Система управления процессом бурения Советский патент 1991 года по МПК E21B44/00 

Изобретение относится к бурению, а именно к управлению проходкой восстающих выработок с предварительным проведением опережающей скважины.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения за счет разбу- ривэния восстающей в оптимальном режиме.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема блока усреднения; на фиг. 3 - фу нкци- ональная схема блока коррекции; на фиг. 4 -схема переключателя режима работы; на фиг. 5 - функциональная схема счетчика интервалов проходки; на фиг. 6 - вре- менные диаграммы работы счетчика интервалов проходки при бурении и разбу- ривании: а - в одном направлении; б - в противоположном направлении; на фиг. 7 - изображен блок управления процессом бурения.

Система управления процессом бурения содержит блок 1 управления процессом бурения, блок 2 ключей, регуляторы; частоты вращения 3 и подачи 4, датчик 5 проходки, блок 6 усреднения, счетчик 7 интервалов

гфокодш, ана/шгово-цифровые преобразователи 8 и 9, блок 10 памяти, блок 11 коррекции, цифро-аналоговые преобразователи 12 и 13, переключатель 14 режима работы.

Блок 1 управления процессом бурения соединен с блоком 6 усреднения и блоком 2 ключей, причем первый и второй информационные выходы блока 1 управления процессом бурения связаны соответственно с первым и вторым информационными входа- ш блока 2 ключей и блока 6 усреднения. Выход датчика 5 проходки соединен с первым входом счетчика 7 интервалов проходки и третьим (управляющим) входом блока 6 усреднения. Первый и второй информационные выходы блока 6 усреднения последовательно соединены соответственно через аналогово-цифровой преобразователь 8 и анаяогово-цифровой преобразователь 9 с первым и вторым информационными входами блока 10 памяти и первым и вторым информационными входами блока 11 коррекции соответственно. Первый управляющий выход перключателя 14 режима работы соединен с третьим (управляющим) входом блока 10 памяти и третьим (управляющим) входом счетчика 7 интервалов проходки, второй (управляющий) вход которого связан с вторым управляющим выходом переключателя 14 режима работы. Первый выход счетчика 7 мнтервалов проходки соединен с четвертым (адресным) входом блока 10 памяти, первый и второй информационные выходы которого соединены соответственно с третьим и четвертым информационными входами блока 11 коррекции. Второй (управляющий) выход счетчика 7 интервалов проходки связан с пятым (управляющим) входом блока 2 ключей и пятым (управляющим) входом блока 11 коррекции. Первый и второй информационные выходы блока 11 коррекции соответственно через цифроаналогсвый преобразователь 13 и цифроаналоговый преобразователь 12 связаны с TpjTbHM и четвертым информационны входами блока 2 ключей соответственно. Первый информационный выход блока 2 ключей соединен с первым входом блока 1 управления процессом бурения через регулятор 4 подачи долота, а второй информационный выход с вторым входом блока 1 управления процессом бурения через регулятор 3 частоты вращения.

Блок 1 управления процессом бурения осуществляет поиск оптимального режима бурения и воздействует на регуляторы подачи долота и частоты вращения бурового става.

Блок 10 памяти осуществляет запоминание и считывание информации по адресу

формируемого счетчиком 7 интервалов проходки.

Устройство работает следующим образом.

8 режиме бурения сигналы режимных

параметров усилия подачи и частоты ара- щения от блока 1 управления процессом бурения через блок 2 ключей поступает на регуляторы подачи 4 и частоты вращения 3.

0 Одновременно сигналы усилия подачи и частоты вращения поступают в блок 6 усреднения, где происходит их усреднение на интервале между двумя импульсами датчика 5 проходки. С блока 6 усреднения усред5 ненные значения сигналов записываются в блок 10 памяти по адресам номеров текущих интервалов проходки. Адрес записи формируется счетчиком 7 интервалов проходки.

0 В режиме разбуривания переключателей режима работы 14 переводит блок 10 памяти в режим воспроизведения и Счетчик 7 интервалов проходки в режим разбурива- ния.

5 Процесс разбуривания можно разделить на две стадии: забуривание и саморазбурива- ние. Продолжительность забуривания три интервала проходки. Интервал проходки - внедрение бурового инструмента в породу

0 на длину одной штанги бурового става. Забуривание заканчивается при внедрении разбуривателя в породу на три штанги бурового става, так как размеры разбуривателя не позволяют провести эту операцию за

5 один интервал проходки, только на третьем интервале проходки все шарошки разбуривателя вступают в процесс разбуриоания.

В процессе забуривания от блока 1 управления процессом бурения сигналы ре0 жимных параметров поступают через блок ключей 2 на регуляторы подачи 4 и частоты вращения 3. Эти же сигналы, усредненные на интервале проходки в блоке 6 усреднения через АЦП 8 и 9 поступают на первый и

5 второй входы блока 11 коррекции. В блок 11 коррекции для этих интервалов проходки с блока 10 памяти на третий и четвертый входы поступают значения режимных параметров усилия и частоты вращения долота

0 записанные для режима бурения. В блоке 11 коррекции определяется и запоминается отношение сигналов от блока 6 усреднения и блока 10 памяти Результат деления представляет собой коэффициент приведения

5 параметров режима бурения к параметрам режима разбуривания.

По окончании третьего интервала проходки забуривание заканчивается и начинается разбуривание передовой скважины. При этом высокий логический уровень со

второго выхода счетчика 7 интервалов проходки переключает входы блока 2 ключей с блока 1 управления процессом бурения на блок 11 коррекции, и выводит блок 11 коррекции из режима вычисления коэффициента приведения.

В дальнейшем для текущих интервалов проходки, подсчитываемых счетчиком 7 интервалов проходки, с блока 10 памяти значения режимных параметров, соответствующие этим номерам, поступают в блок 11 коррекции, где умножаются на вычисленный ранее коэффициент приведения, С блока 11 коррекции сигналы подачи и частоты вращения, известные для режима бурения на текущем интервале проходки, но приведенные к режиму разбури- вания на том же интервале через блок 2 ключей поступают на регуляторы подачи 4 и частоты вращения 3.

Таким образом, при проведении передовой скважины на текущем интервале проходки усредняют и запоминают значения режимных параметров по номеру этого интервала, при разбуривании передовой скважины по номеру текущего интервала вспоминают ранее записанные параметры, уточняют их для режима раз- буривания и подают на регуляторы подачи и частоты вращения, что позволяет исключить при разбуривании непроизводительную операцию по поиску оптимального режима.

Блок 6 усреднения (фиг. 2) выполнен в виде последовательно соединенных первого инегратора 15, первого делителя 16, первого устройства выборки-хранения (УВХ) 17 и параллельно им последовательно соединенных второго интегратора 18, второго делителя 19, и второго УВХ 20. Блок содержит также счетчик 21, цифро- аналоговый преобразователь 22 и таймер 23. Выход ЦАП 22 связан с вторыми входами делителей 16 и 19, выход таймера 23 связан также с вторыми входами УВХ 17 и УВХ 20.

Сигнал от датчика 5 проходки запускает таймер 23 и одновременно поступает на вторые входы инеграторов 15 и 18 и первый вход счетчика 21, устанавливая их в нулевое состояние. На первые входы интеграторов 15 и 18 поступают значения режимных параметров осевого усилия и частоты вращения от блока 1 управления процессом бурения. С выходов интеграторов 15 и 18 сигналы, пропорциональные интегралу осевого усилия и частоты вращения поступают на первые входы делителей 16 и 19, на вторые входы которых поступает сигнал, пропорциональный числу импульсов таймера 23, непрерывно подсчитываемых счетчико. 21 и преобразованный ЦАП 22 в аналоговый, на данный момент времени.Такимобразом,с выходов

делителей 16, 19 сигналы осевого усилия и частоты вращения пропорциональные среднему значению поступают на первые входы УВХ 17 и 20, где осуществляется их выборка и хранение. Сигналом на выборку

0 являются сигналы таймера 23, поступающие на вторые входы. Новый сигнал датчика проходки 5 перезапускает таймер и цикл работы повторяется.

Блок 11 коррекции (фиг. 3) выполнен в

5 виде последовательно соединенных первого делителя 24, первого параллельного регистра 25, первого умножителя 26 и параллельно им последовательно соединенных второго делителя 27, второго параллельного регистра

0 28 и второго умножителя 29.

С блока 6 усреднения через второй АЦП 9 сигнал осевого усилия поступает на первый вход первого делителя 24, на второй вход которого поступает сигнал с блока 10

5 памяти, работающего в режиме воспроизведения, результат деления поступает на первый вход первого параллельного регистра, на выходе которого сигнала кет, поэтому отсутствует сигнал на выходе первого умно0 жителя 26. По окончании забуривзкия. т.е. третьего интервала проходки сигнал со второго выхода счетчика 7 интервалов проходки поступает на второй вход первого параллельного регистра 25 По этому сигна5 лу результат деления с входа параллельного регистра 25 передается на выход и остается без изменений на протяжении всей последующей работы. С выхода параллельного регистра 25 сигнал поступает на первый

0 вход первого умножителя 26. на второй вход которого поступают сигналы с блока 10 памяти. Произведение этих сигналов на выходе первого умножителя 26 представпяет собой сигнал, поступающий с выхода блока

5 10 памяти, но приведенный к масштабу сигнала с блок 6 усреденения. Операции над сигналом частоты вращения, в которой задействованы второй делитель 27, второй параллельный регистр 28 и второй умножи0 тель 29 осуществляется аналогичным образом.

Переключатель 14 режима работы (фиг. 4) выполнен в виде следующих элементов: трехпозиционного переключателя Si, к

5 первому выходу которого последовательно подключены элемент НЕ 30, второй вход элемента НЕ 31, элемент НЕ 32, к третьему выходу последовательно подключены элементы НЕ 33, второй вход элемента И-НЕ 34, элемент НЕ 35.

Переключатель 14 работает следующим образом.

При установке переключатели Si в 1-е лоло-хение на входе элемента НЕ 30 низкий логический уровень. Выход элемента НЕ 30 соединен с вторым входом элемента И-НЕ 31, на котором устанавливается высокий уроаень, так как на первом пходе элемента И-НЕ 31 постоянно высокий логический уровень, то на выходе устанавливается низким уровень. Элемент НЕ 32 устанавливает из первом выходе переключателя 14 высо- хий логический уровень. На входе элемента НЕ 33 высокий логический уровень источника питания. Выход элемента НЕ 33 соеди- ьз - с вторым входом элемента И-НЕ 34, на г, ;ором устанавливается низкий логический уровень, так как на первом входе элемента И-НЕ 34 постоянно высокий тзмчесчий уровень, то на выходе также ус тэм аливается высокий логический уровень. Элемент НЕ 35 устанавливает на втором «уходе переключателя 14 низкий уровень.

При установке переключателя Si во второе и третье положение элементы 30 - 35 работают аналогичным образом.

Работа переключателя приведена в чэбт 1.

Счетчик 7 интервэпов проходи. (фиг. 5) состоит из дифференцирующего элемента 36, триггера 37, дешифратор 38, реверсивного счетчика 39. двух элементов 2 ИЛИ- НЕ 40 у. 41, элемента ИЛИ 42 сдвигового pein- стрз 43.

Дешифратор 38 подключает к первому входу суммирующий вход реверсивного счет мка 39 при логических уровнях на втором и третьем входах О и 1 (1 и О) соответственно и вычитающий вход реверсивного счетчика 39 при О логическом уровне сигнала на втором и третьем входах.

Диффере 1цирующий элемент 36 при изменении не втором входе логического уровня входного сигнала с низкого на высокий, формирует единичный импульс, ус- танавлии ющий в нулевое состояние реверсивный счетчик 39 и изменяет состояние - риггера 37.

Сдвиговый регистр 43 предназначен дли задержки при разбуривании на три ин- 1 ерзала проходки появления логической 1 втором выходе. Режимы работы счетчика 7 интервалов проходки приведены в табл. 2 Все режимы задаются переключателем режим работы 14.

Работа счетчика 7 интервалов проходки при различных режимах работы иллюстрирована временными диаграммами (фиг 6}

В режиме бурение импульсы отдатчика 5 проходки (Uixi, фиг. 6а) поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика

39 (Uflbixi). С выхода реверсивного счетчика 39 номер (адрес) текущего интервала проходки поступает на четвертый (адресный) вход блока 10 памяти.

В режиме разбуривание (в направлении бурения) высоким логическим потенциалом со второго входа счетчика 7 интервалов проходки реверсивный счетчик 39 устанавливается в нулевое состояние, изменяется состояние триггера 37. Импульсы

от датчика 5 проходки поступают на суммирующий вход реверсивного счетчике 39

(Uibixi. фиг. 6а). Счетчик интерьачов проходки начинается с нуля, так как разбуривание ведется в том же направлении, что и буре- ние, С выхода реверсивного счетчика 39 адрес текущего интервала проходки поступает на адресный вход блока 10 памяти. Одновременно импульсы от датчика 5 проходки через элементы 41, 42 поступает в сдвиг о., ,, ,47

выи регистр 43 (ивых), где происходит задержка появления на втором выходе логической 1 три интервала проходки

(иЗых )

В режиме разбуривание (в направлении, противоположном бурению) импульсы от датчика 5 проходки поступают на вычита

Й

гащии вход реверсного счетчика 39 (Увыжг, фиг. 6, б) Так как разбуривание ведется в направлении, противоположном направлению бурения, то отсчет интервалов проходки начинается от последнего интервала проходки в режиме бурения. С выхода реверсивного счетчика 39 адрес текущего интервала проходки поступает на адресный вход блока 10 памяти. Одновременно импульсы от датчика 5 проходки через элементы 40, 42 поступают в сдвиговой регистр 43

(вых фиг 6, б), где происходит задержка появления на втором выходе логической 1

на три интервала проходки (Увых , Фиг, 6, б).

На фиг. 7 приведена функциональная схема блока 1 управления процессом бурения. Данная схема является примером выполнения этого блока и является системой экстремального регулирования шарошечным бурением Такими и подобными устрой- ствами оснащаются буровые станки и комбайны Блок 1 управления процессом бурения, как правило, включает в себя гидросистему 44. пульт 45 ручного управления подачей, гидродроссель 46, исполнительный механизм 47 подачи, узел 48 автоматического регулирования частоты вращения, исполнительный механизм 49 (двигатель постоянного тока), а также узел 50 экстремального регулирования и узел 51 формирования экстремума по выбранному критерию.

Применение устройства обеспечивает исключение операций по поиску оптимальных режимов при разбуривании восстающей, что ведет к ускорению процесса строительства скважины,

Формула изобретения Система управления процессом бурения, содержащая блок управления процессом бурения, регулятор подачи долота, датчик проходки, блок усреденений, цифро- аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, а также блок памяти, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет разбуривания восстающей в оптимальном режиме, система снабжена блоком ключей, регулятором частоты вращения, счетчиком интервалов проходки, переключателем режима работы, блоком коррекции и вторыми цифроанало- говыми и аналого-цифровым преобразователями, при этом первый и второй выходы блока управления процессом бурения соединены с соответствующими входами блока

усреднения и блока ключей, первый и второй выходы которого соответственно через регуляторы подачи допотз и частоты вращения подключены к первому и второму входам блока управления процессом бурения, выход датчика проходки соединен с первым входом счетчике интервалов проходки и с третьим входом блока усреднения, первый и второй выходы которого через соответствующий аналого-цифровой преобразователь подключены к первому и второму входам блоков памяти и коррекции, первый выход переключателя режима работы соединен с третьим входом блока первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и четзертому входам блока коррекции, второй выход переключателя режима работы соединен с соответствующим входом счетчика интервалов проходки, первый выход которого подключен к четвертому входу блока памяти, причем первый и второй выходы блока коррекции через соответствующий цифро- аналоговый преобразователь соединены с

третьим и четвертым входами блока ключей, а первый выход переключателя режима работы соединен также с третьим входом счетчика интервалов проходки, второй выход которого подключен к пятым входам блока

ключей и блока коррекции.

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить эффективность бурения за счет разбуривания восстающей в оптимальном режиме. Система содержит блок 1 управления процессом бурения, регуляторы подачи 3 долота и частоты вращения 4, датчик 5 проходки, блок бусреднения, ЦАП 12 и 13, блок 10 памяти, АЦП 8 и 9, блок 2 ключей, счетчик 7 интервала проходчи, переключатель 14 режима работы и блок 11 коррекции. В процессе бурения передовой скважины оптимальные параметры (П) режима, формируемые блоком 1, усредненные в блоке 6, записываются в блок 10 памяти. Датчиком 5 проходки задаются интервалы усреднения, количество которых подсчитывается счетчиком 7 интервалов проходки. В процессе разбуривания фиксируют стадию забуривания, равную трем интервалам проходки. На этой стадии оптимальные П режима разбуривания из блока 1 и режима бурения из блока 10 для соответствующих интервалов проходки поступают в блок 1 I коррекции. В печи определяется коэффициент приведения П режима бурения к П режима разбуривания. По окончании третьего интервала проходки П, записанные в блоке 10, корректируются в блоке 11 и через блок 2 ключей поступают на регуляторы 3 и 4. Разбуривание производится при оптимальных П. 7 ил.

1 и О - означают логический уровень сигнала.

Таблица 1

Таблица 2

К $мку (J

г

/Г блоку 8 7

фиг.Ъ

И

з./№Ж

tt.JЦ ля

Х1

4NJ лг

г Я

У«ш7 ., J8

У«,я«

вМ

49

Бурение

бурение

вдте

Фив.

J

и

Разбурибание

Л

J

f

J

3

t

5