуется решение системы уравнений или практический подбор коэффициента усилеййя (выбор масштаба) блока 7 или 10 (фиг.3), В любом случае оба коэффициента задаются в виде электрических величин (например, в вольтах напряжения).В соответствии с приведенными уравнениями регулирования (6) и (10) необходимо первоначально установить минимальные значения я ии , Рми параметров, затем назначить их максимальные величины Я макс РмаксПосле установления величин Я мид Рмии 1 Кц, К, Кг уравнения (6) и (10) приобретают следующий вид а) Ы В ц = СЧ,(13) Еб) Р=П+с Р+Уй где В,С,О,Е,Р - постоянные величины. Первое уравнение (13 а) можно выразить в явной форме Яо= В + В +СЧ,(14) Частота вращения Сдо в этом уравнении пропорциональна корню квадратному от единственной переменной величины - скорости бурения Ч. В то же время, как видно из (13 б), осевое , усилие Р обратно пропорционально квадрату единственной переменной величины - скороети бурения 7, Иинимальные имаксимальныезначения частоты вращения я ми ,И ма и осевого усилия Рм, Рустанавливаются в соответствии с диапазоном горных пород, залегаемых на обуриваемом блоке, При этом для породы наиболее крепкой (коэффициент крепости Хмаис) должно быть установлено минимальное значение Я /Я ми (и максимальное - Р/Рмакс); для породы наименее крепкой (2=мин) - максимальное значение для/Я макс(и минИмальное для Р/Рмид)Величины РА,инРмакс, (0 мин ф Имакс могут быть определены по общеизвестным зависимостям. Кроме того, макси 1548419 10мальные значения Рак ,И мас определяются возможными параметрами буровых станков,Согласно предлагаемому способу диапазон регулирования определяется ве 5Крличиной Р +при Ч-Ф 0 (уравнеминние 10), Согласно этому способу первоначально устанавливают коэффициент1по скорости бурения К равным удельной по скорости бурения разнице между квадратом максимального значения частоты вращения и произведением мак,симального и минимального значений этих частот(15) 20 т.е. при этом полагают Ио =И максЗатем устанавливают коэффициент К равным квадрату величины скорости бурения при минимальных значениях 25 частоты вращения Я ми и осевого усилия Р необходимых для начала бурения.Следующим этапом вводят коэффициент по осевому усилию на забой К при значении скорости бурения, стремящимся к нулю Кр=(Ро Рмин) Кч=(Рмакс Рмин) КуЧ-ф 0 Ч- О35 После этого ведут бурение в соответствии с уравнениями (6) и (10), учитывающими как углубление долота Ч/СО, так и мощность подачи РЧ. Регулирование нри включении устройства в работу производится автоматически по сигналам, вырабатываемым элементом 8 сравнения и сумматором 12, либо может производиться вручную по этим же 45 сигналам оператором станка таким образом, чтобы разница в показаниях устанавливаемых значений Я и Р и оптимальных И, Р была равна нулю.Учет углубления долота Ч/Я дает возможность обеспечивать заданную производительность бурения на всех породах и диапазонах залегаемых пород на блоке, причем диапазон этот учитывается устанавливаемым диапазоном регулирования параметров режима бурения.55Система управления процессом бурения по предлагаемому способу является устойчивой, что видно из рассмотрения фиг2, на которой изображены характеристики процесса бурения Я (Ч) и Р(Ч), относящиеся к породам с коэффициентом крепости Г К, Йз, а также параметрические программы регулирования П(Р), П (Р), П(И ),/П ( Я ), соответствующие предлагаемому способу (сплошные линии) и известному способу (пунктирные кривые). Система управления может работать как при одновременном регулировании обоих параметров режима (Р и Я ), так и при попеременном или раздельном их регулировании (один из параметров может регулироваться, а другой - поддерживаться на постоянном уровне), Во всех случаях система устойчива. Разберем наиболее сложный случай - одновременное регулирование обоих параметров, Допустим, первноначально бурилась порода Й, что соответствовало установившимся величинам параметров бурения Ч,И ,Р, Затем порода скачкообразно изменялась и стала Й,. Вследствие этого изменилась величина скорости бурения и стала равной Ч,. Но в программе регулирования заложено, что при значении скорости бурения Ч, параметры режима Я и Р должны быть равныЯ, и Р, . По сигналу рассогласования система управления установит эти значения параметров в соответствии суравнениями И, =С Е(Ч 1), Р = СК(Ч,), где в квадратных скобках указан модуль функции Й(Ч). На графиках сигнал рассогласования пропорционален величинам ЬЫ =Я, -Ы, 6 Р=1 =Р, -Р . Системз бурения перейдет в промежуточную точку с координатами Я Р 1, Ч. Этот процесс перехода продолжается до тех пор, пока не установятся новые значения у Р, Ч соответствующие новому значению характеристики Й, породы. Видно, что процесс - сходящийся (величина рассогласования Я,Р, уменьшается до нуля). Траектория системы показана на фиг.2 а,б пунктиром от точки Кчерез К 1 к К. Аналогично можно проследить другие случаи перехода системы управления к другим координатам вследствие случайного изменения свойств горной породы в процессе бурения. Как видно из графиков фиг.2, система управления по предлагаемому способу обладает большей устойчивостью по сравнению с известными, поскольку ее параметрические програм 1548419 2мы не имеют резких нелинейностей и углы, образованные характеристиками процеСса бурения Ч( Я ), Р(Я) и линиями параметрической программы, имеют большие величины,Управление процессом бурения по предлагаемому способу (с учетом текущего углубления бурового инструмента и мощности подачи) позволяет производить более точное регулирование параметров режима в условиях широкого изменения свойств забоя скважины и дает прирост производительности по сравнению с ручным управлением,формула изобретенияСпособ управления процессом бурения, включающий регулирование частоты вращения бурового става и осевого усилия Р на забой, задание максимальных и минимальных значений частоты вращения и осевого усилия по макси мальному и минимальному значениям коэффициентов крепости горной породы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности управления процессом бурения в условиях ЗО разбуривания перемеживающихся по свой" ствам горных пород, измеряют скорость бурения Ч, определяют коэффициент по1скорости бурения Кч как разность между квадратом максимального значения частоты вращения и произведения ее максимального и минимального значений, отнесенная к скорости бурения, коэффициент КЧ как квадрат величины скорости бурения при минимальных значениях частоты вращения и осевого УсилиЯ Рч,н, необхоДимых ДлЯ начала бурения, а также коэффициент по осевому усилию К при значении скорости бурения, стремящейся к нулю, как произведение разности максимального и минимального значений осевого усилия на коэффициент КЧ по скорости бурения, затем частоту вращения Я регулируют пропорционально корню квадратному от скорости бурения в соответствии с выражениемЫ минфоа осевое усилие Ро - обратно пропорционально квадрату скорости бурения в соответствии с выражениемКрР = Р +им 1 ро мИн К + 1Ч1548419 иг.Ю Составитель В.ШилРедактор В.Бугренкова Техред М.Ходани о рект евска НТ СС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгор Гагарина, 1 Заказ 123ВНИИПИ Государственног113035 Тираж 474 Подписное митета по изобретениям и открытиям сква, Ж, Раушская наб., д. 4/5