Глава 17

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

§ 1.Теоретические основы автоматического

УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

Процесс вращательного бурения скважин характеризуется неза­висимыми и зависимыми параметрами. К независимым относятся: осевая нагрузка на долото, частота его вращения, расход промывоч­ной жидкости. От этих параметров режима бурения, а также от механических свойств горных пород, конструкции и состояния долота зависят вращающий момент и скорость проходки (зависимые пара­метры).

Задача автоматизации процесса бурения заключается в автома­тическом изменении независимых параметров в функции изменения механических свойств горных пород и изменения состояния буриль­ного инструмента (долота и бурильных труб). При этом режим бу­рения должен обеспечивать максимальную скорость проходки, что достигается рациональным сочетанием нагрузки на долото, его ча­стоты вращения и расхода промывочной жидкости.

При ручном управлении процессом бурения нагрузка на долото регулируется бурильщиком изменением подачи бурильного инстру­мента с помощью тормозного устройства лебедки. Подача инстру­мента осуществляется уменьшением усилия на лентах тормозного барабана. Бурильные трубы (бурильный инструмент) под действием силы своего веса опускаются вниз (подача бурильного инструмен­та) до тех пор, пока бурильщик не затормозит барабан лебедки. При подаче бурильного инструмента осевая нагрузка ступенчато увели­чивается. По мере разбуривания горных пород и соответственно углубления долота осевая нагрузка уменьшается. Отпуская тормоз лебедки, бурильщик снова осуществляет подачу. При этом, очевидно, она осуществляется не плавно, а ступенчато.

Частоту вращения бурильного инструмента при роторном спосо­бе бурения можно изменять ступенчато, меняя подачу от привода к ротору. При бурении электробуром это выполняется с помощью гро­моздких частотных преобразователей. При турбинном бурении часто­та вращения зависит от нагрузки на долото. Расход промывочной жидкости можно изменять сменой рубашек бурового насоса, т. е. также ступенчато.

Таким образом, вследствие отсутствия плавнорегулирующих при­водов вращения долота и буровых насосов не имеется возможности осуществлять автоматическое регулирование частоты вращения до­лота и расхода промывочной жидкости. Исследования показывают, что наиболее эффективным в процессе бурения с нерегулируемым приводом является автоматизация подачи долота. Автоматическое регулирование подачи инструмента обеспечивает регулирование на­грузки на долото, что приводит к соответствующей скорости проход­ки (углубления скважин) при необхо­димом режиме промывки забоя сква­жины.

Р

ассмотрим характер изменения проходки в функции изменения на­грузки на долото при ручной и автоматической подаче бурильного инструмента. Во время ручной по­дачи бурильщик на короткое время освобождает тормоз барабана, ко­торый в этот промежуток повора­чивается на определенный угол, а бурильный инструмент опускается. При этом часть веса колонны пере­дается на забой, в результате чего увеличивается нагрузка на долото. По мере срезания породы долото опускается, уменьшается осевая нагрузка на него, а следо­вательно, и момент, передаваемый через бурильные трубы и долото, уменьшается до нулевого значения. Цикл этот изображен на рис. 17.1, где АБ—начальное давление на забой при освобождении тормоза, АВ — проходка. Площадь треугольника АБВ пропорцио­нальна работе, выполненной долотом за период рассмотренного цик­ла. Возьмем на этой диаграмме точку К, причем АК=АБ/2. Если из этой точки провести линию К.Л, параллельную оси абсцисс, то площадь прямоугольника АКЛВ будет равна площади треугольни­ка А БВ. Следовательно, по аналогии с предыдущим рассуждением, такая же работа может быть выполнена долотом при нагрузке и крутящем моменте в два раза меньших, если их поддерживать в те­чение всего цикла постоянными, т. е. если начальную нагрузку {АБ) все время поддерживать постоянной, то работа долота при тех же предельных напряжениях бурильного инструмента и всего оборудо­вания в два раза больше, чем при периодической подаче долота. Износ всего оборудования, обусловленный переменной нагрузкой, в отличие от переменных динамических нагрузок, характерных для ручной подачи, будет меньшим.

Таким образом, автоматическая подача бурильного инструмен­та обеспечивает: 1) увеличение механической скорости, 2) относи­тельное снижение крутящего момента в бурильных трубах, 3) умень­шение износа долота и соответственное увеличение проходки.

Для управления осевой нагрузкой можно воздействовать на перемещение верхнего или нижнего конца бурильной колонны. В первом случае устройство подачи долота УПД) располагается на

поверхности. Такие устройства называются наземными устрой­ствами подачи долота. Во втором случае УПД устанавли­вают в скважине вблизи забоя и называют их глубинными устройствами подачи долота.

Схема управления процессом бурения показана на рис. 17.2. Бурильщик, наблюдая за показаниями прибора при отклонении нагрузки на долото с целью приведения ее к заданному значению, перемещает на расстояние 5 рукоятку тормоза лебедки. При этом изменяется усилие F тормозных колодок на шкив барабана лебед­ки, изменяется подача инструмента и осевая нагрузка на долото. С уменьшением тормозного усилия увеличивается подача v и осевая нагрузка на долото Q и наоборот.

Таким образом, роль бурильщика сводится к перемещению руко­ятки управления тормозом лебедки в функции Изменения показаний р прибора (изменения нагрузки на долото). При этом нагрузку на долото приводят в соответствие со значением ее, заданным геолого-техническим нарядом на бурение. С помощью тормоза бурильщик управляет подачей бурильного инструмента, которую определяют по выражению

где А5—подача бурильного инструмента; К.—коэффициент пропор­циональности, показывающий, какое перемещение инструмента при­ходится на единицу отклонения нагрузки на долото; AG—отклоне­ние осевой нагрузки от заданного значения.

Управление по формуле (17.1) можно осуществить автоматиче­ски, если вместо бурильщика в схеме 17.2 предусмотреть исполни-

тельный механизм (привод), управляемый первичным преобразова­телем и воздействующий на тормоз буровой лебедки (рис. 17.3). В этом случае получим схему автоматического регулирования по отклонению.

Сопоставив схемы 17.2 и 17.3, видим, что система автоматического управления замкнутая в отличие от разомкнутой при ручном управ­лении. Обратная связь в этой замкнутой системе осуществляется первичным преобразователем, в качестве которого в данном случае применяют гидравлический трансформатор давления индикатора веса или первичный преобразователь электрического индикатора веса. Входной величиной для управления приводом служит сигнал, соответствующий нагрузке на долото. Поскольку мощность сигнала первичного преобразователя в большинстве случаев может оказать­

ся недостаточной для управления приводом, в схему вводят промежу­точное звено-усилитель. На рис. 17.4 показана структурная схема автоматического регулятора подачи долота. Кроме рассмотренных элементов в этой схеме предусмотрены блок сравнения и задатчик. С помощью задатчика устанавливают значение нагрузки на долото, которая должна автоматически поддерживаться регулятором пода­чи. Блок сравнения выполняет функцию выработки управляющего сигнала, пропорционального разнице между существующей и задан­ной нагрузками на долото. Таким образом, само рассогласование является источником воздействия, направленного на его устранение.

По степени автоматизации процесса бурения устройства подачи долота можно разделить на механизмы подачи долота (МПД) и автоматы подачи долота (АПД).

МПД представляют собой устройства, обеспечивающие равно­мерную подачу долота. При их использовании бурильщик освобож­ден от физического труда, но он должен наблюдать за приборами, измеряющими параметры процесса бурения, и управлять МПД для поддержания параметров на заданном уровне.

АПД представляют собой автоматические регуляторы, осуще­ствляющие подачу долота с поддержанием заданного режима буре­ния (осевой нагрузки на долото, частоты вращения долота, силы тока привода, мощности на выходном валу, расхода промывочной жидкости). Схема АПД включает измерительные устройства, задатчики, элементы сравнения, устройства обратной связи.

По принципу действия УПД делятся на фрикционные, гидрав­лические и электромашинные.

Как уже указывалось, по месту воздействия на бурильную ко­лонну УПД делят на наземные и глубинные. У наземных устройств конструкция, схема и габариты не зависят от размеров скважины и условий работы долота на забое, у глубинных механизм подачи расположен в скважине, вблизи забоя, что накладывает ограниче­ния на конструкцию, схему, габариты устройств из-за ограниченного диаметра ствола скважины, высокого давления заполняющей сква­жину буровой жидкости, высокой температуры, ударов и вибраций, сопровождающих работу долота. Однако глубинные УПД позволяют лучше осуществлять управление подачей долота, особенно в глубоких скважинах, так как из контура управления исключается колонна бурильных труб, вносящая помехи из-за сложных условий, в кото­рых она работает.