Система управления процессом бурения

 

ив те,, т-нр-ттсхи, че ирее библиотека МБА (1i) 554399

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН И Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сова Соеетскик

Социалистических

Республик (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) 3 аявл оно 03.01.73 (21) 1866370/03 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.04.77. Бюллетень № 14

Дата опубликования описания 21.0б.77

51) М. Кл, -Е 21В 45/00

Государствеииый комитет I

Совета Министров ССОР (53) УД1. 622.24,082 (088,8) по аслам изобретений и открытий (7 ) Автор и 3 0 5)- е т е и и я (71) Заявитель

А. В, Сахаров

Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам авто-. матического управления процессом бурения и может быть применено в станках для алмазного бурения, оснащенных плавно регулируемыми приводами подачи и вращения бурового инструмента.

Известна .система автоматического регулирования параметров процесса бурения, в которой критерием оценки эффективности бурения является механическая скорость бурения.

Система содержит датчик механической скорости бурения, экстремальный регулятор, исполнительный механизм и плавно регулируемые приводы подачи и .вращения бурового инструмента. Система производит регулирование скорости вращения бурового инструмента на основании поиска максимального значения механической скорости бурения (1).

Недостатком этой системы является то, что регулирование параметров процесса бурения осуществляется без учета интенсивности износа породоразрушающего инструмента, что снижает технико-экочомические показатели процесса бурения, Известна также система автоматического регулирования параметров процесса бурения, состоящая из датчиков осевой нагрузки и скоростей вращения, блока умножения сигналов осевой нагрузки на скорость вращения, истемы стаоилизации произведения указанных параметров и автономного счетно-решающего устройства (2).

Известная система работает следующим образом.

5 Автономное счетно-решающее устройство на основании информации о параметрах бурения рекомендует начальное значение скорости вращения и значение произведеппя осевой нагрузки на скорость вращения. Рекомен10 дованное значение произведения управляемых параметров буровых с помощью задатчика вводят в систему стабилизации этого произведения. При бурении система регулирует осевую нагрузку обратно пропорционально ско15 рости вра.цения.

1-1едостатком указанной системы регулирования является неполная автоматизация регулирования по следующим причинам: в процессе управления участвует человек, устанавлива.ощий рекомендуемое значение произведения управляе:Iix параметров; при бурении осуществляется I îëüêî автоматическое регулирование осевой нагрузки, а скорость вращения изменяется независимо от буровика, При

25 этом исключается возможность автоматическогоо нахождения оптимальных сочстаний осевой нагрузки и скорости вращения при стабилизации произведения параметров, что снижает технико-экономические показатели про30 цесса бурения, 554399

Цель изобретения — максимальное использование ресурса коронки в различных геологичвских условиях бурения. Это достигается тем, что система снабжена последовательно включенными блоками — измерителем буримости горной породы, измерителем интенсивности износа коронки, определителем проходки на коронку, причем измеритель интенсивности износа коронки подключен к датчикам скорости вращения коронки и осевой нагрузки и к блоку умножения сигналов этих датчиков, а определитель проходки на коронку соединен,по входу с датчиком механической скорости бурения, а по выходу — с экстремальным регулятором,,выход которого через коммутатор подключен к исполнительным механизмам с задающими потенциометрами, а их подвижные контакты механически связаны с выходом одного исполнительного механизма, при этом электрические, входы задающих потенциометров параллельно подключены к выходу другого исполнительного механизма, а их электрические выходы — к регулируемым приводам осевой нагрузки и скорости,вращения коронки.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления процессом бурения; на фиг. 2 — несколько кривых функционала интенсивности износа алмазной коронки.

Система управления процессом бурения включает датчик 1 осевой нагрузки F; датчик

2 скорости п вращения коронки; датчик 3 механической скорости бурения; блок 4 умпо/F1 жения (F. n); блок 5 деления — ); измериЛ тель б буримости горной породы; измеритель

7 интенсивности I износа коронки; определи. тель 8 проходки Н на коронку; экстремальный регулятор 9, осуществляющий регулирование управляющих параметров F и и по максимум проходки на коронку; коммутатор 10, осуществляющий коммутацию каналов управления; ключ 11; ключ 12; исполнительный запоминающий механизм 13 с механическим выходом, осуществляющий одновременное регулирование параметров F и п при сохранении F.n=

=Const; исполнительный запоминающий механизм 14 с электрическим выходом, осуществляющий одновременное пропорциональное регулирование параметров Еип; потенциометр

15, задающий скорость вращения коронки; потенциометр 16, задающий нагрузку на коронку; задатчик 17 начальных управляющих параметров Fp и пр, суммирующее устройство

18, .вырабатывающее сигнал, пропорциональный скорости вращения коронки; суммирующее устройство 19, вырабатывающее сигнал, пропорциональный нагрузке на коронку; регулируемый привод 20 вращения с жесткой механической характеристикой; регулируемый привод 21 подачи со стабилизацией нагрузки на коронку; задатчик 22 начальной величины расхода Q промывочно"; суммирующее устройство 23, .вырабатывающее снг5

4 нал, пропорциональный суммарной интенсив-. ности разрушения горной породы и алмазной коронки; регулируемый привод 24 промывки с жесткой характеристикой Q=f(V); объект

25 регулирования — алмазная коронка.

Система управления процессом бурения работает следующим ооразом.

Начальное значение параметров Fa и по устанавливаются с помощью задатчика 17, причем сигнал задатчика соответствует среднему значению мощности (Fp.np) и среднему зна/F01 чению переменной /. Начальное знаиюсР чение Qo расхода промывочной жидкости устанавливается с помощью задатчика 22, причем величина расхода соответствует минимально допустимой для конкретного диаметра коронки.

Регулирование управляющих параметров

F и и осу цествляется одновременно, причем имеются два канала управления, работающих поочередно. Исполнительный запоминающий механизм 13 первого канала управления производит одновременное пропорциональное и разнонаправленное регулирование параметров F и п при сохранении F n=Const. При работе второго канала управления исполнительный запоминающий механизм 14 осуществляет одновременное пропорциональное регулирование параметров F и и.

Определитель 8 вырабатывает сигнал, пропорлнональпый возможной величине проходки Н на коронку, причем д К ме:с. (1)

F где V, — механическая скорость бурения;

I — интенсивность износа алмазной коронки.

Этот сигнал поступает на экстремальный регулятор 9. Сигнал с выхода экстремального регулятора направляется на ключи 11 и 12 и одновременно запускает коммутатор 10, который поочередно с равными интервалами времени переключает каналы управления посредством ключей 11 и 12. Таким образом, осуществляется шаговый поиск оптимальных управляюших параметров в зависимости от мощности (F n) управления и переменной

F 1 — ) . Такой поиск обеспечивает любое сочеQ талие параметров F и п из всего множества, заключенного в рабочей области этих параметров.

Например, сначала, включен ключ 11. Тогда в работу вступает исполнительный запоминающий механизм 13, регулирующий отноше(F ние (— и сохраняющий (F.n) =Const в и сторону уменьшения интенсивности износа алмазной коронки в конкретной горной породе.

Величина механической скорости бурения прп этом практически не изменяется; происхо554399 дит поиск максимума проходки H на коронку по величине I согласно формуле (1).

Поиск максимального значения проходки на коронку поясняется графиком на фиг. 2.

Кривые I u II характеризуют интенсивность износа коронки в одной и той же горной породе (К;, =Const) при различной прокладываемой мощности (F и), Кривые II u III характеризуют интенсивность износа коронки в двух горных породах с разной буримостью при (F n) =Const.

Например, до включения исполнительного запоминающего механизма 13 рабочая точка, характеризующая интенсивность износа алмазной коронки, находится в точке а. После первого прооного шага рабочая точка перемещается .в точку б.

В указанный момент происходит переключение каналов управления и в работу вступает исполнительный запоминающий механизм

14, изменяющий величину (F.n). При этом изменяется как интенсивность 1 износа коронки, так и механическая скорость бурения.

Регулирование может происходить как в сторону увеличения мощности, так и B сторону ее уменьшения.

Направление регулирования определяется интенсивностью изменения параметров V, и

1 . Из формулы (1) видно, что, если при уменьшении мощности будет более интенсивно уменьшаться величина 1, чем У„„:, то величина H будет увеличиваться. Регулирование в этом направлении происходит до тех пор, пока сигнал, пропорциональный Н, не станет уменьшаться.

Когда сигнал, пропорциональный проходке

Н на коронку уменьшится, направление регулирования мощности изменяется. Например, при втором шаге поиска, уменьшая мощность (F.n), сигнал, пропорциональный величине О, увеличивается; тогда рабочая точка перемещается в точку в.

В точке в включается исполнительный запоминающий механизм 13, выводящий путем pe/ F1 гулирования отношения — 1 рабочую точку

,n) в минимум г. Сигнал на выходе экстремального регулятора 9 становится равным нулю. В этом случае запуск коммутатора 10 прекращается. Процесс регулирования закончен найдена максимально возможная проходка на коронку в данной горной породе и соответствующая ей оптимальная механическая скорость бурения.

При смене горной породы изменяется интенсивность I износа коронки. Например, рабочая точка, характеризующая интенсивность износа в новой горной породе, перемещается на кривую III в точку д, то есть величина I уменьшается. Тогда согласно формуле (1) на выходе экстремального регулятора 9 появляется сигнал и снова начинается поиск, в результате которого рабочая точка перемещает,ся в точке е. Это соответствует максимально

60 возможной величине проходки Н на коронку в новой горной породе, причем находят новую оптимальную механическуlo скорость для данной горной породы.

Регулирование величины расхода промывочной жидкосги осуществляется пропорционально производительности шлама. На входы суммирующего устройства 23 поступают сигналы с датчика 3 и измерителя 7, один из которых пропорционален V„„,, а второй l, и сигнал с задатчиком 22. Устройство 23 вырабатывает сигнал, соответствующий оптимальному расходу промывочной жидкости. Этот сигнал поступает на регулируемый привод 24 промывки, который устанавливает необходимую величину расхода промывочной жидкости.

Экономическая эффективность предложенной системы управления процессом бурения заключается .в том, что эта система в любых геологических условиях устанавливает для коронки такой режим бурения, который сооТветствует минимальному расходу алмазов.

Формула изобретения

Система управления процессом бурения, включающая датчики скорости вращения коронки, осевой нагрузки, механической скорости бурения, блок умножения, регулятор, исполнительные механизмы и регулируемые приводы, отличающаяся тем, что, с це Iblo максимального использования ресурса коронки в различных геологических условиях бурения, система снабжена последовательно включенными блоками — измерителем буримости горной породы, измерителем интенсивности износа коронки, определителем проходки на коронку, причем измеритель интенсивности износа коронки подключен к датчикам скорости вращения коронки и осевой нагрузки и к блоку умчожения сигналов этих датчиков, а определитель проходки на коронку соединен по входу с датчиком ме анической скорости бурения, а по выходу — с экстремальным регулятором, .выход которого через коммутатор подключен к исполнительным механизмам с задающими потенциомстрамп, а их подвижные контакты механически связаны с выходом одного исполнительного механизма, при этом электрические входы задающих потенцпометров параллельно подключены к выходу другого исполнительного механизма, а их электрические выходы подключены к регулируемым приводам осевой нагрузки и скорости вращения коронки.

Источники инфор.,сацпш, принятые во внимание при экспертизе:

1. P. Х. Гафиятуллпн, E. Л. Козловский, А. Е. Троп. Автоматизация процесса разведочного колонкового бурения ВИЭМС, М., 1971.

2. Патент США № 3373823, кл. 173-6, опубл.

19.03.19б8 (прототпп) . (F) Составитель A. Силина

Техред И. Карандашова

Корректор Л. Брахнина

Редактор Н. Корченко

Типограф.;я, пр Сапунова, 2

Заказ 987, 1! Изд. ¹ 352 Тираж 775 Подписпое

Ц11ИИПИ Государственного комитета Совета гМипистров СССР по делам пзобретенпй и открытий

113035, Москва, 71(-35, 1 аппп кая наб., д. 4, 5