СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ САХАРОВА А.В. Российский патент 1994 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к устройствам управления процессом бурения и может быть использовано при бурении скважин алмазным породоразрушающим инструментом.

Целью изобретения является повышение точности управления за счет адаптации системы к условиям бурения.

На чертеже изображена блок-схема системы управления процессом бурения.

Система управления процессом бурения включает в себя привод 1 осевой нагрузки, связанный посредством бурильной колонны с коронкой 4, привод 2 вращения коронки, связанный через бурильную колонну с коронкой 4, привод 3 расхода промывочной жидкости, связанный с коронкой посредством бурильных труб. Управляющие входы приводов 1, 2, 3 осевой нагрузки, частота вращения и расхода промывочной жидкости соответственно посредством первого 11, второго 12, третьего 13 сумматоров связаны соответственно с задатчиками 5, 6, 7 начальных значений осевой нагрузки, частоты вращения и расхода промывочной жидкости соответственно. Выход датчика 8 осевой нагрузки и датчика 9 частоты вращения подключены соответственно к первым и вторым входам блока 17 определения буримости горной породы, блока 19 определения коэффициента трения на забое скважины, блока 50 определения коэффициента разрушения горной породы, блока 20 определения скорости износа коронки. Коронка 4 механически связана с датчиком 14 механической скорости бурения, выход которого связан одновременно с третьим входом третьего 13 сумматора, четвертым входом блока 17 определения буримости горной породы, первым входом первого 16 элемента сравнения, со вторым входом блока 21 определения значения функции качества управления, а также с третьим входом блока 50 определения коэффициента разрушения и вторым входом четвертого 54 элемента сравнения измеренного и прогнозного значений механической скорости бурения. Система имеет задатчик 10 конструктивных и прочностных параметров коронки, который подключен к третьим входам блока 17 определения буримости горной породы, блока 19 определения коэффициента трения, блока 20 определения скорости износа коронки и блока 36 определения текущего значения высоты алмазосодержащего слоя матрицы коронки. Выход блока 17 определения буримости горной породы связан с четвертым входом блока 19 определения коэффициента трения на забое скважины, выход которого связан с четвертым входом блока 20 определения скорости износа коронки, а также с входом блока 34 определения среднего значения коэффициента трения на забое скважины и с первым входом второго 45 элемента сравнения измеренного и расчетного значений коэффициента трения. Выход блока 20 определения скорости износа коронки подключен к первому входу третьего 13 сумматора, первому входу блока 21 определения значения функции качества управления, к входу блока 32 вычисления величины износа коронки, к первым входам блока 37 определения оставшегося ресурса по времени бурения и блока 53 определения прогнозного значения механической скорости бурения. Выход блока 21 определения значения функции качества управления подключен к первому входу блока 38 определения оставшегося ресурса по проходке и к входу экстремального регулятора 22 управляющих заданий, выход которого подключен к коммутатору 23. Первый выход коммутатора 23 посредством переключателя 24 режимов работы системы управления подключен ко вторым входам пропорциональных регуляторов 26, 27, а его второй выход подключен к первому входу пропорционального регулятора 27 и посредством фазоинвертора 25 к первому входу пропорционального регулятора 26. Выход пропорционального регулятора 27 посредством исполнительно-запоминающего механизма 30 подключен к первому входу второго 12 сумматора, первый вход которого подключен к задатчику 6 начального значения частоты вращения. Выход пропорционального регулятора 26 посредством ограничителя 28 осевой нагрузки и исполнительно-запоминающего механизма 29 подключен к первому входу первого 11 сумматора, второй вход которого подключен к задатчику 5 начального значения осевой нагрузки. Ко второму входу ограничителя 28 осевой нагрузки подключен блок 31 определения граничных значений осевой нагрузки. Система имеет задатчик 15 механической скорости бурения, выход которого соединен со вторым входом первого 16 элемента сравнения, выход которого, в свою очередь, соединен с первым неподвижным контактом переключателя 24 режимов работы системы управления.

Выход блока 32 вычисления величины износа коронки посредством блока 33 коррекции расчетного значения износа коронки, связанного с выходом четвертого 35 сумматора, подключен к первому входу третьего 52 элемента сравнения измеренного и расчетного значений износа коронки и к первому входу блока 36 определения текущего значения высоты алмазосодержащего слоя матрицы коронки, выход которого связан со вторыми входами блоков 37 и 38 определения оставшегося ресурса по времени и по проходке коронки. Выход блока 37 определения ресурса коронки по времени бурения подключен к первому входу пятого 39 сумматора, второй вход которого связан с выходом датчика 40 времени бурения, а выход - с прибором 43, показывающим ресурс по времени бурения.

Выход блока 38 определения ресурса коронки по проходке подключен к первому входу шестого 41 сумматора, второй вход которого связан с выходом датчика 42 углубки коронки, а выход - с прибором 44, показывающим ресурс коронки по проходке.

Система имеет задатчик 57 измеренного значения износа коронки, который связан со вторым входом третьего 52 элемента сравнения измеренного и расчетного значений износа коронки, первый выход которого непосредственно подключен к первому входу блока 56 коррекции забойной мощности по износу коронки, а второй выход переключателя 46 обратной связи подключен ко второму входу четвертого 35 сумматора и первому входу задатчика 18 абразивности горной породы, второй вход которого подключен к задатчику 58 начального значения абразивности горной породы, а выход - к пятому входу блока 19 определения коэффициента трения на забое скважины.

Система управления процессом бурения включает в себя датчик 47 потребляемой мощности, выход которого подключен к блоку 48 измерения мощности на забое скважины, выход которого подключен ко второму входу блока 56 коррекции забойной мощности по износу коронки, первый вход которого связан с выходом третьего 52 элемента сравнения измеренного и расчетного значений износа коронки, а выход связан со вторым входом блока 55 коррекции величины забойной мощности по механической скорости бурения. Выход блока 55 коррекции величины забойной мощности по механической скорости связан с входом блока 49 определения коэффициента сопротивления горной породы, в свою очередь, связанного с первым входом блока 51 измерения коэффициента трения посредством измерения забойной мощности, и третьим входом блока 53 определения прогнозного значения механической скорости бурения, выход которого подключен к четвертому 54 элементу сравнения измеренного и прогнозного значений механической скорости бурения, выход которого подключен к первому входу блока 55 коррекции величины забойной мощности по механической скорости бурения. Выход блока 50 определения коэффициента разрушения горной породы подключен ко второму входу блока 51 измерения коэффициента трения посредством измерения забойной мощности, выход которого подключен ко второму входу второго 45 элемента сравнения измеренного и расчетного значений коэффициента трения, выход которого подключен ко второму входу переключателя 46 обратной связи.

Система управления процессом бурения работает следующим образом.

Начальные значения осевой нагрузки F и частоты n вращения коронки устанавливаются с помощью задатчиков 5, 6 соответственно и соответствуют средним значениям. Начальное значение расхода Q промывочной жидкости устанавливается с помощью задатчика 7, причем величина расхода соответствует среднему значению для конкретного диаметра коронки.

С помощью задатчика 58 начального значения абразивности горной породы через задатчик 18 абразивности μ_o горной породы в блок 19 определения коэффициента трения на забое скважины вводится начальное значение абразивности горной породы. Кроме того, с помощью задатчика 10 конструктивных и прочностных параметров коронки в блок 17 определения буримости горной породы, блок 19 определения коэффициента трения на забое скважины, блок 20 определения скорости износа коронки и в блок 36 определения текущего значения высоты h_a алмазосодержащего слоя матрицы коронки вводятся конструктивные параметры коронки.

Сигналы управления с задатчиков 5, 6, 7 поступают соответственно на привод 1 подачи, задающий осевую нагрузку, привод 2 вращения и привод 3 насоса, которые управляют работой коронки 4. В результате взаимодействия коронки с забоем возникают две реакции: механическая скорость V_м бурения и скорость износа V_и коронки. Механическая скорость бурения измеряется датчиком 14.

На основании измерительной информации в блоке 17 определения буримости горной породы определяется показатель буримости К_б горной породы
K_бi= ,
S_з - площадь забоя скважины;
r - средний радиус коронки.

К_б = К_пр ˙ К_бi,
К_пр - коэффициент приведения к базовому значению буримости.

Этот сигнал поступает в блок 19 определения коэффициента трения на забое скважины. Сюда же поступает информация с датчиков 8,9 о величине осевой нагрузки и частоте вращения коронки. Коэффициент трения на забое скважины определяется по формуле
μ = μ_o + К_кIK_б,
К_к - конструктивный коэффициент коронки,
I = F/S_т2 π rn,
I - удельный импульс давления; S_т - площадь торца коронки.

Этот сигнал, а также информация с датчиков 8, 9 о величине осевой нагрузки и частоте вращения коронки поступает в блок 20 определения скорости износа коронки
V_и = · 60 (мм/ч)
σ_к - эквивалентная твердость коронки;
S_к - элементарная площадь разрушения торца коронки.

Сигналы с датчика 14 механической скорости бурения и с выхода блока 20 определения скорости износа коронки поступают в блок 21 определения значения функции качества управления, в котором вырабатывается сигнал управления Ф_к.

Ф_к = V_м/V_и.
Сигнал управления Ф_к поступает на экстремальный регулятор 22, сигнал с которого поступает на коммутатор 23. В режиме работы, когда достигается максимально возможное значение функции управления Ф_к = (V_м/V_и)_maxmax, переключатель 24 режимов работы находится в положении II. В этом случае сигнал с первого выхода коммутатора 23 поступает на второй неподвижный контакт переключателя 24 режимов работы, а с его выхода - на неуправляемые входы первого 26 пропорционального регулятора и второго 27 пропорционального регулятора. Сигнал со второго выхода коммутатора 23 непосредственно поступает на управляемый вход второго пропорционального регулятора 27 и через фазоинвертор - на управляемый вход первого пропорционального регулятора 26.

Таким образом, коммутирование позволяет осуществлять либо однонаправленное регулирование осевой нагрузки на коронку и частоты ее вращения (Fn = var), либо разнонаправленное их регулирование (F/n) = =var при (Fn) = const. С выхода второго пропорционального регулятора 27 сигнал непосредственно поступает на второй исполнительно-запоминающий механизм 30, с выхода первого пропорционального регулятора 26 сигнал управления, пропорциональный осевой нагрузке, через ограничитель 28 осевой нагрузки поступает на первый исполнительно-запоминающий механизм 29. В блоке 31 определения граничных значений осевой нагрузки рассчитываются предельные значения осевой нагрузки в текущих условиях бурения.

Сигналы с выходов первого 29 и второго 30 запоминающих механизмов поступают на первые входы первого 11 и второго 12 сумматоров соответственно.

Таким образом осуществляется шаговый поиск оптимальных управляющих параметров, когда регулируется и величина (Fn) и отношение (F/n). Такой поиск обеспечивает наилучшее сочетание параметров нагрузки и частоты вращения коронки, обеспечивая максимальное значение критерия управления Ф_к.

Если переключатель 24 режимов работы находится в положении I, то на неуправляемые входы первого 26 и второго 27 пропорционального регулятора поступает сигнал с выхода первого 16 элемента сравнения, где происходит сравнение сигнала с задатчика 15 механической скорости с текущим значением механической скорости бурения. Регулирование величины (Fn) происходит до тех пор, пока текущее значение, поступающее с датчика 14 механической скорости бурения не сравняется с заданным значением. Сигнал управления представляет собой разность Δ V.

± ΔV = V- V_м .

Если разность Δ V положительна, то значение (Fn) увеличивается. Если разность Δ V отрицательна, то значение (Fn) уменьшается. При этом сохраняется регулирование отношения (F/n), что гарантирует достижение максимального значения Ф_к при ограничении V_м = сonst.

Сигнал с выхода блока 20 определения скорости износа коронки поступает на блок 32 определения величины износа коронки h_и= Σ V_и Δ t. Сигнал с выхода блока 32 посредством блока коррекции расчетного значения износа коронки поступает на первые входы третьего 52 элемента сравнения и блока 36 определения текущего значения высоты алмазосодержащего слоя матрицы
h_a = h - h_и.

В блоке 37 определения оставшегося ресурса по времени бурения определяется величина Δ T_б
Δ Т_б = h_a/V_и.

В блоке 38 определения оставшегося ресурса по проходке коронки определяется величина Δ H.

ΔH = h_a.

Сигналы с блоков 37 и 38 поступают на пятый 39 и шестой 41 сумматоры соответственно, где соответственно суммируются с сигналами датчика 40 времени t бурения коронкой и датчика 42 углубки L коронки.

Результирующий сигнал, равный полному ресурсу по времени Т_б бурения поступает на показывающий прибор 43.

Т_б = t + Δ Т_б.

Результирующий сигнал, равный полному ресурсу по проходке Н коронки, поступает на показывающий прибор 44.

Н = L + Δ Н.

Система обеспечивает оперативный контроль точности управления и прогноза ресурса коронки путем сравнения прогнозного значения механической скорости бурения с текущим значением. В этом случае переключатель 46 обратной связи находится в положении II. Информация с датчика 47 потребляемой мощности поступает в блок 48 измерения мощности на забое скважины N₃, которая затрачивается только на разрушение горной породы и износ коронки. Сигнал, пропорциональный забойной мощности, посредством блоков коррекции 56 и 55 забойной мощности по износу коронки и по величине механической скорости соответственно поступает в блок 49 определения коэффициента сопротивления μ_п.

μ_п = N₃/2 π r Fn,
По измеренной величине механической скорости бурения и параметрам управления: осевой нагрузке и частоте вращения, поступающим с датчиков 14, 8 и 9 соответственно, в блоке 50 определения коэффициента разрушения рассчитывается величина μ_б
μ_б = 8,67 ˙ 10³ ˙ V_м/Fn.

Сигналы с выхода блока 50 и с выхода блока 49 определения коэффициента сопротивления поступают в блок 51 измерения коэффициента трения на забое скважины μ_из.

μ_из = μ_п - μ_б.

Во втором 45 элементе сравнения происходит сравнение измеренного μ_из и расчетного значения коэффициента трения μ, поступающего с выхода блока 19 определения коэффициента трения на забое скважины. Сигнал с выхода второго 45 элемента сравнения
± Δ μ = μ_из - μ посредством переключателя 46 обратной связи, находящегося в положении II, поступает в задатчик 18 абразивности горной породы, корректируя заданное начальное значение абразивности
μ_o = μ_oн ± Δ μ.

Таким образом, в блоке 19 и 20 происходит коррекция расчетных значений коэффициента трения на забое скважины и скорости износа коронки соответственно. Коррекция происходит до тех пор, пока разность ± Δ μ не достигнет нуля.

При этом непрерывно контролируется точность измерения забойной мощности N_з, для чего в блоке 53 определения прогнозного значения механической скорости бурения рассчитывается величина механической скорости бурения посредством величины забойной мощности, скорости износа коронки и конструктивных и прочностных параметров коронки
V_МП = N₃ - /5,2·10⁵ 2Πr
Этот сигнал сравнивается в четвертом 54 элементе сравнения с измеренным значением механической скорости бурения, поступающим с датчика 14. Сигнал ошибки Δ V_м = V_м -V_мп поступает в блок 55 коррекции величины забойной мощности. Коррекция забойной мощности происходит до тех пор, пока разность ± Δ V_м не достигнет нуля, что свидетельствует о том, что на выходе блока 55 получена точная величина забойной мощности, а следовательно, гарантировано точное определение коэффициента трения на забое скважины, скорости износа коронки и прогнозных значений ресурса коронки.

После завершения рейса переключатель 46 обратной связи устанавливается в положение I и осуществляется контроль расчетной величины износа коронки путем сравнения его в третьем 52 элементе сравнения с измеренным значением величины износа, которое вводится с помощью задатчика 57 величины износа коронки. При наличии ошибки сигнал с выхода третьего 52 элемента сравнения производит коррекцию абразивности горной породы посредством задатчика 18 абразивности, а также величины износа алмазной коронки по высоте посредством четвертого 35 сумматора и блока 33 коррекции расчетного значения износа коронки и средней величины забойной мощности в рейсе посредством блока 56 коррекции забойной мощности по величине износа коронки.

Изобретение относится к устройствам автоматизированного управления процессом бурения и может быть применено при бурении геологоразведочных скважин. Сущность изобретения заключается в том, что на основании измерительной информации о величине забойной мощности и скорости износа породоразрушающего инструмента, а также о конструктивных параметрах коронки: площади торца, среднего радиуса и удельной работы разрушения коронки рассчитывается величина механической скорости бурения по формуле: V_мп=(N_з-A_удкS _тV_и)/5,2·10⁵2πr , где N_з - величины забойной мощности; V_и - скорость износа коронки; S_т - площадь торца; A_удк - удельная работа разрушения коронки; r - средний радиус коронки. Точность прогноза результатов при регулировании гарантируется достижением равенства прогнозного и измененного значений механической скорости бурения. 1 ил.

Система управления процессом бурения, содержащая датчик осевой нагрузки, выход которого подключен к первым входам блока определения буримости горной породы и блока определения скорости износа коронки, датчик частоты вращения коронки, выход которого подключен к вторым входам блока определения буримости горной породы, блока определения скорости износа коронки, задатчик начального значения осевой нагрузки на коронку и первый исполнительно-запоминающий механизм, выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого подключен к приводу подачи, задатчик начального значения частоты вращения коронки и второй исполнительно-запоминающий механизм, выходы которых подсоединены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен к приводу вращения, задатчик конструктивных и прочностных параметров коронки, выход которого подключен к третьим входам блока определения буримости горной породы и блока определения скорости износа коронки, выход блока определения скорости износа коронки соединен с первыми входами блока определения значения функции качества управления и третьего сумматора, выход которого подключен к приводу промывки, задатчик расхода промывочной жидкости, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, датчик механической скорости бурения, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения, с вторым входом блока определения значения функции качества управления, с третьим входом третьего сумматора и четвертым входом блока определения буримости горной породы, задатчик механической скорости бурения, выход которого соединен с вторым входом первого элемента сравнения, выход блока определения значения функции качества управления соединен с входом экстремального регулятора управляющих заданий, выход первого элемента сравнения соединен с первым неподвижным контактом переключателя режимов работы, а также коммутатор, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности управления, она содержит задатчик начального значения абразивности горной породы, задатчик абразивности горной породы, блок определения коэффициента трения на забое скважины, фазоинвертор, первый и второй пропорциональные регуляторы, ограничитель осевой нагрузки, блок определения граничных значений осевой нагрузки, блок вычисления величины износа коронки, блок коррекции расчетного значения износа коронки, блок определения среднего значения коэффициента трения на забое скважины, четвертый, пятый и шестой сумматоры, блок определения текущего значения высоты алмазосодержащего слоя матрицы коронки, блок определения оставшегося ресурса по времени бурения, блок определения оставшегося ресурса по проходке, датчик времени бурения, датчик углубки коронки, прибор - индикатор, показывающий ресурс коронки по времени бурения, прибор - индикатор, показывающий ресурс коронки по проходке, второй, третий и четвертый элементы сравнения, переключатель обратной связи, датчик потребляемой мощности, блок измерения мощности на забое скважины, блок определения коэффициента сопротивления горной породы, блок определения коэффициента разрушения горной породы, блок измерения коэффициента трения, блок определения прогнозного значения механической скорости бурения, блок коррекции величины забойной мощности по механической скорости бурения, блок коррекции величины забойной мощности по износу коронки и задатчик измеренного значения износа коронки, при этом выход экстремального регулятора соединен с входом коммутатора, первый выход которого подключен к второму неподвижному контакту переключателя режимов работы системы, а второй выход подключен через фазоинвертор к первому входу первого пропорционального регулятора и непосредственно к первому входу второго пропорционального регулятора, подвижной контакт переключателя режимов работы соединен с вторыми входами первого пропорционального регулятора и второго пропорционального регулятора, выход которого подключен к входу второго исполнительно-запоминающего механизма, выход первого пропорционального регулятора и выход блока определения граничных значений осевой нагрузки соединены с соответствующими входами ограничителя осевой нагрузки, выход которого подключен к входу первого исполнительно-запоминающего механизма, выход датчиков осевой нагрузки и частоты вращения, задатчика конструктивных и прочностных параметров коронки и блока определения буримости горной породы соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока определения коэффциента трения на забое скважины, выход которого подключен к первому входу второго элемента сравнения и через блок определения среднего значения коэффциента трения на забое скважины к первому входу четвертого сумматора и к четвертому входу блока определения скорости износа коронки, а выход блока определения скорости износа коронки подсоединен к первым входам блока определения оставшегося ресурса коронки по времени бурения и блока определения прогнозного значения механической скорости бурения, а также через блок вычисления величины износа коронки к первому входу блока коррекции расчетного значения износа коронки, выход четвертого сумматора соединен с вторым входом блока коррекции расчетного значения износа коронки, выход которого подключен к первым входам третьего элемента сравнения и блока определения текущего значения высоты алмазосодержащего слоя матрицы коронки, выход задатчика измеренного значения износа коронки соединен с вторым входом третьего элемента сравнения, выход которого подключен к первому и третьему неподвижному контакту переключателя обратной связи, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входом задатчика абразивности горной породы и с вторым входом четвертого сумматора, а второй неподвижный контакт соединен с первым входом блока коррекции забойной мощности по износу коронки, выход блока определения значения функции качества управления соединен с первым входом блока определения оставшегося ресурса по проходке, выход задатчика конструктивных и прочностных параметров коронки соединен с вторым входом блока определения текущего значения высоты алмазосодержащего слоя матрицы коронки, выход которого подключен к вторым входам блоков определения оставшегося ресурса коронки по времени бурения и по проходке, выходы блоков определения оставшегося ресурса по времени бурения и по проходке соединены с первыми входами пятого и шестого сумматоров соответственно, выходы которых подключены к соответствующим приборам - индикаторам ресурса по времени бурения и ресурса по проходке, выходы датчика времени бурения коронкой и датчика углубки коронки соединены с вторыми входами пятого и шестого сумматоров соответственно, выход задатчика начального значения абразивности горной породы соединен с вторым входом задатчика абразивности горной породы, выход которого подключен к пятому входу блока определения коэффициента трения на забое скважины, выход задатчика конструктивных и прочностных параметров коронки соединен с вторым входом блока определения прогнозного значения механической скорости бурения, выход которого подключен к первому входу четвертого элемента сравнения, выход четвертого элемента сравнения соединен с первым входом блока коррекции забойной мощности по механической скорости бурения, выход которого подключен к третьему входу блока определения прогнозного значения механической скорости бурения и через блок определения коэффициента сопротивления к первому входу блока измерения коэффициента трения на забое скважины, выход датчика потребляемой мощности через блок измерения мощности на забое скважины соединен с вторым входом блока коррекции забойной мощности по износу коронки, выход которого подключен к второму входу блока коррекции забойной мощности по механической скорости бурения, выходы датчика осевой нагрузки и датчика частоты вращения коронки соединены с первым и вторым входами блока определения коэффициента разрушения горной породы соответственно, выход датчика механической скорости бурения соединен с вторым входом четвертого элемента сравнения и с третьим входом блока определения коэффициента разрушения горной породы, выход которого подключен к второму входу блока измерения коэффициента трения на забое скважины, причем выход блока измерения коэффициента трения на забое скважины соединен с вторым входом второго элемента сравнения, выход которого подключен к второму неподвижному контакту переключателя обратной связи.