Построение структурных схем буровых автоматических регуляторов

Повышение производительности труда путем назначения оптимальных режимов бурения, определения момента окончания рейсовой углубки, предупреждения аварийных ситуаций, с учетом стоимости породоразрушающего инструмента (ПРИ) и эксплуатации оборудования, может быть достигнуто при внедрении в практику сооружения скважин сложных автоматических систем с использованием микропроцессоров и ЭВМ, но пока что будут разрабатываться простые эффективные в работе буровые автоматические регуляторы (БАР).

Ниже рассматриваются вопросы, касающиеся автоматизации процесса бурения, общие принципы построения структурных схем БАР, узлы и звенья автоматических систем, их назначение и место в структурной схеме.

Структурные схемы наиболее полно отвечают быстрейшему восприятию принципа работы системы, наиболее наглядны и наилучшим образом помогают уяснять и увязывать воедино автоматическую систему и технологический процесс.

Структурная схема автоматической системы может быть построена по принципиальной электрической схеме, по алгоритму работы, по описанию работы в автоматическом цикле узлов системы для осуществления технологического процесса. Звено системы в структурной схеме может быть представлено дифференциальным, алгебраическим уравнением, передаточной функцией, графической зависимостью, функциональным назначением (названием) узла (звена).

Разработке структурных схем БАР предшествует определение алгоритмов работы буровых автоматических систем, что является во многих случаях сложной задачей, и сама разработка структурных схем ведется с глубоким знанием техники и специфически сложных технологических процессов. Для реализации структурных схем необходимо проведение предварительных исследований, в частности по определению передаточных функций многих звеньев системы.

В общем случае система имеет несколько входных и выходных параметров (величин). Входными параметрами являются напряжения уставок (задающие напряжения — (УзлдХ напряжение питания бурового двигателя ?/_Бд и др. Выходными (регулируемыми, контролируемыми, стабилизируемыми) параметрами являются углубка L, крутящий момент на роторе М, затраты мощности N, частота оборотов п, расход промывочной жидкости Q, усилие на крюк талевой системы Gkp, осевая нагрузка G_oc и др.

При построении структурной схемы безусловным является представление технологического процесса, техники, назначения используемых узлов и звеньев, определение точек съема сигнала, принятие конкретных датчиков (или с известным принципом работы), необходимо определить прохождение сигналов и работу системы в целом. Это позволит расчленить систему на звенья, установить связи между ними, определить входные и выходные параметры звеньев.

Структурные схемы автоматических систем (и подсистем) лучше просматриваются, если их строить в линию с прохождением сигналов слева направо (кроме сигналов обратной связи).

Многие структурные схемы автоматических систем начинаются с сумматора, и входной величиной является напряжение задатчика ?/зад (рис. 4.4).

Уравнение сумматора и^_АД± U₀c ± Uoa ± ••• ⁼ At/. Все величины сумматора имеют одну размерность.

Суммарный сигнал AU часто имеет незначительную мощность, поэтому после сумматора ставится усилитель У. Усиленный сигнал подается на исполнительный механизм ИМ (реверсивный двигатель, соленоид и т. п.).

Рис. 4.4. Упрощенная структурная схема бурового регулятора:

У — усилитель: ИМисполнительный механизм; у_ос— звено обратной связи:

U — напряжение

Звенья системы, как и сама система, имеют в общем случае несколько входных и выходных параметров (рис. 4.5). Во внимание же принимаются главные (часто один) входной и выходной параметры. Выбор входного и выходного параметра звена может определяться соображениями необходимости нахождения (или она известна) передаточной функции данного звена или предыдущего и последующего звеньев.

Выбор точек съема сигнала (ТСС) определяет тип датчика (звена обратной связи), его сложность и сложность системы в целом. На рис. 4.6, а показан пример съема сигнала, пропорционального усилию на крюк G_Kp (или осевой нагрузке G₀c) или скорости подачи верха бурового вала Уц, со звеньев БАР — лебедки Л и талевой системы ТС.

Рис. 4.6. Примеры сложных звеньев.

Съем сигнала не со входа и не с выхода звена означает, что это звено сложное. Пояснить это можно на примере электродвигателя, загрузка которого контролируется по потребляемому току. Входом звена (электродвигателя) является напряжение (?/_Бд), выходом — крутящий момент М, угловая скорость со (или частота оборотов я), угол поворота вала (р. Следовательно, съем сигнала по току может быть представлен так, как это показано на рис. 4.6, б; для этого используется трансформатор тока ТТ.

Буровые автоматические регуляторы будут включать регулируемый привод РП. Упрощенная структурная схема регулируемого привода показана на рис. 4.7. Угловая скорость со контролируется тахогенератором ТГ, конкретное значение скорости устанавливается с помощью задатчика — ?/здд. В звено «двигатель» — ДВ может входить и редуктор Ред, изменяющий выходные параметры в / раз.

Рис. 4.7. Упрощенная структурная схема регулируемого привода.

В буровых автоматических регуляторах широко используется принцип регулирования по отклонению, когда контролируется отклонение регулируемой величины от заданного значения, независимо от вызвавших ее причин — возмущающих воздействий в виде смены горных пород, изменения глубины, искривления, зашламования скважины, изменения напряжения силовой цепи, температуры окружающей среды и т. п.

Рассмотрим варианты наиболее простых автоматических систем подачи инструмента и на их примере проиллюстрируем выше приведенные положения.

При сооружении глубоких скважин подача инструмента осуществляется с лебедки; лебедка Л и талевая система ТС являются обязательными звеньями БАР.

Структурная схема бурового автоматического регулятора подачи инструмента с лебедки может быть представлена, как это показано на рис. 4.8. На рис. 4.8 показана и подсистема защиты от перегрузки, контролирующая потребляемый буровым двигателем БД ток /б_Д.

Рис. 4.8. Упрощенная структурная схема БАР:

У — усилитель: ИМ — исполнительный механизм: Л — лебедка:

ТС — талевая система; БИ — буровой инструмент: ДЗ — звено «долото — забой»;

БД — буровой двигатель; ТТ трансформатор тока

Рассмотрим отдельные звенья данной структурной схемы.

В буровых установках глубокого бурения на нефть и газ при свободной подаче инструмента лебедкой управляет силовой узел (исполнительный механизм ИМ) в виде электрического двигателя подачи ДП, элсктродиффсрснциального редуктора, гидравлического, фрикционного узла и т. п. Регуляторы подачи инструмента могут изменять скорость подачи по величине и направлению — активные регуляторы (рис. 4.9, а) или только по величине-пассивные регуляторы (рис. 4.9, б).

Рис. 4.9. Звенья активного (а) и пассивного (б) БАР

Буровые регуляторы, работающие в функции загрузки бурового двигателя БД, в качестве звена обратной связи, контролирующего загрузку БД, могут включать трансформатор тока ТТ (см. рис. 4.6, б).

На рис. 4.10 показаны несколько вариантов съема сигнала, пропорционального усилию на крюк Gkp (или осевой нагрузке G₀c);

При точке съема сигнала ТСС1 датчик пристраивается к ходовой ветви талевой системы; при ТСС2 — датчик связан с рабочими струнами или с неподвижным концом каната талевой системы; при ТССЗ — датчик связан с крюком талевой системы (или с талевым блоком). В зависимости от принятой ТСС принимается то или иное конструктивное решение датчика, его тип и принцип работы. В одном случае датчик необходимо разрабатывать, в другом случае датчик может быть принят из серийно выпускаемых.

Рис. 4.10. Варианты съема сигнала, пропорционального усилию на крюке.

В подтверждение выше сказанного рассмотрим две структурные схемы бурового регулятора — стабилизатора расхода промывочной жидкости, реализующего алгоритм Q = const (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Структурные схемы стабилизаторов расхода промывочной жидкости О: а — косвенный контроль расхода жидкости; б — непосредственный контроль расхода жидкости.

Контролировать можно сам параметр Q (схема б) или пропорциональный ему параметр, в данном случае п (схема а). Отсюда различны ТСС, соответствующая структурная схема и степень сложности бурового регулятора. Наиболее желательным является контроль самого параметра.

Достоинством первой схемы бурового регулятора являются простота схемы и се реализации, применение серийно выпускаемых узлов. Но по этой схеме контролируется не сам параметр Q — расход промывочной жидкости, а частота оборотов п приводного двигателя БД. Данный вариант стабилизатора расхода промывочной жидкости предполагает строгое соблюдение зависимости Q = к п (к — коэффициент пропорциональности). А это означает, что в зумпфе постоянно должна быть жидкость, не должно быть оголения храпка, его засорения, должны быть исправны манжеты, цилиндры, клапанная система, всасывающий шланг и т. д. Но на практике эти требования могут быть нарушены, и нет гарантии от возникновения аварийной ситуации. В принципе первая схема — это схема регулируемого привода, и измерительный прибор ИП контролирует частоту оборотов вала двигателя я, а не расход Q.

Таким образом, упрощение схемы регулятора требует дополнительных технических средств для уменьшения или исключения отрицательных моментов при его эксплуатации.

По второй схеме стабилизатора контролируется непосредственно расход Q. При применении сигнализатора уменьшения или прекращения подачи жидкости в скважину здесь исключается аварийная ситуация. Но вторая схема обладает и недостатками: требуется разработка датчика расхода промывочной жидкости ДР, требуется разработка исполнительного механизма ИМ, например, регулятора положения заслонки или крана (соленоид, двигатель и т. п.), кроме того, требуется и ограничитель частоты оборотов вала двигателя в случае резкого уменьшения расхода жидкости.

Таким образом, при принятии к реализации той или иной структурной схемы регулятора требуется всесторонний анализ, выявление ее достоинств и недостатков.

При реализации алгоритма может быть несколько вариантов структурных схем. Остановимся на значении принятого знака обратных связей при построении структурных схем. Знак обратной связи может быть различным даже при одинаковой структурной схеме регулятора. Но в зависимости от знака обратной связи будет тот или иной принцип работы и конструкция звеньев. И этот момент должен быть проанализирован с точки зрения технологии процесса, безаварийности работ, техники безопасности.

Проиллюстрируем это примером. Регулятор осуществляет подачу инструмента с лебедки, исполнительный механизм — соленоид — управляет тормозной системой лебедки, осуществляя подачу. Вариант первый: соленоид работает на растормаживанис полностью застопоренного силовой пружиной барабана. И второй вариант: соленоид затормаживает барабан лебедки в соответствии с подаваемым на его вход сигналом. Простейший анализ показывает, что наиболее приемлема первая схема работы. Здесь в случае отключения регулятора (например, по причине отключения электроэнергии) под воздействием силовой пружины будет приостановлена подача инструмента, что предупредит возникновение аварийной ситуации (падение инструмента).

При построении структурных схем сложных БАР, осуществляющих взаимосвязанное регулирование, в структурную схему вводятся делители напряжения, функциональные преобразователи и другие элементы.

На рис. 4.12 приведена обобщенная структурная схема БАР, возможная к реализации при любом способе подачи инструмента (со шпинделя или с лебедки). БАР включает регулятор подачи верха бурового вала и регулируемый привод.

Рис. 4.12. Обобщенная структурная схема БАР (В.Г. Храменков).

При подаче с лебедки в качестве рабочего органа РО принимается силовой узел-лебедка-талевая система; при подаче со шпинделя — система подачи данных конкретных станков (для станков с гидравлической подачей — система гидравлической подачи). Задание напряжений уставок и работа функционального преобразователя производится в соответствии с алгоритмом работы автоматической системы. При наличии датчиков Д (получении сигналов, пропорциональных параметрам) целесообразно включение в схему измерительных приборов ИП для визуального контроля тех или иных параметров технологического процесса.

Для оптимизации процесса бурения требуются более сложные автоматические буровые регуляторы.

Оптимальное сочетание параметров режима бурения является основой для автоматизации этого процесса. Это дает основание представить систему «буровой станок-буровой инструмент-ПРИ-забой» как объект автоматического регулирования.

Система имеет входные параметры: осевая нагрузка Goo интенсивность промывки Q, частота вращения п. К выходным параметрам относятся: углубка L (механическая скорость бурения У_м как производная по времени от углубки), крутящий момент М и потребляемая мощность N. К возмущающим воздействиям/относятся: изменение свойств буримых пород, состояние ПРИ, зашламованность забоя, искривление скважины и др.

Для автоматизации процесса бурения необходимо выявить влияние входных параметров и возмущающих воздействий на выходные параметры. Кроме того, нужно в любой момент времени установить такое сочетание входных параметров, при котором бурение наиболее экономично. Только в этом случае применяемый режим бурения можно считать оптимальным.