Устройство для защиты бурильной колонны от обрывов и скручиваний

 

Изобретение относится к области контроля и управления процессом бурения скважин и позволит повысить эффективность защиты бурильной колонны от обрьшов и скручиваний. Устройство содержит привод 2 бурильной колонны 1, блок 3 управления, блок 6 от-ключения управления, датчик (Д) 4 частоты и) вращения Д 5 крутящего момента М, нелинейный элемент (Ю) 7, переключающий элемент 8, элементы сравнения (ЭС) 9 и )0 и с S

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК дд g E 21 В 45/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3839483/22-03 (22) 08.01.85 (46) 15.10.86 ° Бюл. ¹ 38 (71) Свердловский ордена Трудового

Красного Знамени горный институт им. В.В.Вахрушева (72) Е.В.Калыгин, О.N.Баженов, В.В.Пабалин и Г.А.Багаутинов (53) 622.24(088.8) (56) Патент США № 3703096, кл. Е 21 В 45/00, 1972, Айрапетов В.А., Андрианов В.Р,.

Верешейкин Б,Я. и др. Контроль параметров процесса бурения. M.: Недра, 1973, с. 128, „„SU» 1263823 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ОТ ОБРЫВОВ И СКРУЧИВАНИЙ (57) Изобретение относится к области контроля и управления процессом бурения скважин и позволит повысить эффективность защиты бурильной колонны от обрывов и скручиваний.

Устройство содержит привод 2 бурил .— ной колонны 1, блок 3 управления, блок 6 отключения управления,,цатчик (Д) 4 частоты <) вращения Д 5 крутящего момента M нелинейный элемент (H3) 7, переключающий элемент

8, элементы сравнения (3C) 9 и j0 и

12б3Я адяюцс(с(! блок 1 1, С одного выхода бЛОКа 11 На ОДИН ИЗ ВХОдО«С ЗС 9 ПО>" дают сигкал, пропорцв(онях!ьпы«> до.. тигаемому крутящему моменту !1, я>>:>

С другого выхода блока 11 сигнал поступает на вход НЭ 7. )Тот си«.пал осуществляет моделирование синтезиру«ощей функции с учетом входных сиг1(BJfoP блока 11 (глубина Fj скважины, жесткос Гь С KoifoHHE>1 и Koзci, pe(17>к ции 1(„) . Сигналы с Д 4 и 5 Г(оступяют соответственно на входы блока б,, ВТСср011 ВХОр, Н> 7 H BTOpOA . 3 .И. -«,. ".с((FI òef(! 1- - Bi(BHCKèå момента .! с,„, (lpeB! «С!(Г "..„, „, ТO С БЫХОда ЗС 9 поступит сигн i «IB 1(epBый Вход элемента Я и .! 5 1(o(

Входу .-1Г. 1(! „С вь!ходя 3(; 10 сигнал поступает (1(1 Вход блока 3 „где формируется сигна.ц управления торможением, !) Пропессе упрс(вле«(ия тормо)кением происходит умепьюсние величин

М и -,, При ()остижени(! ими заданных значений с б.по)кя б на блок 3 поступит сигнал, сни»(аю«ци(7! управления с приводя 2, R -!JI .. 1 табл, Изобретение откос!(тся к контролю и управлению процессом бурения скв i—

:кин и преднBB!fачено длч з:-..щи--! 6»,—

PF!;,1ü!Iои кo. (0«I((«>f n T 0>)1 ывов и (КРУ с(ИВ Я«lий Е ОТОРЬ!Е МОГУ т П!70ИЗ ОЙТИ Б спу а= прихвата, За!(«Г(амоп--ния забоя или T(j)I()Ko(KoT)oHITH ня забое СКВB

К> "!(>(1;-, С С ССП»3!70PB> (ЕН>СЯ . (С;)Б >ССЩСЕ -"1 " с)С!) с".е«< (и !ности защиты бурил. : ной колон (Я 0 Г 061)ь вов vi clcp»i>)(=>T)B«(си >

На фиг, 1 прр!Беде((«1 б.(;))к — ",ема устройства, .ня фиг. 2 †:. ::,.::,Рз:ру(о-1 сая д>)с !KL! -151 H 1«)ЯЗОВ> > (ря .. !(с с> )И с( при Оптимальном управцеп,(с-(;, -(я фиг. 3 переходнъсе процес"сы B спсте("(е ip 1 ОПТЧмяЛГ-.F(0i.!- ус: T)() !JTB;(HII H (1;)!..—. O:с i(! Tfc)») Рс(тп> В;ТВК с рс > В!>, с ц,-, цp>-"—

ЦсатЕЛЯ OT СЕти, НЯ фНГ „: --, )У!Ц(ЦИОНая С.ная СХЕМа НЕЛ!>П>ЕЙН() ГО ЗЦ (Е !1та, моделирую«це(о зависимость х

"с

= (> (у) ° И Б i OpnT О ЗЛРМЕНта >ХправЛЕ ниЯ ня Аиi, 7 и б Ф тнкс«ио IB!Iь«!БЯ

СXC!YiB OJ(01(B упрсЭБЛЕ(!Ия „На !)И „7 (!)у((кссионапь((ая схе»(я с)лоха Г)! KJ(f!!-:Р "

Н)(я УЩ)сЯВЛЕTIHFT На 0)ИГ, " "- "!)У()!»Ц:-(i)

«(аЛЬН>ЗЯ СХЕМа ПЕРЕКЛ!ОЧа(о«ЦЕГО ЗЛЕ-МЕ:Ta.

Ус ГРОйсTBO позволЯет ОСУ«Цес ГВНTF>

Kof=:тро (ь частотьс вращения бурильной колонны и Величины п1)илО)ке«(ног,)

ПЕй "ОМЕFI;B И На ОСНОБаНИ>--:. ЗТСПО сформировать управление про«се=.сом тормсжения бурильной колон(»ы — Опт««маГ(ьное в смысле быстрОдействия H „ следовате)«ьно Оптимальн0 . с позиций

::ашепи!1 кинетической зкергии> накопленной в приводе. Для синтеза отти5 ет вид где !с! — Враща(ои:ий ((с)!>(Рпт,> 1! „— криK тический момент „соответcc Tß»j>èùèé приложенному фазно;(у нэГ(ряжению, — (сд .О) /с.) CI 0!IL>,Bi!iò! с7 H o с>

СИ«(ХРО!П!ая 1- . ТЕК. Б .ая > Г!«OBf>fe ЧЯCTO сс

Гы Бря«!>СНИЯ BBJ!а с) Бипа Тсз -> сl критичес«сос ско)п )ке:Гие «> — коз(1)фи—

БИЕНТ. ЗЯБИ СЯ((ИЙ О. ()пс! 70тИВЛЕПИЯ обмоток„

Ставится зя,са-(B синтеза BJII îðèòма»JIIpBIJJ(eния с использОваниРМ HB п()я)кени«((1! )f )1! услОБии „что на Ве

ЛИ»(ИПУ I OÄB ОДИ1 !ОГО (Bf)PF(7(BНИЯ U К с двигателю «!я)10;-> с- (с огря!(ичение (,2) 0<И- U

Нри»сем зс.>BI!cимс) с l ь; -- Г (U / явл>-ется нециней((ой, позто(г (2) и ограНИЧРНИЕ (), y, f,1f (g) С)7ЯЗаНЬ(НЕЦННЕЙПО)! ЗаВИСИМОСТЬ«В ГДЕ 1, — максимал«>,(ая величина критичесКс-> кс)1 О момсн с с(» с00 BBTcTB»>fo öBÿ U Ä>i<

Используя Выражения для процесзапив(ем уравнение злект родьигательсов в двигателе, ДИНамИКИ СТ::С ((>!>!Ы бурова я ко)) с!ни а,. нюю одномассовой представив последсистемой и описав малькой систe:.(f,! Воспо! ьзуемся принципом максимума. ура(-!:ñ!-«ие мех«тки ческой харак Геристики асинхрон««ого,,вигBTеля име1 1

1263823 12

0(,х)= ге ON.

+1 ниже линии MONL и на ду- На ОУ 24 собран ф преобразователь, мод — 1 выше линии MONL и на ду- вую NL (cM ° фиг ° ?) ° ге MO. На ОУ 25, ОУ 20, По результатам анализа переход5

Мах 26-31 собран эле ных процессов установлено, что пред- формирующий значение лагаемое устройство позволяет сни- Схема работает сл зить динамические нагрузки в буриль- В начальный момент ной колонне более чем на 1ОХ (см. ния при 0=-1 уменьша

KPHHbte 14 и 16 на фиг, 3).На фиг.3 10 щения у. IIpH переход обозначены: 14 и 15 — координаты на выходе ОУ 19, ОУ угла закрутки бУрильной колонны, при- являются напряжения, веденного к валу двигателя, и часто- кривую р . Причем э ты вращения двигателя бурового стан- 0 х положительны. с ка при оптимальном управлении; 16- 5 жение осуществляется

17 — координаты угла закрутки и ча- 13 (см Лиг ?) так стоты вращения, полученные с исполь- значение х>х,, сравн зованием известного устройства; 18 — происходит на ОУ 25, управляющий параметр 0 . Иаксималь- стабилитроне 32 напр ные значения углов закрутки для кри- 2о лю, так как на выход вой 14 — 1,98 от. ед., для кривой рицательно. На стаби

15 — 2,25 от. ед. и разница равна 34 напряжение также

0,27 от. ед,, что соответствует 478 Н.м. ме е еньшения у пр

Время переходного процесса

25 сокращено более чем в 3-5 раз, а максимальное значение отрицательного момента уменьшено на 25-30Х.

Последнее свидетельствует о снижении вероятности возникновения неупругих деформаций в колонне бурильных труб при защите ее от обрывов, что повышает эффективность и надеж"

- ность работы устройства.

Функциональная схема нелинейного элемента 7, моделирующего зави- 35 симость x =f(y) в четвертом квадс ранте, и схема второго элемента 10 сравнения, формирующего значение

Е>0, приведены на фиг. 4.

Представлена схема, моделирующая 40 зависимость х, =f(y) только в четвертом квадранте фазовой плоскости х и у. Во втором квадранте схема аналогична, вследствие того что синтезирующая функция симметрична относи- 4э тельно начала координат.

На операционных усилителях ОУ

19-22 собраны функциональные преобразователи, моделирующие кривую х, =f(y), 50

На ОУ 19 собран диодный функциональный преобразователь, моделирующий часть х,=f(y) от точки 0 до точки А, где dy/dx=O (на фиг, 2 точка

А не показана) . 55

На ОУ 23 и ОУ 20 собран функцио° нагьный преобразователь, моделирующий х,(у) от точки А до точки М, ункциональный елирующий, криОУ 22 и микросхе мент сравнения

К>0. едующим образом. времени торможеется частота врае у через ноль

20 и ОУ 24 помоделирующие ти напряжения

Допустим, двипо траектории как текущее ение которых при этом на яжение равно нуе ОУ 25 оно отлитронах 33 и равно нулю. По

P Y оисходит пересечение траектории 13 с кривой NL и при х,>х срабатывает компаратор, собранный на ОУ 22, на выходе которого напряжение станет положительным, В результате на выходе 29 появляется логическая "1". На выходе

lt 1Ф

31 также появится логическач 1 характеризующая значение Е > О.

Схема работает таким образом, (см. фиг. 4) что при пересечении траектории движения системы с кривой ONL на выходе 31 появляется напряжение пропорциональное 6 > О. Переключение осуществляется в соответствии с выражением

ЭС ly5 ЧМ VI5 V5 Ч1О Ч15 С5 VIO Vf 5 °

=0-0 О+О 0 0 0 0 U где U - напряжение на выходе стаV билитронов, 0 инверсия U„., I

Рассмотрим еще один случай движения системы по траектории 12 (фиг. 21. Здесь не соблюдено условие переключения х >х . При движес нии. системы по траектории 12 в момент совпадения точки этой траектории с точкой на кривой 0N и при хс =

=х+3, где Π— бесконечное малое число, на выходе ОУ 20 напряжение принимает,отрицательное значение, которое инвертируется ОУ 21. С выхода

ОУ 21 напряжение поступает на вход микросхемы 30, на два других входа которой поступает логическая "1", от 34, так как на участке NL х,>х, и от 27 инвертированный ноль от 32, 1263823

13 так как на 0А х <х. На выходах 30 и с

11 i t

31 появляется логическая 1 . Описанное соответствует первому слагаемому в правой части уравнения 11), Задающий блок 11 состоит из переключателя, на котором выполнен задатчик Н, потенциометра — задатчик ск6

С и переключателя — задатчик Кр.

1О

Задатчик Н„ предназначен для переключения набора нелинейных элементов, расчитанных на определенную глубину скважины. Набор нелинейных элементов используется потому,,что l5 бурильная колонна — на стационарное звено, с изменяющимися маховыми массами и жесткостями„ 1 зменяетсл также и частота вращения бурильной колонны„ ограниченная по глубине сква20 жины либо мощностью двигателя вращателя, либо износом колонны бурильных труб, в связи с чем требуется корректировка кривой х,(у). Реализация такой корректировки осуществля25 ется переключателем 1задатчиком) глубины скважины, подключающигл тот или иной функциональный преобразователь в составе нелинейного элемента

7. Исследования изменения зависимостей х,(ó) от глубины скважины поЗО казали, что при глубине сква;--кны более 600 м кривая ИОН! вырождается в дугу и далее (более 750 и) в часть дуги, Это облегчает изготоьление пакета программ (набора функциональ- 35 ных преобразователей) .

Бурение скважин может осущест- вляться бурильными трубами, выполненными из различных сталей и имеющих разные диаметры. Поэтому с целью 40 уточнения кривой переключения задатчиком С изменяют значения опорного напряжения, подаваемого во входные цепи ОУ 19, ОУ 23 и ОУ 24 (фиг. 4), Этим самим осуществляется смещение кривой х,(у) относительно начала координат. Такое регулирование возможно в процессе наладки нелинейного элемента. После наладки нелинейного элемента осуществляют подбор резисторов для потенциометра С, Изменение частоты вращения бурильной колонны посредством коробки передач станка влечет за собой и изменение величины момента, приведенного к валу дви1 ателя„ Для приведения момента к валу двигателя предназначен задатчик Кр.

Износ бурильной колонны онределяется посредством замеров ее внешнего диаметра, С износом колонны уменьшается и допустимый момент, передаваемый ею. Например, при диаметре бурильных труб, равном 50 мм (новые трубы}, из стали 36Г2С до,пустимый момент составляет 1200 H м.

Изношенные трубы до диаметра от

47,5 до 45,8 мм имеют допустимый вращающий момент 300 Н м, В предлагаемом устройстве значение М,„ вводится задатчиком, выполненным на потенциометре, при превышении которого на выходе первого элемента сравнения 9 (фиг. 1) появляется сигнал х, который поступает на вход переключающего элемента 8 (фиг. 7).

Значения < „, с глубиной скважини никак не связаны. Значения Sx u

8у используются для того, чтобы по окончании переходного процесса (перехода системы через ноль плоскости х и у) система не совершала лрысканья" у начала координат ° Величина Зх и 6у определяется при расче- тах кривых переключения и времени переходного процесса. Для примера, приведенного на фиг. 2 и 3, они составили 6 г =-0,18 иВх =0,31 отн.ед., выбранные по времени переходного процесса, равном 0,22 с. Это время обусловлено моментами инерции привода, постоянная времени которого для данного примера равна (фиг. 2 и

3) 022с.

Функциональная схема блока 3 управления приведена на фиг. 5 и 6.

Он состоит из четырех идентичных схем управления, две из которых осуществляют управление приводом при т1, гг прямом порядке следования фаз статора 3 5 и 3 6 и дв е — при " обратном"

3 7 и 38, а также из схемы логики блока управления { фиг . 5 ), содержащем логические элементы 38- 4 8 . Схема логики блока управления о б е спечив а ет запуск привода и ег о работу в проце с с е защиты „ Работа и оя сне на т аблицей состояния выходов логических элементов 3 9- 4 8 и схемой пер еключающег о элемента 8, котор ая дана на фиг . 7 .

На входы 35 и 36 подается напряжение, пропорциональное g v О (Е =

=1), При его подаче отпирается транзистор 49, что приводит к переключе2М (1+1)

JC...,... (,4)

-- + - + 2P

S S

S„S

dd

=К >, (6)

Н= V у+Ч

7 nl U.

К tn

u) M

r к о клав (7) Ч=

Кр

i =t/Т. с ) о- о

P wm (14) 3 3.

-2п --- ), м„

d dB

--- =-Ч -Ч (-07 «dy

dx/dL=y, (9) ее звеном второго порядка с наглухо закрепленным концом на забое скважины, При прямом" порядке следования фаз статора уравнение следующее:

d q 4ч 2 1

+7n -- +о) =

dté dt с 3 при обратном порядке следования фаз

d ч dW > .1 2М (1+1)

--Г +2п -- + 4 Р-- - --й- -----, (5)

dt dt ) 2-5 Sz

S„2-S

Связь между углом поворота бурильной колонны относительно оси вращения Ы и частотой вращения двигателя а запишем в виде где Ч вЂ” угол поворота вала двигателя 2п=1/1 — коэффициент пропорциональности — постоянная, зависящая от вида демпфирования, l " момент инерции движущихся частей, приведенный к валу двигателя,1, = jC/3 круговая частота собственных колебаний; С вЂ” приведенный к валу двигателя коэффициент жесткости угол поворота бурильной колонны, К вЂ” коэффициент передачи редуктора, р

Введем как относительные единицы, приняв за базовые величины значения М„, «1, и времени Т=3), /М„ и обозначим

Вводя новую переменную 0 запишем (3), (4) и (5) следующим образом

d Ч де 2

+2п -- +=

dc dt c

g? M (1+ ) (1-Uy) — -«- е -» — — — -е. (ь)

7 (1-Цу1 +2)S, (1-Цу) +S„ где U=+1 и U=-1 соответственно для

"прямого" и "обратного" следования фаз статора, при Ц =0 двигатель отключен от сети.

Обозначим х= /м), Т и запишем систему

° dy ц ?S< (1+1) (1-ЦУ) с1Т " (1-Цу) +2)S„(1 у +Я„

126387.3 4

2n3d „)c l, y- -------.х i (10)

М М

» all к

Из уравнений (9) и (10) следует, что для двигателя управляющими пара5 метрами являются параметры U u M к

Причем 0 М, - 1 характеризует величину напряжения, приложенного к двигателю, а U определяет порядок следования фаз статора и направление передачи энергии от упругого элемента к валу двигателя.

В математической трактовке задача об оптимальном быстродействии автоматической системы состоит в быстрейшем попадании точки, движущейся на фазовой плоскости в соответствии с уравнениями (9) и (10) из. заданного начального состояния (х, у ) в начало координат (х=у=О), Следует учесть, что начальное положение системы, определяемое координатами х,и у таково, что

-с у < ye+1. (11)

К

Запишем функцию Гамильтона

7.5 (1+ 5) (1-Uy) (Ц1. = ь (1-Цу) +2) 5 (1-Цу) +S . и5. ) иЭ у- - ---- -- х) (12)

М кто

Согласно принципу максимума управления М и у должны быть выбраК ны так, чтобы (12) принимало максимальное значение

Н(Ч,М,, U, у) max ° (t3)

Если (!31 выполняется, то максимум Н достигается при М =1. Для опК

4О ределения числа интервалов постоянства параметра U необходимо найти вспомогательные переменные Ч и Ф "

1 2 из системы

2Я„(1+Ф) (1-Uv) где м =Ц (1-Uy) +2PS„ t1-Uy) +S

Поведение переменных Ч, и Ч . ределяется корнями характеристического уравнения системы (14), Найдем

0 9 2 Ы эти корни. Обозначим a=0, b=dc3 d, /

/М„; с=-1; d= (-dp/dy+2nl M,/M„), Так как ad-ЬсФО, то начало координат будет точкой покоя. Исследуем

Учитывая, что в конечные моменты времени переключение управления будет происходить в интервале изменения у= -y, у ), исследуем воз-. можные случаи.

Если Ч <О, то 0=-1 при -y

К

Если Ч )О, то U +1 при -у (у(у (dy/сЬ. >O) .

Следовательно, (13) выполняется при с1 =1 и выполнении соотйошения

l d.

U=signФ =sign -г--- (--- s in 1. t +

a,Т (1n) +cos,t) .

5 1263823 дискриминант системы (14) . Характеристическое уравнение имеет вид

1 -d .l-bc=0. В этом уравнении обоз2 начим d=d +d =+2n3d /И " — и исслеР

2 . о к т dy дуем d 2. Возьмем производную с1)1/dy

dp „ „,„«-u ) -s, dy ° (1-0у) +2PS„(l 0у)+Г)

Если у=+l, U=+1 у=- l, 0=-1 то

Э

dM/dv=-2(1+5)/S =>id О. Причем lo

d(1/dy с 0 для всех y>iy ), Если у=О и U;-+1, то с1)-1/dy=2S„(l +Ð) (1-S ) /

/(1+25S„+S, ) = dP/dy (2S . Причем с1 /dv 0 для всех у с<у,!

Запишем дискриминант системы 15 (14) .

6 " (u (1 0у) ) o. О, (l 8) dp 2

?nJ > /M )

dy o

0= (а-д) 4Ьс= (2

4 1 Д, „) /11

2О

Найдем число интервалов переключения управляющего параметра U ° Не 4О теряя общности рассуждений в выражениях (16) и (17) положим, что е

=1 так как этот множитель не оказывает влияние на число интервалов переключения управляющего парамет45 ра и. Зададимся начальными условиями 9„(t, )=0, Ф (t,)=l, t,=O, Опре-, делим постоянные интегрирования

c,=?/ ; ),Т и с =О. Тогда (16) и (17)

2 примут вид

2

sin i

1

Г-Б д

Ч вЂ” Д"

Т2 (s in i1 t соз с„ t) с

Для выполнения соотношения (i3) необходимо выполнение неравенства

Если у> iy ) и 0= 11 то D О, так

Д1с1 2 2 Я как (- -- 2nT) >4 Т . Поэтому на—

), с чало координат будет седлом а функ1 25 ции Ч и Ч имеют вид

1 2 P> — -А ехр S>t () =1,2) (15)

Если у с vÄ,то D < 0, так как (- -- +

dp

2 dy

+?nT) 41d,T, а начало координат ЗО будет фокусом: a+d 0, Следовательно функции Ч, и Ч имеют вид

6l

Ч =e . (bc„sin i, t+bc cos1, t); (16)

G(Ч,=е ((с1с — L,с,) s in1.„ t+(i „с, -бс,) где 6 =0)5d, i=0,5 FD.

Рассмотрим интервал изменения

<у c)1, v (, В этом интервале Ч и к 1 р изменяются по закону (15) . Причем при переключении управляющего параметра 0 конечные значения Ч и

1 Р будут начальными значениями для интервала у (-у,у З и наоборот. А к так как в начало координат можно попасть, двигаясь только по той части механической характеристики, которая ведет в него, то и функция +

2 изменяет свой знак при lyc Jl у Г кодин раз, Следовательно, на этом интервале один раз изменятся и управляющий параметр U. Если это не так, то система никогда не попадает в начало координат, Таким образом, в интервале <у< )1, у (управление

К изменяется по закону

2S (1+9) (1-uy)

y - =0Р - - 1- - - - - -dx (l -Uy) +2)S (l -0у) +Я„

M 3m ?пM )

-- - - Х- --- -- v

М (21) Уравнение (?1) представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение, решить которое не представляется возможным. Поэтому, положив в 21

0=0, имеем

2 °

dx/Ж=у

dy/di=-2i1iTy-и3,т х.

Исследуем (22), Дискриминант 0=

=(2nT) -4d Т (О, s =5 +iT =-nT+

2 2. с 1,2 1 2

+0,5i DÄ тогда общее решение (9) и (10) имеет вид

U=s gn9 =s i gn(A„expS, a +A expS ). (20)

Для получения синтезирующей функции исключим из уравнений (9) и (1О) времяс . Имеем

7 263

-л7Г

x=e (c, sini с,cps ); (23) Таким образом, найдено, что фазовые траектории системы (22) представляют собой спирали с положением равновесия в начале координат и направлением вращения по часовой стрел-Ip ке. Если сравнить систему (9) и (10) с системой (22), то видим, что фазовые портреты получаются параллельным переносом, т,е, положение равновесия системы (9), (10) расположено не в начале координат. В течение управления положение равновесия будет изменяться ввиду нелинейности (9) и (10) . Однако получаем следу- . ющее утверждение о структуре оптимальных траекторий. В течение времени d, /i точка описывает дугу фазовой траектории при U="1 причем величина переменная, а д„ начальная фаза. Затем при ()=+1 точка описывает дугу фазовой траектории в течение времени d / и т.д. Таким образом, для синтеза оптимального управления применима теорема об и интервалах.

С целью решения системы (9), (10) линеаризуем механическую характеристику двигателя, положив p. =U,,-K,У . и ; =U)",;+К у (i=1...,n), где М, и

К; — коэффипиенты линеаризации урав35 нения M=f (y), при i=1,..., Ê в интервале уе(у, 1) и при i=K+1 и, в интервале yf 1-у, у (. Тогда система (9), (10) получит вид

1 E.>0

U- =0 E. =— 0

-1 а0, (27) x,=f (у), где х, — значение Х, полученное из тех фазовых траекторий, на которых происходит смена знака управляющего параметра. Значение функции x,=

=Ч(у) может быть получено по результатам расчета синтезирующей функции.

Реализация оптимального управления позволяет сделать вывод о том, что только такое управление обеспечит максимальное быстродейсвие системе и, следовательно, снижение динамических нагрузок в колонне бурильных труб, Таким образом, у данного решения появляется новое по сравнению с известными свойство, обусловленное выборам момента смены знака управляющего параметра, доставляющего минимум времени переходного процес-. са и обеспечивающего, в результате этого, снижение динамических нагрузок путем гашения энергии вращающихся масс электромагнитным моментом двигателя.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для защиты бурильной колонны от обрывов и скручиваний.

Схема содержит бурильную колонну 1, привод 2 бурильной колонны, блок 3 управления, датчик 4 частоты вращения, датчик 5 крутящего момен» та, блок б отключения управления, dx/d<=y (251

40 2 12

У

1"1,„, dg 2n1B, =UM -К.чdl u (i=1,...,K) и dx/dy =у, " с 3 у- -- -->-a- х, 11 ила ду 2nld

=0М + К-Ктп (1=К+1...и) (26) 5о

-hTi уе ((6 с, - с )sin +(,с +

+6c ) cos7 ) (24) Линейную аппроксимацию механической характеристики двигателя можно осуществить . по формуле

1 ц j n„I ma»

Id,y/dx,I max где ; - длина участка аппроксимации, и и - ошибка линейного иитер823 8 полирования, у — аппроксимируемая функция, Произведен расчет. Получено, что при 10Х-ной ошибке интерполирования число интервалов равно 5, а при 5Х-ной равно 7, По численному решению систем уравнений (25) и (26) для различных условий бурения получены синтезирующие функции, по которым должно быть построено управление, Для выбора управляющего параметра и воспользуемся релейным элементом где Š— координата, поступающая на вход блока управления.

Так как для реализации оптимального управления необходимо измерять текущие значения х и у, то используем отрицательную обратную связь по у

9 1 нелинейный элемент 7, переключающий элемент 8, первый 9 и второй 10 элементы сравнения, задаюший блок 11, Нелинейный элемент 7 предназначен для моделирования зависимости х :=

=f (у) .

Устройство работает следующим образом, Перед началом бурения на вход задающего блока 11 подают сигналы, пропорциональные глубине скважины

Н,„, жесткости С колонны, используемой при бурении, и коэффициенту редукции К коробки передачи привода бурильной колонны 2, если используется нерегулируемый привод. С выхода задающего блока !1 по одному каналу сигнал поступает на первый вход нелинейного элемента 7. Этот блок осуществляет моделирование синтезирующей функции с учетом входных сигналов .задающего блока 11. С выхода последнего по другому каналу сигнал поступает на вход датчика 5 крутящего момента, осуществляя тем самым приведение крутящего момента на бурильной колонне 1 к валу двигателя.

В зависимости от величины износа колонны бурильных труб на второй вход первого элемента 9 сравнения с задатчика допустимого крутящего момента (на фиг. 1 не показан) подают сигнал, пропорциональный допустимому углу закрутки бурильной колонны х,„=М ., который пропорционален допустимому крутящему моменту, При бурении сигнал с выхода датчика 4 частоты вращения бурильной колонны, преобразованный в относительные единицы, подается на второй вход блока 6 отключения управления и на второй вход нелинейного элемента

7. С выхода датчика 5 крутящего момента сигнал поступает на первый вход блока 6 отключения управления и на первый вход первого элемента 9 сравнения, Если текущее значение крутящего момента превысило допустимое значение М>Иэ, (х>х ), то на вывыходе первогоэлемента 9 сравнения появляется сигнал ах который поступает на первый вход переключающего элемента 8, подключая тем самым выход датчика 5 крутящего момента к первому входу второго элемента 10 сравнения. На выходе второго элемента 10 сравнения появляется сигнал Е =-(х+х,), который поступает на

263823

20

50

55 где 1 — номер дуги, х" — конечное значение координаты х дуги 0N, В данном случае кусочно-непрерывная синтезирующая функция, обеспечивающая оптимальное управление данным объектом, с учетом упругих связей и сил трения, имеет вид

10 первый вход блока 3 управления, на выход которОго управляющий параметр

U изменяется в соответствии с выражением (27) . Переключение управляющего параметра U осуществляется в соответствии с неравенствами (х,)>

>1xl=>F>0=> 0=+1, 1х,1< I xl=>r.(0=>U=

=-1 9 1х,! = Ixl >E=0=>U=O, В процессе управления торможением происходит уменьшение величины крутящего момента М:-х и частоты вращения бурового снаряда 3=у, При достижении значений x

На фиг. 2 показаны фазовые траектории и синтезирующая функция при бурении скважины глубиной 500 м и станком ЗИФ -650 М при частоте вращения бурового снаряда 460 мин .

Фазовая траектория 12 соответствует управлению, при допустимом крутящем моменте на бурильной колонне, равном О,б кН м, а фазовая траектория

13 — равном 1,2 кН м.

Синтезирующая функция (фиг. 2)

MONL строится с использованием метода "обратного" времени, при этом правый конец траектории становится свободным, что снимает необходимость в конечных граничных условиях, Участки синтезирующей функпии МО или

ON ведущие в начало координат построены с использованием тех участков механических характеристик электродвигателя, по которым осуществляется переход от режима противовключения в двигательный режим, Другие участи синтезирующей функции, не ведущие в начало координат, например NL (фиг, 2), построены с использованием формул преобразования координат дуг, например дуги ON в дугу NL

263823 16 раются. В результате происходит смена знака управления с 0=+! на

U=-1.

К концу процесса торможения х< х и уа8у, значения которых сравниваются на компараторах в блоке 6 отключения управления, собранных на

m 58 и ОУ 59 (фиг, 8). Реле 60 срабатывает, становится на самобло1р кировку и разрывает цепи управления (фиг. 6). Система останавливается.

39 40 41 42 43 44 46 48

Процессы в приводе

Включение сети

Пуск привода

О 1

1 0

1 1 0 0

Начальный момент торможения И=-1

0 1 0 0 1

Оптимальная защита

О 1 0 1 О 1 1 О

С>0

U=+ 1

1 1 О 1 f О 1 I О

О 1 1 0 0 1 1 1 1

Е<0

U=--1

1 1 1 0 О 1 1 1 О

4 ормула из обрЕтения

Устройство для защиты бурильной

40 колонны.от обрывов и скручиваний, содержащее блок управления, выход которого соединен с входом привода бурильной колонны, и датчик крутящЕro момента, выход которого соединен

45 с первым входом первого элемента срав нения,второй вход которого соединен с задатчиком допустимого крутящего момента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности защиты бурильной колонны от обрывов и скручиваний, устройство снабжено датчиком частоты вращения, блоком отключения управления, нелинейным элементом, переключающим элементом, вторым элементом сравнения .и задающим блоком, первый выход которого соединен с входом датчика кру15 нию составного транзистора 50 и 51 импульсами от трансформатора 52 и к разряду накопительной емкости 53

Ф на управляющие электроды семисторов 54-57. После отпирания семистора 54 он шунтирует первичную цепь трансформатора .52 и снимает сигнал с транзисторов 50 и 51.

При изменении знака транзисторы 49 в,"хемах управления 35 и 36 запираются, а в схемах 37 и 38 отпиI 1 О 0 О 1 О

1 1 1 0 О 1 О тящего момента, выход датчика крутящего момента соединен с вторым входом переключающего элемента и с первым входом блока отключения управления, выход которого соединен с вторым входом блока управления, второй выход задающего блока соединен с первым входом нелинейного элемента, выход которого соединен с вторым входом второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения соединен с первым входом блока управления, при этом выход датчика частоты вращения соединен с вторыми входами блока отключения управления и нелинейного элемента, а выход первого элемента сравнения соединен с первым входом переключающего элемента, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравненния.

l263823

1 263823

1263823! 263823

ЩГ 7 — U иг

Составитель В.ПиловРедактор А.Долинич Техред П.олейник Корректор М.Максимишинец

Заказ 5534/31

Тираж 548 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4