Буровые автоматические системы

В литературе и практике буровые автоматические системы получили название «буровые автоматические регуляторы» (БАР). Однако по классическому определению автоматическая система включает в себя объект регулирования и регулятор. И в дальнейшем термин БАР будет относиться к буровой автоматической системе. При рассмотрении буровых автоматических систем регулирования многими авторами часто приводится описание регулятора и основных звеньев объекта регулирования, и в целом это называется также буровым автоматическим регулятором — БАР.

Ниже описываются в качестве примеров «классические» системы подачи инструмента (долота) как историческая справка. Описываемые регуляторы работают по жесткому алгоритму.

В настоящее время используются компьютеризированные системы управления процессом бурения, описанные в разделе 5.

Общие понятия о буровых автоматических системах

Автоматизация буровой установки предполагает автоматизацию двух основных процессов при сооружении скважин: процесса бурения и процесса спуско-подъемных операций (СПО). При автоматизации этих двух основных процессов буровую установку можно назвать комплексно автоматизированной. Комплексно-автоматизированная буровая установка включает и сложные автоматические системы, и простые, работа которых заранее может быть запрограммирована в пространстве и во времени.

Рис. 4.1. Блок-схема ручного регулирования осевой нагрузки при подаче с лебедки: ОП — оператор (бурильщик); Л — лебедка (ТК — тормозные колодки, БЛ — барабан лебедки); ТС — талевая система; БВ — буровой вал;

ДЗ — звено «долото — забой»; ГИВ-б — гидравлический индикатор веса (ТД — трансформатор давления, ИП — измерительный прибор — основной указатель)

Рассмотрим схему ручного управления осевой нагрузкой при подаче инструмента с лебедки (рис. 4.1), а затем «переконструируем» ее на автоматическое управление и посмотрим, что это влечет за собой.

Большинство систем автоматизации процесса бурения работают в функции осевой нагрузки, т. к. осевая нагрузка, как режимный параметр, во многом определяет успех бурения.

Управление осевой нагрузкой при подаче инструмента с лебедки производится путем перемещения его верхнего конца (верха буровой колонны).

Бурильщик, наблюдая за показаниями прибора <�р, при отклонении нагрузки G₀c от заданного значения Сос. зад перемещает на величину s рукоятку управления тормозом лебедки, тем самым изменяет усилие / тормозных колодок ТК на шкив барабана буровой лебедки БЛ; при этом с соответствующей скоростью приспускается верх бурового вала на величину I (/_л — сматывание каната с барабана лебедки, /кр — перемещение крюка талевой системы, /_н — перемещение низа БВ при бурении, т. е. углубка), и изменяется нагрузка на породоразрушающий инструмент Сбс (Fji~ усилие в ходовой ветви ТС, сматываемой с барабана лебедки; Скр — усилие на крюк талевой системы, Got), т. е. при уменьшении тормозного усилия / увеличиваются скорость подачи верха колонны V_n и нагрузка на ПРИ, при увеличении тормозного усилия — скорость подачи и нагрузка уменьшаются. В установившемся режиме скорость подачи верха колонны У_п равна скорости подачи низа колонны F_M, т. е. и механической скорости бурения V_M.

Таким образом, роль бурильщика сводится к перемещению 5 рукоятки управления тормозом лебедки в функции изменения показаний прибора (р, т. е. и нагрузки Goc па ПРИ в соответствии с выражением.

где AGoc — отклонение осевой нагрузки от заданного значения; к — коэффициент пропорциональности, показывающий, какое перемещение бурового инструмента приходится на единицу отклонения нагрузки.

Рис. 4.2. Структурная схема автоматического регулятора осевой нагрузки при подаче с лебедки:

3 - задатчик; У — усилитель; ИМисполнительный механизм; Уос~ звено обратной связи

Для перехода на автоматическое управление с реализацией формулы (4.1) необходимо в схеме предусмотреть вместо бурильщика исполнительный механизм ИМ, воздействующий на тормоз лебедки. Естественно, потребуется введение и других узлов: задатчика, узла сравнения, усилителя и др. (рис. 4.2).

Как первый пример, так и второй — обе системы замкнутые, с обратной связью. Но в первом случае обратную связь осуществляет бурильщик, зрительно наблюдая за показаниями прибора. Во втором случае эту функцию выполняет звено обратной связи уос, ^в качестве которого может быть применен любой датчик с электрическим выходным сигналом и_ос (суммируются сигналы одной размерности). И в первом, и во втором случаях речь идет о стабилизаторе осевой нагрузки. При смене горных пород необходимо для задания и стабилизации новой осевой нагрузки изменять задающее воздействие.