Система управления процессом турбинного бурения

,ЯО 111478 Е 2 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ;НИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ(71) Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. В.В. Куйбышева, филиал в г. Сызрани(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 248591, кл. Е 21 В 44/00, 1968.2, Демин Е.А. и Кириченко Б.В. Устройство для определения и поддержания максимальной скорости проходки при турбинном способе бурения.В кн.: Бурение. Труды КуйбьпневНИИНП, вып. 41, Куйбышев, 1969, с. 204-213 (прототип)е(54)(57) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ, содержащая датчик проходки, соединенный с блоком измерения механической скорости, кнопку и 1 ФПуск , соединенную с первым входом блока управления, блок сравнения, соединенный с информационным табло, и блоки памяти, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности управления, э систему введены блок запоминания начального значения механической скорости, блок определе интервала осреднения механической скорости и делитель импульсов, при этом первый выход блока измерения механической скорости соединен с первымивходами делителя импульсов и первогоблока памяти, второй выход блока измерения механической скорости подключен к первому входу блока запоминания начального значения механической скорости, второй вход которогосоединен с первым выходом блока уп.равления, выход блока запоминания начального значения механической скорости соединен с вторым входом делителя импульсов, третий вход которогосоединен с вторым выходом блока управления, а выход - с первым входом блока определения интервала осреднениямеханической скорости, первый выходкоторого подключен к блоку измерениямеханической скорости, второй вход -ко второму входу блока управления,третий выход которого подключен квторому входу блока определения интервала осреднения механической скорости, четвертый и пятыйвыходы бка управления подключены к второмувходу первого блока памяти и к первому входу второго блока памяти, второйвход которого соединен с первым выходом первого блока памяти, выходы блоков памяти соединены соответственнос первым и вторым входами блока сравнения, третий вход которого соединенс шестым выходом блока управления.11 зобретецие относится к контролюи управлению процессом бурения нефтяных и газовых скважин,Известны устройства для контроляи управления процессом турбинного бурения, содержащие анализаторы осевойнагрузки, рейсовой скорости и заклинивания опор долота с выходами на индикаторный блок, причем вход анализатора осевой нагрузки соединен с выходом блока измерения последней, первыеи вторые пуско-остановочные входыанализаторов повторения поиска эффективной осевой нагрузки, рейсовой скорости и заклинивания опор долота подключены соответственно к выходам блоков контроля осевой нагрузки и положения бурового инструмента, а третий - распределительный вход анализатора заклинивания опор долота подключец к выходу блока контроля первойпроизводной осевой нагрузки по времени, измерительные входы анализаторовповторения поиска эффективной осевойнагрузки и рейсовой скорости подключецы к датчику перемещения квадрата,а измерительный вход анализатора заклинивания опор долота - к датчикумощности привода проворота роторногостола Г 11. 30Недостатком такого устройства явля.ется то, что оно не поддерживает постоянно режим бурения на максимальноймеханической скорости у. В процессе бурения устройство осуществляет поиск эффективной осевой нагрузкиРз ца долото, которое обеспечиваетмаксимальное значение механическойскорости только в момент поиска. Последующий поиск Р производится после уменьшения механической скоростив два раза, поэтому большая частьдолбления осуществляется не на Умчто обуславливает невысокие техникоэкономические показатели бурения. 45Наиболее близкой к изобретению является система управления процессом турбинного бурения, содержащая датчик проходки, соединенный с блоком измерения механической скорости, 50 кнопку "Пуск", соединенную с первым входом блока управления, блок сравнения, соединенный с информационным табло, и блоки памяти. Система автоматического поддержания максимально го значения механической скорости пу" тем регулирования осевой нагрузки, содержит датчики веса бурильного инструмента и проходки, блоки измерения осевой нагрузки и механическойскорости, запоминающее устройствомеханической скорости и сравнивающееустройство текущего значения механической скорости с запомненным егозначением Г 21,Недостатком известного устройства являются невысокие технико-экономические показатели бурения. Этообуславливается тем, что устройствов конце долбления входит в режимавтоколебаций и его приходится отключать, так как такой режим, при котором долото подвергается переменнымосевым нагрузкам, приводит к быстрому износу его опоры. Учитывая, чтотакому режиму подвергается уже ослабленное долото (ведь речь идет о конце долбления), необходимо отключатьустройство в связи с воэможностьюаварии с долотом,Режим автоколебаний возникает по следующей причине. Основным регулирующим параметром при турбинном бурении является осевая нагрузка на долото. Величина ее выбирается исходя из достижения максимальной величины механической скорости. В известном устройстве осуществляется непрерывный поиск, т,е. постоянно изменяется осевая нагрузка и при этом измеряет ся механическая скорость. Нагрузка, соответствующая максимальной механической скорости, считается эффективной и она поддерживается, В начале долблеция, когда долото еще не изношено, механическая скорость велика по своему значению и каждому изменению осевой нагрузки соответствует заметное изменение механической скорости. При этом интервал осредцения механической скорости или (что одно и то же) период опроса реакции процесса раэбуривания породы ца управляющее воздействие (изменение осевой нагрузки) может бьггь малым. В дальнейшем по мере износа долота эта реакции уменьшается, поэтому для получения существенного изменения механической скорости интервал ее осреднения должен бьггь увеличен. В известном же устройстве интервал осредцеиия механической скорости постоянен, поэтому в конце долбления за это время механическая скорость не успевает измениться и устройство начинает беспорядочно изменять осевую нагрузку, т.е, впадает в режим автоколебаний.Цель изобретения - повышение точности управления.Поставленная цель достигается 5 тем, что в систему управления процессом турбинного бурения, содержащую датчик проходки, соединенный е блоком измерения механической скорости, кнопкуПуск, соединенную с первым вхо О дом блока управления, блок сравнения, соединенный с информационным табло, и блоки памяти, введены блок запоминания начального значения механической скорости, блок определения интервала осреднения механической скорости и делитель импульсов, при этом первый вьмод блока измерения механической скорости соединен с первыми входами делителя импульсов и первого бло- Ю ка памяти, второй выход блока измерения механической скорости подключен к первому входу блока запоминания начального значения механической скорости, второй вход которого соединен 25 с первым вьмодом блока управления, выход блока запоминания начального значения механической скорости соединен с вторым входом делителя импулЬсов, третий вход которого соединен с вторым ЗО выходом блока управления, а выход - с первым входом блока определения интервала осреднения механической скорости, первый выход которого подключен к блоку измерения механической скорости, второй выход - к второму входу блока управления, третий выходФкоторого подключен к второму входу блока определения интервала осреднения механической скорости, четвертый и пятый выходы блока управления подключены к второму входу первого блока памяти и к первому входу второго блока памяти, второй вход которого соединен с первым выходом первого блока памяти, выходы блоков памяти соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, третий вход которого соединен с шестым выходом блока управления.50На фиг. 1 представлен график зависимости механической скорости от осевой нагрузки; на. фиг. 2 и 3 - графики изменения механической скорости в связи с износом долота и ин тервалы осреднения; на фиг. 4 - блоксхема системы управления процессом турбинного бурения; на фиг. 5 - структурная схема блока определения интервала осреднения механической скорости; на фиг. 6 - то же, блока управления,Известно, что зависимость механической скорости от осевой нагрузкиЧ=Г(р) в турбинном бурении имеет вобщем случае вид, представленный нафиг, 1. Из фиг. 1 следует, что регулируя осевую нагрузку Р и измеряяпри этом механическую скорость Ч,можно определить эффективную осевуюнагрузку Рзср, обеспечивающую бурение с максимальной механической скоростью Ч,Однако механическая скорость иэ-эаизноса вооружения долота не остаетсяпостоянной, а постепенно уменьшается,как правило по экспоненциальной зависимости где Ч, - начальная механическая скорость;ЯГ - коэффициент износа, представляющий собой логарифмический декремент убывания скорости, равный времени, в течение которого Ч(С) уменьшается в Й раэ;й - время бурения.Это обстоятельство приводит к тому, как видно из фиг, 2, что при постоянном интервале осреднения ь 1, как это принято в известном устройстве, в течение которого определяется механическая скорость, разность соседних значений ее д Ч становится настолько малой, что может стать соизмеримой с порогом чувствительности измерительного устройства. Кроме того, зависимость Ч=Г(р) характеризуется уже не кривой 1, а кривой 11 (фиг. 1), т,е. более пологой кривой. В этом случае при поиске нового значения эффективности осевой нагрузки Р , соответствующей новому сочетанию долото - порода и обеспечивающей максимальное значение механической скорости Чвозможен колебательный режим. Это обуславливается тем, что изменение осевой нагрузки не приводит к существенному изменению механической скорости. Значит устройство продолжает изменение осевой нагрузки до получения существенного изменения Ч, возиоаио удаляясь от точки ее максиму 1114785/У=О; 1; 2; 3 и т.д, (2) При этом кратность К уменьшения текущего значения механической скорости Ч по сравнению с начальным ее значением Ч определяется как(3) К=Ч,ЧИ) Очевидно, что технически трудно35 реализовать переключающую функцию с такими дробными уставками (п.2 таблицы), поэтому целесообразно округлить рассматриваемые кратности до нормированных величин К, как это представлено в п.3 таблицы.Принимая начальное значение интер-. вала осреднения равным(4) дТ= 20 с для первого поддиапазона, получаем интервалы осреднения для остальных поддиапазонов, соответственно равные, как это представлено в п,4 таблицы.В начале бурения, когда механическая скорость велика (фиг. 2 и 3), даже при малом интервале осреднения Ь 1, можно получать при изменении осевой нагрузки на. дР значительное приращение механической скорости йЧ, т.е, значительную реакцию объекта управления на регулирующее воздействие. По ма, При этом автомат изменяет направление регулирования Р, и рабочая точка может перейти на другой склонхарактеристики, повторяя рассмотренную ситуацию. Таким образом, возникает автоколебательный режим,Однако указанный недостаток можноустранить, введя в систему управления устройство, изменяющее интервалосреднения ь С в зависимости от величины механической скорости. Плавноеизменение интервала осреднения привело бы к значительному усложнениюсистемы управления. Поэтому предлагается ступенчатый метод изменения ь .При этом, как видно из фиг. 3,весь диапазон изменения Ч разбивается на поддиапазоны, при переходе которых должен изменяться интервал осреднения, внутри же поддиапазона он сох- ораняется постоянным.В основу разбиения положено целочисленное увеличение показателя степени при основании натурального логарифма в выражении (1), т,е,25 мере износа долота, т.е. снижения механической скорости, возрастает интервал осреднения (фиг. 3) для получения достаточно представительногоотклика процесса разбуривания на регулирующее воздействие. Это обстоятельство с одной стороны уменьшаетвоэможность возникновения режима колебаний системы, а с другой - увеличивает работоспособность долота, таккак колебания осевой нагрузки в концедолбления, когда долото изношено,ведут к быстрому его разрушению. Система управления процессом турбинного бурения содержит датчик 1 веса бурильного инструмента, кнопку 2 Взвешивание"; датчик 3 проходки, кнопку 4 "Пуск", блок 5 измерения осевой нагрузки, представляющий собой сумматор, собранный на дифференциальном усилителе, на один из входов которого подается напряжение, пропорциональное полному весу бурильного инструмента (, а на другой - напряжение, пропорциональное текущему весу Я, олок 6 запоминания полного веса бурильного инструмента, состоящий из аналогоцифрового преобразователя регистра памяти и цифро-аналогового преобразователя, блок 7 измерения механической скорости, представляющий собой счетчик импульсов, про порциональных проходке б,Ь за интервал осреднения механической скорости ь, блок 8 запоминания начального значения механической скорости Ч представляющий собой регистр памяти на триггерах, блок 9 определения интервала, осреднения механической скорости, представляющий собой множительное устройство, собранное на генераторе импульсов, делителе импульсов, счетчике импульсов и регистре памяти, блок 10 управления, представляющий электронный коммутатор и генератор импульсов, блок 11 делителя начального значения механической скорости Чо на ее текущее значение Ч, представляющий собой делительное устройство с переменным коэффициентом деления, первый 12 и второй 13 блоки запоминания двух последовательных значений механической скорости, представляющие собой регистры памяти на триггерах, блок 14 сравнения, представляющий собой дифференциальный интегросумматор, собранный на усилителе постоянного тока с тремя пороговыми9 1114 с регистра 20 на блок 7 снимается новый цифровой код и механическая скорость изменяется за интервал времени, равный 60 с. Соответственно элемент И 24 блока 10 пропускает очередные импульсы на блоки 12-14 также со сдвигом в 60 с.При этом блоки 2-14 работают следующим образом.На втором цикле работы блока 1 О 1 О управления первое значение механической скорости, хранящееся в блоке 12, переписывается в блок 13, а в блоке 12 стирается. На третьем цикле работы блока 1 О управления осущест вляется алгоритм управления полностью.Здесь, наряду с работой блоков 7 и 9 по определению очередного значения механической скорости и интервала осреднения ее, в блоке 14 осуще ствляется операция сравнения двух последовательных значений механической скорости, в результате чего может быть получено одно из трех соотно 25(10)30При выполнении неравенства (8) на информационном табло 16 зажигается секция "Увеличить". При этом бурильщик увеличивает осевую нагрузку на вР.Далее с элемента И 28 блока 1 О поступает команда в блок 13 для сброса хранящегося там значения Ъ, а следующая команда, поступающая с элемента И 27 в блок 12, переписывает хранящееся там значение механической скорости Чв блок 13.Затем описанная последовательность операций, задаваемая блоком 10 управления, повторяется; измеряется новое значение механической скорости Ч;, , которое поступает в делительный блок 11 для определения необходимого интервала осреднения и в блок 12 для выяснения имеющего место условия из возможных соотношений (8) - (10).При выполнении неравенства (9) на информационном табло 16 зажигается секция "Уменьшить". При этом бурильщик уменьшает осевую нагрузку на 785 1 ОД Р/2. Если снова загорается секция "Уменьшить", то осевая нагрузка уменьшается на а Р/4 и т.д, до достижения равенства (10). В этом случае загорается секция "ЭФфективная нагрузка" информационного табло 16 и регулирование осевой нагрузки прекращается.Рассмотренная последовательность операций иллюстрируется фиг. 1. По-, добная ситуация возникает при переходе через максимум механической скорости слева направо, и необходимо вернуться на ее максимум, т,е. установить эффективную осевую нагрузку на долото.Если после изменения осевой нагрузки на ьР/2 загорается сигнал "Увеличить , то увеличение осевой нагрузки необходимо осуществлять на ь Р/4, т.е. поиск эффективной осевой нагрузки в районе максимума механической скорости нужно осуществлять постепенно уменьшающимися ступенями независимо от направления регулирования.В процессе долблення механическая скорость уменьшается, и при достижении определенного значения нормированной кратности начальной и текущей скоростей блок 11 подает команду в блок 9 на увеличение интервала осреднения, т.е. поиск нового значения осевой нагрузки, обеспечивающей максимум механической скорости, осуществляется медленнее, что способствует уменьшению частоты регулирования и повышению долговечности долота.При бурении с предлагаемым устройством повышаются технико-экономические показатели бурения, в частности увеличивается проходка на долото эа счет увеличения долговечности долота, а также механическая скорость за счет того, что до конца долбления поддерживается эффективная нагрузка. Экономическая эффективность предлагаемой системы выше чем у известной Которая.несмотря на отключение ее в конце долбления обеспечивает увеличение проходки на долото на 103, а механической скорости на 15- 20 по сравнению с лучшими показателями бурения сквааин без применения систем управления.1114785Составитель И. Наэаркина Редактор О. Бугир Техред И.Асталош Коррек каэ 6748/22 Тираж 564 Подписи ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж, Раушская наб.,Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4