Устройство для управления процессом турбинного бурения

СООЭ СОВЕТСНИХИЮЧЮИЕКИИКРЕСПУБЛИК ЯО,д) Е 21 В 4 ОБРЕТЕНИЯ ИСАНИЕ ТОРСКОМ,Ф С ТЕЛЬ з в треть- И этого бло гнала свя вляющими ючей иходами второг третьегоь импульс тем, что, с ти управлен через формирова равляющим входо с упюча,етверто ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(46) 23.07.84 . Бюл, Р 27 (72) В.А,Кузнецов и Н.Ф.Богданов (71) Куйбышевский ордена Трудовогс Красного Знамени политехнический институт им. В.В.Куйбышева (53) 622.245 (088.8)(56) 1. Погарский А.А. Автоматизация процесса бурения глубоких сква - жин. М., "Недра", 1972, с. 64.2. Авторское свидетельство СССР В 607002, кл. Е 21 В 45/00, 1974.3. Авторское свидетельство СССР 9 870682, кл. Е 21 В 44/00, 1979 (прототип).(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯПРОЦЕССОМ ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ, соджащее датчик веса бурильного инструмента, блок памяти, блок вычитания, блок сравнения, блок задания уставки, два пороговых элемента, четыре ключа, источник эталонного сигнала и исполнительныймеханизм, связанный с буровой лебедкой, при этом выход датчикавеса соединен с первым входом блока вычитания и через последовательно соединенные первый ключ иблок памяти - с вторым входом а источник эталонногоан с входом третьегоичающеесяцелью повышения точнося, оно снабжено вторым блоком вычитания, интегросумматором, дискриминатором знака, триггером, логическим элементом И, двумя логическими элементами НЕ, третьим пороговым элементом и формирователем импульса, причем выходпервого блока вычитания связан спервыми входами блока сравнения ивторого блока вычитания, вторыевходы которых соединены с выходомблока задания уставки, выход второго блока вычитания связан черезпервый пороговый элемент с первымвходом логического элемента И и через последовательно соединенныевторой порогоЪый элемент и первыйлогический элемент НЕ - с вторымвходом логического элемента И, ачерез второй ключ - с первым входоминтегросумматора, второй вход ко -торого соединен с выходом третьегоключа, а выход через последовательно соединенные четвертый ключи дискриминатор знака - с управ -ляющим входом блока задания уставкии через третий пороговый элементс первым входом триггера, второйвход которого связан с выходом блокасравнения, а выход соединен с исполнительным механизмом и чрой логический элемент НЕим входом логического элеме иод которого связан сИзобретение относится к областитурбинного бурения глубоких скважинпри разведке и добыче полезных ископаемых и может быть использовано всистемах оперативного управления бурением для автоматического поискаи поддержания эффективной осевойнагрузки на долотоЭффективной является осевая нагрузка на долото, которая соответ Оствует максимальной скорости разбури.вания породы.Известны устройства для поискаэффективных значений осевой нагрузки на долото, основанные на анализе 15изменения осевой нагрузки в процессе специального режима бурения.К таким устройствам относится,например, прибор режима бурения типаПРБ, содержащий датчик контроля 20осредненной величины механическойскорости бурения, датчик осевойнагрузки на долото, пульт управления и индикаторное табло.Для поиска эффективной осевой 25нагрузки на долото турбобур загружается до режима, близкого к тормозному, и подача инструмента прекращается. Начинается поиск оптимальнойнагрузки по кривой, записываемой 30загорающимися на прямоугольном световом табло лампами., По мере выбуривания породы осевая нагрузка на долото уменьшается и последовательнопроходит все значения от максимальных до минимальных. При этом скорость движения нижнего конца бурильной колонны описывается уравнениемоРч,:-с - ,40где- мгновенная скорость углубления долота;С - коэффициент, учитывающийпараметры бурильной колонны;Р - осевая нагрузка на долото,45 В тот момент времени, когда осевая нагрузка равна эффективному значению Р э, т емп ее изме нения ма ксимальный 3 Р /де = шах. После нахождения Р устройство включается на 50зррежим замера скорости 11.Недостатки устройства заключаются в низкой степени автоматизации, так как оценка эффективности осевой нагрузки на Долото возложена на чело"55 века (оператора) в процессе поиска эффективной осевой нагрузки величина ее доводится до предтормозных значений, что ускоряет износ бурового инструмента и может привести каварии на забое; в целом процесспоиска весьма длителен, так какпри выбуривании породы с остановленной подачей осевая нагрузкана долото, уменьшаясь, должнапройти все значения от максимальныхдо минимальных.Известно также устройство для управления процессом турбинного бурения, содержащее импульсный органподачи, датчик усилий на крюке,пороговый элемент, командный генератор, экстремальный регулятор,схему совпадения и датчик частотысрабатывания органа подачи, выходкоторого подключен к информационномувходу экстремального регулятора, авход через схему совпадения соединен, соответственно, с выходамикомандного генератора и пороговогоэлемента 2,К недостаткам данного устройстваследует отнести длительность процесса поиска экстремума характеристики "скорость бурения - осевая,нагрузка.", связанную с необходимостью анализа частот срабатыванияоргана подачи на двух последовательных временных интервалах, споследующим выбором направления изменения осевой нагрузки на долотои продолжением сравнения частот последовательных интервалов до приходав экстремум,Наиболее близким к изобретениюявляется устройство для управленияпроцессом турбинного бурения, содержащее датчик веса бурильногоинструмента, блок памяти, блок вычитания, блок сравнения, блок задания уставки, два пороговых элемента,четыре ключа, источник эталонногосигнала и исполнительный механизм,связанный с буровой лебедкой, приэтом выход датчика веса соединенс первым входом блока вычитания ичерез последовательно соединенныепервый ключ и блок памяти с вторымвходом этого блока, а источнцк эталонного сигнала связан а входомтретьего ключа 3 . Недостатки известного устройствасвязаны с необходимостью ручногоуправления процессом бурения послеполучения информации об эффективнойосевой нагрузке и низкой точностьюуправления из-за возможного разброса параметров используемых в устройстве двух интеграторов. Работа устройства основана на сравнении сигналов этих интеграторов, и при разбросе их пара метров точность определения эффективной осевой нагрузки уменьшается.Целью изобретения является повышение точности управления процессом бурения.1 О Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления процессом турбинного бурения, содержащее датчик веса бурильного инструмента, блок памяти, блок вычитания блок сравнения, блок задания уставки, два пороговых элемента, четыре ключа, источник эталонного сигнала и исполнительный механизм, связанный с буровой лебедкой, при этом выход датчика веса соединен с первым входом первого блока вычитания и через последовательно соединенные первый ключ и блок памяти с вторым входом этого блока, а источник эталонного сигнала связан с входом третьего ключа, снабжено вторым блоком вычитания, интегросумматором, дискриминатором знака, триггером., логическим элементом И, двумя логическими элементами НЕ, третьим пороговым элементом и формирователем импульса, причем выход первого блока вычитания связан с первыми входами блока срав 35 нения и второго блока вычитания, вторые входы которых соединены с выходом блока задания уставки, выход второго блока вычитания через первый пороговый элемент - с первым входом логи 40 чеекого элемента И и через последовательно соединенные второй пороговый элемент и первый логический элемент НЕ - с вторым входом логического элемента И, а через второй45 ключ - с первым входом интегросумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа, а выход через последовательно соединенные четвертый ключ и дискриминатор знака - с управляющим входом блока за 50 дания уставки и через третий пороговый элемент с первым входом триггера, второй вход которого связан с выходом блока сравнения, а выход соединен с исполнительным механизмом и через второй логический элемент НЕ - с третьим входом логического элемента И, выход которого связан с управляющими входами второго, треть. его ключей и через формирователь импульса с управляющим входом четвертого ключа.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для управления процессом турбинного бурения, на фиг, 2 - график изменения осевой нагрузки на долото 0 в лроцессе автоматического поиска и поддержания эффективного его значения; на Фиг. 3 - график глобального изменения осевой нагрузки от максимального значения до минимального.Устройство для управления процессом турбинного бурения содержит датчик 1 веса бурильного инструмента, первый ключ 2, блок 3 памяти, первый блок 4 вычитания, блок 5 задания уставки, блок 6 сравнения, второй блок 7 вычитания, триггер 8, исполнительный механизм 9, первый 10 и второй 11 пороговые элементы, первый 12 и второй 13 логические элементы НЕ, логический элемент И 14, второй 15 и третий 16 ключи, источник 17 эталонного сигнала, интегросумматор 18, четвертый ключ 19, Формирователь 20 импульса, дискриминатор 21 знака и третий пороговый элемент 22.Датчик 1 веса бурильного инструмента служит., для измерения текущего веса инструмента. Первый ключ 2 необходим для занесения реперного значения веса инструмента о в блок 3 памяти при взвешивании инстру. мента и включается либо вручную либо автоматически во время взвешивания инструмента. Блок 3 памяти служит для хранения реперного значения веса бурильного инструмента Яо. Первый блок 4 вычитания необходим для вычисления значения осевой нагрузки на долото Р(С) .Блок 5 задания уставки служит для хранения уставок Р, соответствующих эффективным осевым нагрузкам. Блок 6 сравнения сравнивает текущее значение осевой нагрузки на долото Р(с) с задаваемым блоком 5 задания уставки Р , и в моменты, когда наступает раве ство Р = Ру, включает триггер 8. Второй блок 7 вычитания необходим для получения разностимежду текущим значением осевой нагрузки Р(С) и задаваемым уставкой Р . Триггер 8 управляет работой ис110424 7 Р -Р эффективного ее значения. После спуска бурильной колонны в скважину производится измерение и запоминание полного веса бурильной колонны 4, когда долото еще не касается забоя скважины.При кратковременном открывании первого ключа 2 сигнал с датчика 1 веса запоминается блоком 3 памяти. Так как осевая нагрузка на долото 10 создается частью веса бурильной колонны, то после нагружения долота вес колонны уменьшается на величину осевой нагрузки на долото. На выходе первого блока 4 вычитания устанавли вается сигнал, пропорциональный осевой нагрузке на долото Перед началом бурения с помощью 20 блока 5 задания уставки устанавливается уставка осевой нагрузки Р 1, характерная для данного сочетания долото-порода.Предположим, что включение устройства произведено в момент времени 11, как показано на фиг. 2. При включении устройства триггер 8 находится в единичном состоянии, при котором на его выходе присутствует сигнал, 1который через исполнительный механизм 9 растормаживает буровую лебедку, вследствие чего начинается подача бурильного инструмента и увеличение осевой нагрузки на долото Р .35 Если начальное значение уставки бло" ка 5 задания уставки составляет Ру то осевая нагрузка на долото увеличивается до тех пор, пока текущее ее значение Р 1 не сравняется со значением уставки Р . При выполнении условия срабатывает блок сравнения, переводящий своим сигналом триггер 8 в нулевое состояние. На выходе триггерапоявляется нулевой сигнал, подачаинструмента прекращается (момент 50времени 1 на фиг. 2), одновременновторой логический элемент НЕ 13 подает на третий вход логического элемента И 14 единичный сигнал. Единичный сигнал присутствует также на вто ром входе логического элемента И 14.Этот сигнал подается с первого логического элемента НЕ 12В момент времени 1 начинается разбуривание породы с остановленной подачей инструмента . На выходе второго блока 7 вычитания устанавливается сигнал, пропорциональный разности уставки и текущего значения осевой нагрузки на долото Этот сигнал сравнивается с пороговымиуровнями дР, и дР с помощью первого10 и второго 11 пороговых элементов.При разбуривании породы осевая нагрузка на долото Р 1 уменьшается, авеличина Р увеличивается, В моментвыполнения условия срабатывает первый пороговый элемент 10, на выходе которого появляется сигнал, подаваемый на первыйвход логического элемента И 14. Таким образом, на всех трех входахлогического элемента И 14 имеются сигналы, вследствие чего логическийэлемент И 14 срабатывает, открываясвоим выходным сигналом второй 15и третий 16 ключи. Это соответствуетмоменту времени , на фиг. 2. С этогомомента начинается интегрированиеразности двух сигналов с помощьюинтегросумматора 18,Первый сигнал, пропорциональный дР, поступает с выхода блока 7 вы -читания через второй ключ 15, а второй сигнал 0 - с выхода источника 17 эталонного сигнала через третий ключ 16. На выходе интегросумматора18 формируется сигнал, определяемый выражением,:1 (ьр,-,13.оИнтегрирование начинается в моментвыполнения условия дРдР а не при выполнении условиядля того, чтобы исключить погрешности интегрирования, которые могутпоявиться вследствие неточного определения начала интегрирования при торможении движущейся колонны бурильных труб. Во время подачи бурильного инструмента при достижении осевои нагрузкой значения Р колонна бурильных труб останавливается, однако1104247 10 1 2 из-за инерционных своиств бурильнойколонны и невозможности ее мгновенной остановки текущее значение осевой нагрузки может превзойти значение уставки. Для исключения по -грешностей интегрирование сигналовначинается только при остановленнойподаче бурильного инстру;ента, когдауже началось разбуривание породы,что определяется выполнением условия Интегрирование разности указанных сигналов ведется в течение времени Ь 1, при котором осевая нагрузка на долото уменьшается на заранее заданную величину Ь Р . Величина Ь Р задается установкой уровней срабатывания первого и второго пороговых элементов 10 и 11. При выполнении условиясрабатывает второй пороговый элемент 11, который через логический элемент НЕ 12 устанавливает на втором входе логического элемента И 14 нулевой сигнал, На выходе логического элемента И 14 также устанавливается нулевой сигнал, ключи 15 и 1 б закрываются, а интегрирование сигналов интегросумматором 18 прекращается. Это соответствует моменту времени 1 на фиг. 2. Одновременно формирователь 20 импульса генерирует одиночный импульс, который открывает четвертый ключ 19.Дискриминатор 2 1 знака определяет знак сигнала на выходе интегросумматора,Из фиг. 2 видно, что плошадь треугольника АВС меньше, чем площадь фигуры, образованной заменой гипотенузы. этого треугольника кривой изменения осевой нагрузки при разбуривании породы, поэтому сигнал на выходе интегросумматора будет положительным. Согласно фиг.З это соответствует бурению с осевой нагрузкой, меньшей эффективного значения. Дискриминатор 21 знака подает сигнал на блок 5 задания уставки на увепичение уставки на один шагЬГш. На выходе блока задания уставки устанавливается новое значение уставки Р 2, как показано на фиг. 2, Третий пороговый элемент 22 срабатывает в том случае, когда выходной сигнал интегросумматора больше или равен 5 нупю, т,е. когда выполняется условие О,0.На фиг, 2 показано, что в моментивремениэто условие выполняется,и третий пороговый элемент 22 пере -водит триггер 8 в единичное состояние, Сигнал с выхода триггера черезисполнительный механизм 9 растормаживает буровую лебедку, и начинается 15 подача бурильного инструмента дотех пор, пока текущее значение осевойнагрузки Р не сравняется с новымзначением уставки Р 2 В момент Вре -мени, как показано на фиг. 2, 20 выполняется условие и срабатывает блок б сравнения, переводя триггер 8 в нулевое состояние.Бурильная колонна останавливается, иначинается новый цикл разбуривания.породы с остановленной подачей.В случае, если после окончания интегрирования разности сигналов на выходе 30интегросумматора окажется положительный сигнал, то по команде дискриминатора 21 знака уставка блока 5 задания уставок увеличивается еще на одиншаг Ь РШ и принимает значение Р, какпоказано на фиг. 2.Предположим, что в следующем цик -ле разбуривания породы с остановленной подачей значения осевой нагрузкина долото оказались эффективными,тогда график изменения осевой нагрузки совпадает с гипотенузой треугольника БЕГ и сигнал на выходе интегросумматора после интегрирования равен нулю. В этом случае дискриминатор 21 знака не изменяет уставку 45блока 5 задания уставок, и бурениеведется в одном и том же диапазонеизменения осевой нагрузки, которыйсоответствует ее эффективным значениям. В момент времени 0, как показано на фиг. 2, выходной сигнал интегросумматора равен нулю, при этомсрабатывает третий пороговый элемент 22, переводя триггер 8 в еди -ничное состояние, Сигнал на выходетриггера через исполнительный механизм производит подачу бурильногоинструмента, и осевая нагрузка увеличивается до значения уставки Р .Если в процессе бурения измерялись оптимальные условия сочетания: долото, порода, режим, то осевая нагрузка оказывается неэффективной, и на выходе интегросумматора появляется положительный или отрицательный сигнал, При появлении положительного сигнала навыходе интегросумматора осевая нагрузка увеличивается еще на один шаг Ь 0 ш . При появлении отрицатель. ного сигнала, например как показано на фиг. 2 в момент времени 1 , дискриминатор 2 1 знака дает команду на уменьшение уставки на один шагдо значения Рц . Так как условие4Иц О не выполняется, то третий пороговый элемент 22 не срабатывает, лебедка остается заторможенной, и продолжается уменьшение осевой нагрузки за счет разбуривания породы. В момент времени 118 срабатывает первый пороговый элемент 10, открываются ключи 15 и 16, начинаетсяновый цикл интегрирования. Такимобразом, в предлагаемом устройстве 5 используется релейный принцип слежения за эффективным значением осевой нагрузки.Преимуществом предлагаемогоустройства является полная автома тизация и большая точность управления процессом бурения, так какопределение эффективной осевойнагрузки на долото, установка эффективного значения этой нагрузки 15 и поддержание ее в процессе буренияосуществляются автоматически.Управление процессом буренияпо критерию максимума скорости бурения способствует сокращению вре мени строительства скважины и снижению стоимости одного метра проходки./22 Тираж ВНИИПИ Государственпо делам изобрете 13035, Москва, Ж,ч Мз Фиг.го комитета Сй и открытий