Устройство управления буровым насосом Советский патент 1983 года по МПК E21B44/00 

блока воэвеаеывя в степень, первый вход блока умкоження соецвюн с источником вапрйжвввя смещения, второй вход блока умножения является входом блока, перылй и второй вхооы первого блока веления являются соответственно и третьим входами блока, выход блока возведения в степень является вторым вы oaoM блока.

3. Устройство поп. 1, отличающее с я тем, что блспс задания производительности содержит блок умножеуззя, блок деления, сумматоры, пороговые блсжи, электронмые ключи, бвок возведения в степень и блок фо1Иу1ироваиия отрицательного нап|яжения,при этом блок умножения соединен с першлм входом первого сумматора выход которого соединен с первым входс у{ блока деления, выход которого через блок возведения в степень соединен с первыми входами второго сумматора и первого порогового блока, рыходы которых подключены к входам первого электронного ключа, выходы второго порогового блока и блока фо1мировани отрицательного напряжения соединены с входами второго электронного ключа, выход которого подключен к второму входу второго cyivfMaTopa, второй вход второго порогового блока является первым вхоаом блока, второй и третий входы первого сумматора- являются соответственно и седьмым входами блока, второй вход блока деления явлйется третьгим входом блока, первый вход второго nciporoBoro блока и вход блока формирования отрицательного напряжения объединены и являются четвертым входом блока второй вход первого порогового блока яв. ляется пятым входом блока, входы блока умножения являются шестым и восьмым входами блока.

1. УСТРОЙСТЮ УПРАВЛЕНИЯ БУРОВЫМ НАСОСОМ, содержатдее регулируемый электропривод, соедиве вый с исполнительным мвхаввзм( датчик давления, установленный на выходе насоса, и блок задания уставок, отличающееся тем, что, с оепыо повышения надежности работы уСгтройства, в. него бведены датчик цпотноств раство ра, датчик глубины скважиш, блок фо мирования сигнала смены за бойвого ВЕН струмента в блок зад19т|я щмжзвоавтепьности, при атом первый в второй выхооы блока задания уставок соединены с iiep выми и вторыми входами бпсжа эаоанвя производите льжюти и блока ф()врования сигнала смевы забойного ивструМевта, третий вход которого соелннен с датчиком плотности раствора, а,выходы-стретьим ь и четвертым входами блока а&пияея про- изводительвости, пятый вход . соединен с датчиком давпеивя, вюстсА в с«аьмой входы бйока эадаш1я хфожшодвтельвоств соедв}|е а|| с третьем четвертым выхрдамв блока задаввв уставок, датчвк глубины скважв{9ы воокпкпеи к Ю восьмому входу блока эадавва про«эвсав- ч1 телыюсти, первый выход соедвсо вев с вхоас( регупвру вм(яч люктроярвв х а .да, а агорой - с вхоасм блока шшаввя ч уставок. 2. Устройство по п. 1, о т я в ч А ю ш е е с я тем, что- блок фортдйрова ия сигяала смдны забойвсячэ ввструмевта содержит бпсжв деления, бжж уылояа ВИЯ, С;ук возведешш в степевь в вст.очнвк шпряжеввя смешения, прв этом выход первого блока деления соедввев с первым входом второго блока деления , вход которого соедивэн с выходе блсжа умножения, а ЕЫХОД подключен к входу

Изобретение относится к буровой технике, а точнее к устройствам для осуществления регулирования производительности бурового насоса с электрическим приводсял, и может применяться в буреши

скважин, например, на нефть и газ.

Механическое разрушение горных поро напрш юр, при бурении скважин Ш нефть и газ связано с необходимостью инте сивкой промывки забоя дла удаления частичек выбуренной породы на. поверхность. Только при достаточной очистке забоя можно обеспечить максимальные темпы проходки скважив, определен{ше режиме бурения. Наряду с очисткой забоя струя про лывочной жидкости, шд высоким дав лением аоступаюшая па забой из гидромониторных насадок долота, непосредственно способствует разрушению породы(гидромониторный эффект). В большинстве случаев поток промывочной жидкости, закачиваемой в скважину с помощью буроЕных насосов, используется для привода, забойных гидравлических двигателей

(турбобур, винтовой двигатель), непосредственно сочлененных с долотом. Таким образом, функции гидравлической системы буровой установки многообразны, причем все они непосредственно связаны с оо. новным технологичесхим процессом бурения - углубтюнием (проводкой) скважищ Потери.давления в гидравлической системе возрастают по мере увеличения глубиш 1 скважины и уменьшения ее диаметра. Поэтсялу рациональное использование гидравлической мощности, устано&ленной на буровой установке насосной группы, возможно только при регулировании производительности насосов. Если . привод насосов нерегулируемый, примеИ(ются ступенчатое регулирование производительности буровых насосов путем анаинд овых втулок или диаметра прввоаяых шкюов, обес 1ечиваюшее средневзвешенное значение коэффициента ис: пользования мощности 65-г75% ClJП менение регул1фуёмого электропривода буровых насосов обеспечивает возможность ручнсяо управления частотой вращения приводного электродвигателя и, соответственно, бесступенчатого регул рсшания производительности насосов в достаточшэм диапазоне. Однако на практике даже простейший закон регулироЪання - пюддержание постоя нн(яч максимвлью допустимого для данной втулки, давления в системе (постов нство мо- мента на валу двнгателя) - при ручном 31 управлении не всегда выпопняется с цостаточной строгостью из-за перегруженности оператора (бурильщика) технологическими операциями. Тем более невозмож но с достаточной точностью выполнять бопее эффективные законы управления поддержание оптимальной забойной мощности или режима равновесного бурения, связанные не только с оперативным управлением, но и с выполнением расчета уставок 12 J. Известна система регулируемого элек тропривода бурового насоса, предназначе№ ная для буровых установок с номинальной глубиной бурения ЗООО-5ООО м. Система регулируемого электропривода бурового насоса по схеме асинхронного вентильного каскада содержит асинхронный электродвигатель с фазным ротором, мостовой роторный выпрямитель, сглаживающий дроссель, резистор, инвертор и согласующий трансформатор. Система автоматического управления электроприво.дом предусматривает пуск асинхронного вентильного каскада до номинальной скорости с бесконтактным переключением пускового резистора. Выбор установившейся скорости в диапазоне 0,5-1 от номинальной осуществляется в.ручную, по средством сельсннного командоаппаратаГз. Известно также устройство для буровых установок с электроприводом постоянного тока, в котором осуществляется автоматическое регулирование скорости двигателя в диапазоне 0,8-1,25 от номинальной в функции одного из трех параметров (давления, производительности или глубины скважины) 4. Схема управления предусматривает возможность ввода информации гю глубине скважины и коэффициентам гидравлических сопротивлений однако не содержит блоков формирования сигналов управления и не может обеспечить автоматическое регулирование производительностью. В дальнейщем на установках с приво дом постоянного тока скорость вращения двигателя изменяется вследствие нелинейной обратной связи по давлению 5. Наиболее близким техническим решением к изобретению является система автоматизированного электропривода бу рового насоса, содержащая обратную свя по давлению в нагнетательном трубопроводе, регулируемый электропривод, исполните ЛЫ1ЫЙ механизм - двигатель, бло задания уставок, датчик давления на выходе насоса. 774 Натгачие обратной связи по давпению сухцественно улучшает режим пуска под нагрузкой, способствует успещному восстановлению циркуляции промывочной жидкости, а также снижению производительности буровых насосов при максимальных давлешмк, возникающих при аварийных ситуациях в скважине б. Недостатком известного устройства является то, что система автоматизированного электропривода бурового насоса не рещает задачи автоматического регу лирования производительности в функции углубления скважины с целью рационапьного использования гидравлической мощности буровых насосов. Как известно fll и 112 3 давление в гидравлической системе буровой устано&ки (на выкиде насосов) Рц определяется потерями давления в манифольде, элеме тах циркуляционной системы и гидромониторных узлах долота и забойного двигателя. Соответственно .,TQti-037q (Л где Т - плотность промывочной жидкости; q. - коэффициент гидравлических сопротивлений элементов цирку;ля« ционной системы, потери давления в которых зависят от глубины скважины Q - коэффициент гидравлических со-. противлении маннфольда; коэффициент, характеризукяций гидравлическую характеристику гидромониторных узлов оопота и забойного аввгатепя. Коэффициент О2 правило постоянен за время бурения скважины. Коэффициент Q меняется редко с изменением KCHvinaHoBKH бурильной колонны и конструкции скважины. Коэффициент Q- меняется дискретно (не чаше чем один раз на рейс долота). Максимальная допустимая гидравпичеокая мощность буровых насосов развивается в том случае, если во всем интер вале проходки скважины поддерживается максимально допустимое йля данного диаметра сменной втулки давление на выкиде насоса РдоП1 Р Рц закон регушрования производительности Q опредб;2г«тся из (1). . JrCali a i.+Q,,-) Однако, максимум гидравлической мотцности шсосов на поверхности ие всегда обеспечивает подведение к забою максен мапыюй гидравпической мощности и ее реапнэаишо. С другой сторовы известное в теорий условие реализации максимапыиой забойной мощности 3jrCa i- Qa требует непрерялвного изменения гшравпи ческой характеристики двигатепей и допот что практически иеосущест . вимо. Кроме того, этот способ приводит к непроизводительным затратам сумма{ но расходуемой мощности. Насовременном уровне развития техники шиболее рациональным является , ксялбинироваиюдй способ регулирования . производительности буровых насосов, сочетакиций работу при максимально дсяпуснета щни раиогу „ри максим«.ши« ии..у ТИМОМ давлении по уравнению (1) с периодическим изме(1е11ием гидравпической характеристики забойных механизмов 1фи достижении условия 7 доп (4) / 1,7657fQ Предлагаемое устройство управпеюш обеспечивает автоматическое регулярбв&г ние частоты вращения электропривода бу рового насоса (и соответственно прсжзводйтельности) в процессе угпубпевяю скважины с периодической замене гиоравлической характеристики забойных ме ханизмов при достижении забой|{ой мощности Q(HЦелью изобретения является повышение надежности работы устройства путем регулирования частоты вращения бурстого насоса при поддержании максимальных яо пустимого давления на выкиде насоса и гидравлической мощности забойного механизма для повышения произвоаительиоств бурового агрегата, однс ременно з.а счет рацно1йльного использования мощности со кращаются энергетические затраты на проводку скважиюя. Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления буровым насосом, содержащее регулируемый элек,гг.,-тропривод, соединенный с исполнительным механизмом, датчик давления, установлен иый на выкиде насоса, и блок задания уставок, введешл датчик плотности раство ра, датчик глубины скважины, блок формирования сигнала смены забойного инструмента и блок задания производительностн, при этом пер№1й и второй выходы блока задания уставок соединень .с первыми и вто{.1ми входами блока задания производительности и блока формирования сигнала смены забойного инструмента, третий вход которого соединен с датчиксм плотности раствора, а выходы - с третьим и четвертым входами блока задания производительности, пятый вход которого соединен с датчиком давления, шестой и седьмой входы блока задания производительности соединены с трртьим и четвертым выходами блока задания уставок, датчик глубины скважины подключен к восьмому входу блока задания производительности, первый выход которого соединен с входом регулируемого эпектропривода, а второй - с входом блока задания уставок. Также блок-фс змировакия сигнала мены забойиого инструмента содержит „ аеш,т«1. йт« v««r.«o™a fino r блоки оепения, бшж умножения, блок воэведения в степень и источник напряжения смещения, при этом выход первого блока аепевия соединен с первым входс « второго блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход подключен к входу блока возведе-- ВИЯ в степень, первый вход блока умножения соединен с источником напряжения смешения, второй вход блока умножения является перклм входс блока, первый и BTopoft входь первого блока деления являЮТИ1 соответственно вторым и третьим входами бпсжа, Ш1Ход блока возведения в степень является вторым выходом блока. Крсяле того, блок задания производительности содержит блсяг умножения, блок деления,сумматоры, пороговые блоки. 9Пвкт|х нные ключи, блок возведения в степень и блок формирования отриштельгкого напряжения, при этом блок умножения соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым Входом блока деления, выход которого через блок возведения в степень соединен с первыми входами второго сумматора и первого порогового блока, выходы которых подключены к входам пер ключа, выходы второго порогового блока и блока формирования отрицательного напряжения соединены с входами второго электронного ключа, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, второй вход второго порогового блока является первым входсял блока, второй и третий входы первого сумматора являются соответственно вторым и седьмым вxoдa ra блока, второй вход блока аепения является третьим входом блока, первый вход второго порогового бпока и вход блока формирования отрицательного напряжения объединены и ЯВЛЯЮТСЯчетвертым входом блока второй вход первого порогового бпока является пятым входом блока, входы бло ка умножения являются шестым и Boctyмым входами бпока. Введением бпока формирования сигнал смены забойного инструмента со своими связями обеспечивается формирование сигнала смены забойного инструмента из сигналов максимально допустимого давления на выкиде насосов, поступающего с блока задания уставок, сигнала плотности бурового раствора, поступаютщего с датчика плотности бурового раствора, и сигнала, характеризующего гидравлическую характеристику гидромониториых долот и забойных гидравлических двигателей, поступающего с блока задания уставок. Формирование сигнала на смену забойного механизма необходимо для рационального использования гидра&лической мощности работающего забойного механизма, так как испошузование указанного забойного механизма для дальнейшего углубления скважины нерационально. Введением блока задания производительности со своими связями в устройство управления обеспечивается формиро вание сигнала задания производительности на систему автоматического регулиро вания электроприводом насоса. Сигнал задания производительности форь1ирувтся изсигналов текущего давления, поступающего с датчика давления на выкиае на coca, сигналов значений гидравлического сопротивления элементов циркуляционной системы, коэффициента гидравлического сопротивления манифольда, коэффициента гидравлического сопротивления элементов циркуляционной системы, коэффициен та, характеризуюшего гидравлическую характеристику гидромониторшлх узпов долота и забойного гидравлического двигателя, поступающих с пульта управления, и сигналов текущей глубины скважи ны, поступающих с датчика глубины скважины, и плотности бурового раствора с датчика плотности. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления буровым насосом с регулируемым электроприводо на фиг. 2 - блок формирования сигнала смоиы забойного инструмента; на фиг. 3 блок задания производительности. Устройство управления содержит регулируемый электропривод 1, исполнительный механизм - двигатель 2, например двигатель постоянного тока для придания вращения буровому насосу, блок 3 задания уставок, датчик 4 давления, например типа ППДР-3, установленный на выкиде насоса, датчик 5 плотности раствора (например, типа ДПВ2) и датчик 6 глубины скважины, (указанные датчики являются датчиками параметров технологического процесса из комплекта датчиков буровой установки), 7 формирования сигнала смены забойного инструмента, блок 8 Задания производитель- . ности. . Блок 7 формирования сигнала смены забойного инструмента содержит (фиг. 2) первый блок 9 деления сигналов ивторой блок 19 деления, блок 11 умножения источник 12 напряжения смещения, блок 13 возведения в степень. Блок 8 задания производительности содержит (фиг. 3) блок 14 умножения, первый сумматор 15, блок 16 деления, блок 17 возведения в степень, первый пороговый блок 18, второй сумматор 19, первый электронный ключ 20, второй пороговый блсж 21, блок 22 формирования отрицательного напряжения и вто« рой эяекгрон19 1й ключ 23. Перед пуском устройства проводят следующие подготовительные работы. На блоке 3 задания уставок выставляются значения коэффициента гидравлического сопротивления элементов циркуляционной системы, коэффициента гидравлического сопротивления манифольда, коэффициента гидравлической характеристики гидромониTOpOJx узлов долота и забойного двигателя, максимально допустимой гидравлической мощности ,. АОи При включении устройства в работу на выходе блсжа 14 умножения в бшэке 8 задания производительности появляется сигнал, кото1 1й суммируется на сумматоре 15 с сипшлами установок коэффициентов и поданных с блока 3 задания уставок. Сигнал с сумматора 15 поступает на второй вход блока 16 деления, в котором ои взаимодействует с сигналом с первого выхода блока 7 формирования сигнала смешл забойного инструмента и являющегося в преобразовании сигналов делимым.. Полученный в блоке 16 и преобразованный в блоке 17 возведения в степень сиг1:ап поступает в пороговый бпок 18. В бпоке 18 сигйап с блока 17 сравнивается с сигна пом, поступающим .с второго, вы хода бпока 7. При равенстве этих сигналов на выходе порогового блока 18 появляется сигнал, управляк щий электронным ключом 23. Сигнал с Ы 1хода блока 17 суммирует ся на втором сумматоре 19 с сигналом с выхода электронного ключа 20, который в первоначальный момент равен нупю, в подается через электронный ключ 2.3 в регулируемый привод. Двигатель 2 разгоняется, и на входе датчика ft давле ния появляется сигнал об уровне давлени бурового раствора в трубопроводе. Сиг нал с датчика 4 подается через пороговый блок 21 на электронный ключ 20. Этот же сигнал с датчика 4 устанавливает на шлходе блока 22 соответствук щее отрицательное напряжение, которое поступает также на .электронный ключ 2О. На пороговый бпок 21 одновременно подается сигнал с блока 3 задания уставок о допустимся давлении R . На выходе электронного ключа 20 сигнап отрицательного напряжения появляется после превышения сигналом текущего давления , поступающим с датчика 4, сигнала о допустимом давлении . Сигнал на ш 1Ходе электронног ключа 20, пропорциональный значению превышения Rpg над подается на сумматор 16 и поддерживает на его выходе уровень сигнала, соответствующий заданному значению уровня производительности насоса. Сигнал допустимого давления поступающий с блока 3 задания уставок, в блоке 9 делится на сигнал плотности раствора, поданный с датчиков 3 и 4 после преобразования, произведенного с сигналом значения коэффициента гидравлического сопротивления манифольда в блоке 6, и подается на пороговый блок 18. На другой вход блока 18 поступает сигнал из блока 17. Сигнал на выходе порогового бпока 18 появляется при достижении значенияС) и подается на управляющий вход электронного ключа 20. При этом сигнал задания на регулируемый привод снижается до нулевого значения, и на блок 3 задания уставок выдается сигнал на смену забойного инструмента. Предлагаемое устройство по сравне- нию с известным обладает тем преимуществсж, что автоматически выполняется наиболее рациональный режим регулирования производительности насосов, позволяющий подвести и реализовать на забое до 5О% дополнительной мощности (по сравнению с регулированием в режиме постоянства давления) при одновременном снижении потребляемой мощности из сети, и исключает влияние субъективных факторов на эффективность работы.