Системы автоматического управления процессом вращательного бурения

16.09.2020

Исследования технологии бурения позволяют дать принципиальные зависимости механической скорости бурения v, скорости вращения бурового инструмента n и осевой нагрузки P от крепости пород по буримости f при различных способах бурения. Так, скорость твердосплавного бурения по мере увеличения крепости буримой породы снижается. Аналогичные качественные зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки получены при различных частотах вращения снаряда в породах различных категорий буримости. В общих чертах можно сделать вывод, что частоту вращения твердосплавной коронки целесообразно регулировать обратно пропорционально крепости породы.

Величину осевой нагрузки, пропорциональной крепости пород, как уже отмечалось, можно определить по максимуму скорости бурения v. Для определения частоты вращения n используется известная зависимость Pn=const, смещающаяся параллельно самой себе в плоскости P—О—n пропорционально механической скорости бурения. Эти линии не что иное, как кривые равных механических скоростей бурения.

Таким образом, система, регулирующая осевую нагрузку P и частоту вращения n соответственно пропорционально и обратно пропорционально крепости f породы, обеспечивает поиск максимума механической скорости бурения, соблюдая условие Pn=сonst Оптимальное значение осевой нагрузки, очевидно, можно найти с помощью экстремального регулятора, а частота вращения регулируется в функции v и P по рациональному соотношению.

На основе изучения технологических особенностей вращательного бурения разработана система автоматического управления процессом (рис. 84). Сигнал с датчика скорости бурения ДСБ, подсоединенного к выходу объекта регулирования OP, подается па вход экстремального регулятора ЭР, исполнительный механизм которого ИМ, воздействуя на гидравлический орган подачи ГО, регулирует осевую нагрузку на забой Р. Система работает следующим образом. Допустим, исполнительный механизм ИМ экстремального регулятора ЭР увеличивает осевую нагрузку на забой. Это приводит к увеличению скорости бурения. Сигнал скорости бурения v подается на вход функционального преобразователя ФП, регулирующее воздействие которого, согласно установленной зависимости, управляет регулируемым приводом РП. Дальнейшее возрастание P не приводит к существенному увеличению скорости бурения, а следовательно, и к повышению частоты вращения снаряда, поскольку последняя увеличивается только с ростом скорости бурения. Очевидно, начиная с некоторого значения Р, например с P1, благодаря применению функционального преобразователя ФП будет снижаться частота вращения п, что приведет к интенсивному уменьшению скорости бурения. Экстремальный регулятор, на основе знака разности Av = vтек—vmax выдает команду исполнительному механизму ИМ на реверс, и последний начинает уменьшать значение Р. Таким образом, для породы определенной категории, исходя из условия оптимальности процесса, найдено максимальное значение механической скорости бурения.

Во всех рассмотренных системах предусматривается использование датчика скорости бурения. Так как датчик скорости бурения имеет непосредственную кинематическую связь с органом подачи, то предполагают, что скорость подачи верхнего конца бурового инструмента (скорость движения крюка при свободной подаче или же скорость движения поршня гидравлического органа при принудительной подаче) пропорциональна скорости бурения. Однако из уравнения А.И. Дряхлова
Системы автоматического управления процессом вращательного бурения

где vк — скорость подачи верхнего конца бурового инструмента; L — длина бурового снаряда; Е — модуль упругости бурового снаряда, F — сечение в бурильных трубах; P — нагрузка на крюке.

Скорость подачи верхнего конца бурового инструмента vк не пропорциональна скорости бурения vб.

Ниже приводится принцип построения системы, в которой информация о механической скорости бурения получается косвенным путем иа основании сравнения приращений осевой нагрузки на забой за определенные равные промежутки времени. Можно также получать информацию на основании сравнения, приращений времени при изменении осевой нагрузки на определенную наперед заданную величину. Сущность косвенного метода определения механической скорости бурения видна на рис. 85. Предположим, что задано значение осевой нагрузки на забой, равное P1 (рис. 85,а), при котором бурильная колонна сжимается па величину AL. По мере углубления скважины бурильная колонна начинает разжиматься, что приводит к снижению осевой нагрузки на AP1 = P2—P1'. При другом значении P1, например при P2>P1, приращение AP2 будет больше, чем Р1, т. е. AP2>AP1. Это объясняется тем, что за одно и то же время углубление скважины при P2 больше, чем при P1, т. е.

Когда осевая нагрузка достигает значения P=P3, т. е. максимума нагрузки, очевидно, будет иметь место наибольшее приращение ДР. Дальнейшее увеличение осевой нагрузки не приводит к росту механической скорости бурения. При этом изменение осевой нагрузки на забой за тот же период At будет меньше, чем при P=P3, т. е. АР4<АР3. Таким образом, на основе изменения осевой нагрузки на забой от заданного значения можно косвенным путем определить скорость бурения более достоверно, нежели по скорости перемещения верхнего конца бурового инструмента.

На рис. 85,б приведен другой предлагаемый вариант косвенного метода определения механической скорости бурения. Предварительно задается определенное значение осевой нагрузки на забой, например P = P1. После этого определяют время At1, в течение которого P1 уменьшается до Р1', т. с. на величину AP=P1'-P1. Поскольку при этом способе АР1 = Р2 =...=APi = const, будет меняться At и на основании сравнения Ati с Ati+i можно определить максимум скорости бурения, чему, очевидно, будет соответствовать наименьшее значение At. Таким образом, при At=const, AP=var максимуму механической скорости бурения соответствует наибольшее значение AP (AP=APmax) а при At=var, AР=const, максимум скорости бурения достигается, когда At=Atmin.

Вышеприведенные принципы косвенных методов определения механической скорости бурения дают возможность предложить следующую систему управления процессом бурения (рис. 86). Допустим, установлено значение осевой нагрузки P=P1 (см. рис. 85), которое, как было отмечено, по мере углубления скважины на время At уменьшается на At1. Эта разность вычисляется элементом запоминания ЭЗ1 и одновременно посылается в следующий элемент запоминания ЭЗ2. Время At = Const создается командным генератором КГ. Одновременно командный генератор выдает команду исполнительному механизму ИM через блок задержки БЗ. HM, в свою очередь, скачкообразно воздействуя аi на рабочим орган бурового станка ОР, увеличивает осевую нагрузку на забой до P=P2 и в этот же момент значение Р2 запоминается элементом ЭЗ1. После этого вход элемента ЭЗ1 отключается на время At. Через промежуток времени At командный генератор КГ снова включает свои контакты. При этом второй элемент запоминания ЭЗ2 вычисляет разность P2—Р1 и на основе знака этой разности элемент логического действия ЭЛД определяет направление работы исполнительного механизма ИМ.

Как следует из рис. 85, разность AP4—АР3 отрицательная и исполнительный механизм ИМ по команде элемента логического действия ЭЛД сделает реверс, что приведет к уменьшению осевой нагрузки на забой с Р=Р4 до P=P3. Таким образом,.объект регулирования снова выводится на свой максимум. Система, построенная на принципе поиска Atmin, работает аналогичным образом. Частота вращения регулируется пропорционально AP за время At. При бурении в мягких породах это приращение будет значительным, а следовательно, и частота вращения снаряда будет выше, чем в крепких породах, так как при бурении в крепких породах за то же время At осевая нагрузка изменится незначительно. Следовательно, частота вращения снаряда регулируется обратно пропорционально крепости буримых пород согласно оптимальной зависимости.

Описанные варианты систем автоматического управления процессом механического бурения, хотя и рассмотрены применительно к твердосплавному бурению, вполне могут быть использованы и при других способах вращательного бурения. Во всех рассмотренных ранее и описанных в этом параграфе системах имеются общие элементы и узлы: регулируемый привод вращателя, регулируемый орган подачи, экстремальный регулятор, исполнительные механизмы и всякого рода датчики контроля и измерения параметров режима бурения. С помощью этих узлов и элементов представляется возможным опробовать различные варианты систем автоматического управления процессом бурения.

В результате широкого внедрения описанных выше САУ будут созданы основы для выработки более сложных, но и более эффективных адаптивных систем, позволяющие значительно сократить, а в некоторых случаях и исключить трудоемкие эксперименты, связанные с априорной идентификацией процесса. Принципы построения и теория таких систем применительно к другим видам бурения, в частности для шарошечного бурения, частично разработаны.

Для создания промышленного образца адаптивных систем необходимо разработать средства сбора текущей информации о процессе бурения, необходимой для вычисления функции цели управления в конце каждого цикла. Задачу последующей обработки информации, как нам представляется, целесообразно возложить на централизованную станцию ЭВМ, работающую в режиме разделения времени и осуществляющую управление геологоразведочными работами (АСУП).

Нельзя исключать в будущем возможность применения адаптивных систем на базе мини-ЭВМ, установленных непосредственно на буровых для управления процессом бурения вместо локальных оптимизаторов, ныне разрабатываемых и частично апробированных.

В целом же проблема автоматического управления процессом бурения нам представляется одной из важнейших в области научно-технического прогресса.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна