Изобретение относится к средствам автоматического управления режима ми вращательного бурения скважин и может быть использовано на бурильных машинах и крупных буровых станках, эксплуатируемых на подземных и открытых горных работах.

Известна система управления передвижной буровой установкой, которая обеспечивает максимальную скорость

1о бурения различных по своим физикомеханическим свойствам горных пород

Е13.

Однако данное устройство не реали. зует оптимальную глубину внедрения

15 а режимные параметры настраиваются на максимум механической скорости, что не всегда достигается при оптимальном ведении процесса разрушения.

Наиболее близким техническим рещением является устройство, содержащее датчики скорости бурения, частоты вращения, вибраций и усилия, схемы давления, вычислительный блок, задатчик

2 глубины, регуляторы частоты вращения и нагрузки, усилители $2).

Однако данное устройство не дает возможности выбора режимных параметров по границе их допустимых значений т.е. по оптимальной глубине внедрения при бурении крепких пород по минимуму энергоемкости или максимуму механической скорости, а при бурении карстовых воронок, заполненных вязкими глинами - по давлению в системе воздушно-водяной смеси.

Цель изобретения - повышение точности и надежности управления при бурении в .условиях резко изменяющихся прочностных и структурных свойств пород при имеющемся диапазоне регулирования режимных параметров по уровню вибраций буровой машины и по моменту на инструменте.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее датчик скорости бурения, частоты враще-. ния глубины, две схемы сравнения, 903564 регулятор частоты вращения и усилия подачи, релейные элементы, усилители и выключатели, снабжено датчиками тока, задатчиками тока и уровня вибраций, экстремальным регулятором, тре- тьей схемой сравнения, коммутирующим блоком, двумя датчиками давления, схемой ИЛИ, двумя элементами НЕ, элементом ВРЕМЯ, электрогидравлическим клапаном бурового станка и блоком 1о реверса подачи, при этом датчики скорости бурения и частоты вращения подключены к двум входам вычислительного блока, третий вход которого, подключен к выходу датчика тока, .а выход вычислительного блока подклю1 чен к одному из входов первой схемы сравнения,. другой вход которой соеди" нен с выходом задатчика глубины, а выход первой схемы сравнения связан с одним из входов коммутирующего блока, четыре входа которого подключены соответственно к выходам второй схемы сравнения, первого и второго релей.ных элементов, датчика усилия подачи и одному входу задатчика глубины, причем другой вход задатчика глубины подключен к первому усилителю, при этом датчик вибраций подключен к второй схеме сравнения, связанной с задатчиком уровня вибраций, а выход датчика тока подключен ко третьей схеме сравнения, связанной с задатчи» кам тока, причем выход третьей схемы сравнения связан с входом регулятора

35 частоты вращения и первым релейным . элементам, соединенным с коммутирующим алоком и задатчиком глубины, задатчик глубины подключен через второй выключатель к экстремальному регулятору, соединенному через первый выключатель с датчиком скорости бурения и через третий выключатель с вычислительным блоком, первый датчик давления подключен через последоваg5 тельно соединенные схему ИЛИ и третий усилитель к электрогидравлическому клапану и через последовательна соединенные первый элемент НЕ и элемент ,ВРЕМЯ к второму элементу НЕ,который

f О связан со схемой ИЛИ, кроме того, пер- О вый датчик давления соединен с первым усилителем, второй датчик давления подключен через второй усилитеЛь к блоку реверса подачи.

На черетеже представлена функцио-. нальная блок-схема устройства управле ния режимами вращательного бурения

:кважин.

Устройство управления режимами вращательного бурения скважин содер-. жит регуляторы усилия подачи (Р4) и частоты вращения (P ) 2, входы которых связаны с выходом коммутирующего блока (КБ) 3. Вход коммутирующего блока 3 соединен с выходом схемы сравнения глубины внедрения 4, а входы последнего с выходами задатчика глубины (3h) 5 и вычислительного блока (BE) 6, реализующего текущее значение глубины внедрения, Коммутирующий блок также связан с подсистемами ограничений: с выходом схемы сравнения виброскорости 7, выходом релейного элемента (РЭ1) 8 подсистемы ограничения llo току, с выходом датчика усилия подачи (ДГ) 9, релейным элемен том (РЭ2) 10 этой же подсистемы.

Подсистема ограничений по вибрациям состоит из датчика вибраций (ДВ) 11, задатчика уровня вибраций (3в) 12, схемы сравнения 7 и релейного элемента (РЭ2) 8. Подсистема ограничений по току двигателя вращателя состоит из датчика тока (ДТ) 13, задатчика тока (3Т) 14, схемы сравнения

15 и релейного элемента (РЭ1) 8.

Вход вычислительного блока 6 связан с датчиками тока 13, частоты вращения (Do)) 15 и скорости бурения (DV8) 16, причем последний через выключатель (») 17 соединен с входом экстремального регулятора(3P) 18. Выход экстремального регулятора 18 через выключатель (В2) 19 и задатчик глубины 5 связан с одним из входов схемы сравнения глубины внедрения 4. Второй выход вычислительного блока 6, реализую= щего энергоемкость (ее обратную величину), через выключатель (В3) 20 соединен с входом экстремального регулятора 18. Задатчик глубины. внедрения

5 связан также с подсистемой прохожде= ния карста, состоящей из датчиков дав. ления воздуха в системе воздушно-водявЂ” ной смеси (ДД1) 21 и (ДД2) 22, усилителей (У1) 23, (У2) 24, (У3) 25, логического элемента ИЛИ 26, логических элементов НЕ 27 и 28, логического элемента ВРЕМЯ 29, электрогидравлического клапана (ЭГК) 30 и блока реверса подачи (РП) 31.

Устройство управления режимами бурения работает в одном из следующих режимов: I - отработка заданной величины глубины внедрения, II вЂ” поиск и отработка минимальной энергоемкости

5 9035 бурения (оптижа *.ьной глубины внедрения); III - поиск и отработка максимальной скорости бурения.

В режиме I отрабатывается заданная задатчиком глубины 5 оптимальная глубина внедрения, которая может быть определена экспериментальным путем.

Заданная глубина внедрения h> сравнивается в схеме сравнения 4 с текущим ее значением 1ъг, полученным в вы- 1о числительном блоке 6 по данныи датчика скорости бурения 16 (Ъ Я)и датчика частоты вращения 15 (о? )

7 (Д (1) 15

Разность ah = hp- Ь через коммутирующий блок 3 поступает на регулятор дросселя подачи, если усилие подачи не превышает максимального значения 2р

AJ (U» ), при этом частота вращения максимальна. В этом случае h является управляющим сигналом для регулятора дросселя подачи, который выбирает такое его положение, при 25 котором h = h>. При увеличении устав ки дросселя подачи (eL) усилие на забой возрастает и в момент времени когда UF =U» „, коммутирующий блок

3 отключает регулятор дросселя подачи щ

1 и сигнал дг1 подает на регулятор час- тоты вращения. В последнем случае дЬ воздействует на систему таким образом что частота вращения уменьшается до тех пор, пока не установится равнове-З5 сие hp=h+. Таким образом, режим I поддерживает постоянную заданную. глубину внедрения регулированием или ,усилия подачи, или частоты вращения.

При этом реализуется алгоритм

f< (М hs

®=Ч<, =const при UFcUe аож сС=const; Q=Vap при Ц» =U» пкмс

В режиме II выход экстремального 45 регулятора 18 через выключатель 19 и задатчик глубины 5 подключен к входу схемы сравнения 4, а вход его через выключатель 20 к вычислительному блоку 6, реализующему энергоем» кость, Текущие значения скорости бурения ЧВ, тока двигателя вращателя, I и частоты, вращения со4 поступают на входы вычислительного блока 6, который преобразует их на два выходных

55 сигнала по алгоритму (1) и

1тт е =---- (2)

64 б

В режиме II функцию задатчика глубины внедрения выполняет экстремальный регулятор 18, который выбирает по текущим значениям 1ф, I, щ такое значение Ьз, при котором бурение происходит с минимальной энергоемкостью или максимальной величиной е. При этом устройство реализует следующий алгоритм е = naxfq (ск,сй,I)

%=7,&=const при UF c UF щож =COnSt; a=+ при %= UF ъох где f (e,ag, I) вЂ” текущее значение величины обратной энергоемкости по выражению (2).

В режиме III экстремальный регулятор 18, на вход которого через выключатель lj подается текущее значение скорости бурения от датчика скорости 16, подает на вход блока сравнения,4 через выключатель 19 и задатчик глубины 5 сигнал Ьв такой величины, который обеспечивает получение максимальной скорости бурения.

В данном случае величина Ьа может быть и не оптимальна. В этом режиме устройство реализует алгоритм

Vr ax f s (oL,636)

А=7д u)q=const при Ц» с О» ткрж.

c-=-const; V при U» = U»>no

Защита бурового станка от заклинивания и превышения предельного момен та осуществляется двумя путями: сбросом усилия .подачи и сбросом частоты вращения.

При превышении тока двигателя заданной величины с блока сравнения 15, на входы которого поступает текущее значение тока I от датчика тока 13 и заданное его значение от задатчика тока 14, сигнал рассогласования

4I = I вЂ” I@ поступает на регулятор частоты вращателя 2 и релейный элемент 8. При этом, учитывая более высокое быстродействие регулятора частоты вращения, происходит сброс частоты вращения. Релейный элемент 8 отключает задатчик глубины внедрения 5 (h =0), т.е. сбрасывается усилие подачи. Если в момент превышения заданного значения тока двигателя устройство производит регулирование по час" тате вращения, коммутирующий блок

3 отключает. регулятор частоты вращения 2 и включает регулятор усилия подачи 1. При этом происходит сброс усилия подачи. Эта подсистема работает во всех трех режимах.

903564

Защита бурового станка от вибра" ций осуществляется сбросом частоты вращения при превышении заданного уровня виброскорости. Сигнал те-. кущего значения виброскорости Vp с 5 датчика вибраций 11 поступает на вход схемы сравнения 7, где сравнивается с заданным значением вибро. скорости V, установленным задатчиком вибраций 12. Сигнал рассогласования

AU = U -U поступает на коммутирующий блок 3 и на релейный элемент 10. Сиг-. нал с релейного элемента 8 также. пос" тупает на коммутирующий блок 3 и, если производилось регулирование по частоте вращения, то отключает сигнал

Ah, а сигнал рассогласования со схемы сравнения 7 через коммутирующий блок

3 воздействует на регулятор частоты вращения 2 и частота вращения снижа" 20 ется до тех пор, пока не будет достиг нут заданный уровень вибраций, Снижение частоты вращения приводит к увеличению тока двигателя и при достижении его номинального значения выход из зо- 5 ны повышенных вибраций осуществляется уменьшением усилия подачи. Эта подсистема работает во всех. трех режимах.

Подсистема прохождения карста ра" ЗО ботает следующим образом.

При входе инструмента в закарсто" ванный участок, заполненный как правило, вязкими глинами, песком, сла35 б :,ми сланцами происходит частичная или полная закупорка пневмомагистралей цолота, что повышает давление в системе очистки забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью.

Датчики 21 и 22 настроены соответственно на нижний и верхний уровень давления сжатого воздуха. При достиже ии в процессе закупорки пневмомагистрали нижнего уровня давления сиг-нал с датчика 21 подается на один из входов логического элемента ИЛИ 26, на вход логического элемента НЕ 27 и через усилитель 23 на задатчик глу бины 5, Указанный сигнал отключает за50 дание глубины внедрения, т.е. прекращается подача инструмента на забой.

Одновременно на второй вход логического элемента ИЛИ 26 оТ логического элемента НЕ 28 поступает сигнал.

Сигнал с элемента ИЛИ 26, усиленный усилителем.25, включает электрогидрав лический клапан 30, обеспечивая по. вышенный расход воды, подаваемой .в

| скважину. Увеличение расхода воды и превращение подачи инструмента на забой скважины приводит к расштыбовке долота, т.е. падению давления в пневмомагистрали, в результате чего исчезает сигнал с датчика 21, Исчезновение этого сигнала приводит к включению задатчика глубины внедрения 5, на выходе элемента НЕ 27 появляется сигнал, который элементом ВРЕМЯ 29 задерживается, т.е. на время задержки на входе элемента НЕ 28 отсутствует сигнал, а на еro выходе и входе элемента ИЛИ 26 будет единичный сигнал, Таким образом, в течение времени задержки производится бурение с повышенным расходом воды. Если прекращение подачи инструмента на забой скважины и увеличение расхода воды не приводит к падению давления в пневмомагистрали.и давление достигает верхнего предела, сигнал с датчика давления 22 через усилитель 24 поступает на устройство реверса подачи 31, которое осуществляет подъем инструмента над забоем с повышенной подачей воды для расштыбов" ки долота. Достижение нормального рабочего давления воздуха в пневмомагистрали переводит станок в исходное положение.

Предложенное устройство позволяет повысить скорость бурения на 10-20 и стойкость бурового инструмента на

35-403, снизить удельный расход электроэнергии на 15"203. Ожидаемый экономический эффект от внедрения 5-8 тыс. руб. на одно устройство.

Формула изобретения

Устройство для управления режимами вращательного бурения скважин, содержащее датчики скорости бурения, частоты вращения, вибраций и усилия, вычислительный блок, задатчик глубины, две схемы сравнения, регуляторы частоты вращения и усилия подачи, релейные элементы, усилители и выключатели, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности управления в условиях резко изменяющихся прочностных и структурных свойств пород при имеющемся диапазоне регулирования параметров и ограничениях по уровню вибраций буровой машины и по моменту на инструменте, оно снабжено датчиком тока, задат903564 10 входом регулятора частоты вращения и первым релейным элементом, соединенным.с,коммутирующим блоком и задатчиком глубины, задатчик глубины подк з лючен через второй выключатель к экс" м. тремальному регулятору, соединеному через первый выключатель с датчиком скорости бурения и через третий выключатель с вычислительным блоком

1О .

В первыи датчик давления подключен че рез. последовательно соединенные схему

ИЛИ и третий усилитель к электрогидравлическому клапану и через последовательно соединенные первый weмент НЕ и элемент ВРЕМЯ к второму элементу НЕ, который связан со схемой

ИЛИ, кроме того первыи датчик давления соединен с первым усилителем, второй датчик давления подключен через втощв оой усилитель к блоку реверса подаии.

ВНИИПИ Заказ 65/.15 Тираж 623 Подйисное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 чиками тока и уровня вибраций, экстремальным регулятором, третьей схемой сравнения, коммутирующим блоком, двумя датчиками давления, схемой

ИЛИ, двумя элементами НЕ, элементом

ВРЕМЯ, электрогидравлйческим клапано и блоком реверса подачи, причем: датчики скорости бурения и «астоты вращения подключены к двум входам вычислительного блока, третий вход которого подключен к выходу датчика тока,а выход вычислительного блока подключен к одному из входов первой схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом задатчика глубины, а выход ,первой схемы сравнения связан с одним из входов коммутирующего блока, че", тыре входа которого подключены соответственно к выходам второй схемы сравнения, первого и второго релей" ных Элементов, датчика усилия пода- . чи и одному из входов задатчика глубины, при этом другой вход задатчика глу- бины подключен к первому усилителю, датчик вибраций подключен к второй схеме сравнения, связанной с задатчиком уровня вибраций, выход датчика тока подключен к третьей схеме сравнения, связанной, с задатчиком тока, выход третьей схемы сравнения связан с

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США И 3593807,кл.Е 21 В

3/02, опублик. 1969.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Н 1779660,кл.E 21 В 44/00, 1976 (прототип) .