Способ управления буровым агрегатом и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК E21B45/00 

кия уточненных значений параметров выхоаы пульта бурильщика, а соответствующие вьосоаы первого запоминающе го блока поаключены через блок конт роля значений параметров к вхоцам блока формирования режимов, через блок передачи аанных к вхоаам второго запоминающего блока и непосрецственно к входам блока определения уточненных значений параметров, к другому входу которого подключен выход блока усреднения механической скорости бурения, причем вход последнего соединен с одним из выходов таймера, к входам кото рого подключены соответствующие выходы пульта бурильщика и блока фор63мирования оптимальных уставок управля- ющих воздействий, два входа которого соединены с вторым выходом таймера и одним из выходов блока формирования режима, второй выход которого и выходы второго запоминающего блока подключены через блок коррекции параметров к двум другим входам блока формирования оптимальных уставок управляющих воздействий, при этом четыре его выхода попарно подключены к соответствующим входам пульта бурильщика и цифроаналогового преобразователя, к двум другим входам которого подключены соответствующие выходы пульта бурильщика.

1. Способ управления буровым агрегатом, основанный на измерении механическсй скорости бурения, опрецелении, зааании и регулировании нагрузки на цолото и cKopocTH-jpro вращения в режимах опробования и бурения и формировании управляющего сигнала на исполнительные механизмы в заданном режиме работы, о т л ичающийся тем, что с целью повышения производительности бурового агрег;ата за счет сокращения длительности бурения при неоптимальных величинах управляющих воздействий, в первом и каждом последующем тактах режима опробования определяют величину изменения механической скорости бурения, по которой корректируют нагрузку на долото и скорость его вращения, и формируют оптимальные упр 1вляющне сигналы на дополнительные механизмы для каждого последующего такта, при совпадении величин измеряемых параметров в двух последующих тактах формируют сигнал перехода к режиму бурения, при котором задают оптимальнью дискретно-переменные уровни нагрузки на долото и скорости его вращения, в каждом такте режима бурения отслеживают изменения механическс скорости его вращения и по отклонению от оптимальных заданных уровней формируют сигналы перехода к режиму опробования и задания управляющих сигналов на исполнительнью механизмы для его первого такта. 2. Устройство для осуществления спо (Л соба по п. 1, содержащее пульт бурильщика, цифроаналоговый преобразователь, локальные сигналы регулирования нагрузки на долото и скорости вращения допота, датчики технологического процесса бурения, таймер и блок контроля значений параметров процесса, отличающе.ел ел е с я тем, что, с целью повышения производительности бурового агрегата за сх счет сокращения длительности бурения при а неоптимальных величинах управляющих воздействий, устройство снабжено блокасо ми последовательного ввода параметров, формирования режимов, определения уточненных значений параметров, передачи данных, формирования оптимальных уставок управляющих воздействий, коррекции параметров, дискретного усреднения механической скорости бурения и двумя запоминающими блоками, к входам первого из них подключены через последовательно соединенные блоки последовательного ввода параметров и определе

Изобретение относится к технике регулирования и может найти применение в устройствах управления установками ме|Ханического разрушения горных пород. Механическое разрущение горных пород, например роторное бурение, связано с тем, что в зависимости от литологйческого типа буримой породы должно i производиться задание управлякнцих воздействий по нагрузке на породоразрущающий инструмент и скорость его вращения. Нахождение управляющих воздействий связано с постоянным контролем процесса и определено текущим состоянием инстру мента и буримой породы. Для формирования управляющих воздействий в автоматизированных системах используется адаптивное устройство. Адап тивное устройство содержит модель техно логического процесса бурения, уточняемые параметры которой находятся в ходе бурения и зависят от типа используемого долота н буримой породы. Параметры долота вводятся в адаптивное устройство перед .началом бурения. Параметры буримой породы перец началом бурения неизвестны либо известны приближенно. Определение параметров буримой породы осуществляется в хоце. технологического процесса бурения и занимает длительное время. Продолжительность указанного режик4а определяет время нерационального использования инструмента и при .бурении глубоких скважин сушественНО сказывается.на производительности, так как с увеличением глубины продолжительность бурения одним долотом (проходка на долото) резко сокращается. Рациональное использование ресурса работы долота за счет совершенствования способов и устройств управления является одним из основных направлений по увеличению производительности буровых установок глубокого и сверхглубокого бурения. Известна система автомагизированно1-х управления, предполагающая связь оператора с процессом через вычислительную. мащину ij . Известны также системы автоматического управления, обеспечивающие оптимизацию режима бурения по критерию минимума стоимости метра проходки 2 .. Однако системы не работают в реальном масштабе времени и также не предусматривают оперативной оценки тех- нолсягнческой ситуации, В системе ДАТ информация от датчиков, установленных на буровой, преобразуется из аналоговой в цифровую форму, кодируется на перфоленте и по телетайпу передается в вычислительный центр, где ЦВМ периодически подключается к обслуживанию буровой и информация анализируется с целью корректи{$овки программы бурения. Результаты расчета передаются по телетайпу на буровую и используются бурильшиком для управления привоцами исполнительных механизмов вручную. Таким образом, активный поиск информации и оперативное использование его результатов невозможно. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления буровым агрегатом, основанный на измерении механической скорости бурения, определении, заданий и регулировании нагрузки на долото и скорости его вращения в режимах опробования и бурения и формировании .управляющего сигнала на исполнительные механизмы в заданном режиме работы Гз1. Устройство управления буровым агрегатом включает пульт бурильщика, цифроаналоговый преобразователь, локальные системы регулирования нагрузки на до лото и скорости вращения долота, аатчики технологического процесса бурения, таймер, блок контроля значения парамет ров процесса. Известаое техническое рещение позволяет получать оптимальные управляющи воздействия только при длительном бурении одного и того же пласта порюды и не обеспечивает эффективной работы агре гата длительного бурения с исполь зованием нерациональных режимов в условиях частого изменения характеристик буримых пород в рейсе, что особенно существенно сказывается в глубоком бурении при использовании инструмента с ограниченным ресурсом работы. , Недостатками известных способа устройства для его осуществления яв- . ляются больщая продолжительность процесса нахождения параСжтров математической модели технологического процесса; необходимость повторения полного комплекса испытаний при изменении уточняемых параметров в процессе идентификации; нерациональное использование ресурса работы долота на забое; а также наличие фиксированного чиспа смен уставок управляющих воздействий в комплексе испытаний, снижающее точность определения параметров математической моде ли технологического процесса, Целью изобретения является повышение производительности бурового агрегата за счет сокращения длительности бурения при неоптимальных величинах уп равляющих воздействий.. Поставленная цель достигается тем, ,что согласно способу управления буровым агрегатом в первом и каждом после дующем тактах режима опробования опрецеляют величину изменения механической скорости бурения, по которой корректируют нагрузку на долото и скорость его вращения, и формируют оптимальные управляющие сигналы на исполнительные механизмы для каждого последующего такта, при совпадении величин измеряемых параметров в двух последующих тактах формируют сигнал перехода к режиму бурения, при котором задают оптимальные дискретно-переменные уровни нагрузки на долото и скорости его вращения, в каждом такте режима бурения отслеживают изменения механической коросги , нагрузки на долото и скорости егс вращения .и по отклонению от оптимальных заданных уровней формируют сигналы перехода к режиму опробования и задания управляющих сигналов на исполнительные механизмы для его первого такта. Кроме того, устройство для осущес вления способа снабжено, блоками последовательного ввода параметров, формирования режимов, определения уточненных значений параметров, передачи данных, формирования оптимальных установок управляющих воздействий, коррекции параметров, дискретного усреднения механической скорости бурения и двумя запоминающими блоками, к входам первб- го из них подключены через последовательно соединенные блоки последовательного ввода параметров и определения уточненных значений параметров выходы пульта бурильщика, а соответствующие выходы первого запоминающего блока подключены через блок контроля значений параметров к входам блока формирования режимов, через блок передачи данных к входам второго запоминающего блока и непосредственно к входам i- блока определения уточненных значений параметров, к другому входу которого подключен выход блока усреднения механической скорости бурения, причем вход последнего соединен с одним из выходов таймера, к входам которого подключены соответствующие выходы пульта бурильщика и блока формирования оптимальных уставок управляющих воздействий, два входа которого соединены с вторым входом таймера н одним из выходов блока формирования режима, второй выход которого и выходы второго запоминающего блока подключены через блок коррекции параметров к двум другим входам блока формирования оптимальных уставок управляющих возаей- ствий, при этом четыре его выхода попарно поаключены к соответствующим входам пульта бурильщика и цифроанало- ГОБОГО преобразователя, к пвум входам которого поаключены соответствующие выходы пульта бурильщика. На фиг. 1 представлена блок-охема устройства цля управления буровым агрегатом; на фиг. 2 - схема блока форми рования оптимальных уставок управляющих воздействий; на фиг. 3 - схема блока определения уточненных значений параметров процесса; на фиг. 4 - схема блока определения уточненных значений параметров; на фиг. 5 - схема блока передачи данныз на фиг. 6 - схема бло ка определения уточненных значений параметров; на фиг. 7 - схема пульта бурильщика; на фиг. 8 - схема блока формирования режимов; на фиг. 9 - схема блока дискретного усреднения механической скорости бурения; на фиг. 10 схема блока последовательного ввода параметров. Устройство (фиг. 1) содержит объект управления, датчики 2 технологического процесса, установленные на входе блока 3 дискретного усреднения механической скорости бурения, выход которого связан с третьим входом блока 4 опреде ения уточненных значений парамет ров, первый и второй входы блока 4 определения уточненных значений пара-, метров подсоединены к первому и вто рому выходам блока о последовательног ввода параметров, четвертый и пятый входы блока 4 соединяются с пятым и щестым выходами первого запоминающего устройства 6, первый и второй вход которого подключены к первому и втором выходам блока 4 определения уточненны значений параметров, первый, второй, третий и четвертый выходы с первого запоминающего устройства 6 подключены к соответствующим входам блока 7 контроля значений параметров процесса, выходы блока 7 связаны с блоком 8 формирювания режимов, первый выход ко торого подведен к первому входу блока 9 передачи данных, второй и третий входы блока 9 соединены с пятым и шестым выходами первого запоминающего устройства 6, первый и второй выходы блока 9 передачи данных, связаны через первый и второй входы второго з поминающего устройства 10 его первым вторым выходами с (jToobiM и Tf) входами блока 1J. KOp|x Kiiiin пагйметро первый вход подключен к второму выходу блока 8 форми ювания режимов, первый и второй выходы блока 11 подключены к третьему и четвертому входам блока 12 формирования оптимальных уставок управляющих воздействий, третий и четвертый входы которого связаны с пультом 13 бурильщика, первый и второй выходы блока 12 связаны через первый и второй вхопы цифроаналогового преобразователя 14 напряжения с локальными системами 15 регулирования, пятый выход блока 12 связан с первым входом таймера 16, первый выход которого подключен к первому входу блока 3 дискретного усреднения механической скорости бурения, второй выход блока 16 подведен к первому входу блока 12,.второй вход блока 16 соединен с седьмым выходом пульта 13 бурильшика, третий, четвертый, пятый и щестой выходы блока 13 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока 5 последовательного ввода параметров, первым и вторым выходом пульт 13 бурильщика связан с третьим и четвертым входами цифроаналогового преобразователя 14. Третий и четвертый входы блока 12 формирования уставок (фиг. 2) связаны с выходом блока 11 коррекции параметров и являются вторым и третьим входами блока 17 электронных ключей, первый вход блока 17 связан с вторым выходом блока 8 формирования режимов, первый и второй выходы блока 17 подсоединены к первому и третьему входам блока 18 определения вида отработки долота, первый выход которого связан с блоком 19 вычисления оптимальных уставок при отработке долота по износу опоры, третий выход блока 18 подключен k блоку 2О вычисления оптимальных уставок при отработке долота по износу его вооружения, второй вход блока 18 связан с выходом таймера 16, а второй выход блока 18 - с входом таймера 16, выходы блоков 19 и 20 подсоединены к первому и второму вхоцам элемента ИЛИ 21, выход блока 21 связан с пультом 13 бурильщика и входом цифроана- логового преобразователя 14. Первые входы элементов И, блоков 22 и 23 блока 7 контроля значений параметров (фиг. 3) связаны с первым и третьим выходами блока 6, вторые входы блоков 22 и 23 подключены к втерому и четвертому выходам блока 6, вьгхопы 71 ;блоков 22 и 23 подключены на первый и втхэрой вхоаы элемента И 24, вы° ход которого связан с вторым входом блока 8 формирования режимов, первые вхоаы блоков 22 и 23 соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ, блоком 25, выход которого подключен к первому входу блока S формирования ре- жимов. Второй выход блока 8 формирования режимов подключен к первому входу блока 26 электронных ключей блока 11 коррекции параметров (фиг. 4), второй и третий входы блока 26 связаны с выходом блока запоминающих устройств 1О а первьШ и второй выходы блока элект ройных ключей подключены к первому и второму входам блока-формирователя 27 адаптивной модели, выходы которого свя заны с третьим и четвертым входами блока 13 формирования оптимальных уставок управляющих воздействий. Второй и третий входы блока 9 передачи данных (фиг. 5) подключены на вто рой и третий входы блока 28 электрон. ных ключей, разрешающий первый вход блока 28 связан с блоком 8 формирсеания режимов, первый и второй выходы блока 9 передачи данных подключены к первому и второму входам блока запоминающих устройств 10. Вторые входы блоков 29 и 30 блока определения уточненных значений параметров (фиг. 6) связаны с выход бло ка 5 последовательного ввода парамет-. ров, первые входы блоков 29 и ЗО подключены к выходу блока 3 дискретного усреднения механический скорости бурения, третьи выходы блшсов 29 и 30 связаны с пятым и шестым выходами блока запоминакяцих устройств 6, а выходы блоков 29 и ЗО подключены соотвегственно к первому и второму входам блока 6. Пе{жый и второй входы пульта 13 бурилыиика (фиг. 7) связаны с третьими и четвертыми выходами блока 12 формирования оптимальных уставок управляющ воздействий, являются первыми входами блоков 31 и 32 электронных ключей и выведены к приборам 33 и 34 наблюг дения, вторые входы блоков 31 и 32 электронных ключей поцсоецинены к вых дам блоков 35 и 36 задания управляющих воздействий, входы которых связаны с третьим выходом переключателя 37 вида работы, второй выход блока 37 свя аан с входами блоков 38 и 39 цифрово63го задания приближенных значений уточняемых параметров, выходы которых подключены к второму и четвертому входам блока 5 последовательного ввода параметров, а третий и пятый выходы блока 13 соединены с первым и третьим входами блока 5, первый выход блокапереключателя 37 вида работы подключен через блок 4О задания дискретной смены уставок управля ющихвоздействий к второму входу таймера 16. Первый и второй входы блока 41 элементов И блока 8 формирования режимов (фиг. 8) соединены с первым и втогн 1м выходами блока 7 контроля значений параметров, первый вход блока 41 также связан с вторым входом блока 12 формн вания оптимальных уставок, второй выход блока 8 подключен к первому вхоцу блока коррекции параметров и первому входу блока 9 передачи данных. Второй и третий входы блока 42 блока 3 дискретного усреднения механической скорости бурения (фиг. 9) подключены к датчикам 2, первый вход блока 42подключен к первому выходу таймера 16, выход блока 3 дискретного усред- нения механической скорости бурения подведен к третьему входу блока вычислителя коррекции параметров. Первые входы блоков 43 и 44 электронных ключей блока 5 последовательного ввода параметров (фиг. 1О) подключены к четвертому и шестому выходам бло-Ка 13, вторые входы блоков 43 и 44 связаны с третьим и пятым выходами пульта 13 бурильщика, выходы блоков 43и 44 подсоединены к первому и второму входам вычислителя 4 коррекции параметров. Для нахождения значений уточныемых параметров используют однократное бурение с применением заданных значений уставок управляющих воздействий напрузки на допою и скорости его вращения. Значения управляющих воздействий для последующего бурения определяют в виде оптимальных значений для принятого критерия качества управления, по уточненным в послецнем такте режима параметрам. Уточнение параметров может производится следующим образом. Для уточнения параметров модель представляют в вице tnv-Co-enKt ennUnp-tniuc-jF, где V - механическая скорость бурения: . коэффициент, вводимый в уравнение (равен 1); показатель схорости вращения цопота, уточняемый параметр; коэффициент буримости породы, уточняемый параметр; скорость вращения цолота, управляющее возцействие; нагрузка на долото, управляющее воздействие; коэффициент затупления зубьев Р, текущий износ вооружения. Для нахожаения значений уточняемых параметров используют следующие формулы:K(wVexplenK{N-A).Co(N-i)(BnV(N)-e ienv(Ni-env en(K(N-o , (((епк(м-4и ((N)-eиV) jenv(n)-envvenn e«hin(eHK(N-i) raeKlrt-i)- значение уточняемого параметра прертествующего такта бурения; V (М) - прогнозируемое значение ме ханической скорости бурени V - текущее значение механичес кой скорости бурения; N - такт бурения.: Такты уточнения параметров повторя ют ао получения двух одинаковых значений по уточняемым параметрам в двух последующих тактах, после чего устройство переводят во второй режим, в которомВВОДЯТ дискретно-переменней век тор управляющих воздействий. Управляющие воздействия подают на локальные системы регулирования. Сравнивают рас четное и текущее значения механическо скорости бурения, уточняет параметры и отслеживают.изменения уточняемых , параметров в ходе бурения. При отклонении текущих значений параметров от расчетных значений переводят устройство в первый режим, в котором для нахождения управляющих воздействий используют последние значения уточняемых параметров. Устройство работает следующим образом. С пульта 13 бурильщика задают чер цифроаналоговый преобразователь 14 на локальные системы 15 регулирования механизмами задания скорости вращения и нагрузки на долото уставки управляющих воздействий и приближенные значения уточняемых параметров в блок 5. Одновре-: менно таймером 16 задают интервал времени бурения с заданными уставками управляющих воздействий и устройство переводят в первый режим, котора 1й осуществляется в следующем виде. По заданного времени бурения из блока 16 поступает сигнал в блок 3 дискретного усреднения механической скорости бурения. Из блока 3 в блок 4 определения уточненных ч значенийГ параметров поступает сигнал усредненного значения механической скорости бурения за время бурения в первом такте режима. В блоке 4 определяются уточненные значения параметров, которые запоминаются в блоке 6 и одновременно передаются в блок 7 контроля значений параметров и поступают Б блок 9 передачи данных. В блоке 7 производится сравнение значений параметров, уточненных в последнем такте бурения, с параметрами, полученными в предществук щем такте бурения. В первом так re бурения за параметры предшествующего такта бурения принимаются значения параметров, устанавливаемые с пульта бурильщика. При несоЕшадении значений расчетных и текущих параметров блоком 8 формирования режимов подается сигнал к продолжению режима. По этому сигналу в блок 11 коррекции параметров поступают значения уточненных параметров из запоминающего устройства 10 и осуществляется пересылка уточненньгх значений парамегров в блок 12 формирования оптимальных уставок управляющих воздействий. Блоком 12 формируются и по сигналу с блока 16 выдаются через блок уставки управляющих воздействий на локальные системы 15 регулирования. Одновременно эти значения выводятся на пульт бурильщика и выдается сигнал в таймер 16 на начало нового такта бурения. При совпадении значений уточняемых параметров блоком 8 формирования режимов выдается сигнал в блок 11 на перевод устройства во второй режим. По этому сигналу блоком 11 коррекции пара- метров уточненные значения параметров в блок 12 формирования оптимальных

уставок не ввоаятся. Оановременно блоком 12 формируются дискретно-переменные управляющие возаействия нагрузки на полото и скорость его вращения с постоянными уставками управляющих воэцействий в такте и сменой их значений в кажцом такте режима. Управляющие возцействия через блок 14 поступают в локальные системы 15 регулирования и ЬТывоаятся на пульт 13 бурильщика.

В блоке 12 формируется сигнал зацания на смену уставок управляющих воздействий, который подается на таймер 16 Блок 16 выдает сигнал разрешения на передачу усредненного значения механической скорости бурения, полученного за интервал времени бурения с заданными постоянными значениями управляющих воздействий, который поступает в блок определения уточненных значений параметров. Уточненные значения параметров поступают в запоминающее устройство 6 и далее в блок 7 контроля значеНИИ параметров процесса, а затем в блок 8 формирования режимов. .

В блоке 7 контроля значений парак5етров процесса осуществляется сравнение значений уточненных параметров текушег и предществующего тактов режима бурения и формируется сигнал на задание режима работы устройства. , Уточненные значения параметров, .полученные в последнем такте режима, запоминаются на запоминающем устройстве 10, из которого они поступают в первом режиме в блок 11 коррекции параметров.

Устройство позволяет увеличить производительность буровой установки за счет увеличения механической скорости бурения, уменьшения длительности работы с использованием неоптимальных режимов, а также позволит увеличить длительность работы инструмента на забое, что дает значительный экономический эффект.

Фиг,.1

От 8 От 11

От 16

г

К 16

«/z;

J4.

/Zi I

I.

Лг

.%

/7

г г

17

-Jw I /6j

,g, ,

/г;

/г;

л w

Фигг

От 6

Ъ 7

IZ

Р

Z5

L

гз:

гзг

}

23

гг;

fj/

tu,

I /

Ztt

.

и V

Т7

. J

fpiiiz.7

0ml

Sz

Г

tit

i

,J

t

f

к 11 К9 fPtfi. В

OmZ

z

Ь.

Л

цг

От 6

3; tiZ}

г

I

L..

,/

/с г

Фыг.Ю