СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РЕГУЛЯТОРА ПОДАЧИ ДОЛОТА Российский патент 1998 года по МПК E21B44/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к способам регулирования электропривода регулятора подачи долота, обеспечивающим поддержание в процессе бурения такого давления на забой, при котором обеспечивается максимально допустимая в данных условиях скорость проходки. Данный способ может быть использован при проводке нефтяных и газовых скважин.

Известен способ регулирования электропривода регулятора подачи долота, по которому на входе электропривода задают нагрузку на долото с помощью задатчика нагрузки на долото, растормаживают колонну бурильных труб, измеряют вес колонны с помощью датчика веса, фиксируют вес колонны до соприкосновения долота с забоем и повторяют перечисленные операции при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы; после соприкосновения долота с забоем измеряют вес колонны с помощью датчика веса, определяют нагрузку на долото, определяют ошибку по нагрузке на долото, определяют сигнал задания на скорость двигателя регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку, измерят скорость двигателя с помощью датчика скорости, определяют ошибку по скорости двигателя, определяют сигнал задания на ток регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку; измеряют ток двигателя с помощью датчика тока, определяют ошибку по току двигателя, определяют управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку, и подают это управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель регулятора подачи долота [1].

Недостатками данного технического решения являются прежде всего невысокая точность измерения веса колонны бурильных труб по сигналу, пропорциональному натяжению неподвижного конца талевого каната регулятора подачи долота, неоднозначность этого сигнала при одном и том же усилии на крюке для режимов подъема и подачи (например, при переходе с подачи на подъем датчик веса показывает меньший вес, а при переходе с подъема на подачу - больший), возникающая из-за наличия сил трения в системе, эквивалентная сигналу положительной обратной связи, что может привести в ряде случаев к неустойчивой работе электропривода и автоколебаниям при малых скоростях бурения, а также низкая точность измерений датчика веса из-за наличия сил трения в системе, что вызывает снижение точности поддержания заданной нагрузки на долото.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ регулирования электропривода регулятора подачи долота, при котором на его входе задают нагрузку на долото с помощью задатчика нагрузки на долото, растормаживают колонну бурильных труб, измеряют ток двигателя с помощью датчика тока, фильтруют измеренный сигнал, дифференцируют отфильтрованный сигнал, усиливают дифференцированный сигнал, определяют статический ток двигателя, вычитая из сигнала, измеренного датчиком тока, усиленный дифференцированный сигнал, фиксируют статический ток двигателя с помощью потенциометра, запоминая тем самым вес колонны до соприкосновения долота с забоем, и повторяют перечисленные выше операции при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы; после соприкосновения долота с забоем вновь измеряют ток двигателя с помощью датчика тока, фильтруют измеренный сигнал, дифференцируют отфильтрованный сигнал, усиливают дифференцированный сигнал, определяют статический ток двигателя (вес колонны бурильных труб), вычитая из сигнала, измеренного датчиком тока, усиленный дифференцированный сигнал; определяют нагрузку на долото, определяют ошибку по нагрузке на долото, вычитают из нее дифференциальную составляющую тока двигателя, определяют сигнал задания на скорость двигателя регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку, измеряют скорость двигателя с помощью датчика скорости, определяют ошибку по скорости двигателя, определяют сигнал задания на ток регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку, определяют ошибку по току двигателя; определяют управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку, и подают это управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель регулятора подачи долота [2].

Недостатками этого технического решения являются, во-первых, значительная динамическая ошибка по нагрузке на долото при возмущениях по каналу нагрузки из-за невозможности снизить этот показатель качества работы регулятора подачи долота вследствие значительной разницы в постоянных времени электромагнитного и механического звеньев электропривода, поскольку увеличение коэффициента в формирующей части регулятора веса, регулирующего по пропорционально-интегральному закону, которое могло бы улучшить рассматриваемый показатель, приводит к существенному ухудшению электромагнитных переходных процессов; во-вторых, низкое быстродействие электропривода при реакции на возмущающие воздействия из-за значительной разницы в постоянных времени электромагнитного и механического звеньев электропривода, поскольку увеличение коэффициента в пропорциональной части при регулировании веса по пропорционально-интегральному закону, которое могло бы улучшить рассматриваемый показатель, приводит к существенному ухудшению электромагнитных переходных процессов; в-третьих, дополнительный износ элементов колонны бурильных труб из-за колебательного характера процессов при возмущениях по каналу нагрузки при применяемой настройке регулятора веса; в-четвертых, значительные перегрузки долота, приводящие к снижению его износостойкости, и значительные недогрузки, снижающие производительность буровых работ, возникающие из-за неизбежного запаздывания, с которым электропривод реагирует на приложение нагрузки, поскольку в системе с распределенными параметрами, какой является электропривод регулятора подачи долота, не только с запаздыванием воспринимается информация об изменении нагрузки, но и воздействие на рабочий инструмент происходит через конечное время прохождения сигнала по трубам.

Вследствие указанных недостатков долото в процессе работы испытывает значительные механические перегрузки и быстро изнашивается. Необходимость частой смены долота и выполнения соответствующих спуско-подъемных операций снижает производительность буровых операций. Работая в твердых слоях, при дополнительном увеличении твердости породы и, следовательно, динамическом возрастании нагрузки на долото, породоразрушающий инструмент не только сам испытывает перегрузки, но и передавливает разбуриваемую породу, что отрицательно сказывается на эффективности бурения.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в улучшении качества регулирования электропровода регулятора подачи долота за счет формирования динамических характеристик электропривода, обеспечивающих оптимальные условия отработки долота вследствие снижения динамической ошибки регулирования и увеличения быстродействия системы, повышении надежности работы электропривода, а также увеличение за счет этого производительности буровых работ.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования электропривода регулятора подачи долота, заключающемся в том, что задают нагрузку на долото, растормаживают колонну бурильных труб, измеряют ток двигателя электропривода датчиком тока, определяют статический ток двигателя, для чего фильтруют измеренный сигнал тока, дифференцируют отфильтрованный сигнал тока, умножают дифференцированный сигнал на коэффициент, равный моменту инерции двигателя, приведенному к валу двигателя, для определения его динамической составляющей, вычитают из отфильтрованного сигнала тока динамическую составляющую тока двигателя, фиксируют статический ток двигателя, запоминая тем самым вес колонные до соприкосновения долота с забоем, и повторяют перечисленные выше операции при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы, после соприкосновения долота с забоем вновь измеряют ток двигателя и определяют его статический ток, определяют нагрузку на долото, ошибки по нагрузке на долото, обрабатывают ее, определяя сигнал задания на скорость двигателя регулятора подачи долота, измеряют скорость двигателя с помощью датчика скорости, определяют ошибку по скорости двигателя, обрабатывают ошибку по скорости двигателя, определяя сигнал задания на ток, определяют ошибку по току, обрабатывают ее, определяя управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель, и подают его на преобразователь,
после задания нагрузки на долото преобразуют его в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе микропроцессорного комплекта, задают в микропроцессорном комплекте скорость подачи долота, после растормаживания колонны бурильных труб и измерения тока двигателя преобразуют текущее значение тока двигателя, измеренное датчиком тока, в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, преобразованный сигнал значения тока двигателя фильтруют в микропроцессорном комплекте, дифференцируют отфильтрованный сигнал тока двигателя в микропроцессорном комплекте, умножают в микропроцессорном комплекте дифференцированный сигнал на коэффициент, равный моменту инерции двигателя, приведенному к валу двигателя, для определения динамической составляющей тока двигателя,
вычитают в микропроцессорном комплекте из отфильтрованного сигнала тока динамическую составляющую тока двигателя для определения статического тока двигателя, фиксируют статический ток двигателя, запоминая тем самым в микропроцессорном комплекте все колонны до соприкосновения долота с забоем, и повторяют перечисленные выше операции при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы, затем тестируют электропривод регулятора подачи долота, после соприкосновения долота с забоем вновь определяют статический ток двигателя, измеряя ток двигателя с помощью датчика тока, преобразуя текущее значение тока двигателя в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя,
обрабатывают преобразованный сигнал значения тока двигателя, фильтруя в микропроцессорном комплекте, дифференцируя в микропроцессорном комплекте отфильтрованный сигнал, умножая в микропроцессорном комплекте дифференцированный сигнал на коэффициент, равный моменту инерции двигателя, приведенному к валу двигателя, для определения динамической составляющей тока двигателя, и вычитая из отфильтрованного сигнала тока динамическую составляющую тока двигателя,
определяют нагрузку на долото в микропроцессорном комплекте, определяют в микропроцессорном комплекте ошибку по нагрузке на долото, обрабатывают в микропроцессорном комплекте ошибку по нагрузке на долото по алгоритму, приведенному в описании, определяя сигнал задания на скорость двигателя регулятора подачи долота, после измерения скорости двигателя с помощью датчика скорости преобразуют текущее значение скорости двигателя в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, определяют в микропроцессорном комплекте ошибку по скорости двигателя, обрабатывают в микропроцессорном комплекте ошибку по скорости двигателя, определяя сигнал задания на ток регулятора подачи долота,
определяют ошибку по току двигателя с помощью датчика тока, обрабатывают эту ошибку, определяя управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель регулятора подачи долота, выдают это управляющее воздействие в порт ввода-вывода микропроцессорного комплекта, преобразуют его из цифровой в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя и подают преобразованное управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель регулятора подачи долота.

На фиг. 1 приведена функциональная схема электропривода регулятора подачи долота; на фиг. 2 - алгоритм программы регулирования осевой нагрузки на долото в регуляторе подачи долота; на фиг. 3 - алгоритм работы подпрограммы определения статического тока двигателя; на фиг. 4 - алгоритм вычисления управляющего воздействия в подпрограмме регулирования осевой нагрузки на долото; на фиг. 5 и 6 - алгоритм тестирования электропривода регулятора подачи долота; на фиг. 7 - алгоритм работы подпрограммы определения конечного рассогласования по нагрузке на долото; на фиг. 8 - алгоритм работы подпрограммы формирования формы эталонного переходного процесса по нагрузке на долото.

Электропривод регулятора подачи долота содержит задатчик 1 нагрузки на долото, датчик 2 тока, датчик 3 скорости, микропроцессорный комплект 4, преобразователь 5, двигатель 6, понижающий редуктор 7, цепную передачу 8, барабан 9 лебедки (не показана), талевый канат 10 с талевой системой (не показана) и буровой инструмент, который состоит из колонны бурильных труб 11 и долота 12 (фиг. 1).

Вход 1 микропроцессорного комплекта 4 соединен с задатчиком 1 нагрузки на долото 12, вход 2 - с датчиком 2 тока, вход 3 - с датчиком 3 скорости. К выходу микропроцессорного комплекта 4 подключают преобразователь 5, питающий двигатель 6, сочлененный через понижающий редуктор 7, цепную передачу 8, барабан 9 лебедки и талевый канат 10 с талевой системой; последняя через кронблок 13 соединена с буровой вышкой 14, несущей буровой инструмент, подвешенный на крюке 15. Колонна бурильных труб 11 опускается в скважину 16 и фиксируется в нерабочем положении с помощью квадрата 17. Шланг 18 служит для подачи бурового раствора, а датчик 19 веса, установленный на неподвижном конце талевого каната 10, - для визуального контроля за ходом изменения нагрузки на долото 12.

Задатчик 1 нагрузки на долото 12, датчик 2 тока, датчик 3 скорости, преобразователь 5, двигатель 6 соответствуют [1], а понижающий редуктор 7, цепная передача 8, барабан лебедки 9, талевый канат 10 с талевой системой и буровой инструмент, состоящий из колонны бурильных труб 11 и долота 12, могут быть взяты из [2] . Микропроцессорный комплект 4 выполняет функции регулирования осевой нагрузки на долото, числа оборотов и момента электропривода регулятора подачи долота. В качестве микропроцессорного комплекта 4 может быть использован микропроцессорный комплект, например, МК-51 [3]. В состав электропривода регулятора подачи долота может входить двигатель как постоянного, так и переменного тока.

Электропривод регулятора подачи долота работает следующим образом.

При изменении нагрузки на долото 12 вследствие изменения твердости разбуриваемой породы изменяются также скорость подачи долота 12 (число оборотов двигателя 6) и ток двигателя 6. Информация об изменении последних двух параметров поступает в микропроцессорный комплект 4 через, соответственно, датчик 3 скорости и датчик 2 тока. Информация о текущем значении нагрузки на долото 12 вычисляется программно по сигналу с датчика 2 тока. Так, при увеличении нагрузки на долото 12 сигнал с датчика 2 тока в среднем уменьшается. Микропроцессорный комплект 4 определяет с помощью этого вычислительного значения факт увеличения нагрузки и по заложенному в него алгоритму (фиг. 2) вырабатывает и выдает на преобразователь 5, питающий двигатель 6, такое управляющее воздействие, которое приводит нагрузку на долото 12 в соответствие с установленным на задатчике 1 нагрузки на долото 12 значением. При этом сигнал с датчика 2 тока увеличивается, а сигнал с датчика 3 скорости уменьшается. Процесс регулирования завершается в том случае, когда вычисленное микропроцессорным комплектом 4 через сигнал с датчика 2 тока значение нагрузки на долото 12 с требуемой по условиям регулирования точностью совпадает с сигналом с задатчика 1 нагрузки на долото. При снижении нагрузки на долото вследствие какого-либо возмущения изменение сигналов с датчика 2 тока и датчика 3 скорости противоположно описанному ранее.

Ниже подробнее рассмотрена работа электропривода регулятора подачи долота. Программа регулирования осевой нагрузки на долото, заложенная в микропроцессорный комплект 4, включает в себя подпрограмму определения статического тока двигателя, подпрограмму тестирования электропривода регулятора подачи долота с вложенными в нее подпрограммной определения конечного рассогласования по нагрузке на долото и подпрограммой формирования формы эталонного переходного процесса по нагрузке на долото, а также подпрограмму регулирования осевой нагрузки на долото и подпрограмму регулирования скоростной подсистемы, включающей в себя подпрограмму регулирования числа оборотов двигателя и подпрограмму регулирования тока двигателя. При включении электропривода регулятора подачи долота программа регулирования осевой нагрузки на долото инициализирует используемые ею переменные. Устанавливается на задатчике 1 нагрузки на долото и преобразуется в цифровую форму с помощью амплитудно-цифрового преобразователя (не показан), входящего в состав микропроцессорного комплекта 4, заданное (технологически оптимальное) значение нагрузки на долото 12. В соответствии с заложенной в микропроцессорный комплект 4 программой регулирования осевой нагрузки на долото (фиг. 2) задается скорость подачи долота 12. Колонна бурильных труб 11 растормаживается и движется к забою 20. При этом в подпрограмме (фиг. 3) определения статического тока вычисляется и в микропроцессорном комплекте 4 запоминается полный вес колонны до соприкосновения с забоем 20. Это значение используется при вычислении нагрузки на долото 12. Осевая нагрузка на долото 12 является разностью между полным весом колонны до соприкосновения с забоем 20 и усилием на крюке 15. Поэтому для определения текущего значения осевой нагрузки вычитают текущее значение веса, вычисленное подпрограммой определения статического тока, из зафиксированного значения полного веса колонны бурильных труб 11 до соприкосновения с забоем 20 (фиг. 2). Далее электропривод регулятора подачи долота тестируется с помощью подпрограммы тестирования электропривода регулятора подачи долота (ПТЭП), заложенной в микропроцессорный комплект 4 и показанной на фиг. 2, для определения коэффициентов, используемых для вычисления управляющего воздействия в подпрограмме регулирования осевой нагрузки на долото (алгоритм вычисления управляющего воздействия приведен на фиг. 4). Тестирование электропривода регулятора подачи долота производится периодически при каждом увеличении разбуриваемой скважины 16 на заданную глубину. Алгоритм тестирования приводится в описании к фиг. 5 и 6.

При касании долотом 12 забоя 20, равно как и при увеличении твердости разбуриваемой породы, вес на крюке 15 начнет уменьшаться, а нагрузка на долото - увеличиваться, что определено вышеуказанным путем (фиг. 2). В этом случае число оборотов двигателя 6 при подаче уменьшается до тех пор, пока нагрузка на долото 12 не достигнет значения, близкого к заданному, и установится режим бурения, при котором скорость подачи долота 12 равна скорости бурения. Это достигается тем, что ошибка по осевой нагрузке, вычисленная как сумма текущего значения нагрузки на долото 12 с преобразованным в цифровую форму и инвертированным сигналом задания, при увеличении нагрузки будет положительна. В соответствии с этой ошибкой подпрограмма регулирования осевой нагрузки на долото (фиг. 2) по описанному ниже алгоритму (фиг. 4) вырабатывает управляющее воздействие.

Это управляющее воздействие за вычетом сигнала обратной связи по числу оборотов двигателя 6, измеренного датчиком 3 скорости и преобразованного в цифромикропроцессорном комплекте 4, определяет сигнал ошибки по скорости подачи (т. е. при спуске) колонны бурильных труб 11. При превышении нагрузкой на долото заданного значения этот сигнал будет положительным, а равновесие будет достигнуто в том случае, когда изменяющийся сигнал на выходе датчика 3 скорости совпадает со значением сигнала скорости, заданного подпрограммой регулирования осевой нагрузки на долото. Вычисленная ошибка отрабатывается подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя (ПРЧОД), показанной на фиг. 2 и вложенной в показанную на той же фиг. 2 подпрограмму регулирования скоростной подсистемы (ПРСП). Управляющее воздействие, вырабатываемое подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя, может быть вычислено при использовании пропорционального (П), пропорционально-интегрального (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) алгоритмов регулирования [4].

При изменении тока (или момента) двигателя 6 изменяется сигнал на выходе датчика 2 тока, причем если при установившемся состоянии системы этот сигнал только положителен, то в динамике он может изменять свой знак (при использовании реверсивного преобразователя 5). Измеренное датчиком 2 тока и преобразованное в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного комплекта 4, текущее значение тока (или момента) двигателя 6, будучи вычтенным из управляющего воздействия, вырабатываемого подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя (фиг. 2), дает величину ошибки по току, которая при превышении нагрузкой на долото заданного значения будет положительна, а в установившемся состоянии электромеханической системы равна нулю. В соответствии с этой ошибкой подпрограмма регулирования тока (или момента) двигателя 6 (ПРТД), показанная на фиг. 2, по П, ПИ или ПИД - законам управления вычисляет управляющее воздействие в микропроцессорном комплекте 4, которое, после выдачи его в порт ввода-вывода микропроцессорного комплекта 4 и преобразования в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного комплекта 4, выдается на вход преобразователя 5.

Поскольку при превышении нагрузкой на долото 12 заданного значения управляющее воздействие, подаваемое с выхода микропроцессорного комплекта 4 на вход преобразователя 5, имеет положительный знак, то оно приводит к увеличению момента двигателя 6 и соответственно к подтормаживанию опускаемой колонны (снижению скорости спуска колонны бурильных труб 11). Если имеет место резкое увеличение твердости разбуриваемой породы, то момент двигателя 6 может даже привести к кратковременному приподъему долота 12, предотвращающему чрезмерное увеличение нагрузки на долото.

При попадании долота 12 из твердой породы в более мягкую в первый момент времени нагрузка на долото 12 несколько уменьшается, и под воздействием управляющего воздействия с микропроцессорного комплекта 4 возрастет скорость подачи долота до такого значения, при котором установится режим бурения с большей скоростью при нагрузке на долото 12, близкой к заданной, что и будет обеспечено изменением знаков ошибок, отрабатываемых подпрограммой регулирования осевой нагрузки на долото, подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя и подпрограммой регулирования тока двигателя (фиг. 2).

Как уже отмечалось, вес колонны бурильных труб 11 определяется подпрограммой определения статического тока (фиг. 3), которая работает по следующему алгоритму. Используется тот факт, что вес колонны достаточно точно соответствует натяжению ходовой ветви талевого каната (не показан), пропорциональному статическому току (моменту) двигателя 6. Поскольку сигнал текущего значения тока двигателя 6, измеренного датчиком 2 тока и преобразованного в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного комплекта 4, все еще может содержать помехи, то перед дифференцированием он обрабатывается в микропроцессорном комплекте 4 по одному из алгоритмов цифровой фильтрации [5] или сглаживается [6]. С этой целью возможна также установка RC-фильтра (не показан) на выходе датчика 2 тока. Полученный при дифференцировании и отфильтрованный сигнал умножается на коэффициент, пропорциональный моменту инерции двигателя. Вычисленное значение динамического тока вычитается из текущего значения тока и таким образом определяется статический ток двигателя 6, соответствующий текущему весу колонны на крюке 15.

Управляющее воздействие в подпрограмме регулирования осевой нагрузки на долото вычисляется по следующему алгоритму (фиг. 4). Значения сигнала задания скорости U_зс, амплитуды U_зим управляющего воздействия, счетчика N_дс дискретных интервалов времени и счетчика 1 точек, в которых вводится коррекция в ход переходных процессов, при этом количество точек регулирования равно N, инициализируются при включении микропроцессорного комплекта 4 следующим образом:
U_зс = 0, U_зим = 0, J = 1, N_дс = T_им/ΔT, ,
где
T_им - время линейного нарастания сигнала задания на скорость на величину вычисленной данной подпрограммой амплитуды управляющего воздействия;
ΔT - дискретность во времени, с которой работает микропроцессорный комплект.

При соответствии счетчика N_дс дискретных интервалов времени и счетчика 1 точек коррекции инициализированным значениям и наличии ошибки по нагрузке на долото 12, превышающей заданную в подпрограмме допустимую ошибку δ_доп, , величина этой ошибки в момент времени k запоминается микропроцессорным комплектом 4 как δ_нач. Если же ошибка не превышает заданную, то величина сигнала задания на скорость не изменяется. Умножение δ_нач на текущее значение коэффициента из массива B (в зависимости от точки коррекции) определяет величину ошибки δ_п по нагрузке на долото, которая бы имела место в данный момент при предсказанном и желательном ходе переходного процесса. Массив коэффициентов B (1) определяется при предварительном тестировании электропривода регулятора подачи долота (см. описание к фиг. 5 и 6). Далее находится отклонение реальной ошибки δ от предсказанной δ_п (имеющее место вследствие действия на электромеханическую систему регулятор подачи долота - талевая система колонны бурильных труб возмущений и возможной неточности в определении коэффициентов) и с помощью предварительно определенного коэффициента M (алгоритм определения коэффициента см. в описании к фиг. 5 и 6) вычисляется величина требуемого для компенсации возмущений амплитуды U_зим= M^*(δ-δ_п), корректирующего управляющего воздействия. После этого значение циклического счетчика 1 точек коррекции увеличивается, ограничивается в случае достижения заданного количества точек коррекции N, определяющих длительность переходного процесса, и приравнивается 1.

Но значение сигнала задания на скорость (до установки задания нагрузки на задатчике 1 нагрузки на долото, равное нулю), которое формирует данная подгруппа, увеличивается U_зим лишь за время T_им, в каждый дискретный интервал времени работы микропроцессорного комплекта 4, возрастая на U_зим.ΔT/T_им..

При этом задание на скорость V_зс ограничено по амплитуде значением U_макс, определяемым максимальным напряжением преобразователя 5 и технологическими ограничениями по скорости подачи долота 12.

Каждый раз после изменения U_зс значение счетчика N_дс дискретных интервалов времени увеличивается на 1. Коррекция амплитуды управляющего воздействия U_зим не будет производиться до тех пор, пока N_дс не достигнет значения T_им/ΔT,, что означает истечение интервала времени T_им. Если же при этом пройдены и все точки коррекции (1=1), то проверяется, стала ли ошибка по нагрузке на долото 12 меньше допустимой. Если же рассогласование все еще имеет место, то данная ошибка считается следствием нового возмущения и процесс регулирования продолжается таким образом до достижения условия δ<δ_доп . Регулирование осевой нагрузки практически астатическое. Допустимая ошибка при моделировании принималась на уровне 10Е-5.

Тестирование электропривода регулятора подачи долота выполняется в соответствии с заложенной в микропроцессорный комплект 4 подпрограммой тестирования электропривода регулятора подачи долота согласно алгоритму, приведенному на фиг. 5 и 6, следующим образом. После растормаживания колонна бурильных труб 11 движется к забою 20 с заданной скоростью, определяемой в микропроцессорном комплекте 4, что обеспечивается выполнением подпрограммы регулирования скоростной подсистемы (ПРСП на фиг. 2). При этом заданное значение нагрузки на долото 12 принимается равным нулю. При соприкосновении долота 12 с забоем 20 появляется нагрузка на долото 12, которая должна иметь безопасное для долота 12 значение из-за малой скорости подачи. Соприкосновение долота 12 с забоем 20 фиксируют по факту превышения нагрузкой на долото 12, определенной по алгоритму на фиг. 2 (подпрограмма регулирования осевой нагрузки на долото), нулевого значения. Далее отслеживают кривую переходного процесса ошибки по нагрузке на долото 12, для чего запоминают в микропроцессорном комплекте 4 первоначально обнаруженное ненулевое значение ошибки δ/k/ по нагрузке на долото 12 и выполняют подпрограмму определения конечного рассогласования по нагрузке на долото (см. в описании к фиг. 7). Вычисляется коэффициент Ав, равный отношению конечного рассогласования к величине ошибки δ/k/..

Далее уравновешивают электропривод регулятора подачи долота, т.е. нагрузка на долото 12 приводится в соответствие с заданным значением, для чего отклонение между заданной нагрузкой на долото 12, вновь приравненной к преобразованному в цифровую форму сигналу с задатчика 1 нагрузки на долото, и вычисляемой текущей нагрузкой на долото 12 (фиг. 2) обрабатывают, например, по пропорционально-интегральному закону и тем самым определяют сигнал U_зс задания скорости и выполняют подпрограмму регулирования скоростной подсистемы (фиг. 2). Электропривод считают уравновешенным, если вычисленное в соответствии с алгоритмом на фиг. 2 значение ошибки по нагрузке на долото 12 не превышает заданное ранее допустимое значение ошибки δ_доп.. Значение U_зс, при котором достигнуто согласование, запоминается в микропроцессорном комплекте 4 как U_зс1.

После этого сигнал задания скорости увеличивается на 1 и выполняют подпрограмму определения конечного рассогласования по нагрузке на долото (см. в описании к фиг. 7). Вычисляется коэффициент Ау, равный отношению 1 к величине конечного рассогласования δ_кон..

Таким образом, если в момент времени k будет обнаружена ошибка, то через интервал дискретности, с которым работает микропроцессорный комплекс 4, по ее величине с помощью суммарного коэффициента пропорциональности M = Аy^* Ав может быть рассчитано управляющее воздействие, требуемое для компенсации приложенного возмущения. Поскольку темп изменения скорости ограничен из технологических соображений, управляющее воздействие линейно нарастает в течение интервала времени T_им.

Далее определяют форму эталонного переходного процесса по нагрузке на долото 12, для чего отрывают долото 12 от забоя 20, приподнимая колонну бурильных труб 11, вновь приводят долото 12 в соприкосновение с забоем 20 при ранее запомненном значении сигнала задания скорости U_зс1, определяют ошибку по нагрузке на долото (фиг. 2), запоминают данное значение ошибки δ/k/ по нагрузке на долото, умножают эту величину на коэффициент M для определения амплитуды U_зим линейно нарастающего в течение интервала времени T_им управляющего воздействия, требуемого для компенсации возмущения, и выполняют подпрограмму формирования эталонного переходного процесса по нагрузке на долото 12.

Для того чтобы оторвать долото 12 от забоя 20, изменяют сигнал задания скорости на противоположный и выполняют подпрограмму регулирования скоростной подсистемы (фиг. 2). Долото 12 считают выведенным из соприкосновения с забоем 20, если вычисленное значение нагрузки на долото 12 (фиг. 2) равно нулю.

Для того чтобы вновь привести долото 12 в соприкосновение с забоем 20, подав тем самым известное возмущение на электропривод, восстанавливают ранее запомненное значение U_зс1 сигнала задания скорости и выполняют подпрограмму регулирования скоростной подсистемы (фиг. 2). Долото 12 считают приведенным в соприкосновение с забоем 20, если вычисленное значение нагрузки на долото 12 (фиг. 2) отлично от нуля.

Далее подпрограмма тестирования электропривода входит в цикл ожидания реакции оператора. Если нажата кнопка "Повторное определение формы управляющего воздействия" (не показана), подключенная к входу микропроцессорного комплекта 4 (при нажатии этой кнопки имеет место высокий уровень напряжения на данном входе, что воспринимается микропроцессорным комплектом 4 как сигнал логической "1"), то увеличивают время нарастания управляющего воздействия T_им, например, на 0,5 с (первоначально T_им устанавливается равным 0,5 с) и вновь определяют форму эталонного переходного процесса. Подпрограмма тестирования электропривода завершает свою работу и передает управление в вызвавшую ее программу, если нажата кнопка "Завершение тестирования" (не показана). Данная кнопка подключается аналогично предыдущей. При нажатой кнопке "Завершение тестирования" имеет место высокий уровень напряжения на соответствующем входе, что воспринимается микропроцессорным комплектом 4 как сигнал логической "1". Это означает, что форма эталонного переходного процесса устраивает оператора, т.е. является гладкой (отсутствует колебательность) и соответствует заданным ранее критериям качества, а необходимые для регулирования нагрузки на долото 12 коэффициенты вычислены и запомнены в микропроцессорном комплекте 4.

В подпрограмме, алгоритм работы которой приведен на фиг. 7, запоминают текущую величину ошибки по нагрузке на долото 12 как δ_пред , вновь определяют ошибку δ по нагрузке на долото 12 и сравнивают разность δ-δ_пред с произведением K_δ на δ_пред , где коэффициент K_δ может быть принят на уровне 0,03. Если эта разность превышает или равна указанному произведению, то вышеперечисленные в подпрограмме операции повторяются. В противном случае подпрограмма определения конечного рассогласования по нагрузке на долото 12 завершает свою работу и передает управление вызвавшей ее подпрограмме, запоминая в микропроцессорном комплекте 4 величину конечного рассогласования по осевой нагрузке на долото 12 как δ_кон .

В подпрограмме формирования эталонного переходного процесса по нагрузке на долото, алгоритм которой приведен на фиг. 8, прежде всего инициализируют счетчик времени, организованный по прерыванию, флаг Т1 1-го интервала времени T_им длительности переходного процесса по нагрузке на долото 12 (Т1 приравнивается 1) и счетчик N размерности массива коэффициентов B (N = 2). Далее в течение 1-го интервала времени длительности переходного процесса по нагрузке на долото 12 формируют линейно нарастающее в течение T_им управляющее воздействие на двигатель 6 электропривода регулятора подачи долота через преобразователь 5, для чего с дискретностью работы микропроцессорного комплекта 4 увеличивают сигнал задания скорости U_зс на величину произведения U_зим•ΔT/T_им, , где U_зим - амплитуда управляющего воздействия, а ΔT - дискретность во времени работы микропроцессорного комплекта 4, и выполняют подпрограмму регулирования скоростной подсистемы (фиг. 2). В соответствии с временной дискретностью работы микропроцессорного комплекта 4 определяют ошибку δ по нагрузке на долото 12 (вычисление ошибки см. на фиг. 2) и выводят ее значение на графический дисплей (на фиг. 1 не показан), если таковой входит в состав микропроцессорного комплекта 4. При его отсутствии кривая переходного процесса по нагрузке на долото 12 может отслеживаться с помощью осциллографа, подключаемого к предназначенному для этого входу микропроцессорного комплекта 4 (на фиг. 1 не показан).

Затем проверяют значение счетчика времени и, если интервал времени T_им еще не истек и флаг 1-го интервала не сброшен (т.е. все еще длится 1-й интервал времени T_им), то повторно выполняются операции по формированию линейно нарастающего управляющего воздействия. По истечению 1-го интервала T_им длительности переходного процесса по нагрузке на долото 12 они не повторяются, для чего в этом случае сбрасывается флаг 1-го интервала (Т1 = 0).

По истечении каждого интервала времени T_им обнуляется счетчик времени, увеличивается на 1 счетчик размерности массива коэффициентов B и вычисляется очередной коэффициент из массива B, равный отношению текущей ошибки δ к ранее запомненной величине ошибки δ/k/ по нагрузке на долото (первое значение коэффициента из массива B всегда равно нулю, в подпрограмме определяются лишь последующие значения коэффициентов массива и их число).

Если текущее значение ошибки по нагрузке на долото не превышает заданное допустимое, то переходный процесс по нагрузке на долото считают завершенным, и вместе с ним завершает свою работу и передает управление в вызвавшую ее подпрограмму подпрограмма формирования эталонного переходного процесса по нагрузке на долото.

Таким образом, в ответ на возмущающее воздействие микропроцессорный комплект 4 через преобразователь 5 воздействует на двигатель 6, а следовательно, в конечном счете и на долото 12 вычисленным управляющим воздействием. В результате приложения к электроприводу регулятора подачи долота управляющего и возмущающего воздействий противоположной направленности переходные процессы в электроприводе должны прийти к равновесию. Но в связи с некоторой задержкой управляющего импульса отклонение все же имеет место, причем величина отклонения в каждый момент времени k+1 пропорциональна величине ошибки в момент времени k. Ошибка в каждый момент времени k+i (где i=1, ..., N) сравнивается с δ/k/ и вычисляется соответствующий коэффициент пропорциональности B(i). Данный переходный процесс принимается в качестве эталонного и по нему строится регулирование нагрузки на долото 12 по алгоритму, приведенному на фиг. 4. Коэффициенты B (i) (i=I, ..., N) позволяют предсказать ход развития переходного процесса при произвольном возмущении в электроприводе по первоначально обнаруженному рассогласованию (ошибке по нагрузке на долото 12). На этом тестирование электропривода завершается. Но оно повторяется при каждом увеличении длины колонны на заданную глубину (рекомендуется глубина 1000 м).

Моделирование переходных процессов в предлагаемом электроприводе регулятора подачи долота (использовался П-закон регулирования числа оборотов и ПИ-закон регулирования тока двигателя) показывает, что система управления практически полностью контролирует переходный процесс в механической части. При этом качество электромагнитных переходных процессов вполне приемлемое, так как амплитуда тока не превышает трети допустимого значения, а интегральный ток даже меньше, чем в известном электроприводе регулятора подачи долота, а это значит, что регулирование происходит при меньшем потребляемом токе. Хотя число оборотов двигателя 6 в данном электроприводе изменяется с гораздо большим темпом, чем в известном, ускорение не превышает технологически заданных ограничений. Вместе с тем динамическая ошибка по нагрузке на долото 12 уменьшается в несколько раз, и процесс практически завершается через 4 с вместо 130 с в исходной системе. Причем нагрузка вследствие изменения твердости менялась с 1 до 4 тс. Моделировался аналогично и случай возникающего скачком изменения нагрузки до 20 тс, при этом относительные динамические показатели двух систем остаются практически теми же, а амплитуда тока не превышает половины допустимой, хотя подобное изменение твердости как по амплитуде, так и по темпу не характерно для данной системы. Моделировался наиболее тяжелый случай. При более плавном изменении твердости эффективность применения данного электропривода значительно возрастает.

Аналогично динамической нагрузке на долото 12 снижаются и динамические нагрузки во всех узлах колонны бурильных труб 11, благодаря чему возрастает не только срок службы самого долота 12, но и бурильных труб 11, так как снижаются нагрузки на соединяющие их муфты 21. Все это, как отмечено выше, увеличивает производительность буровых работ.

Электропривод регулятора подачи долота может содержать датчик 19 веса, присоединенный к входу микропроцессорного комплекта 4 (фиг. 1). Вместе с тем, поскольку вес колонны 11 более точно соответствует натяжению ходовой ветви талевого каната 10, чем натяжению неподвижной ветви, где установлен датчик 19 веса, то последний может использоваться для дополнительного визуального контроля за ходом изменения нагрузки на долото.

Таким образом, в предлагаемом способе регулирования электропривода регулятора подачи долота устанавливают на задатчике 1 нагрузки на долото 12 заданное значение нагрузки на долото, преобразуют это значение в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного комплекта 4, первоначально в соответствии с программой, заложенной в микропроцессорный комплект 4, задают скорость подачи долота 12, растормаживают колонну бурильных труб 11, измеряют ток двигателя 6 с помощью датчика 2 тока, преобразуют текущее значение тока двигателя 6 в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного комплекта 4, определяют статический ток двигателя 6 по алгоритму, приведенному на фиг. 3, фиксируют статический ток двигателя 6; запоминая при этом вес колонны 11 до соприкосновения долота 12 с забоем 20, и повторяют перечисленные операции при каждом разбуривании скважины 16 на длину очередной пристыкованной к колонне трубы; тестируют электропривод регулятора подачи долота и повторяют эту процедуру при каждом углублении скважины 16 на заданную глубину; после соприкосновения долота 12 с забоем 20 вновь измеряют ток двигателя 6 с помощью датчика 2 тока, преобразуют текущее значение тока двигателя 6 в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, определяют статический ток двигателя 6 по алгоритму, приведенному на фиг. 3, после этого в микропроцессорном комплекте 4 определяют нагрузку на долото 12, определяют ошибку по нагрузке на долото 12, определяют сигнал задания на скорость двигателя 6 электропривода регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку по алгоритму, приведенному на фиг. 5 и 6, измеряют скорость двигателя с помощью датчика 3 скорости и преобразуют текущее значение скорости двигателя 6 в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, определяют ошибку по скорости двигателя 6, обрабатывая эту ошибку, определяют сигнал задания на ток двигателя 6, определяют ошибку по току двигателя, определяют управляющее воздействие на преобразователь 5, питающий двигатель 6 электропривода регулятора подачи долота, обрабатывая эту ошибку, затем данное управляющее воздействие выдают в порт ввода-вывода микропроцессорного комплекта 4, преобразуют в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя микропроцессорного комплекта 4 и подают на преобразователь 5. Далее все вышеперечисленные операции повторяются при каждом увеличении глубины скважины 16, например, более чем на 100 м.

Предлагаемый способ регулирования электропривода регулятора подачи долота может быть реализован эффективно при применении микропроцессорной технологии, в электроприводе. Для того чтобы иметь возможность обработать сигналы задания и обратных связей в микропроцессорном комплекте 4, их предварительно преобразуют в цифровую форму. Вместе с тем, чтобы довести вычисленное в микропроцессорном комплекте 4 управляющее воздействие до преобразователя 5, его необходимо после вывода в порт ввода-вывода микропроцессорного комплекта 4 преобразовать в аналоговую форму. Тот факт, что статический ток двигателя определяют программно, позволяет исключить дополнительные погрешности при обработке сигнала с датчика 2 тока и повысить точность определения веса колонны бурильных труб 11, что в конечном счете снижает динамические нагрузки на долото 12. Для того чтобы обеспечить плавное соприкосновение долота 12 с забоем 20 и не допустить в этот момент перегрузок долота 12 до растормаживания колонны бурильных труб 11 задают скорость подачи долота 12. Требуемое техническим результатом качество регулирования нагрузки на долото 12 обеспечивается в первую очередь тем, что после того, как определяют нагрузку на долото 12 и ошибку по нагрузке на долото 12 последнюю обрабатывают по алгоритму, приведенному на фиг. 4, для определения управляющего воздействия по нагрузке на долото 12. Коэффициенты, необходимые для регулирования осевой нагрузки на долото 12 по данному алгоритму, определяют при тестировании электропривода. То, что в том же микропроцессорном комплекте 4 определяют ошибку по скорости двигателя, обрабатывают ее, определяя сигнал задания на ток, и в нем же определяют ошибку по току двигателя и обрабатывают ее, определяя управляющее воздействие на преобразователь, повышает надежность работы электропривода.

Литература:
1. Моцохейн Б.И. Электротехнические комплексы и системы буровых установок. М.: Недра, с.166.

2. Авторское свидетельство СССР N 1452944, БИ N 3, 1989.

3. Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П. и др. Однокристальные микроЭВМ, 1994, с.107.

4. Азаров Б.Я., Ильяшенко Л.А., Ильяшенко Н.Л. и др. Применение микропроцессоров в автоматизированном электроприводе. - М., Энерг. ин-т, 1989, с. 66.

5. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления: Учеб. пособ. - М.: Наука, Гл. ред. физ. -мат.лит., 1986, с. 130.

6. Башарин А.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ, Учеб. пособие для вузов, 3-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1990, с. 250.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин. В способе после задания нагрузки на долото преобразуют его в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе микропроцессорного комплекса (МПК). Задают в МПК скорость подачи долота. После растормаживания колонны бурильных труб и измерения тока двигателя преобразуют текущее значение тока двигателя в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Определяют статический ток двигателя в МПК по алгоритму, приведенному в описании. Фиксируют статический ток двигателя в МПК, запоминая тем самым вес колонны до сопрокосновения долота с забоем. Перечисленные выше операции повторяют при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы. Затем тестируют электропривод регулятора подачи долота. После соприкосновения долота с забоем вновь ток двигателя, измеренный датчиком тока, преобразуют в цифровую форму в АЦП. Определяют в МПК статический ток двигателя по алгоритму, приведенному в описании. Определяют нагрузку на долото в МПК и определяют в нем ошибку по нагрузке на долото. Обрабатывают ее по алгоритму, приведенному в описании, определяя сигнал задания на скорость двигателя. После измерения скорости двигателя преобразуют текущее значение двигателя в цифровую форму. Определяют в МПК ошибку по скорости двигателя, обрабатывают ее, определяя сигнал задания на ток. Определяют в МПК ошибку по току двигателя, обрабатывают ее, определяя управляющее воздействие на преобразователь. Выдают его в порт ввода-вывода МПК, преобразуют в аналоговую форму в АЦП и подают преобразованное управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель. Электропривод тестируют по алгоритму, приведенному в описании. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ регулирования электропривода регулятора подачи долота, заключающийся в том, что задают нагрузку на долото, растормаживают колонну бурильных труб, измеряют ток двигателя электропривод датчиком тока, определяют статический ток двигателя, для чего фильтруют измеренный сигнал тока, дифференцируют отфильтрованный сигнал тока, умножают дифференцированный сигнал на коэффициент, равный моменту инерции двигателя, приведенному к валу двигателя, для определения его динамической составляющей, вычитают из отфильтрованного сигнала тока динамическую составляющую тока двигателя, фиксируют статический ток двигателя, запоминая тем самым вес колонны до соприкосновения долота с забоем, и повторяют перечисленные выше операции при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы, после соприкосновения долота с забоем вновь измеряют ток двигателя и определяют его статический ток, определяют нагрузку на долото, ошибку по нагрузке на долото, обрабатывают ее, определяя сигнал задания на скорость двигателя регулятора подачи долота, измеряют скорость двигателя с помощью датчика скорости, определяют ошибку по скорости двигателя, обрабатывают ошибку по скорости двигателя, определяя сигнал задания на ток, определяют ошибку по току, обрабатывают ее, определяя управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель, и подают его на преобразователь, отличающийся тем, что после задания нагрузки на долото преобразуют его в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе микропроцессорного комплекта, задают в микропроцессорном комплекте скорость подачи долота, после растормаживания колонны бурильных труб и измерения тока двигателя преобразуют текущее значение тока двигателя в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, определяют статический ток двигателя в микропроцессорном комплекте по алгоритму, приведенному в описании, фиксируют статический ток двигателя в микропроцессорном комплекте, запоминая тем самым вес колонны до соприкосновения долота с забоем, и повторяют перечисленные выше операции при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы, затем тестируют электропривод регулятора подачи долота, после соприкосновения долота с забоем вновь ток двигателя, измеренный датчиком тока, преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе и определяют в микропроцессорном комплекте статический ток двигателя по алгоритму, приведенному в описании, определяют нагрузку на долото в микропроцессорном комплекте, определяют в нем ошибку по нагрузке на долото, обрабатывают ее по алгоритму, приведенному в описании, определяя сигнал задания на скорость двигателя, после измерения скорости двигателя преобразуют текущее значение скорости двигателя в цифровую форму, определяют в микропроцессорном комплекте ошибку по скорости двигателя, обрабатывают ее, определяя сигнал задания на ток, определяют в микропроцессорном комплекте ошибку по току двигателя, обрабатывают ее, определяя управляющее воздействие на преобразователь, выдают его в порт ввода-вывода микропроцессорного комплекта, преобразуют в аналоговую форму в цифроаналоговом преобразователе микропроцессорного комплекта и подают преобразованное управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электропривод тестируют по алгоритму, приведенному в описании.