Принципы автоматического управления процессом бурения

На рис. 81 приведена принципиальная схема установки вращательного бурения вместе с основным электронным управляющим устройством. Она включает кронблок Р, талевый блок 10 и тросы или канаты 11, заканчивающиеся на лебедке 12. Тормозная лента 13 буровой лебедки связана тягой 14 с тормозной ручкой 15, шарнирно закрепленной в точке 16. Тормозная ручка 15 ранее служила для ручного управления перепуском каната с лебедки через блок и талевую систему 9, 10, 11. Данная система обеспечивает автоматическое управление, при котором ручка тормоза 15 действует от исполнительного управляющего цилиндра 17 посредством соединяющей их тяги 18. Цилиндр 17 работает при помощи электрического клапана 19, который в открытом состоянии позволяет пневматическому или гидравлическому давлению от источника 20 воздействовать на цилиндр 17, отпуская при этом тормоз 13 через ручку 15 и тягу 14. Действие клапана 19 регулируется электрическими сигналами от основного электронного управляющего устройства 5, передаваемыми по электрической линии 21. Индикация давления на забой осуществляется от датчика напряжения 1, расположенного в анкере 2 на неподвижном конце каната 3. Эта информация передастся в форме скачка гидравлического давления, полученного в анкере 2, по гидроприводу 4, электрическому управляющему блоку 5, где преобразовывается в электрический сигнал.

Тахометр 6, связанный с вращающимся столом 7, генерирует электрический сигнал, который показывает частоту вращения n колонны. Этот электрический сигнал вводится в управляющий блок 5 по линии 8. В блоке он используется для получения желаемого произведения частоты вращения снаряда n на нагрузку на долото Р, отнесенного на 25,4 мм диаметра долота Pn/d.
Энергия для работы управляющего блока 5 по дается от источника через линию 22 и блок 23, преобразующий энергию для использования в блоке 5.

Эффективность вращательного бурения зависит от строго определенного соотношения частоты вращения коронки n, осевой нагрузки P и количества промывочной жидкости Q. Поэтому создание самонастраивающейся системы управления процессом бурения необходимо рассматривать как важный этап в повышении производительности существующих буровых станков, поскольку выбор оптимального сочетания параметров режима бурения оператором в силу ограниченности физических возможностей человека по восприятию и анализу текущей информации не всегда обеспечивает правильность ведения процесса бурения.

На рис. 82 приведена блок-схема системы автоматического управления процессом бурения. В ней объектом автоматического управления является сложная динамическая система, которую в первом приближении можно представить как «буровой станок — буровой снаряд — породоразрушающий инструмент — забой скважины». Эта система имеет три основных входных регулируемых параметра: частоту вращения коронки n, осевую нагрузку на долото P и количество промывочной жидкости Q. Кроме регулируемых входных переменных, состояние объекта управления определяется также выходными переменными параметрами, к которым следует отнести проходку L или ее производную по времени — механическую скорость v = dL/dt, потребляемую мощность N и крутящий момент М.

Выходные параметры являются сложными функциями, зависящими от физико-механических свойств породы, состояния породоразрушающего инструмента, входных параметров регулирования и т. д. К возмущающим воздействиям f(t) могут быть отнесены физико-механические свойства породы, состояние породоразрушающего инструмента, условия бурения на забое и т. д.

Управляющая система 5 при помощи датчиков 2, 3 и 4 (см. рис. 82) получает информацию о значениях выходных переменных, описывающих состояние управляемого объекта в определенные моменты времени, после чего преобразует эту информацию и вырабатывает управляющие сигналы Yn, YP, YQ, предназначенные для приведения системы к необходимому состоянию, эффективность достижения управляемым объектом цели управления характеризуют показатели эффективности Е, зависящие от переменных, описывающих состояние объекта. При этом считают, что цель управления достигается, если управляющие сигналы Kn, YP и YQ обеспечивают экстремальное значение показателя эффективности Е, совместимое с ограничивающими условиями и динамикой объекта. Если объект управления обладает экстремальными характеристиками и по условиям технико-экономической целесообразности его работа необходима в экстремальных точках этих характеристик, в качестве показателя эффективности может быть выбран показатель экстремума. При этом алгоритм управления реализуется сравнительно просто, а управляющая система 5 может представлять собой многоканальный экстремальный регулятор. Применительно к процессу бурения таким показателем экстремума может являться максимум механической скорости бурения или другие критерии.

Путем регулирования входных переменных n, P и Q многоканальный экстремальный регулятор обеспечит достижение максимальной механической скорости бурения. Максимальное значение скорости бурения не всегда может соответствовать другим критериям оптимальности, в частности минимуму стоимости 1 м бурения или максимуму рейсовой скорости. Однако не всегда целесообразно идти на усложнение алгоритма управления и, следовательно, управляющей системы, особенно на начальном этапе се создания и внедрения.

Ранее отмечалось наличие экстремальных зависимостей механической скорости от основных параметров режима бурения. В то же время имеют место случаи, когда механическая скорость бурения растет до определенного предела, который по ряду технических причин не может быть достигнут. Для этого случая имеются способы поиска и поддержания максимума скорости бурения путем преобразования неэкстремальной характеристики в экстремальную.

Буровая установка как объект управления может обладать экстремальными характеристиками показателя эффективности по максимуму механической скорости бурения, максимуму рейсовой скорости, минимуму себестоимости бурения и т. п.

Некоторые исследователи отмечают, что для обычных глубин роторного бурения регулирование с поддержанием максимума механической скорости мало отличается от результатов регулирования при достижении максимума рейсовой скорости.

В настоящей главе рассматриваются в основном системы, предназначенные для поддержания максимума механической скорости бурения. Максимум механической скорости бурения может находиться в функции одного или нескольких переменных (частоты вращения бурового инструмента n, осевой нагрузки P, количества промывочной жидкости Q и т. д.). При одной регулируемой переменной самонастройка системы на максимум скорости бурения производится регулированием только частоты вращения бурового инструмента при стабилизации остальных параметров, например осевой нагрузки и количества промывочной жидкости, или, наоборот, регулируется осевая нагрузка на забои, а частота вращения и количество промывочной жидкости стабилизируются на уровне, приблизительно соответствующем максимуму скорости бурения. В случае регулирования двух переменных самонастройка системы на максимум скорости осуществляется регулированием частоты вращения n и осевой нагрузки P при стабилизации количества промывочной жидкости Q. Регулирование по двум параметрам может осуществляться двумя самостоятельными оптимизаторами, регулирующими независимо осевую нагрузку P и частоту вращения п.

Имеются способы функционального регулирования, заключающиеся в том, что один из параметров регулируется оптимизатором, а другой — при помощи функционального преобразователя на основе предварительно заложенной программой зависимости. Известей также опыт автоматизации процесса бурения на карьерах только по программной зависимости с использованием свойств объекта регулирования.