Состояние разработок по автоматизации процесса бурения

3.4. Состояние разработок по автоматизации процесса бурения

По имеющимся данным, созданием систем автоматизированного управления процессом бурения в последнее время занимаются также зарубежные фирмы.

Японская фирма “Кокэн Боринг Машин Ко” разрабатывает буровые станки с компьютерным управлением с 1979 г. Например, в 1981 г. был разработан буровой станок СВК-К-10А с программным управлением. Эта модель представляет собой малогабаритный гидравлический станок со встроенной микро-ЭВМ, который предназначен для геологической съемки и бурения цементировочных скважин глубиной до 100 м при постройке дамб и плотин. Разработчики обоснованно считают, что эффективность и безопасность бурения значительно зависят от квалификации оператора-бурильщика. Поэтому цель разработки бурового станка со встроенной ЭВМ состоит в обеспечении высокой надежности, эффективности и безопасности работы при бурении станком независимо от квалификации бурильщика и, тем более, в открытии возможности автоматического бурения станком скважины заданной глубины в неизвестных горно-геологических условиях. Система управления собирает информацию по шести параметрам и по заданной программе производит оптимальное управление станком спускоподъемные операции также автоматизированы. Специалисты фирмы утверждают, что применение станков с программным управлением позволило получить большой экономический эффект.

В ФРГ в 1989 г. приступили к оптимизации процессов бурения на основе микроэлектроники при разработке рудных месторождений скважинами большого диаметра. Начатые научно-исследовательские опытно-конструкторские работы показывают, что их результаты могут быть использованы и при других видах бурения.

Авторы считают, что автоматическое регулирование при бурении скважин большого диаметра позволяет:

·     повысить скорость бурения при снижении удельного износа потребления энергии;

·     создать условия для обслуживания бурового станка одним челове­ком, обслуживания одной бригадой нескольких станков;

·     сократить непроизводительное время в начале и конце смены;

·     максимально увеличить скорость бурения при минимизации затрат.

 В разработке предусматривается диагностика бурового станка, ре­гистрация и индикация параметров режимов бурения и некоторых режимов работы. Оптимизацию процесса бурения намечено осуще­ствить путем адаптивного регулирования с помощью вычисли­тельных устройств.

В обзоре, посвященном анализу состояния разведочного бурения и направления его развития, зарубежные специалисты утверждают, что дальнейшее развитие этого способа, вероятно, приведет к повышению| производительности, автоматизации бурового процесса с целью сокращения времени на спускоподъемные операции и обеспечения адаптивного регулирования параметров бурения с поиском оптимальных сочетаний скорости подачи, осевой нагрузки, крутящего момента и частоты вращения бурильной колонны [12]. В Специальном проектно-конструкторском бюро буровой автоматики (СПКББА) на базе ЭВМ среднего класса разработана станция автоматической оптимизации и геолого-технологического контроля бурения глубоких скважин (САОБ), предназначенная для оперативного управления про­цессом бурения с целью его оптимизации, распознавания и предупреж­дения осложнений и аварийных ситуаций, ликвидации аварий, автома­тического сбора, обработки, накопления и выдачи геолого-технологи­ческой и технико-экономической информации о процессе бурения глу­боких скважин на нефть и газ.

Основные функции станции следующие: оптимизация режимов бу­рения, обеспечивающих достижение экстремального значения критерия оптимальности (максимум рейсовой скорости или проходки на долото, минимум стоимость 1 м проходки); корректировка выбранного опти­мального режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса; распознавание на ранней стадии предаварийных и аварийных ситуаций и вероятностная оценка момента их наступления; накопление, хранение и представление в различной форме геолого-технологической информации о процессе бурения, кратной 1 м бурения или рейсу.

Станция может работать с любыми нефтяными буровыми уста­новками, укомплектованными необходимым набором технологических датчиков и рассчитанными на бурение эксплуатационных и поисково-разведочных скважин на нефть и газ глубиной 4000-6500 м. В первую очередь целесообразно использовать станцию на новых площадях в ус­ловиях малой изученности разрезов и недостоверности сходной геоло­го-технологической информации об условиях бурения.

Вторая наиболее значительная разработка, имеющая реальный вы­ход в производство, автоматическая система управления процессом углубки скважины в оптимальном режиме (автобурильщик “Узбекистан 2А”), созданная в Методической экспедиции геолого-экономи­ческих исследований. Система включает кабину бурильщика с размещенным в ней вычислительно-управляющим комплексом, датчики технологических параметров и исполнительный механизм для управления рычагом тор­моза лебедки. Система предназначена для ведения в автоматическом режиме процесса бурения роторным и турбинным способами глубоких скважин на нефть и газ серийными буровыми установками с использо­ванием шарошечных долот. Систему обслуживает один оператор. Вы­числительно-управляющий комплекс включает в себя вычислительный блок, выполненный на базе серийной микроЭВМ “Электроника С5-12”, пульт управления, устройства связи с объектом и оператором, пред­ставления информации, формирования управляющих сигналов, ленточ­ный перфоратор ПЛ-150 и систему питания. Комплекс предназначен для приема и анализа информации о процессе бурения по сигналам датчиков технологических параметров, а также для логической и математической обработки ее в соответствии с алгоритмом управления, формирования информационных и управляющих сигналов и обеспечения всех устройств системы электропитания.

В соответствии с алгоритмом управления система производит взвешивание бурового инструмента, приработку долота, поиск эффективного значения осевой нагрузки на долото и поддержание ее в процессе бурения. Если дальнейшее бурение экономически нецелесообразно, то система вырабатывает сигнал об окончании рейса и прекращает подачу инструмента. Кроме того, система обеспечивает безаварийное бурение, своевременно определяя износ опоры шарошечного долота. Сведения о ходе процесса бурения и режимах работы оборудования выдаются бурильщику с помощью стрелочных приборов, цифровой индикации, светящихся транспарантов, а также фиксируются на перфоленте, кото­рая может быть исходным документом для формирования информационного банка и служит контрольным документом, объективно представляющим состояние бурового инструмента и оборудования и отображающим работу буровой бригады.

Система предназначена для бурения скважин глубиной 3500-4000 м. Потребляемая мощность не более 0,5 кВт. Как показали результаты промысловых испытаний, применение системы позволяет сократить расход долот и время проводки скважины на 15-20% при обеспечении полной безаварийности.

Фирмой “Даймэнт Боарт” создана гидрофицированная установка с подвижным вращателем и трубодержателем, в управлении которой использован микропроцессор [13]. С помощью микропроцессора коор­динируется функционирование элементов гидроуправления, выполняют­ся расчеты различных операций и контролируется их соответствие предварительно принятым заданиям. При спускоподъемных операциях микропроцессор синхронизирует последовательность срабатывания гидропатрона вращателя и трубодержателя, перемещение вверх и вниз и контролирует интервалы времени между прохождением последовательных сигналов.

Возможно расширение функций системы управления: полное воспроизведение различных программ, заранее отработанных экспериментально; защита по максимальному крутящему моменту при свинчивании и развинчивании бурильных труб; ограничение по предель­ной осевой нагрузке во время бурения, что повышает надежность бурильной колонны и т. д. Предусматриваются регистрация и обработка информации о процессе бурения, которая затем будет использована для интерпретации этого процесса и геологического разреза.

Для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые разработана система автоматизированной оптимизации управления технологическим процессом бурения САОПБ-1. Система предназначена для автоматического управления технологическим про­цессом бурения скважин алмазным породоразрушающим инструментом по заданной оптимальной углубке коронки за оборот или заданной механической скорости и может применяться на всех буровых станках с гидравлической системой подачи, используемых при алмазном бу­рении.

Практически система представляет собой аналоговый регулятор и отличается от известных высокой надежностью и эффективностью, которые зависят от правильного выбора в каждом конкретном случае углубки коронки за оборот, задаваемой бурильщиком (технологом). При несоответствии заданной углубки (скорости бурения) условиям бурения, т.е. в случае превышения заданной скорости бурения, опти­мальной для данных условий, срабатывает защита по потребляемой мощности или давлению бурового раствора в нагнетательной линии промывочного насоса и происходит автоматический “подрыв” инстру­мента. Частое повторение описанной ситуации служит сигналом о не­обходимости уменьшения заданной углубки за оборот.

Оптимальные величины задаваемой углубки за оборот для каждой системы (горная порода-коронка) выбирают по специальной, ранее разработанной, диаграмме либо определяют опытным путем по специальной методике в процессе бурения.

Безусловной заслугой разработчиков является то, что они первыми на базе большого объема бурения доказали преимущества автоматизи­рованного управления процессом алмазного бурения.

Недостаток системы - ограниченная способность к совершенствова­нию, что присуще всем аналоговым решениям. Введение элементов адаптации, совершенствование алгоритмов управления повлечет за со­бой большие трудности и, следовательно, удорожание системы.

В начале 1999 г. Московское специальное конструкторское бюро геофизического приборостроения и информатики "Ореол" выпустила систему технологического контроля параметров бурения "СГТ-микро". Система рекомендована Госгортехнадзором РФ для внедрения во всех буровых предприятиях, в первую очередь, как оборудование для обеспечения безопасности ведения буровых работ и предотвращения аварий.

Система "СГТ-микро" по функциональным возможностям аналогична подобным средствам, выпускаемым известной фирмой "Мартин-Декер". Стоимость "СГТ-микро" в 4-6 раз меньше, а с учетом затрат на обучение персонала, профилактические обслуживание и ремонт, вызов специалистов при возникновении нештатных ситуаций и т. п., стоимостное отношение еще более возрастает в пользу "СГТ-микро".

Глава 3. Описание устройства сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения

Необходимое условие качественного решения задачи автоматического управления процессом бурения – получение информации о состоянии процесса с требуемой оперативностью и точностью. Требуемая оперативность получения информации определяется необходимостью управления процессом в реальном масштабе времени, т. е. управляющие воздействия должны сформироваться без запаздывания (или с допустимым запаздыванием) относительно изменений состояния управляемого процесса. Это обеспечивается тем, что технологические параметры должны измеряться с частотой, оптимальной для временных характеристик процесса бурения, к которым относятся длительность переходных процессов в приводе подаче бурового станка, инерциальные свойства буровой колонны, нестационарный характер процесса. Кроме того, временные характеристики существенно зависят от геолого-технических условий бурения: глубины скважины, физико-механических свойств разбуриваемых пород, типов бурильных труб и компоновки бурильной колонны, свойств очистного агента, режима промывки скважины и т.п. Расчет точных временных характеристик возможен лишь на основе адекватного математического описания процесса бурения (модели), определяющего не только качественные, но и точные количественные зависимости входных и выходных переменных, характеризующих процесс бурения, для конкретных геолого-технических условий.

Однако существующие в настоящее время математические описания процесса бурения имеют качественный характер и позволяют лишь достаточно приблизительно оценить (от единиц до нескольких десятков секунд) временные характеристики процесса бурения. Эта оценка также подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Таким образом, временные характеристики процесса бурения, а следовательно, и частота опроса параметров, не могут быть точно определены на основании расчетов. На данном этапе развития автоматизированного управления процессом бурения целесообразно рассматривать период опроса параметров как технологическую константу, конкретное значение которой для определенных условий устанавливают экспериментальным путем по соответствующим методикам.

По данным экспериментальных исследований и испытаний, при бурении различными буровыми установками (СКБ-4, 5, 8, ЗИФ-650) скважин глубиной 100-300 м при периоде опроса параметров с  обеспечиваются вполне удовлетворительное качество стабилизации режимных параметров бурения, своевременная и эффективная реакция на изменения процессов и ликвидация аномальных технологических ситуаций в начальных стадиях их развития. При таких больших периодах опроса параметров невозможен анализ высокочастотных процессов в бурении, например, вибраций, диапазон которых составляет, по различным оценкам, от сотен герц до десятков килогерц. Для реализации опроса параметров с такими высокими частотами необходимы специальные технические средства и сложный математический аппарат обработки измерений. Поэтому в настоящее время целесообразно проводить специальные исследования высокочастотных процессов в бурении и формировать по их результатам рекомендации по управлению режимами бурения, например, в виде системы ограничений.

Для целей управления режимами бурения в реальном масштабе времени возможно ограничиться решением задачи формирования временного ряда измерений (тренда), который адекватен реальным закономерностям изменения состояния процесса бурения, позволяющего обнаруживать взаимозависимости изменения параметров и прогнозировать тенденции изменения состояния процесса. Качество формирования тренда каждого параметра бурения также определяется точностью измерений отдельных точек (мгновенных значений), составляющих тренд.

Процедура получения мгновенного значения параметра, представляющего собой непрерывный электрический сигнал, заключается в квантовании этого сигнала по уровню, которое состоит в том, что в диапазоне непрерывных значений функции l(t) выбирается конечное число дискретных значений функции, распределенных, например, равномерно по всему диапазону. В момент измерения значения функции l(t) заменяется значением ближайшего дискретного уровня. Функция при этом приобретает ступенчатый вид (рис. номер ). При квантовании возникает погрешность квантования, определяемая шагом квантования . При равномерном квантовании по уровню максимальное значение приведенной погрешности квантования

где - диапазон изменения параметра; (q-1) – число интервалов (шагов) квантования, q-1=().

Однако основная проблема заключается в выделении полезного сигнала на фоне случайных помех, источник которых не измерительные тракты, а стохастические возмущения, возникающие в процессе бурения и являющиеся следствием изменяющихся условий бурения и нестабильности работы бурового оборудования. Задача состоит в формировании измерения требуемого параметра бурения в определенный момент времени таким образом, чтобы совокупность этих измерений отражала закономерное изменение данного параметра в пределах анализируемого временного интервала. В разрабатываемой настоящим дипломе системе указанная проблема решается следующим образом:

Рис. Квантование непрерывного сигнала по уровню.

Формирование одного измерения каждого вида параметров производится по определенному количеству опросов АЦП, которое рассматривается как статистическая выборка n наблюдаемых значений измеряемой величины , …,  (под опросом АЦП понимается однократный программный запуск АЦП для измерения мгновенного значения заданного параметра в момент запускаю; быстродействие АЦП ADC0816 позволяет производить опросы с частотой 10-30 Гц в зависимости от амплитуды измеряемого сигнала). В качестве значения параметра вычисляется выборочное среднее – первый момент выборочного распределения случайной величины. Для одномерных распределений – это среднее арифметическое значение по элементам выборки , …,

(7/1)

При обработке статистических выборок среднее арифметическое является оценкой математического ожидания, точность которого зависит от количества элементов выборки n. Так как n в случае формирования измерений параметров необходимо выбирать из соображений получения достаточной точности, то для оценки этой точности при небольших объемах выборок можно воспользоваться наилучшими линейными оценками S среднего квадратического отклонения [2], например,

  для n=2,

для n=4,

для n=8, (7,2)

где - вариационный ряд, т.е. значения, расположенные в порядке возрастания.

Например, при восьми опросах АЦП канала механической скорости  получены следующие значения:

n	1	2	3	4	5	6	7	8
,см/ч	156	147	149	152	151	155	144	148

Вычисляя x и S по формулам (7.1) и (7.2), для различных значений n, получим следующие результаты (табл. xxx ).

 

 

 

Таблица xxx

 

n	Вариационный ряд									S
	1	2	3	4	5	6	7	8
2	147	156	----	---	---	---	---	---	151,1	7,98
4	147	149	152	156	---	---	---	---	151	4,41
8	144	147	148	149	151	152	155	156	150,25	3,36

Очевидно, с увеличением n точность формирования измерения повышается и при n=4 и при n=8 вполне удовлетворительна. Кроме того, для выявления тенденций в изменении состояния процесса бурения точность формирования измерений различных параметров может быть неодинаковой. Например, механическую скорость и крутящий момент (мощность), как наиболее информативные параметры необходимо измерять с большой точностью (n=8), чем осевую нагрузку и частоту вращения (n=4).

Для параметров расхода промывочной жидкости и давления на насосе, изменения которых носят пульсирующий характер, можно ограничиться n=2.

Параметры обрабатываются не в физических единицах параметров бурения, а в некоторых абстрактных единицах (кодах АЦП), пропорциональных измеренному напряжению сигнала с соответствующего датчика. Следующий этап формирования измерения – масштабирования, т. е. перевод значений измерений, выраженных в кодах АЦП, в физические единицы. Такое преобразование осуществляется следующим образом:

,

где - значение i – го параметра бурения в физических единицах; - масштабный коэффициент i – го параметра;  - значение i – го параметра в кодах АЦП.

Для некоторых параметров требуется дополнительная математическая обработка, связанная с особенностями их измерения. Например, при измерении осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент необходимо учитывать вес снаряда в зависимости от того, как производится бурение: с дополнительной нагрузкой или разгрузкой. Такая дополнительная обработка осуществляется специальными подпрограммами, учитывающими конкретные характеристики буровых установок и датчиков технологических параметров. В системе автоматического управления процессом бурения должна быть реализована возможность изменения определенных характеристик подсистемы опроса и первичной обработки информации путем ввода в систему соответствующих данных с пульта оператора системы. К таким характеристикам относятся период измерения параметров , количество опросов в измерении, Масштабные коэффициенты, выбор требуемой подпрограммы обработки. Данные изменения должен производить специалист службы КИП экспедиции или партии при проведении наладочных и проверочных работ.

Как указывалось выше, оценка и прогнозирование изменений состояния процесса бурения осуществляется путем формирования и анализа временного ряда (тренда) каждого из измеряемых параметров. Непосредственно анализ трендов, оценка и прогнозирование изменений состояния процесса производится другими подсистемами системы автоматического управления процессом бурения. Задача подсистемы сбора и первичной обработки информации – формирование тренда, который, с точки зрения программной реализации, должен представлять собой массив ячеек памяти, в котором хранятся значения параметров, упорядоченные во времени.

Такой массив памяти формируется с использованием так называемой стековой организации хранения данных, суть которой заключается в том, что в массиве памяти фиксированного объема N , содержащего N значений определенной переменной, новое (N + 1) значение данной переменной помещается в этот массив (стек) за счет исключения из него по определенному правилу одного из N элементов. Правилами записи в стек могут быть ”первый пришел – первый ушел”, ”первый пришел – последний ушел” и т. п. В данном случае стековая организация хранения данных организована следующим образом.

Часть объема ОЗУ ЭВМ, в котором организована оперативная информационная база, разделена на блоки, включающие по 64 ячейки памяти. Число таких блоков равно максимальному количеству параметров и показателей процесса бурения, используемых в системе. Каждый из таких блоков является стеком соответствующего параметра; запись информации во все стеки осуществляется по правилу ”первый пришел – первый ушел”. Пусть в момент времени  в каком либо стеке, например стеке измерений , находилось 64 предыдущих значений (рис. 7.2)  ,( , , …,).

В момент времени  было сформировано очередное измерение , которое необходимо поместить в стек,  будет перемещено в 63-й элемент,  - в 62-й элемент и таким образом до ”вершины” стека, т. е. до1-го элемента, в который будет помещено значение , а значение  будет удалено из стека. Следовательно, в стек будет помещаться каждое новое измерение данного параметра.

Запись во все стеки производиться синхронно с периодом , т. е. в момент времени  (где K - номер цикла измерений) формируются измерения всех параметров и записываются значения измерений в соответствующие стеки. В любой момент времени  в стеках

 

Ожидание истечения

 

Да

Нет

Нет

 Да

Нет

Рис. XXX Блок-схема

Да алгоритма работы

подсистемы

сбора и первичной

обработки информации

находятся по 64 измерения каждого из параметров процесса бурения, упорядоченных во времени и позволяющих оценить изменение параметров в интервале времени от  до . Например, при  с интервал оценки измерения параметров составит  с.

Очевидно, что, располагая данными за такой относительно длительный интервал времени, можно достаточно надежно распознавать возникающие изменения состояния процесса и прогнозировать тенденции развития технологических ситуаций. Анализ формируемых таким образом временных рядов производится другими подсистемами системы по математическим методам и алгоритмам, соответствующим задачам, решаемым каждой из подсистем.

Описанные выше методы опроса, первичной обработки и хранения информации о параметрах и показателях процесса бурения реализуются программным модулем САУ технологическим процессом, который получает управление циклически, с периодом  Данный программный модуль имеет в системе высший приоритет.

Вся необходимая для работы информация содержится в таблице опроса параметров (рис. xxxx) и определяет требуемый режим и характеристики измерений. Блок схема алгоритма работы модуля приведена на рис. xxxx.

Важное преимущество подобной структуры данной подсистемы - возможность простого изменения или замены подпрограммы обработки измерений параметров, и следовательно возможность работы системы с различными датчиками и измерительными приборами.

Глава 4. Разработка принципиальной схемы устройства связи персонального компьютера с объектом автоматизации.