Способ автоматического поддержания заданной плотности бурового раствора и циркуляционная система для его реализации Советский патент 1989 года по МПК E21B21/06 E21B44/00 

P-D из

cxSamuHi

.г:§зШ

(Л

fStu

Ш

P-PS , п.

скбаж «

ного действия Подают У в приемную емкость 1 с учетом текущего- значения плотности на входе емкости 1 Подача осуществляется пропорционально рассогласованию текущего и заданного значений плотности Измеряют расход БР на входе в приемную емкость 1 и учитывая плотность У, определяют оп- ти iaльнyю производительность подачи У как сумму пропорциональной и компенсационной составляюрщх.. Последняя не зависит от параметров БР на выходе-емкости 1, Циркуляционная система для осуществления способгг содержит дозатор 2, датчики 3, 4 расхода и плотности БР на входе емкост;- 1 .. датчик 5 плотности Б-Р на ныходе емкости 1, задатчик 6 плотности БР,. задатчик 7 плотности у, пропорциональный регулятор 8, блок 9 компенсации, сумматор 10, переключатель 11 режима,У, дискретный нреобразователь 12 и перемешивающее устройство 13 6 На- выходе регулятора 8 формируется сигнал пропорциональной составляющей подачи У, на выходе блока 9 компенсации - сиг- нал компенсационной составляющей Обе составляющие, пройдя сумматор 10, по- стунают либо на аналоговый вход дозатора 2, либо через преобразователь 12 на дискретный вход дозатора 2, В no- следнем случае У подается в емкость 1 дискретными порциями через определенные промежутки времениэ которые вы- чнсляются в преобразователе 12s 2 с„ и 2 3 J п ф-ль 5 2 ил.

Изобретение относится к бурению скважин. Цель изобретения - повышение точности поддержания плотности бурового раствора (БР) путем подачи утяжелителя (У) с оптимальной производительностью при работе с дозаторами как пропорционального, так и дискретного действия. Подают У в приемную емкость 1 с учетом текущего значения плотности на входе емкости 1. Подача осуществляется пропорционально рассогласованию текущего и заданного значений плотности. Измеряют расход БР на входе в приемную емкость 1 и, учитывая плотность У, определяют оптимальную производительность подачи У как сумму пропорциональной и компенсационной составляющих. Последняя не зависит от параметров БР на выходе емкости 1. Циркуляционная система для осуществления способа содержит дозатор 2, датчики 3, 4 расхода и плотности БР на входе емкости 1, датчик 5 плотности БР на выходе емкости 1, задатчик 6 плотности БР, задатчик 7 плотности У, пропорциональный регулятор 8, блок 9 компенсации, сумматора 10, переключатель 11 режима У, дискретный преобразователь 12 и перемешивающее устройство 13. На выходе регулятора 8 формируется сигнал пропорциональной составляющей подачи У, на выходе блока 9 компенсации - сигнал компенсационной составляющей. Обе составляющие, пройдя сумматор 10, поступают либо на аналоговый вход дозатора 2, либо через преобразователь 12 на дискретный вход дозатора 2. В последнем случае У подается в емкость 1 дискретными порциями через определенные промежутки времени, которые вычисляются в преобразователе 12. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

; - -

Изобретение относится к приготовлению и обработке буровых растворов, в ЧАСТНОСТИ- к утяжепию раствора и подил-фжанию его плотности при бурени эксплуатационных и раззедочных сквгг-- жин на нефть и газ,

Целью изобретения является тоЕЫша ние точности поддер;хан)--гя плот-кисти путем подачи утяжелитатгд буровое-о раствора с оптиьшльно; производителъ постью«На фиг-з 1 приведена стру1стуриа;ч схема ЦИРК1ШЯЦИОНКОЙ рег ули-- рования плотности бурового раствора, на фиг о 2 -- функционалгьиая cxebsa дискретного преобразователя„

Цир куля цио иная си с т ема в ключа s т приемную емкость 1 , дозируюш.нй у-зел 2, датчики 3 и 4 расхода и -плотности буроззого раствора, зтекаюалвго в емкость 1 5. датчик 5 плотности бурово го раствора, вытекающего из емкости 1, задатчик б нлотностп бурового раствора, задатчик 7 плотности порошкообразного утяжелителя S прснордио-- нальньш регул.чтор 8, блок 9 комчеп-- сации, сумматор 0; переключатель 1 режима утяжеления 5 AHCKpetiiiift преобразователь 12 н пгреыешиваю Шй уз ел 13 s

Блок 9 компенсации содерлшт первый и второй блоки 14 :-- 15 вь пг Х анкя блок 16 деления и блок 17 умножения,.

Дискретный преобразователь 12 включает задатчик 18 веса дискретной норции утяхселителя, задатчик 19 времени поступления дискретной норции утяжелителя, интегратор 20, компаратор 21, управляемьш таймер 22, первый и второй одновибраторы 23 и 24, RS-триггер 25, нервый и второй логические элементы ИЛИ 26 и 27 и логический элемент И 28

Способ осуществляют следующим образом,

В ei- KOcTb 1 ,дпя поддержания требуемой плотности бурового раствора при помощи дозирующего узла 2 добавляют некоторое количество порошкообразного утяжелителя 5 плотность которого р, заведомо больше заданной плотности раствора

р,ол (т.е, р,

Поступающий в емкость 1 порошкообразный утяжелитель при помощи перемешивающего узла 13 равномерно распределяется по всему объему емкости В результате за счет добавления тяжелой фракции плотность раствора на выходе из емкости i увеличивают до пеобходимой величинь, когда обеспечивается равенство

Р вых рзод S

(U

Инл енсивность поступления утяжелителя регулируется дозирующим узлом 2 и характеризуется объемной

515

производительностью (расходом) QT, . .

Так как подача утяжелителя является единственным управляю1цим воздействием, обеспечивающим поддержание заданной плотности, оптимизация системы регулирования плотности буровог раствора состоит в определении такой оптимальной производительности .Qu „- дозирующего узла.2, при которой достигается минимум абсолютной величины разности между текущим и заданньм значениями плотности раствора на выходе из емкости 1 в течение всего процесса бурения, т.е.

/Реыу -pio.. (2)

Сущность способа состоит в том, что производительность Qh дозирующего узла 2 определяют как сумму пропорциональной Q „р и компенсационно Qtj од,п составляющих:

.p- Q4v oMn (3)

о о г о.

при этом пропорциональная составляющая задается линейным законом пропор ционального регулирования:

О- яр кСрв -рздд) (где К - комплексный коэффициент усиления регулятора 8,

а компенсационная составляющая определяется по формуле

л Р гад. Pax л /cs P(J- РМ, вx .- -v

Как видно из выражения (5), компенсационная составляющая производительности подачи утяжелителя зависит только от параметров втекающего в ем- .кость 1 раствора ( Ову)и от известной по технологической карте - плотности утяжелителя ри и не зависит от плотности раствора на выходе из скважины и, следовательно, является безынерционной, Toe, не зависит от запаздывания, связанного с процессом перемешивания утяжелителя, поступающего из дозирующего узла 2 в ем- , кость I..

Из анализа математической модели процесса утяжеления следует, что определенная в соответствии с вьфаже- нием (5) величина Qu ц.составляет большзта долю от оптимальной с точки зрения критерия (2) производительности QU опт дозирующего узла 2, т.е. для разности

8482

bQ-Qgonr Q« ко МП

справедливо утверждение

uQ«Q,onT.

(6)

Таким образом, дпя осуществления точного поддержания плотности регулятором 8 пропорционального типа необходимо добавить к компенсационной

составляющей полной производительности дозатора Qц добавку &.Q, Так как в случае малых отклонений пропорциональный регулятор 8 работает в линейном режиме, что гарантирует высокую точность, можно утверждать, что производительность подачи утяжелителя, сформированная как сумма Qunp+Qu омп с учетом выражений (4) и (55 будет

практически совпадать с оптимальным значением производительности дозирующего узла 2, при котором достигается приемлемый минимум величины (р gbijt

-ргад)

Если дозирующий узел 2 снабжен

дискретным исполнительным механизмом, работающим по принципу открыто - закрыто, то в соответствии с предлагаемым способом следует организовать

квазиоптимальный режим управления, состоящий в том, что утяжелитель подают в емкость 1 малыми фиксированными порциями весом ДР,д,. . Вес утя- желителя Р, поступающего в емкость 1 за время t при подаче его с некоторой производительностью Qu(t), определяется интегралом вида

Р JQ (t)dt.

л ff

(7)

Ап Поэтому, если подавать утяжелитель фиксированными порциями весом : ЛР 7,ад через промежутки времени At;,

удовлетворяющие уравнению At ,

АР

эад

1 on/)dt.

где Qii впт вычисленное в соответст- ВИИ с (3)-(5) значение

производительности,

В каждый момент времени суммарный вес утяжелителя, поступающего в емкость 1, будет практически совпадать с величиной, которая поступала бы в емкость 1 при непрерывной оптимальной производительности дозирующего узла 2, При этом качество регулирования тем лучше, чем меньше порции ДРздд , так как уменьшается влияние инерционности перемешивающей системы.

Математическое моделироиание nojcasa- ло, что прн производительноети диск- рет1-1ых дозирующик узлов порядка 10-15 т/ч порцию следует ограничи- азать величиной O I-OjS т При этом время открытого состояния дозирующего узла составляет миН; что вполне приемлемо с TO4iCri зрения управления заслонкойо

Таким образом, за с чет применения способа в установнвиемся режиме достигается практически оптимальная точность поддержания за,1,апной плотности бурового раствора как при ДЕВ- ..прерывном так и при дискретном режимах работы дозирующего узла 2„

Автоматизированная и.гЕркуляциоуг- ная системаэ реализующая способ; рг1бо тает следующим образомв

Требуемая плотность б урового раствора выставляется на задатчике 6 вручную или дистанционно от cиcтe hi автоматического унравле гия верхнего уровня (не показана), аналогично па задатчике 7 вьчставляется плотность применяемого в системе ут лжелителя,-, Информация от задатч. б-и. датч.чка 5 плотности бурового pacriiopa, зак 1чи-- ваемого в скзакину, поступает на первый и второй входы пропорцяональиот о регулятора 8, на выходе ко о пого . мируется сигнал пролорционап-.I.TJ

чи утяжелителя.

На входы блока 9 ксмлегс-гд:; -г к котором осуществл-лется опера1щя пы- Числения компенсадноппос сос: аЕ -;я1:1-- щей, поступают сигналы оч задатчика / плотности утялселителя задатчика 6 плотности бурового раствора на входе- в скважину и датчиков 3-й 4 расхода и плотности бурового раствора, вте-- ка 02;его в емкость 1 з Вкэдяш.ие в состав блока компенсадии арифметические блоки 14 и 15 вычитарг.и;-,., блок 16- деления и блок 17 умножения обеспечивают формирование электрического сигнала, нропорднонального ватичипе ком- ненеав;ионной составляющей |.,v.n изводите.ггьности подачи утяжепителя, которая в соответстБРП с предлгггаемым способом вычисляется по формула

С выхода сумматора iO аналоговый сигнал, пронорциональ:Гь й оптимальной интенсивности Оцэпт подачи утяжелителя, поступа-ет на переключатель 1 режима утяжеления с. Если в системе используется дозь руюпше устройство иропорнионального тина с переменной нронзводительностью подачи, то переключатель 11 устанавливают в положение Анатюг. При этом аналоговый сигргал с выхода сумматора 10 через первый нормально замкнутый контакт переключателя 11 поступает па аналоговый вход дозирую Щего узла 2, который обеспечивает поступление утяжели таля в ем1сос:ть 1 с ироизВодителы-гос-- тьЮ; равной:

-; - ;5конп упр-Если дозирующий узел 2 снабжен исполнительным механизмом дискретного типа, работаюи.им по нриндипу закрыто-открыто и обесцвечивающим в от- KpbiTOM состоянии одну фнксирО занную производительность подачи утяжешите- ля; то перз ключЕтель li ре;лима утяжеления устсг алливашт з положзние

Дискр; ; В ЗТО1-- случае аналоговый сигкап Q, ,,, с вь хода сум штора 1G поступает через /торой контакт пере- к,1;1очателя 1 на первый вход дискрет- И-; го преобразователя 125 на второй

.з:-:од которого через третий контакт 1ере:шючателя 1 1 нодэ.ется напряжение ;юг(еческой едиинды от вь-ещнего источ- Hiu-ca опорного сигнала (не показан) е Сигнал логической единицы с вто™

рого входа дискретного преобразователя поступает на первый одновибра- тор 23, формирующий кратковремегнный прямоугольный имнульСэ который через nepiibni элемент ИЛИ 26 поступает на

Триггера 25.i В результате на выходе триггера 25 форг- ируется уровень логической едикиды, что сокрыть дозатор о Одновременно импульс с выхода первого элемента I lJUi 26 своим передним фронтом сб;;-:у1ьяет (сбрасывает) интегратор 20 и через второй элемент ИЛИ 27 таймер 22, а своим задним фронтом тот же И14пульс занус- кает интегратор 20 и таймер 22s По истечении времени & t,.(,;, j величина которого вводится в таймер 22 с задатчика 19s вЕлходе таймера 22 формируется кратковременный имнульсд

который через второй элемент ИЛИ 27 .сбрасывает таймер 22 и через элемент i И 28 поступает на S-вход триггера 25, в результате чего на его выходе устанавливается уровень логического нуля, что соответствует команде Дозатор закрыть. Необходимое время St .д устанавливается по формуле

.«А

/Q,

где Од - паспортная производительность открытого дозивующего узла 2

При этом за промежуток времени ,-, в емкость 1 поступает порция утяжелителя весом feP,, ,

Интегратор 20 запущенный одновременно с таймер ом 22, Формирует сигнал, пропорциональный интегралу от Оптимальной производительности дозатора QjioTiT 5 который сравнивается на компараторе 21 с уставкой, поступающей с задатчика IB, пропорциональной заданному весу порции утяжелителя

йР адПусть через некоторый интервал времени (причем и д ), , отсчитываемый от момента запуска -интегратора 20 (совпадающего с моментом предьщуиего открытия дозирующего узла 2); величина интервала от оптимальной прог зводитепьности подачи сравняется с уставкой U Р д В этот момент на выходе компаратора 21 формируется уровень логической единицы3 который возбуждает второй одновибратор 24 Выходной импульс последнего через первый ИЛИ 26 .устанавливает триггер 25 в состояние логической единицы, т,е, формирует команду Открыть дозатор. Таким образом, время At; между-двумя откры-, тиями дозирующего узла 2 COOTBBI CT- вует времени, необходимому для поступления в емкость I порции утяжелителя весом --Р непрерывной подаче с оптимальной производительностью. Положительный импульс с прямого выхода второго одновибратора 24 одновремено с открытием дозирующего узла 2 осуществляет обнуление и пов- тотэнъш зап-уск интегратора 20 и таймера 22; что обеспечивает автоматическое поддержание описанного цикла.

При переходных процессах, например, когда в силу технологической необходимости опйратор резко увеличивает уставку по плотности Ргад на задатчике 6. может на некоторое время возникнуть ситуация, при

которой расчетное значение Quonr на выходе сумматора 10 станет больше максимальной производительности Qa открытого дозирумщего узла 2, В этом случае интервалы времени А С;, через

которые формируется открываюгций до- зирующдчй узел 2 импульс одновибратора 24 и осуществляется перезапуск интегратора 20 и таймера 2.2 j будут меньше за.данной уставки по времеьги

bt ,,д (т.е. .,Qд), При этом до- зирую11ртй узел 2 будет открыт до тех пор, пока плотность раствора в емкости 1 снова не приблизится к величине Ръад настолько, что расчетное значение оптимальной производительности QI, pj,.. станет меньше максимальной про- изводитапьности дозирующего узла 2, i после чего циклический процесс подачи утяжелителя порциями по tiP

за А,

возобновится.

Элемент И 28 разрешает прохож.де- ние импульса с таймера 22 на закрытие дозирующего узла 2 только при отсутствии импульса на прямом выходе вто- рого одновибратора 24, Это позволяет избежать неопределенности в случае одновременного появления импульсов на выходах второго одновибратора 24 и .таймера 22, что возможно при случай- ном равенстве величин Q u.n-r--Оаi

7l и

Применение предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет под.дерлсать заданную плотность бурового раствора в глубоких сквахсинах и обеспечить высокую точность регулирования при работе с дозирующими узлами как пропорционального, так и дискретного действия,

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я

16 Способ автоматического поддержания заданной пл отности бурового раствора 3 включаюг(ий установление

заданного н определение текущего значений плотности на выходе из приемной емкости, определение текущего значе- НИН плотности на входе приемной емкости, определение nponopiu опальной

составляющей расхода утяжелителя,

подачу утяжелителя в приемную емкость в процессе циркуляции бурового раствора в объеме, пропорциональном разности тек тдего и заданного ТНПЧР.ННЙ

1115

плотности на выходе из приемной емкости с учетом значения плотности на входе приемной емкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поддержания плотности путем .пода.чи утяжелителя с оптимальной Производительностью, определяют расход .бурового раствора на входе в приемную емкость и плотность утяжелителя, определяют компенсационную составляющую производительности подачи утяжелителя по фЬ15муле

О P.flP-. - о

.омп

где заданная ш1.отность бурового раствора;

Рвх плотность бурового раствора иа входе в емкость; РЧ. - плотность утяжелителя; Q - - расход поступающего в емкость бзфового.раствора, а оптимальную производительность подачи утяжелителя определяют как сумму пропорциональной и ко шенсационно составляюЕ их утяжелителя.

2, Способ по п. 15 о т л и ч а ю- ц и и с я тем, что утяжелитель подают в емкость заданньи-ш порциями, при-этом интервалы времени между очередными подачами утяжелителя определяют из соотношения

jQ on/-dt -AP,«,

- интервал времени между предыдущей и очередной пода-чами; / . . - оптимальная производительность подачи утяжелителя

Рздл заданный вес порции утяжелителя, , . .

12

пенсации, сумматором, переключателем режима утяжеления, дискретным преобразователем, при этом первый, второй,

с третий и четвер тый входы блока ком-;-- пенсации подключены соответственно к выходу задатчика плотности бурового раствора, установленному на входе в прием1{ую емкость, второму датчику

10 плотности бурового раствора, задатчи- ку плотности утяжелителя и выходу расходомера, выход блока компенсации соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к вы15 ходу пропорционального регулятора, выход соединен через первый нормально замкнутый контакт переключателя режима утяжеления с аналоговым входом дозирующего узла, дискретный

20 вход которого связан с выходом дискретного преобразоыатаая, первый и второй входы которого подключены соответственно к второму и третьему нормально разомкнутым контактам пере25

ключатштя режима утяжеления о

4о .Система по п. 3, отличающаяся TBMj что дискретный преобразователь выполнен в виде задатчика веса порции утялселителЯз задатчи ка времени поступления порции утяжелителя, интегратора, компаратора, . таймера, первого и второго одновибра- торов, RS-триггера, первого и второго

логических элементов ИЛИ, логичесг-. , кого элемента И, причем второй вход дискретного преобразователя соединен с входом первого одновибратора, пер-- вый вход подключен к входу интегратора, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора подключен к-задатчику вес порции утяжелителя, выход соеди.нен с входом второго однозибратора, .

прямой выход которого подключен к первому входу первого элемента , второй вход которого соединен с выходом первого одновибратора, выход подключен к S-входу.триггера, установочному и управляющему входам интегратора, управляющему входу таймера и первому входу второго элемента ИЛИ, вы- ход которого соединен с установочным входом таймера, вход которого

; подключен :К задатчику времени поступ- ления порции утяжелителя, выход сое- динен с вторым входом второго элемента ИЖ и первым входо м элемента И, второй вход которого связан с инверсным выходом второго одновибратора, выход которого является выходом диск- выход соединен с R входом триггера, ратного преобразователя.

W

21

1 К J

22

f

28

..m 9

.

18

20

Р Рзад

21

г

2

2

26

25

i2

Фиг. 2