СТРУКТУРНАЯ СХЕМА САУ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ



АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

БУРЕНИЯ

 

При ручном управлении процессом бурения буровой мастер должен перерабатывать большой объем информации, затрачивать значительные физические и умственные усилия, выбирать наивыгоднейший режим бурения исходя из собственного опыта, на основе интуиции. Автоматизация управления процессом бурения позволит полностью или почти полностью заменить физический и умственный труд бурового мастера по непосредственному контролю и управлению процессом бурения и вспомогательными операциями, оставляя буровому мастеру лишь общий контроль за работой оборудования и технологическим процессом, даст возможность психологически разгрузить его. Автоматизация также позволит увеличить производительность труда за счет роста механической скорости бурения, уменьшить количество аварий и осложнений, снизить себестоимость 1 м бурения скважины.

Необходимо отметить, что бурение скважин – процесс, который до настоящего времени практически не автоматизирован (при высоком уровне механизации). Автоматизация процесса бурения практически стала возможной лишь с появлением относительно дешевых и надежных микроЭВМ, способных осуществлять автоматическое управление процессом бурения.

ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

 

Процесс бурения, как и любой производственный процесс, является управляемым. Поэтому процесс бурения может рассматриваться как объект автоматического управления с указанием входных и выходных величин.

Входными величинами процесса бурения являются:

осевая нагрузка Р на породоразрушающий инструмент (ПРИ);

угловая скорость w породоразрушающего инструмента;

объемный расход Q промывочной жидкости или сжатого воздуха, подаваемого в скважину;

постоянные С, не зависящие от режима бурения (тип ПРИ, конструкция скважины, технические средства);

возмущающие воздействия f – физико-механические свойства пород (контактная прочность, абразивность, хрупко-пластические свойства).

Вследствие приложения входных воздействий Р, w, Q, f, С  изменяются выходные величины (координаты), которые характеризуют процесс бурения: скорость бурения v, величина проходки h в данном рейсе, степень изнашивания ПРИ q и др.

Так как процесс бурения является управляемым, то должна быть поставлена цель управления Y, которую мы хотим достичь при бурении. Причем целью управления является достижение максимального или минимального значения той или иной регулируемой величины, например максимальной производительности, минимальной стоимости бурения и т.д. Это означает, что при управлении процессом бурения необходимо решать задачу его оптимизации, которая заключается в поиске наивыгоднейшего режима бурения.

Если считать, что конструкция скважины, технические средства, тип ПРИ выбраны правильно, то задача оптимизации формируется следующим образом.

Пусть задан критерий оптимальности процесса бурения Y, под которым понимается та цель, которую мы хотим достичь при бурении. Требуется найти такие значения управляющих воздействий Р, w, Q, при которых критерий Y принимает экстремальное, т.е. максимальное или минимальное, значение. Такие системы управления называются экстремальными.

Важнейшими вопросами оптимизации процесса бурения являются выбор и обоснование цели или критерия управления Y. Рассмотрим некоторые из критериев, которые применяются в бурении.

Важнейшим является критерий минимальной стоимости 1 м бурения, который определяется как наименьшая сумма всех затрат, приходящаяся на 1 м скважины. Реализация этого критерия на практике с помощью автоматических устройств связана с большими трудностями, так как отсутствуют зависимости вида , где С – стоимость 1 м скважины;  – управляемые факторы;  – неуправляемые факторы. Управляемыми факторами являются координаты, которыми можно управлять в процессе бурения, например, осевая нагрузка, частота вращения, количество и качество промывочной жидкости. Неуправляемые факторы – это износ породоразрушающего инструмента, закрепление стенок скважины, борьба с осложнениями и т.д.

Критерий максимальной механической скорости бурения v может быть достигнут регулированием параметров бурения: осевой нагрузки Р, угловой скорости w, расхода промывочной жидкости Q или другого очистного агента. В общем виде можно записать , где f – аргумент, отражающий физико-механические свойства породы, q – степень износа инструмента.

Критерий максимальной производительности бурового станка определяется выражением , где h – число метров, пробуренных за время , равное сумме производительного  и непроизводительного  времени.

Критерий минимального времени проходки скважины (Т-критерий) используется в случае, если цепь бурения – быстрая проходка скважины. Этот критерий может не совпадать с критерием минимальной стоимости 1 м бурения. Это связано с тем, что при быстрой проходке скважины за счет повышенного изнашивания дорогого породоразрушающего инструмента и оборудования возможно увеличение стоимости 1 м бурения.

Для оценки оптимальности бурения могут быть предложены и другие показатели, характеризующие скорость бурения, затраты средств, материальных и энергетических ресурсов. Рассматривая возможность применения различных критериев оптимизации в автоматических системах управления, следует отметить, что из них практически может быть использован только критерий максимальной механической скорости. Этот критерий обладает наглядностью, наиболее четко определяет цель управления процессом бурения. В отличие от других критериев, значение механической скорости может быть достаточно просто найдено путем измерения ее стандартными приборами.

После выбора критерия оптимизации Y, который может быть измерен или легко вычислен, необходимо решить задачу нахождения управляющих параметров Р, w, Q, при которых величина Y достигает экстремального значения. Для этого необходимо знать общий вид функции , который заранее неизвестен. На основании результатов бурения предыдущих скважин могут быть получены аналитические зависимости  в виде формул. Однако их использование в системах автоматического управления процессом бурения может привести к ошибочным результатам, так как на процесс бурения влияет множество случайных факторов, не поддающихся учету. Поэтому при отсутствии полного математического описания объекта управления остается экспериментальный поиск значений Р, w, Q, при которых критерий оптимизации Y достигает экстремального значения. В этом случае необходимо иметь возможность измерения или вычисления по известным формулам величины Y при любой комбинации варьируемых факторов Р, w, Q синхронно с протеканием производственного процесса.

Существует множество различных алгоритмов решения этой задачи. Остановимся на простейшем из них, так называемом методе покоординатного спуска, чтобы объяснить принцип нахождения экстремума функции при отсутствии ее математического описания. Суть алгоритма состоит в следующем. Пусть критерий оптимизации Y зависит в общем случае от n управляющих координат . Выбираем некоторое начальное приближение . Изменяем каким-либо способом координату  от значения  при постоянных значениях остальных координат . При каждом изменении  измеряется или вычисляется новое значение функции Y. Аргумент  изменяется до тех пор, пока функция одной переменной  не достигнет экстремального значения в некоторой точке . После этого фиксируются значения  и изменяется координата  до тех пор, пока функция одной переменной  не достигнет экстремального значения в некоторой точке . Описанная процедура последовательно повторяется для всех остальных координат . После осуществления поиска экстремума по всем n переменным цикл повторяется, т.е. вновь происходит изменение аргумента  от значения ,  от  и т.д. Итерационный процесс поиска заканчивается, когда изменения координат  перестанут приводить к изменению целевой функции Y.

При выборе метода поиска оптимальных параметров режима бурения необходимо иметь в виду, что процесс бурения происходит в быстро меняющихся геолого-технических условиях. Поэтому время поиска оптимального режима бурения должно быть меньше времени бурения при данных геолого-технических условиях (изменение буримости пород, износ породоразрушающего инструмента и т. д.). Если метод поиска, использованный в системе автоматического управления, не обеспечивает выполнение этого условия, то система управления будет не успевать следить за изменением геолого-технических условий бурения и процесс бурения будет отличаться от оптимального.

Поэтому метод поиска экстремума целевой функции должен обеспечивать относительно быстрый выход в зону оптимальных режимов за минимальное количество пробных шагов.

Для реализации оптимального режима бурения необходимо плавное изменение управляющих воздействий Р, w и Q. Поэтому при автоматизации процесса бурения необходимо иметь регулируемые приводы подачи, вращателя и насосов. В противном случае не представляется возможным добиться требуемого качества управления процессом бурения. Ввиду сложности алгоритмов поиска оптимального режима бурения наиболее эффективным является применение для их реализации микроЭВМ.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА САУ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

 

САУ процессом бурения относится к классу экстремальных систем, которые сами ищут то значение задающего воздействия, которое нужно в данный момент иметь, чтобы режим работы объекта управления был наивыгоднейшим. При этом автоматический поиск требуемого наивыгоднейшего значения регулируемой величины осуществляется при изменяющихся внешних условиях работы объекта. Таким образом, экстремальная система управления кроме обычной задачи автоматического поддержания регулируемой величины на заданном уровне при изменении возмущающих воздействий должна автоматически находить наивыгоднейшее значение требуемой регулируемой величины. Поэтому система управления процессом бурения взамен задающего устройства должна иметь устройство автоматического поиска экстремума УАПЭ (рис. 8.1, а), которое производит анализ цели управления (функции цели) Y и подает на вход систем управления приводами подачи долота, вращателя и насосов требуемые значения сигналов управления  так, чтобы функция цели Y (P, w, Q) получила экстремальное (максимальное или минимальное) значение. Например, характеристика Y (P, w, Q) может быть механической скоростью бурения. Тогда устройство автоматического поиска будет выдавать требуемые значения сигналов задания осевой нагрузки gP , угловой скорости привода вращателя  и расхода промывочной жидкости gQ, которые дают максимальное значение механической скорости. При этом как сама величина экстремума Y, так и соответствующие ему значения  могут существенно меняться в зависимости от внешних условий процесса бурения f, как показано на рис. 8.1, б, где приведены зависимости скорости бурения от осевой нагрузки Р и от угловой скорости w при разной твердости породы (1 – мягкие породы; 2 – породы средней твердости; 3 – крепкие породы). Устройство автоматического поиска должно всегда находить этот экстремум независимо от причин, вызывающих его смещение при бурении.

 

Рис. 8.1. Структурная схема САУ процессом бурения

 

Сигналы обратной связи по осевой нагрузке Р, угловой скорости w и расходу жидкости Q поступают непосредственно на вход системы управления соответствующего привода, где они сравниваются с сигналами задания. Задача систем автоматического управления приводами подачи, вращателя и насоса заключается в возможно точном воспроизведении на своих выходах Р, w и Q сигналов задания осевой нагрузки gP, угловой скорости вращателя  и расхода жидкости gQ и в возможно полном подавлении возмущающих воздействий, действующих на приводы.

Для решения задачи автоматического поиска экстремума необходимо знать действительное значение целевой функции, которое находится непосредственным измерением её на объекте управления. Результат измерения целевой функции поступает в устройство поиска экстремума.

Если по техническим причинам измерить значение целевой функции на объекте управления не представляется возможным, то необходимо иметь математические формулы, которые отражают связь этой функции с другими координатами, характеризующими процесс бурения, и которые можно измерить с помощью специальных датчиков. После измерения этих координат в устройстве поиска экстремума по известным формулам должно осуществляться вычисление целевой функции Y.

 


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 156; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ