Устройство управления процессом бурения

 

Изобретение относится к контролю и управлению процессом бурения вертикальных и наклонных нефтяньпс и газовых скважин. Цель - повышение точности управления. Для этого устрво содержит измерители 1 и 2 и функ , циональные преобразователи (ФП) 3 и 4 нагрузки на долото;(д) и частоты его вращений соответственно, блоки прогнозирования (БП) показателя износа вооружения 5, оптимального мени бурения 6, оставшегося времени бурения 8 и начальной механической скорости проходки 10, блок 7 формиро вания критерия управления, измеритель 9 механической скорости проходки , индикатор 11, регулятор 12 подачи Д и задатчик 13 постоянных коэффициентов . В процессе бурения измери телями 1 и 2 измеряются текущие значения нагрузки на Д и частоты его вращения. Измеренные сигналы поступают в БП 6 и на ФП 3 и 4 соответствен но. С выходов ФП 3 и 4 результирующие сигналы поступают на соответству ющие входы БП 5 и БП 8. При этом в БП 5 определяется показатель износа вооружения для текущих значений нагрузки на Д и частоты его вращения, характеризующий темп снижения механи ческой скорости во времени из-за износа вооружения. С выхода БП 5 сиг:- о (Л с

СОЮЗ ССВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1418469 А1 (51) 4 Е 21 В 44/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPGH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТБЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4080703/22-03 (22) 08.05,86 (46) 23,08.88, Бюл. У 31 (71) Грозненское научно-производственное обьединение "Промавтоматика" (72) И.И.Рабин, Г.М.Кузнецов, Б.Г.Соколов и 10.П.Канифатов (53) 622.24.08(988.8) (56) Белоруссов В.О. Прогнозирование результатов бурения. Сер. Бурение, М., ВНИИОЭНГ, 1976, с. 4-6.

Авторское свидетельство СССР

У 950905, кл. Е 21 В 44/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

В 761699, кл. Е 21 В 45/00, 1978. (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к контролю и управлению процессом бурения вертикальных и наклонных нефтяных и газовых скважин. Цель — повышение точности управления. Для этого устрво содержит измерители 1 и 2 и функ, циональные преобразователи (ФП) 3 и

4 нагрузки на долото.(Д) и частоты его вращений соответственно, блоки прогнозирования (БП) показателя износа вооружения 5,оптимального вре мени бурения 6, оставшегося времени бурения 8 и начальной механической скорости проходки 10 блок 7 формирования критерия управления, измеритель 9 механической скорости проходки, индикатор 11, регулятор 12 подачи Д и задатчик 13 постоянных коэффициентов. В процессе бурения измерителями 1 и 2 измеряются текущие значения нагрузки на Д и частоты его вращения. Измеренные сигналы поступают в БП 6 и на ФП 3 и 4 соответственЩ но. С выходов ФП 3 и 4 результирующие сигналы поступают на соответствующие входы БП 5 и БП 8, При этом в

БП 5 определяется показатель износа вооружения для текущих значений нагрузки на Д и частоты его вращения, характеризующий темп снижения механи- laasL ческой скорости во времени из-sa из- «ф носа вооружения. С выхода БП 5 сиг- ф, !

41 нал поступает на вход БП б, где определяется оптимальное время работы Д да износа вооружения. Одновременно сигнал от измерителя 9 поступает на

БП 10. С выхода БП 10 сигнал, пропорциональный начальной механической скорости бурения, поступает на блок

7. Сюда же поступают и сигналы с БП

5 и 6. С выхода блока 7 сигнал, пропорциональный величине критерия управления, поступает на индикатор 11

84б9 и регулятор 12 подачи Д. Регулятор

)2 воздействует на механизм подачи

Д, изменяя нагрузку на Д в зависимости ат изменения критерия управления, поступает на индикатор 11 и регулятор 12 подачи Д. Регулятор 12 воздействует на механизм подачи Д, изменяя нагрузку на Д в зависимости от изменения критерия управления.

2 з,п. ф-лы, 8 ил.

С(1 +Т д )

Я=

h где С т„(2) (3) лота п;

i=n+4,348 -10 "n ; (4) m=0,2578-1g

Л (5) 40

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к области контроля и управления процессом бурения, и может быть использовано при бурении вертикальных и наклонных нефтяных и 5 газовых скважин, а также при бурении направленных скважин одного куста.

Цель изобретения — повышение точности управления.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства управления процессом бурения; на фиг. 2 — блок-схема функционального преобразователя нагрузки на долото; на фиг. 3 — блок-схема функционального преобразователя ча!

5 стоты вращения долота; на фиг. 4— блок-схема блока прогнозирования показателя износа вооружения, на фиг, 5 — блок-схема блока прогнозирования оптимального времени бурения, на фиг. 6 - блок-схема блока формирования критерия .управления; на фиг. 7 — блок-схема прогнозирования оставшегося времени бурения; на фиг. 8 — блок-схема блока прогноэи25 рования начальной механической скорости проходки.

В основу работы устройства управления процессом бурения положены следующие соотношения.

Известно, что оптимизация процесса углубления заключается в выборе оптимального времени отработки долота, обеспечивающего минимальные затраты на 1 м проходки при заданном режи- 35 ме бурения и определении рациональных режимных параметров (нагрузки на долото и частоты вращения долота), обеспечивающих минимум стоимости

1 м проходки.

Стоимость l м проходки определяется выражением стоимость 1 ч работы буровой, руб/ч время рабаты долота на забое, ч; время спуска-подьемньгх и вспомогательных операций,ч; проходка на долото, м;

V — механическая скорость проходки, зависящая от износа зубьев долота, м/г.

Уравнение износа зубьев шарашек дОлота во времени имеет вид

aD1

dt Аф am где i — функция частоты вращения доm — - функция нагрузки Р на долото и диаметры д долота;

Аф — коэффициент, определяемый по результатам анализа отработанного в предыдущем рейсе долота (коэффициент износа вооружения); а — функция относительного износа

D зубьев шарашек долота;

1418469

4,31 Apm

1 при P=lVo

43TАт (1+0,25 -- —.--ф-) 1 Г?, 93

Р=0,5, 20 откуда (12) при P=i, ««К (8) о

Я мех р (9) Vo — при Р=l, 1+1 )

Vo а «47

Vå (10) а=0,93 D +6 D+1= — — -- . (6)

А ° m cLD

Решая уравнение (6) путем разделения переменных, получают

Ф

0у31 D+3 D+Э П -- ) -(» Ы

3 2 1 « 1()

= — -1 а + — j а +...+

1 Г i г

«1««

+ 1 c1t= д „ ш„А „, m

1 при i"-const, m=c on st, U= -- — t <, Ф (7) Таким образом, по отработанному долоту, измерив относительный износ

D зубьев и зная режимы, при которых это долото отрабатывалось, можно определить коэффициент износа вооружения, зависящий от абразивных свойств породы

Механическая скорость проходки определяется соотношением где V — механическая скорость проходки новым долотом (D=o, a=1).

Указанные соотношения заимствованы из метода оптимизации бурения Галле-Вудса, который широко используется в практике бурения.

Анализ .соотношений (3), (7) и (9) и численные решения показывают, что изменение скорости бурения во времени можно представить соотноше,ниями

Vo

7= (- -ц- — - при P=O 5, где p — показатель износа вооружения, т.е. справедливо равенство

Полагая, что износ D зубьев =1 (1.;=-4,)1), а=7,93) и долото отрабатывается при постоянных m, i; из формул (7) и (8) определяют время бурения, по истечении которого D=l

lQ Подставляя в равенство (10) snaveния а=7,93 и t из (11), получают

V0 Vo

7Л (1, 3 )6

1.2 076 р = =Х

1n(+ -- —.----)

4,31 Афш

25

Известно, что P=l для большинства типов пород, кроме самых мягких, когда Р=О. Кроме того, Р=l берется при тупых вершинах зуба, а Р=0,5 — при заостренных. Поскольку в практике бурения зубья долота в подавляющем большинстве случаев затупляются и не остаются заостренными (кроме случаев очень мягких пород), достаточно ограничиться случаем Р=l. Естественно, что для очень небольших глубин (до

2000 м) следует брать P=O 5, Однако в этом случае оптимизация не дает существенного эффекта и достаточно использовать более простой критерий максимум механической скорости бурения. Поэтому следует выбрать значение P=l

Таким образом, для любого заданно45 го режима бурения (нагрузки на долото, частота вращения долота), зная коэффициент А из предыдущего долбления, можно получить оценку показателя износа вооружения, характеризующего темп снижения скорости проход.— ки во времени.

Проходка за время + равна

h= ) V(t)cLt= î f(1+ о

Ь=Ъ 1n l+t.(Е=l, (13) Подставляя значение h согласно (l3) в (1) и опуская постоянное зна14)8469 (19) (15) чение стоимости 1 ч работы буровой

С, получают относительную стоимость

I м проходки (,+Т..)()-n)

5 (14)

v, ((i+t ) - 3

Находя экстремум функции (14) путем приравнивания к нулю производной

10 этой функции, получают трансцендентное уравнение, решение которого определяет оптимальное время бурения при

,опережающем износе вооружения и за; данном режиме бурения при котором

t 15 стоимость 1 м проходки минимальна (1+,) -1 (1- )(+т,„)(1+С ) =О.

Решить уравнение можно, например, итеррационным методом Ньютона, однако

20 с достаточной точностью оптимальное время бурения при опереживающем изно- се вооружения можно определять по

Формуле

092Тп

=-+ — — --04Т +2 2 при опт. 8 ri сп

Время бурения долотом до полного износа его опор при заданном режиме 30 определяется формулой

Приравнивая (7) и (18), получают и к . 1 i- к+1 — с„

-- . С ф к1 m ф

h откуда 1п = -" —, --" .д = к

f

mk 1 1 () о

Оставшееся время бурения иэ-за иэ" носа вооружения определяется формулой

m Г i(t) о

Когда оставшееся время бурения станет равным нулю, дальнейшее бурение нерационально и долото следует заменить из-за износа вооружения. Износ опор обычно сопровождается заслонкой долота. )1омент подъема долота легко определить по показаниям моментомера.

Начальную механическую скорость бурения V в любой момент времени можно прогнозировать согласно (10)

V, ==V(I+a,) (21) (16) где В, Ы, у- параметры, определяемые по отработанному долоту, обычно 4=1, у1-2;

Ы вЂ” показатель износа опоры долота от оборотов;

1" — показатель износа опоры долота от нагрузки;

 — коэффициент износа опоры.

Время бурения долота выбирается из условия

U =-11. К 1 п11

k%1 (! 8) оп1 8 з если noh> < tg.11 () 45 с м 6,, если 1 ) .Ь

Предположим, что долото проработало при различных режимах, при этом износ зубьев шарошек U определяется выражением (7), дальнейшее бурение будет вестись при режиме m1,+„, iк+„

Определяют приведенное время работы долота t,п„р, т.е. такое время, которое должно было бы работать долото при режиме ш „„ i„„„ чтобы достичь

55 износа вооружения Uq .

Коэффициент износа опоры В долота находят из формулы (16) по отработанному долоту

С

В= (22) Е и".Р. ы,.

1=1 где С вЂ” степень износа долота, для нового долота С=O, для полностью изношенного С=I, определяется, например, по люфту шарошки долота.

Устройство управления процессом бурения (фиг. 1) содержит измеритель 1 нагрузки на долото, измеритель 2 частоты вращения долота, функциональный преобразователь 3 нагрузки на долото, функциональный преобразователь 4 .частоты вращения долота, блок 5 прогнозирования показателя износа вооружения, блок 6 прогнозирования оптимального времени бурения, блок. 7 формирования критерия управления, блок 8 прогнозирования оставшегося времени бурения, измеритель 9 механической скорости проходки, блок 10 прогнозирования начальной механической ско7 1418469

8 рости проходки, индикатор 11, регулятор 12 подачи долота и задатчик 13 постоянных коэффициентов, Выходы измерителей 1 и 2 нагрузки на долото и частоты вращения долота подключены соответственно к первым входам функциональных преобразователей нагрузки 3 на долото и частоты вращения 4 долота, а также к первому и второму входам блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения.

Выход измерителя 1 нагрузки на долото подключен также к первому входу регулятора 12 подачи долота, Выходы функциональных преобразователей нагрузки 3 на долото и частоты вращения 4 долота подключены соответственно к первому и второму входам блока

5 прогнозирования показателя износа вооружения и блока 8 прогнозирования оставшегося времени бурения. Выход блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения подключен к третьему входу блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения и к первым входам блока 7 формирования критерия управления и блока 10 прогнозирования начальной механической скорости проходки. Выход блока 6 прогнаэирования оптимального времени бурения подключен к третьему входу блока

7 формирования критерия управления, к второму входу которого подключен выход блока 10 прогнозирования начальной механической скорости проходки, к второму входу которого подключен выход измерителя 9 механической скорости проходки. Выход блока 8 прогнозирования оставшегося времени буГ рения подключен к первому входу индикатора 11 выход блока 7 формирования критерия управления соединен с вторыми входами индикатора 11 и регуля" тора 12 подачи долота. Первый и второй выходы задатчика 13 постоянных коэффициентов подключены к вторым входам функциональных преобразователей нагрузки 3 на долото и частоты 4 его вращения соответственно, третий выход - к третьим входам блока 10 прогнозирования начальной механической скорости проходки и блока 5 показателя износа вооружения, а также к четвертому входу блока 7 формирования критерия управления, четвертый выход -.к четвертому входу блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения, а пятый и шестой выходы—

45 четвертому и пятому входам блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения собтветственно.

Функциональный преобразователь 3 нагрузки на долото (фиг. 2) содержит эадатчик 14 диаметра долота, выход которого соединен с первым входом делителя 15, аналого-цифровой преобразователь АЦП 16, выход которого подключен к второму входу делителя

15, выход делителя 15 через элемент

17 логарифмирования соединен с первым входом элемента 18 вычитания.

Вход АЦП 16 является первым входом функционального преобразователя, второй вход элемента 18 вычитания является вторым входом преобразователя, а выход элемента 18 вычитания является выходом функционального преобразователя 3 нагрузки на долото, реализующего зависимость (5).

Функциональный преобразователь 4 частоты вращения долота (фиг. 3) содержит АЦП 19, выход которого соединен с входом элемента 20 возведения в куб и с первым входом сумматора

21. Выход элемента 20 возведения в куб соединен с первым входом умножителя 22, выход которого соединен с вторым входом сумматора 21, Вход АЦП

19 является первым входом, второй вход умножителя 22 является вторым входом, а выход сумматора 21 — выходом функционального преобразователя

4 частоты вращения долота, реализующего зависимость (4).

Блок 5 прогнозирования показателя износа вооружения (фиг, 4) содержит задатчик 23 коэффициента износа вооружения, выход которого подключен к первому входу умножителя 24, выход которого соединен с первым входом

noBoI o делителя 25, выход подключен к первому входу сумматора

26, выход которого через .элемент 27 логарифмирования соединен с первым входом второго делителя. Вторые входы умножителя 24, первого делителя

25, сумматора 26 и второго делителя

28 являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами, а выход второго делителя 28 — выходом блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения, реализующего зависимость (12).

Блок 6 прогнозирования оптимального времени бурения (фиг. 5) содержит задатчик 29 времени спуско-подъемных

1418469 10

45 и вспомогательных операций, выход которого соединен с первыми входами делителя 30 и первого умножителя 31, выходы которых подключены соответст5 венно к первому (инверсному) и второ,му входам сумматора 32, выход задатчика 33 показателя износа опоры долота от оборотов подключен к первому входу первого элемента 34 возведения 10 в степень, выход задатчика 35 показателя износа опоры долота от нагрузки подключен к первому входу второго элемента 36 возведения в степень, и задатчик 37 коэффициента износа опо- 15 ры. Выходы первого 34 и второго 36 элементов возведения в степень соединены соответственно с первым и вторым входами второго умножителя 38, выход ,которого подключен к первому входу 20 третьего умножителя 39, второй вход которого соединен с выходом задатчика ,37 коэффициента износа опоры. Выход третьего умножителя 39 соединен свходом элемента 40 вычисления обратной 25 величины, выход сумматора 32 соединен с первыми входами компаратора 41 и первого ключа 42, выход элемента

40 вычисления обратной величины подключен к первому входу второго ключа 30

43 и к второму входу компаратора 41 выход которого соединен с вторыми входами первого 42 и второго 43 ключей, выходы которых. подключены к входам элемента ИЛИ 44, Вторые входы второго 36 и первого 34 элементов возведения в степень, делителя 30 и первого умножителя 31, а также третий вход сумматора 32 являются соответственно первым, вторым, третьим, 40 четвертым и пятым входами, а выход элемента ИЛИ 44 — выходом блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения, реализующего зависимости (15)-(17).

Блок 7 формирования критерия управления (фиг. 6) содержит задатчик

45 времени спуско-подъемных и вспомогательных операций, выход которого соединен с первым входом первого 50 сумматора 46, второй сумматор 47, первый элемент 48 вычитания, выход которого соединен с первыми входами первого умножителя 49 и элемента 50 возведения в степень. Выход первого сумматора 46 подключен к второму входу первого умножителя 49, выход которого соединен с первым входом делителя 51, выход второго сумматора

47 подключен K второму входу элемента 50 возведения в степень, выход которого соединен с первым входом второго элемента 52 вычитания, Выход второго элемента 52 вычитания подключен к первому входу второго умножителя 53, выход которого подключен к второму входу делителя. Первый вход первого элемента 48 вычитания, второй вход второго умножителя 53, первый вход второго сумматора 47 и второй вход первого сумматора 46, вторые входи первого 48 и второго 52 элементов вычитания и второго сумматора 47 являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами, а выход делителя 51 является выходом блока 7 формирования критерия управления, реализующего зависимость (14).

Блок 8 прогнозирования оставшегося времени бурения (фиг. 7) содержит делитель 54, выход которого соединен с первым входом первого умножителя 55 и через элемент 56 вычисления обратной величины с первым входом второго умножителя 57, делитель

58, выход которого подключен к второму входу второго умножителя 57. Выход второго умножителя 57 соединен с первым входом сумматора 59, выход которого через элемент 60 памяти подключен к вторым входам сумматора

59 и первого умножителя 55, выход первого умножителя 55 соединен с первым входом элемента 61 вычитания, выход которого соединен с входом нуль-органа 62. Два входа делителя

54 и второй вход элемента 61 вычитания являются соответственно первым, вторым и.третьим входами, а выход нуль-органа 62 — выходом блока 8 прогнозирования оставшегося времени бурения, реализующего зависимость (20).

Блок 10 прогнозирования началвной механической скорости проходки (фиг. 8) содержит таймер 63, выход, которого подключен к первому входу сумматора 64, выход которого соединен с первым входом элемента 65 возведения в степень, выход которого подключен к первому входу умножителя 66.

Вторые входы элемента 65 возведения в степень, умножителя 66 и сумматора

64 являются соответственно первым, вторым и третьим входами, а выход умножителя — выходом блока 10 прогнозирования начальной механической скорости проходки, реализующего зависимость (?1).

Устройство работает следующим образом, Перед началом бурения бурильщик по отработанному долоту определяет относительный износ D зубьев долота по формуле (8) вычисляет коэффициент

А износа вооружения и вводит эту ве- 1g

Ф личину с помощью задатчика 23 величины коэффициента износа вооружения долота (фиг. 4) в устройство управления. Аналогично он определяет степень износа опоры отработанного долота н (например, по люфту), по формуле (22) вычисляет коэффициент износа опоры долота и с помощью задатчика 37 коэффициента износа опоры долота (фиг. 5) вводит это значение в уст- 2о ройство управления. Кроме того, с помощью задатчиков,времени спуско-подъемной 29 (фиг, 5) и вспомогательных 45 (фиг. 6) операций вводится значение времени на спуско-подъемные и вспомо- 25 гательные операции, с помощью задатчика 14 диаметра долота (фиг. 2) вводится значение диаметра долота, с помощью задатчика 33 показателя износа опоры долота от оборотов (фиг. 5) 30 вводится показатель степени износа опоры долота от оборотов обычно равен 1), с помощью задатчика 35 показателя износа опоры долота от нагрузки на долото (фиг ° 5) вводится зна- 35 чение показателя степени износа опоры долота от нагрузки на долото (обычно в пределах 1-2 в зависимости от типа долота), Бурение осуществляется при неко- 4, торой нагрузке на долото и частоте вращения долота, например, близких к оптимальным в предыдущем долблении. В процессе бурения измерителя ми 1 и 2 нагрузки на долото и часто- 46 ты вращения долота соответственно (фиг. 1) измеряются текущие значения нагрузки на долото и частоты вращения долота. Измеренные сигналы поступают в блок 6 прогнозирования оптимального времени бурения, а также на функциональные преобразователи 3 и 4 нагрузки на долото и частоты вращения долота соответственно, В функциональном преобразователе 3 нагрузки на долото сигнал, характеризующий нагрузку на долото, преобразуется аналогично-цифровым преобразователем 16 (фиг. 2) в цифовой код, де1418469 12 лится на сигнал, характеризующий диаметр долота, в делителе 15, логарифмируется в элементе 17 логарифмирования и вычитается из сигнала, пропорционального значению 0,2578, в элементе 18 вычитания. Результирующий сигнал будет выходным сигналом функционального преобразователя

3 нагрузки на долото, связанным с входным сигналом (нагрузкой на долото) формулой (5). Этот сигнал поступает на первые входы блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения и блока 8 прогнозирования оставшегося времени бурения (фиг. 1).

В функциональном преобразователе

4 частоты вращения долота сигнал, пропорциональный частоте вращения долота, преобразуется аналого-цифровым преобразователем 19 (фиг. 3) в цирфовой код, после чего преобразуетея в сигнал, пропорциональный кубу частоты вращения долота в элементе 20, умножается на постоянный коэффициент, равный 4,348 10, в ум-5 ножителе 22 и складывается с сигналом, пропорциональным частоте вращения долота в сумматоре 21. Результирующий сигнал будет выходным сигналом функционального преобразователя 4 частоты вращения долота, связанным с входным сигналом (частотой вращения долота) формулой (4). Этот сигнал поступает на вторые входы блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения и блока 8 прогнозирования оставшегося времени бурения (фиг, 1).

В блоке 5 прогнозирования показателя износа вооружения сигнал с выхода функционального преобразователя "

3 нагрузки на долото последовательно умножается на сигнал, поступающий с выхода задатчика 23 коэффициента износа вооружения в умножителе 24 . (фиг. 4), делится на величину, пропорциональную сигналу на выходе функционального преобразователя 4 частоты вращения долота в первом делителе 25, результат суммируется с единицей в сумматоре 26, результирующий сигнал логарифмируется в элементе 27 логарифмирования, после чего на величину, пропорциональную полученному сигналу, делится значение 2,076 во втором делителе 28, Таким образом, в блоке 5 прогнозирования показателя износа вооружения

141846 определяется показатель износа вооружения согласно формуле (12) для текущих значений нагрузки на долото и частоты вращения долота, характеризующий темп снижения механической скорости во времени из-за износа вооруженияе

Сигнал с выхода блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения 10 :;(фиг. 1) поступает на третий вход бло,ка 6 прогнозирования оптимального ! времени бурения, где определяется опI тимальное время работы долота до из носа вооружения по Формуле (!5) и до 15 износа опоры по, формуле (16) и выби:рается минимальное из этих двух зна=1

: чение. Расчет ведется следующим образом. Сигнал с выхода задатчика 29 времени спуско-подъемных и вспомога- 20 тельных операций (фиг. 5), пропорцио нальный значению 0,92 Т „, делится на сигнал с выхода блока 5, пропорциональный прогнозируемому значению показателя износа вооружения, в де- 25 лителе 30 и умножается на 0,4353 в первом умножителе 31, Зтн сигналы суммируются в сумматоре 32 и с величиной, равной 2,2, причем сигнал с выхода первого умножителя 31 берется 30 с обратным знаком, так как этот сигнал поступает на инверсный вход сумматора 32. Выходной сигнал сумматора

32 пропорционален величине t,oAT,Q определяемой формулой (15). Одновременно сигнал от измерителя 2 частоты вращения долота возводится в степень равную показателю износа опоры долота .от оборотов, установленную в задат- чике 33 показателя износа опоры доло- 4р та от оборотов в первом элементе 34 возведения в степень, а сигнал от измерителя 1 нагрузки на долото возводится в степень, равную показателю износа опоры долота от нагрузки, ус- 45 тановленному в задатчике 35 показателя износа опоры долота от нагрузки во втором элементе 36 возведения в степень, Эти сигналы перемножаются во втором умножителе 38, результирующий сигнал умножается на коэффициент износа опоры, установленный в задатчике 37 коэффициента износа опоры в третьем умножителе 39, после чего поступает на элемент 40 вычисления обратной величины. Сигнал на выходе элемента 40 вычисления обратной величины, пропорциональный значению tg q, вычисленному по формуле

9 14 (16), поступает на один из входов компаратора 41, на другой вход которого одновременно поступает сигнал с выхода сумматора 32, Выходы компаратора 41 управляют ключами 42 и 43 таким образом, что последние пропускают на элемент ИЛИ 44 . сигнал, наименьший из двух сравниваемых, который поступает на выход блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения. Одновременно сигнал, пропорциональный механической скорости проходки, от измерителя 9 механической скорости проходки, поступает на блок !О прогнозирования начальной механической скорости проходки.

В блоке 10 прогнозирования начальной механической скорости проходки сигнал, пропорциональный текущему времени бурения, от таймера 63 (Фиг. 8) в сумматоре 64 складывается с единицей, возводится в степень, пропорциональную сигналу с блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения, в элементе 65 возведения в степень, после чего умножается на величину, пропорциональную текущей механической скорости проходки, поступающей от измерителя 9 механической скорости проходки. Результирующий выходной сигнал, пропорциональный величине, рассчитываемой по формуле (21), поступает на блок 7 формирования критерия управления (фиг. 1), на другие входы которого поступают сигналы с выходов блока 5 прогнозирования показателя износа вооружения и блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения.

В блоке 7 формирования критерия управления сигнал с выхода блока 6 прогнозирования оптимального времени бурения суммируется с сигналом, пропорциональным времени спуско-подьемных и вспомогательных операций, поступающим от задатчика 45 времени спуско-подъемных операций, в первом сумматоре 46 (фиг. 6) и, кроме того, суммируется с единицей во втором сум" маторе 47. Сигнал, пропорциональньпю сумме времени спуско-подъемных операций и оптимального времени бурения с выхода первого сумматора 46, умножается в первом умножителе 49 на сигнал, пропорциональный разности единицы и прогнозируемого показателя износа вооружения, получаемого в пер— вом элементе 48 вычитания, после че16

1418469 го результирующий сигнал поступает на делитель 51 — на его первый вход (делимое).

Одновременно сигнал, пропорциональный сумме оптимального времени бурения и единицы, с выхода второго сумматора 47 возводится в степень, пропорциональную разности, получаемой в первом элементе 48 вычитания, в элементе 50 возведения в степень.

После вычитания из этого сигнала еди. ницы во втором элементе 52 вычитания и умножения на сигнал, пропорциональный начальной механической скорости проходки и поступающий с выхода блока 10 прогнозирования начальной механической скорости проходки во втором умножителе 53, поступает на второй вход (делитель) делителя 51. На выходе делителя 51 устанавливается сигнал, пропорциональный величине критерия управления, вычисленному согласно (14), который является выходом блока 7 формирования критерия управления. Этот сигнал поступает на вторые входы индикатора ll и регулятора 12 подачи долота. Регулятор 12 подачи .долота воздействует на исполнительный механизм подачи (не пока-, зан), изменяя нагрузку на долото на величину шага в направлении (увеличивая или уменьшая), зависящем от изменения критерия управления, стремясь обеспечить такую нагрузку на долото, чтобы минимизировать критерий управления, так как изменилась нагрузка на долото, то изменилась и механическая скорость проходки и величина критерия управления. При новых значениях этих параметров цикл повторяется до тех пор пока регулятор не установит такую нагрузку на долото, которая соответствовала бы экстремуму критерия управления (минимуму стоимости 1 м проходки).

При достижении указанного экстремального значения регулятор 12 подачи долота поддерживает нагрузку на долото постоянной (в пределах пробного шага, например, +О 5 тс). При изменении буримости пород изменяются механическая скорость и, следовательно, критерий управления, при этом экстремальный регулятор 12 подачи долота вновь начинает изменять нагрузку на долото до тех пор, пока не достигнет минимума критерия управления.

В процессе бурения значение, пропорциональное сигналу с выхода функционального преобразователя 3 нагруз5 ки на долото в блоке 8 прогнозирования оставшегося времени бурения, делится.в делителе 54 (фиг. 7) на значение, пропорциональное сигналу с выхода функционального преобразовате10 ля 4 частоты вращения долота. Резуль тирующий сигнал с выхода делителя 54 поступает на первый умножитель 55, а также после определения обратной величины этого сигнала в элементе 56 вычисления обратной величины — на интегратор, включающий второй умножитель 57, делитель 58, сумматор 59 и элемент 60 памяти.

В первом умножителе 55 определя2р ется произведение отношения текущих значений, сигналов с выхода функциональных преобразователей нагрузки 3 на долото и частоты вращения 4 долота на интегральное с начала рейса по

25 времени значение обратной величины этого отношения. Эта величина характеризует приведенное время бурения для текущего режима согласно (19).

Сигнал с выхода первого умножителя

30 55 поступает на вход элемента 16 вычитания, где определяется разность между оптимальным временем бурения для текущего режима, вычисленная в блоке 6 прогнозирования оптимального времени бурения и приведенным временем. Эта разность, согласно формуле (20), характеризует оставшееся время бурения, которое проверяется на нуль нуль-органом 62, и при ра40 венстве этого сигнала нулю с выхода . нуль-органа 62 на первый вход индикатора ll (фиг. 1) выдается сигнал, свидетельствующий об износе вооружения. Об износе опоры бурильщик су<< дит по показаниям моментомера.

В процессе бурения оператор имеет возможность переключать привод ротора, изменяя при этом частоту вращения долота, и по показаниям инди катора Il выбирать такую частоту, которая обеспечивает лучший критерий управления — минимум выражения (l4).

Формула из о брет ения

1. Устройство управления процессом бурения, содержащее измеритель нагрузки на долото, выход которого!

1 7

1418Аб9 соединен с первым входом регулятора подачи, измерители частоты вращения долота и механической скорости про.:ходки, блок прогнозирования оптимального времени бурения, регулятор подачи долота и индикатор, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления, оно снабжено функциональными преобразо- 1п вателями нагрузки на долото и часто ты его вращения, блоком прогнозирования показателя износа вооружения,, блоком формирования критерия управ-!

:ления, блоком прогнозирования остав- 1б . шегося времени бурения, блоком прог нозирования начальной механической

3 скорости проходки и задатчиком по стоянных коэффициентов, при этом вы"с. ход измерителя нагрузки на долото сое р динен с первыми входами блока прогнозирования оптимального времени буре1 ния и функционального преобразователя

; нагрузки на долото, выход которого соединен с первыми входами блока про- 25, гнозирования оставшегося времени бу, :рения и блока прогнозирования показа теля износа вооружения, выход измери теля частоты вращения долота подклю чен к первому входу функционального 30 ,преобразователя частоты вращения долота и к второму входу. блока прогнозирования оптимального времени бурения, выход функционального преобразователя соединен с вторыми входами блока про- З5 гнозирования оставшегося времени бурения и блока прогнозирования износа вооружения, выход которого подключен к первым входам блока формирования критерия управления и блока прогнози- 4б рования начальной механической скорости проходки, а также к третьему входу блока прогнозирования оптимального времени бурения, выход измерителя механической скорости проходки подключен к второму входу блока прогнозирования начальной механической скорости проходки, выход которого соединен с вторым .входом блока формирования критерия управления, выход блока прогнозирования оптимального времени бурения подключен к третьим входам блока формирования критерия управления и блока прогнозирования оставшегося времени бурения, выход которого соединен с первым входом индикатора, выход блока формирования критерия управления подключен к вторым входам. регулятора подачи долота и индикатора, причем первый и второй выходы задатчика постоянных коэффициентов соединены с вторыми входами соответствующих функциональных преобразователей нагрузки на долото и частоты его вращения, третий выход задатчика постоянных коэффициентов подключен к третьим входам блоков прогнозирования начальной механической скорости проходки и показателя износа вооружения, а также к четвертому входу блока формирования критерия управления, четвертый выход задатчика постоянных коэффициентов соединен с четвертым входом блока прогнозирования показателя износа вооружения, а пятый и шестой выходы — с четвертым и пятым входами блока прогнозирования оптимального времени бурения соответственно.

2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок прогнозирования показателя износа вооружения содержит задатчик коэффициента износа вооружения, умножитель, два делителя, сумматор и элемент логарифмирования, при этом выход задатчика коэффициента износа вооружения соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен к первому входу первого делителя, выход первого делителя подключен к первому входу сумматора, выход которого через элемент логарифмирования соединен с первым входом второго делителя, причем вторые входы умножителя первого делителя, сумматора и второго делителя являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами блока, а выход второго делителя является выходом блока.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок прогнозирования оставшегося времени бурения содержит делитель, два умножителя, элемент вычисления обратной величины, таймер, элемент вычитания, сумматор, элемент памяти и нуль-орган, при этом выход делителя соединен с первым входом первого умножителя и через элемент вычисления обратной величины с первым входом второго умножителя, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход сумматора через элемент памяти соединен с вторыми входами сумматора и первого умножителя, выход кото19

1418469 рого подключен к первому входу элемента вычитания, выход таймера соединен с вторым входом второго умножителя, выход элемента вычитания подключен к входу нуль-органа, причем два входа делителя и второй вход элемента вычитания являются соответственно первым, вторым и третьим входами блока, а выход нуль-органа является выходом блока.

1418469

Фиг.7 фиг. В

Составитель В.Шилов

Редактор А.Козориз Техред И. Верес Корректор О.Кравцова

Заказ 4138/34 Тираж 531

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. ужгород, ул. Проектная, 4

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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