Информационно-измерительное устройство для систем управления бурением и проколами

Вхождение угледобывающих отраслей стран СНГ в рыночные отношения предъявило качественно новые требования к темпам и качеству ведения горных работ, что привело к сокращению объемов добычи угля и снижению темпов ведения вскрывающих и подготовительных работ, обеспечивавших собственно процесс добычи угля.

В этих условиях необходимо применение принципиально новых технических, технологических и экономических решений для организации процессов разведки, подготовки и добычи угля с более низкой себестоимостью и более высокого качества. Выполнить часть этих требований позволит сокращение затрат на ведение буровых работ, связанных с прохождением разведочных, дегазационных, вентиляционных и иных скважин, осуществляемых с применением более современных и эффективных средств.

Еще одним фактором, способствующим решению перечисленных вопросов, является сокращение числа подземных рабочих, занятых на очистных работах, за счет внедрения принципиально новой техники для безлюдной или малолюдной выемки угля на тонких и весьма тонких пластах методом выбуривания. Решение этого вопроса одновременно способствует продлению сроков эксплуатации действующих шахт Донбасса, отрабатывающих свиты, в которых имеются тонкие и весьма тонкие пласты.

Одним из перспективных вариантов решения перечисленных факторов по повышению эффективности работы угледобывающей отрасли является внедрение способов, обеспечивающих направленное бурение скважин. Имея ряд преимуществ, традиционные способы бурения скважин жесткими ставами или штангами, тем не менее, сегодня практически исчерпали себя в плане постоянно возрастающих требований к точности бурения и не обеспечивают заданное направление скважин.

Одной из причин такого положения дел является отсутствие эффективных методов контроля над направлением бурения скважин по заданной траектории, так как отсутствие точной информации о направлении скважины, в свою очередь, порождает проблему эффективного управления процессом направленного бурения.

В связи с этим решаемая в настоящей работе задача создания информационно-измерительного устройства для направленного бурения скважин является весьма актуальной как в научном так и в техническом плане.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является дальнейшее совершенствование технологии проходки скважин путем создания и внедрения мехатронного информационно-измерительного устройства для системы управления бурением и проколами, обеспечивающего заданную точность направления скважины. В соответствии с поставленной целью основные задачи работы формулируются следующим образом:

1- провести критический анализ состояния вопроса;

2-установить минимально необходимое количество информации, обеспечивающее построение траектории оси скважины;

3- получить математическое обеспечение для способа счисления траектории скважины по информации, выдаваемой датчиками измерительного устройства;

4- обосновать требования, предъявляемые к датчикам информационно-измерительного устройства с учетом алгоритма обработки данных и способа передачи информации;

5- исследовать параметры информационно-измерительного устройства на математической модели;

6- разработать и изготовить датчики для измерения угла наклона и дирек-ционного угла, а также для контроля угла закручивания бурового става;

7- провести испытания и оценить показатели точности измерений, обеспечиваемые информационно-измерительным устройством;

8- дать рекомендации по использованию научных результатов, полученных в работе.

Идея работы — построение траектории оси скважины на основании оперативных данных, получаемых с мехатронных датчиков в процессе бурения без извлечения последних из скважины.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы основные законы классической физики, теория механизмов и машин, современные разработки в области электроники и микросхемотехники, теория информационно-измерительных систем. Все аналитические результаты исследований проверялись методами физического моделирования. Обработка данных в соответствии с алгоритмом определения пространственного положения осей звеньев бурового става осуществлялась на ПЭВМ. Полученные результаты проверялись экспериментально в лабораторных условиях, а также подтверждались методами математического моделирования.

В работе защищаются.

— метод счисления траектории оси скважины в трехмерной системе координат на основании данных, получаемых от датчиков ИИУ;

— теоретические обоснования способов измерения дирекционного угла и угла наклона при помощи универсального датчика;

— алгоритм определения пространственного положения оси скважины с помощью универсального датчика при направленном бурении и проколе;

— математическая модель функционирования ИИУ при измерении дирекционного угла и угла наклона;

— принципы построения и конструкция универсального датчика для измерения дирекционного угла и угла наклона между двумя смежными звеньями бурового става;

— оригинальная методика тарировки и оценка погрешностей измерений, осуществляемых датчиками.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы основывается на применении комплекса современных методов исследований, включающих: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросуприменение современных средств вычислительной техники в сочетании с новейшими пакетами прикладных математических программподтверждение достаточным объемом экспериментальных данных результатов теоретических исследований и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна. Заключается в разработке теоретических положений метода счисления траектории оси буровой скважины на основании минимально необходимого объема данных, получаемого с универсальных мехатронных датчиков без извлечения их из скважины.

Теоретически обоснованы способы измерения дирекционного угла и угла наклона при помощи универсального датчика с использованием развертывающего преобразования и методов фазометрии в сочетании с микропроцессорными средствами обработки результатов измерений.

Разработаны алгоритм определения пространственного положения двух смежных звеньев бурового става, перемещающихся с определенным шагом в трехмерной системе координат, и программа, поддерживающая его работу. Осуществлено математическое моделирование способов измерения углов и произведен сравнительный качественных анализ полученных результатов.

Практическое значение и реализация работы. Разработанное информационно-измерительное устройство может быть использовано при управляемом бурении в процессе добычи угля из тонких и весьма тонких пластов методом выбуривания и управляемом проколе в сочетании с буровым снарядом с изменяемой геометрией.

Предложенная математическая модель позволяет определить оптимальные параметры геометрических размеров элементов датчика в зависимости от уровня решаемых задач.

Применение разработанного ИИУ при направленном бурении с использовании бурового снаряда с изменяемой геометрией обеспечивает реальный 9 экономический эффект за счет увеличения процента выхода годных скважин, уменьшения потерь добываемого угля, снижения его себестоимости и снижения удельных энергозатрат на тонну добываемого угля.

Работа выполнена в плане научных направлений «Теория и принципы построения машин-автоматов, роботов и ГАП» ЮРГТУ (НПИ), а также в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства образования РФ «Теория и принципы построения лазерных и мехатронных систем оптимального управления мобильными робототехническими комплексами» № 41.95.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии управления робототехническими и автотранспортными объектами» (Ставрополь, 1997), Первой и Второй международных научно-технических конференциях «Новые технологии управления движением технических объектов». (Ставрополь, Новочеркасск, 1999), научных семинарах кафедры «Электрификация и автоматизация подземных горных работ» ШИ НГТУ 1994;1997гг., 45-й научно-технической конференции Шахтинского института НГТУ, 1996 г., ежегодных конференциях НГТУ с 1995 по 1999 годы.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 14 печатных работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований и содержит 199 страниц основного текста, 52 рисунка, 14 таблиц и 3 приложения.

Выводы по главе.

1. Обосновано, что в ИИУ для направленного бурения целесообразно использовать многопроводную кабельную линию связи, при этом каждому датчику выделен свой канал. Реализован способ передачи информации по семижильному кабелю из забоя скважины к устройству обработки результатов измерений, а также способ передачи команд с управляющего устройства на первичные преобразователи. Способ основан на использовании импульсной формы представления информации при помощи двоичного кода с основанием два.

2.Определены схемотехнические методы для обеспечения минимального затухания сигнала и снижения собственных шумов системы, в соответствии с которыми в электронных усилителях использованы полупроводниковые приборы с низким уровнем собственных шумов, а также помехоустойчивые схемы подключения с использованием заграждающих фильтров. Применение перечисленных мер в сочетании с методом накопления обеспечивают достоверность передачи и обработки информации. В процессе испытаний реализована обработка потоков информации в ИИУ при помощи персональной ЭВМ с представлением результатов измерения на дисплее и печатающем устройстве.

3. Разработано ИИУ, в основу которого положены функциональные взаимосвязи первичных преобразователей для измерения углов, усилителейформирователей для преобразования результатов измерения с целью передачи по кабельным каналам связи, приемного устройства с блоком управления и ЭВМ. Подтверждены в процессе технической реализации механических узлов ИИУ верность принятых теоретических обоснований принципа действия первичных преобразователей и соответствие им конструкторских решений. Определены схемотехнические решения электронных блоков с учетом их функционального назначения и взаимных связей.

3.Разработан алгоритм определения пространственного положения осей бурового снаряда, в основу которого заложен принцип действия мехатронного универсального датчика для измерения дирекционного угла и угла наклона.

Определены основные аналитические выражения, описывающие функциональные связи между величинами, получаемыми в результате измерения параметров скважины и константами, обусловленными конструктивными особенностями датчиков, по которым осуществляется коррекция результатов измерения дирекционного угла.

4.Разработана и реализована общая методика исследований ИИУ.

5.Создана экспериментальная установка, позволяющая посредством физического моделирования определить работоспособность ИИУ в целом и установить его технические характеристики.

6.Разработано и апробировано на физической модели программное обеспечение, базирующееся на определенных в процессе теоретических исследований аналитических выражениях и поддерживающее алгоритм определения пространственного положения оси буровой скважины. Разработаны подпрограммы коррекции погрешностей измерений и уточнены основные аналитические выражения для определения углов.

7. Подтверждена работоспособность датчика для измерения дирекционного угла и определена область погрешностей при измерениях дирекционных углов (табл. 4.1 — 4.4). Проведены испытания датчика для измерения угла наклона, подтвердившие его работоспособность и соответствие теоретическим обоснованиям, а также установлены показатели точности и погрешности измерения угла наклона (табл. 4.5−4.7). Осуществлена тарировка датчика вертикали и проведены его испытания в соответствии с теоретическими обоснованиями. Определены показатели точности и погрешности измерения углов отклонения от вертикальной плоскости (табл. 4.8−4.10).

8.Подтверждена в целом работоспособность ИИУ для управляемого бурения и прокола скважин как на прямых участках, так и на участках со сложной конфигурацией оси скважины (табл. 4.11 — 4.13).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1.Ha основании анализа существующих средств бурения направленных скважин и методов контроля за их направлением показана целесообразность применения методов оперативного контроля в технологии направленного бурения с использованием первичных устройств в местах шарнирного соединения звеньев бурового става в сочетании с активными способами коррекции отклонений в виде буровых снарядов с изменяемой геометрией корпуса. Определено, что минимально необходимым для построения оси буровой скважины количеством информации являются: данные о величине двух углов (дирекционного и угла наклона) и длина одного звена бурового става, а также координаты устья скважины и угол ротации бурового става.

2. Определено минимально требуемое количество датчиков, способное обеспечить предложенный метод счисления траектории скважины, равное двум. На основании данных, получаемых в результате оперативного измерения параметров скважины датчиками, осуществлено математическое описание траектории оси буровой скважины в выбранных трехмерных абсолютной и локальной системах координат. В процессе проходки скважины абсолютная система координат не переориентируется и ее начало остается неподвижным. Начало локальной системы координат перемещается одновременно с буровым ставом и находится в местах шарнирных соединений звеньев. При этом оси локальной и абсолютной систем всегда параллельны. Разработаны теоретические обоснования метода счисления траектории оси буровой скважины. Установлено число функциональных блоков для каждого первичного преобразователя, их назначение и взаимные связи, обеспечивающие работу ИИУ.

3.Осуществлено теоретическое обоснование двух способов измерения углов, определяющих положение оси скважины в пространстве: методом с использованием опорного сигнала, а также методом с использованием точек локального максимума и минимума синусоиды. В соответствии с теоретическими разработками принципов действия первичных преобразователей предложена конструкция универсального мехатронного датчика для косвенного измерения дирекционного угла и угла наклона, некритичная к своему положению в пространстве и способная обеспечить одновременный процесс бурения и измерения параметров скважины. Разработана конструкция датчика для измерения угла ротации бурового става.

4.Исследованы процессы формирования выходных величин датчиков в зависимости от используемого метода измерения, а также зависимости погрешностей измерения от геометрических размеров их рабочих частей и законов взаимного движения. Установлены основные аналитические выражения, описывающие закономерности преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы.

5.Разработана и исследована математическая модель, адекватно описывающая процессы измерения углов в соответствии с расчетными техническими данными двумя предложенными методами. В результате компьютерного моделирования установлено, что качество переходных процессов обеспечивает абсолютную устойчивость разработанной системы второго порядка. Исследованы также метрологические свойства датчиков, учитывающие основные конструктивные параметры и зависящие от геометрических размеров элементов конструкции (диаметра измерительного диска, длины опорных штоков, величины хода копира, числа щелей в подвижной шторе). Установлено, что более сложный при технической реализации способ с использованием опорного сигнала дает незначительное преимущество в уменьшении погрешности измерений (1 -2%) по сравнению с методом, использующим точки локального максимума и минимума синусоиды.

6. В соответствие с теоретическими разработками изготовлены экспериментальные образцы датчиков для измерения дирекционного угла и угла наклона, а также угла ротации и при их помощи осуществлено физическое моделирование принципов измерения углов, и подтверждена их работоспособность. На специальных стендах произведена индивидуальная тарировка и исследованы погрешности измерений дирекционных углов в области 0 — 360°, равные 7 -15,% при величинах угла наклона 0 — 10°. Погрешности измерения углов накло.

199 на 0,5 — 6%, погрешности измерения угла ротации -0,2 — 1%. В условиях лабораторного эксперимента на специальном стенде проведены комплексные испытания универсального датчика. Длительность измерительного цикла равна 6,9с. Максимальные погрешности измерения траектории оси скважины с известными параметрами не превышают 6%, а средние — 3% от длины скважины. Адекватность изображения траектории оси скважины на экране монитора позволяет правильно оценивать ее реальное положение по результатам измерений.

7. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпадают с соответствующими результатами компьютерного моделирования (расхождения в пределах 10%-11%), что подтверждает основные теоретические положения данной работы о возможности определения пространственного положения оси буровой скважины при помощи универсального датчика по разработанной методике. При этом для получения данных о положении скважины в пространстве нет необходимости извлекать датчики из скважины.

8.Комплекс оборудования информационно-измерительного устройства для систем управления бурением и проколами внедрен в ГОАО НИПИ «Угле-автоматизация», г. Луганск, Украина и на угольных предприятиях Донбасса.