Система автоматического управления процессом механического колонкового бурения

 

Союз Советскнн

СоцналнстнческннРеспубпнк

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<1,739219 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 21.12.77 (21) 2558055/22-03 (51)M. Кд.

Е 21 В 45/00 с присоединением заявки J%

Государстненный комитет (23) Приоритет

Опубликовано 05.06.80 Бюллетень Рй 21

Дата опубликования описания 05.06.80 до делам изобретений и открытий (53) УД К 622.24. .08 (088 8) Ю

В. А, Флянтиков, В. А. Бабишин и А. Г. Кудрявцев

Ю(т .л,ж „ сХРЩ(;Е(, Грф; —;

i.i„т„<Г} -, .-, "" " " Ы(,Ф, (72) Авторы изобретения

Киевский ордена Ленина геологоразведочный трест.

"Кневгеология" Министерства геологии Украинской С (71) Заявитель (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области бурения скважин и, в частности к самонастраивающимся системам автоматического регулирования параметров режима бурения.

Известна система автоматического управления, включающая датчик скорости бурения; вы 5 — ход которого через экстремальный регулятор связан со входоь блока регулирования осевой нагрузки и через переключатель способа бурения (алмазный или твердосплавный) связан со входами функциональных преобразователей, выходы которых соединены со входом регулируемого привода. Она включает также исполнительные схемы по осевой нагрузке и частоте вращения (1).

Такая система регулирования воздействует на регулируемые параметры без учета технической возможности объекта регулирования, что может привести к аварийным ситуациям последнего.

Система регулирования работает по сигналу датчика скорости бурения, абсолютная величина которого не отражает действительного состояния процесса бурения и включает в себя ве2 у, характеризующую деформации H напряжения в нагруженной бурильной колонне, что приводит к имажею регулирующего воздей.ствия, поступающего по обоим каналам на. объект регулирования.

Система содержит экстремальный Регулятор который воздействует на параметр осев и нагрузки, который не учитывает динамику ра6отающей бурильной колонны, а также процессов разрушения горной породы и кернообразования и при его воздействии на объект РегулиРования нарушается Кем горной породы, что вызывает самоподклннки керна и Рейс прекращается, к тому же экстремум механической скорости бурения является критерием системы регулирования и может находиться эа пред лами технической воэможности бурового оборудования.

Цель изобретения повышение точности за счет обеспечения автоматического поиска оптимальной механической скорости бурения " стабилизации ее на найденном уровне при максимально возможной частоте вращения

739219

Поставленная цель достигается тем, что си- < стема снабжена управляющим блоком адаптации, датчиком осевой нагрузки, датчиком и задатчиком крутящего момента, эадатчнком скорости бурения, двумя схемами сравнения, при этом входы управляющего блока адаптации соединены соответственно с выходами датчика осевой нагрузки и датчика скорости бурения, а выходы управляющего блока адаптации соединены со входом первой схемы сравнения один непосредственно, а второй через задатчик механической скорости бурения, причем выходы датчика и задатчика крутящего момента подключены через вторую схему сравнения ко входу исполнительной схемы по частоте вращения, а выход первой схемы сравиения соединен со входом исполнительной схемы по осевой нагрузке, А также тем, что управляющий блок адан тации выполнен в виде последовательно соединенных командного блока и коммутатора, выходы которого подключены соответственно ко входам генератора импульсов и блока памяти, а выходы генератора и блока памяти подключены ко входам сумматора.

За критерий качества принимается диапазон регулирования осевой нагрузки (P;n —: Р„„а„), определяющийся физико-механическими свойствами горных пород и типоразмерами породоразрушающего инструмента и обеспечивающий необходимые условия для нормальной работы резцов при контакте с горными породами.

15

25

Установлено, что равномерное перемещение бурильной колонны, то есть при бурении на .постоянной механической скорости (Ч „) улучшается процесс кернообразования, что увеличивает такие показатели бурения, как рейсовую скорость, техническую скорость, проходку на коронку и длину рейса. Поэтому в основу регулирования был заложен алгоритм Ч„,ех =

= Const. Реализация этого алгоритма осуществляется за счет регулирования осевой нагруз. ки (Р) в выбранном диапазоне Р;„—: Р

При разведочном механическом колонковом бурении механическая скорость прямо пропорциональна частоте вращения бурильной колонны. Максимальная частота вращения бурильной колонны ограничивается величиной

50 рабочего крутящего момента, определяющего прочность бурильной колонны. Поэтому, чтобы ограничить рост крутящего момента выше рабочего значения (М аб ) и вести бурение на максимально возможной частоте вращения

55 бурильной колонны на всем протяжении рейса, используется принцип стабилизации рабочего крутящего момента (М аб = Const), за счет изменения частоты вращения в обратной эавн4 симости от текущего значения момента (Мтрк), т.e. n = f (— — — ) .

Мтек

Таким образом, имея оптимальную осевую нагрузку н максимальную частоту врашения, получим в каждый момент времени оптимальную механическую скорость бурения.

На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления процессом механического колонкового бурения.

Система содержит объект 1 регулирования, (буровой станок, бурильная колонна, породораэрушающий инструмент, забой скважины), датчики осевой нагрузки 2, скорости 3 бурения, крутящего момента 4 бурильной колонны, управляющий блок 5 адаптации, включающий в себя командный блок 6, коммутатор 7, генератор 8 сигналов, блок 9 памяти, сумматор 10, основное управляющее устройство 11, включаницее задатчик 12 механической скорости бурения, схему 13 сравнения, исполнительную схему 14 по параметру осевая нагрузка, задатчик

15 сигналов по крутящему моменту, схему 16 сравнения и исполнительную схему 17 по частоте вращения.

Связь блоков управляющего блока адаптации 5 и основного управляющего устройства 11 происходит следующим образом.

Управляющий блок адаптации 5, получая сигнал, пропорциональный действующей осевой нагрузке, с датчика 2, управляет основным уп-. равляющим устройством 11, воздействующим на объект 1 регулирования, в зависимости от действующего значения осевой нагрузки P.

При значении осевой нагрузки Р, соответствующей диапазону регулирования (Р

P a„), T.e. (P ;n < P (P управля ющий блок 5 адаптации включает основное управляющее устройство 11 в режим стабилизации механической скорости бурения. 3а счет регулирующего воздействия основного управляющего устройства 11 осевой нагрузкой на объект регулирования поддерживается постоянное значение действующей механической скорости бурения, то есть Чмех — от эт.

1мех

При выходе осевой нагрузки (P) из диапазона регулирования, т.е. P C Р;„илн Р управляющий блок адаптации 5 формирует сигнал нового значения механической скорости бурения Ч, „, соответствующий данному диапазо мех ну регулирования. Сигнал нового значения механической скорости бурения поступает на основное управляющее устройство 11, которое переключается на работу уже относительно нового значения механической скорости „х регулируя осевую нагрузку в том же диапазоне

5 73921 регулирования Р,„;и —. Р „з„, чтобы сохранить условие мех = Const.

Таким образом, самонастраивающаяся система управления стабилизации критерия качества осуществляет автоматический поиск механической скорости бурения, отвечающей выбранному диапазону регулирования (Рщ Рщз ) осевой нагрузки и стабилизации ее на всем протяжении рейса, т.е. Ч;м „= Const.

Функциональная связь блоков системы для автоматического управления процессом механического колонкового бурения происходит следующим образом.

Командный блок 6 прослеживает сигнал, поступающий с датчика 2, пропорциональный дей- 15 ствующему значению осевой нагрузки (P). При осевой нагрузке, соответствующей значениям выбранного диапазона регулирования (Р

Р „), командный блок 6 включает коммута тор 7 в режим стабилизации механической ско- 20 рости бурения (Ч „= Const). Если осевая нагрузка (Р) не соответствует диапазону, то командный блок 6 включает коммутатор 7 в режим поиска Чмех.

В режиме стабилизации механической скорости бурения сигнал текущей механической скорости Чтек с датчика 3 через коммутатор 7 поступает на схему сравнения 13, где сравнивается с сигналом (Ч ) задатчика 12. Нз вы ходе схемы сравнения 13, за счет алгебраичес- 30 кого вычитания Ч вЂ” Ч „= +U, получается . сигнал рассогласовайия +О. Этот сигнал служит управляющим воздействием, который через исполнительную схему 14 воздействует на объект

1 регулирования по параметру осевой нагрузки (P), изменяя ее в обратной зависимости от текущей механической скорости, т.е. P f (— )

VTeK до тех пор пока сигнал рассогласования не станет равным нулю, т.е, U = О. При этом сигнал 40 задатчика 12 (Ч ) сравняется с сигналом текущей механической скорости датчика 3 (V )„ тек " т.е. Ч = Ч, а механическая скорость будет сохраняться на постоянном уровне, т.е.

Ч „Const, Выбранный диапазон осевой на- 45 грузки P;n —. P „служит диапазоном регулирования, где эа счет изменения осевой нагрузки (Р) осуществляется стабилизация механической скорости бурения VM „= Const. Если для этого равенства не хватает заданного ди- 0 апазона регулирования и осевая нагрузка выходит за его пределы те. Р (Pmin или

Р > Р „, то управляющий блок 5 адаптации включается в режим поиска значения механической скорости бурения, которое бы соответствовало заданному диапазону регулирования (P;n —. Р„,з„). При этом сигнал найденного значения механической скорости с управляюще9 6 го устройства адаптации поступает на зздзтчик основного управляющего устройства 11.

В режиме поиска механической скорости бурения с командного блока 6 на коммутато1 .поступает сигнал "плюс" или "минус", определяющий положение значения осевой нагрузки

min относительно крайних точек диапазона Р ° или

Р „з„. При значениях Р < Р,„;и поступает сигнал плюс, при P h Pmçõ сигнал минус

В соответствии с поступившим сигналом коман ды генератор 8 импульсов формирует сигнал приращения механической скорости (+ЬЧ) или (— ЬЧ), который поступает на сумматор, куда приходит с блока 9 памяти, запомненный сигнал текущей механической скорости Ч, потек ступающий через коммутатор с датчика 3 скорости бурения. Сумма сигналов Ч k ЬЧ с сумматора 10 поступает на эадатчик 12 задания и становится новым значением сигнала задания Чэзд

Для проверки правильности выбора значе- ния нового сигнала задания Ч = Ч 1ЬЧ, тек коммутатор 7 включает основйое управляющее устройство 11 для прослеживания нового значения сигнала задания с текущей механической скоростью на время г, которое необходимо, чтобы регулирующим воздействием осевой нагрузки (Р) уравнять сигнал задания (Ч ) зад с сигналом текущей механической скорости (Ч, ), т,е. Ч = Ч- к. Если после первого приращения (+ ЬЧ Ч ) осевая нагрузка не вышла в диапазон регулирования, а находится в одном из крайних положений его, т.е.

Р (Р;„или P Р- .Р „, то операция приращения повторяется, т.е. Ч; k ЬЧ до тех пор, пока осевая нагрузка не выйдет в диапазон регулирования. При этом командный блок 6 переключит коммутатором 7 основное управляющее устройство 11 в режим стабилизации механической скорости бурения относительно нового значения выбранного сигнала задания, на эадатчике 12.

Для автоматического выбора максимально возможнои частоты вращения бурильной колонны на задатчике 15 устанавливается рабочий крутящий момент М = М б, сигнал которого всегда сравнивается с сигналом датчика 4 крутящего момента бурильной колонны, пропорционального текущему значению крутящего момента(Мте, ) . .Сравнение сигналов происходит в схеме 16 сравнения, где происходит алгебраическое вычитание М вЂ” М, =*dhf

Сигнал приращения XAAM является сигналом управляющего воздействия, который через исполнительную схему 17 воздействует на объект

1 регулирования по частоте вращения бурильСистема автоматического управления процессом механического колонкового бурения, содержащая датчик скорости бурения, исполнительные схемы по осевой нагрузке и частоте вращения, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности за счет обеспечения автоматического поиска оптимальной механической скорости бурения и стабилизации ее на найденном уровне при максимально возможной частоте вращения, она снабжена управляющим блоком адаптации, датчиком осевой нагрузки, датчиком и задатчиком крутящего мо.мента, задатчиком механической скорости буреСоставитель Н. Чижикова

Редактор Н. Шильникова Техред И.Асталош Корректор Г.Назарова

Заказ 3016/5 Тираж 626 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ПЛП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 7 ной колонны (0), увеличивая или уменьшая частоту вращения, добиваясь условия ЬМ=О.

Тогда задающий сигнал станет равный сигналу текущего значения крутящего момента, т.е.

М M«„,à Tàêкак М =М б,токрутящий момент будет стабилйзирован, т.е. р б. Const, а частота вращения, при услоаб.

1 вии что и f() будет максимально возИ можной.

Форм ла изобретения

39219 8 ния, двумя схемами сравнения, при этом входь| управляющего блока адаптации соединены соответственно с выходами датчика осевоч нагрузки и датчика скорости бурения, а выходы управляющего блока адаптации соединены со входом . первой схемы сравнения один непосредственно, а второй через эадатчик скорости бурения, причем выходы датчика и задатчика крутящего мо. мента подключены через вторую схему сравне10 ния ко входу исполнительной схемы по частоте вращения, а выход первой схемы сравнения соединен со входом йсполнительной схемы по осевой нагрузке.

2. Система по п. 1, о т л и ч а ю щ аИ я с я тем, что управляющий блок адаптации выполнен в виде последовательно соединенных командного блока и коммутатора, выходы которого подключены соответственно ко входам генератора импульсов и блока памяти, а выхоэо ды генератора и блока памяти подключены ко входам сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 470592, р кл. Е 21 В 45/00, 1969 (прототип).