Автоматизированные системы управления процессом бурения скважин

Автоматическая система управления технологическим процессом бурения скважин АСУТП-Б (Кировское ИГО) предназначена для осуществления технологического процесса управления углубки скважины алмазным инструментом в автоматическом или ручном режиме управления (табл. 4.1).

Система АСУТП-Б обеспечивает:

  • - оптимизацию технологического процесса по критерию - стоимость 1 м бурения или реализацию управления по частным критериям - максимум производительности с ограничением по расходу алмазов или минимум расхода алмазов с ограничением по производительности;
  • - качественное выполнение буровых работ по выходу керна;
  • - предупреждение технологических осложнений и аварий;
  • - улучшение организации труда буровой бригады;
  • - снижение психологических нагрузок на бурильщика в условиях форсированного технологического процесса;
  • - независимость технико-экономических показателей бурения от квалификации персонала буровой бригады;
  • - возможность оперативной корректировки технологического процесса программными средствами;
  • - возможность создания разветвленной автоматизированной системы производством буровых работ по всему геологоразведочному объекту.

АСУТП-Б включает в себя комплект средств управляющей вычислительной техники; программное обеспечение; телевизионный индикатор.

Применяется для управления буровым агрегатом СКБ-5 и его модификациями и включает комплект серийных преобразователей параметров режима бурения.

При работе в автоматическом режиме управления выполняются следующие операции:

- промывка скважины;

Таблица 4.1

Техническая характеристика комплекта АСУТП-Б_

Параметры

Значения

Быстродействие, тыс. опер./ с

500

Объемы, Кб

Оперативное запоминающее

16

устройство

Постоянная память запоминающего

16

устройства

Вводы, каналы:

32

аналоговый

32

цифровой

Выводы:

2

аналоговый

16

цифровой

От сети переменного тока,

Питание

напряжение 220 В, частота 50 Гц (с защитным заземлением)

Потребляемая мощность, Вт

625

Условия эксплуатации (в буровом здании):

температура окружающего воздуха, С°

5^10

относительная влажность воздуха, %

До 95 (при 30 °С)

атмосферное давление, кПа

84,0-106,7

  • - постановка на забой породоразрушающего инструмента в начале рейса;
  • - приработка породоразрушающего инструмента;
  • - поиск оптимальных значений осевой нагрузки, расхода промывочной жидкости и скорости вращения бурового снаряда;
  • - корректировка параметров режима бурения в соответствии с изменяющимися геолого-техническими условиями;
  • - контроль и предупреждение аварийно-опасных ситуаций;
  • - отображение основных параметров бурения на телевизионном индикаторе в виде гистограмм;
  • - вывод оперативных сообщений и подача звукового сигнала при возникновении аномальных ситуаций в технологическом процессе;
  • - прекращение рейса при реализации замера или возникновении неликвидируемой аварийно-опасной ситуации.

В автоматическом режиме работы система АСУТП-Б позволяет:

  • - осуществлять бурение в режиме ручного управления при отображении параметров технологического процесса на телевизионном индикаторе;
  • - выполнять цикл операций в автоматическом режиме при ручном регулировании скорости вращения бурового снаряда;
  • - осуществлять переход с автоматического на ручной режим управления и обратно без остановки процесса углубки скважины;
  • - производить оперативную корректировку технологического процесса путем оперативной замены уставок, используемых в алгоритме, а также осуществлять подрыв бурового снаряда и возврат к бурению в любой момент рейса по желанию бурильщика.

При проведении работ в автоматическом режиме функции бурильщика заключаются в выплнении спуско-подъемных операций, наращивании бурового снаряда, пуске системы, техническом обслуживание оборудования, подготовке к работе технологического инструмента.

Устройство управления процессом углубки скважин «Карат- 2»

Рис. 4.3. Устройство управления процессом углубки скважин «Карат- 2»

По данным испытаний и производственной эксплуатации АСУТП-Б в условиях пород IX, X категории по буримости получены следующие техникоэкономические показатели: механическая

скорость 3—4 м/ч; расход алмазов 0,3-0,5 кар./м; длина рейса и выход керна - на 5-10% выше, чем при ручном управлении.

Устройство

управления процессом углубки скважин «Карат- 2» (рис. 4.3), созданное в ПГО «Кировгеология», успешно эксплуатируется на буровых агрегатах СКБ- 4, СКБ-5, СКБ-7, причем наличие на них регулируемого электропривода не обязательно. «Карат-2» может быть установлен также на буровом агрегате ЗИФ-650М, но для этого необходимо оснастить агрегат гидропультом станка СКБ-5 или провести доработку его гидросистемы.

Техническая характеристика устройства «Карат-2» приведена в табл.4.2.

Аналогом устройства «Карат-2» является система автоматизированной оптимизации управления технологическим процессом бурения САОПБ-1, созданная в ПГО «Севукргеология».

По сравнению с аналогом «Карат-2» обладает такими преимуществами: способностью адаптироваться к изменению пород в процессе бурения, что повышает его эффективность в условиях перемежаемых, трещиноватых и дробленных пород; использованием при его изготовлении изделий, широко применяемых в промышленности, что резко снижает стоимость устройства.

Примером создания полностью автоматизированного бурового агрегата является система РБК-4 - роботизированная буровая установка для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые.

Таблица 4.2

Техническая характеристика устройства «Карат-2»

Параметр

Значение

Управляемый параметр

Осевая нагрузка

Контролируемые параметры

Механическая скорость, давление промывочной жидкости, ток электропривода станка

Время реакции на предварительную ситуацию, с

Диапазоны регулирования

2

механической скорости бурения, м/ч , по

0-150

категориям пород по буримости:

0-30

II-IV

220 при частоте 50 Гц

выше IV

50

Напряжение питания, В

1 000

Потребляемая мощность, Вт Наработка на отказ, ч

1

Среднее время восстановления, ч

1-45

Условия эксплуатации:

95

температура, °С

420x150x180

влажность, %

Габаритные размеры, мм Масса, кг

10

Глубина бурения установкой РБК-4 (рис. 4.4) определяется использованием труб различного типоразмера: стальных 68 мм - 350 м, ССК- 76 - 400 м, стальных 54 мм - 500 м, ССК-59 и стальных труб 42 мм - 700 м, ЛБТН-54 - 800 м, ЛБТН-42 - 1 000 м.

Буровая установка РБК-4 содержит (табл.4.3):

  • - буровой агрегат БА-РБК-4, имеющий в своем составе систему числового программного управления и промывочный насос НБ-4-160/63 с плавнорегулируемым гидроприводом и с насосом-водозабором для жидких добавок и промывочной жидкости, а также замкнутую циркуляционную систему, состоящую из емкости с промывочной жидкостью и блока очистки промывочного раствора от шлама;
  • - инструментальный блок БИ-РБК-4 с двумя бортовыми накопителями для бурильных груб, устройствами для обслуживания колонковых труб и керна, устройствами для измерения и заточки алмазных коронок, емкостью и нагревателем технической воды, а также стандартными геофизическими зондами для скважинного каротажа и кабиной оператора.

Блоки оснащены гидродомкратами с системой авгогоризонтирования. Инструментальный блок на трубной базе может работать независимо от буровой установки.

Укрытие установки от атмосферных воздействий - полужесткое полное.

Буровой агрегат БА-РБК- 4 размещен на шасси тракторного полуприцепа, а инструментальный блок на шасси тракторного прицепа.

Буровой агрегат БА-РБК-4

Рис. 4.4. Буровой агрегат БА-РБК-4

Буровая установка может иметь три транспортных положения (в сцепе друг с другом, раздельная транспортировка бурового и инструментального блока, подтаскивание на ограниченное расстояние лебедкой или гусеничным тягачом) и три рабочих положения (основное - продольное; параллельное со сцепными устройствами в противоположные стороны и без инструментального блока).

Комплекс может транспортироваться трактором.

В процессе бурения скважин измеряются и адаптируется в автоматическом режиме

следующие показатели:

частота вращения шпинделя вращателя, крутящий момент на шпинделе вращателя, осевое усилие на механизме подачи, скорость перемещения вращателя, текущее положение вращателя, положение инструмента в скважине, путь подъемника от реперной точки, усилие тяги на тросе лебедки ССК, скорость на тросе лебедки ССК, положение керноприемника в скважине, усилие тяги на геофизической лебедке, скорость на геофизической лебедке, положение зонда в скважине, расход промывочной жидкости на прямом и возвратном потоке, давление промывочной жидкости, плотность промывочной жидкости, мощность на приводе, полная мощность, длина бурильной трубы, контроль расходуемых запасов (промывочной жидкости, добавок в промывочную жидкость, бурильных труб, инструмента), ресурс бурового инструмента. Установка автоматически осуществляет прогноз состояния и выдача рекомендаций.

Наибольший эффект от применения роботизированных буровых установок может быть получен при эксплуатации в составе автоматизированной производственной системы (АПС). Основное назначение АПС - создание замкнутой информационной системы, элементы которой являются источниками информации и её потребителями. Система АПС должна обеспечить получение качественной информации геологического, технологического и производственного характера, быструю передачу информации и автоматизированную её обработку с целью принятия решений, передачу информации и решений производственным звеньям для исполнения.

Таблица 4.3

Техническая характеристика роботизированного комплекса

Параметры

Значения параметров

Механизм подачи: вид привода

усилие подъема подачи, кН:

Г идрофицированный

вверх

вверх при ликвидации аварии вниз

скорость подачи, мм/мин длина хода, мм угол наклона, град

  • 50
  • 70
  • 25
  • 3-5 000 4900 0-90

Вращатель:

тип

приводная мощность, кВт частота вращения, мин'1 то же при сменных элементах, мин'1 максимальный крутящий момент, даН-м то же кратковременно, даН м диаметр проходного отверстия, мм

Подвижной гидроприводной 45

10-1 500 20-2 000 140 175 75

Вращатель вспомогательный: назначение привод

частота вращения, об/мин максимальный крутящий момент, даН-м диаметр проходного отверстия, мм оснащение

Для колонковых и обсадных труб От основного вращателя 200 400 15

Гидропатрон, гидропатроны для обеспечения

наклона при приемке труб с горизонтальной поверхности

Лебедка для съемного керноприемника: вид привода грузоподъемность, даН максимальная скорость навивки троса, м/с

Г идродвигатсль 500

3,5

Вспомогательные механизмы

Труборазворот

низкомоментный; манипулятор для работы с бурильными трубами

Силовой блок:

вид привода мощность привода, кВт

Электродвигатель

55

напряжение электродвигателя в системах освещения и управления, В

24

Окончание таблицы 4.3

Насос буровой гидроприводной:

расход максимальный, л/мин давление, МПа управление расходом

НБ-4-l 60/63 с насосом-дозатором для добавок 160 6,3

Бесступенчатое автоматическое с поддержанием расхода или давления

Лебедка кабельная геофизическая: вид привода грузоподъемность, даН

Г идродвигатель 500

Блок инструментальный БИ-РБК-4

Комплектность

Блок накопителей, блок вспомогательный, кабина оператора, блок числового программного

управления, база транспортная, укрытие

Количество накопителей

2

Количество труб, размещаемых в накопителях, диаметром:

42,43

264

50

220

54, 55

198

68, 70

112

Маслосганция вспомогательная:

тип

ПБ2-952-086

мощность привода, кВт

4

давление в системе, МПа

12,5

расход, дм3/мин

0-16

В составе АПС могут эксплуатироваться буровые станки, оснащенные локальными системами управления и сбора данных.

АПС состоит из трех производственных единиц:

буровой подсистемы, включающей объединенные в блоке автоматизированные рабочие места (АРМ) технолога и диспетчера (блок оснащен радиосвязью и системой передачи информации; роботизированные буровые комплексы; электронносервисные и гидросервисные средства; трубную базу и склад инструмента; растворный узел;

  • - геологической подстанции, включающей: АРМ «геолог объекта», автоматизированное кернохранилище; проведения экспресс-анализа, блок подготовки проб и аналитический блок;
  • - хозяйственной подсистемы, включающей: АРМ руководителя работ; службы: транспортная, энергетическая, ремонтная, инженерного обеспечения и т.д.

Из зарубежный буровых агрегатов наиболее известны автоматизированные буровые системы компании Atlas Copco. Это буровые агрегаты Diamec® U6 АРС (рис. 1.13) и Diamec® U8 АРС.

Буровая установка колонкового бурения с автоматическим контролем параметров бурения с ССК (А-Н) и прямым керноприемником Diamec' U6 АРС оснащен гидроцилиндром подачи прямого действия (без цепи), штангодержателем с газовым патроном с большим сроком службы и вращателем с изолированным редуктором.

Вращатели для установки поставляются двух размеров: N и Н. Для размера N имеются два варианта гидромотора. Вращатель размера Н имеет две установки для регулирования давления/потока, изменяющие соответственно максимальный крутящий момент и скорость вращения. Гидромоторы обоих размеров легко заменяются.

Характеристики вращателей даны в табл. 4.4 .

Вращатель состоит из гидромотора, редуктора с уплотнением, шпинделя с отверстием и гидравлического зажимного патрона. Зажимное усилие гидропатрона регулируется, а зажимные кулачки легкосъемные. Зажимные кулачки поставляются из стали и с карбидовольфрамовыми вставками.

Частота вращения вращателя регулируется с пульта управления, действия гидропатрона и штангодержателя синхронизируются.

Мощность электрического силового агрегата установки достигает 55 кВт, дизельного 85 кВт. Первый вариант привода имеет массу 1 000 кг и размеры 1 854x1 250x790 мм, второй вариант имеет массу 980 кг и размеры 2 000x1 030x810 мм. Главный гидронасос буровой установки развивает давление 30 МПа при максимальной производительности 130 л/мин. Вспомогательный насос имеет производительность 40,5 л/мин и давление 30 МПа.

Станком управляет один оператор благодаря новой конструкции позиционирования, убыстряющей подготовку станка при смене направления бурения, а также за счет полной автоматизации процессов бурения.

Система АРС (автоматического контроля бурения), которой оснащен станок позволяет позволяет осуществлять бурение в автоиматическом режиме. Системой АРС в память компьютера записываются данные бурения: глубина скважины, количество и давление воды на входе, частота вращения, скорость бурения, усилие на коронке, давление в гидросистеме и др. Система АРС оптимизирует скорость бурения, регулирует усилие подачи, частоту вращения и крутящий момент в соответствии с изменением условий бурения. Это позволяет оператору выполнять при бурении другие работы - опорожнять керноприемники ССК, готовить коронки и штанги.

Мощность электрического привода установки в базовой комплектации составляет 75 кВт. Электродвигатель приводит в действие два гидронасоса установки, с помощью которых приводятся в действие гидродвигатели узлов агрегата: вращатель, буровой насос, лебедка ССК.

Буровая установка способна бурить скважины под любым углом заложения (от вертикального вниз до вертикального вверх).

Буровой агрегат Diamec U6 оснащен подвижным вращателем с ходом 1800 мм. Осевое усилие подачи 65 кН, скорость подачи до 1 м/с.

Таблица 4.4

Технические характеристики вращателей бурового агрегата Diamec® U6 АРС

Вращатель

Параметр

размера N

размера Я

Стандартный

С высоким крутящим моментом

Стандартный

С высоким крутящим моментом

Размер штанги

A-N

B-N

В-Н

В-Н

Максимальная скорость вращения, мин-1

1 800

1 600

1 400

1 200

Максимальный крутящий момент, Нм

645

860

1 275

1 590

Гидромотор вращателя, см3

60

80

ПО

ПО

Внутренний диаметр шпинделя, мм

78

78

101

101

Осевок усилие удержания гидропатрона, кН

100

100

150

150

Штангодержатель станка открывается гидравлически и закрывается под давлением газового патрона. Максимально возможный диаметр бурильных труб равен 89 мм, осевое усилие удержание 45 кН, возможен вариант исполнения штангодержателя с твердосплавными плашками, что позволяет повысить осевое удержание до 90 кН.

Буровой агрегат может оснащаться вращателями двух типоразмеров: /7 и Н. Для вращателя размера N имеется два варианта мотора: стандартный с максимальной частотой вращения 1800 мин'1 и крутящим моментом 645 Нм и высокомоментный - частота вращения до 1600 мин'1 и крутящим моментом 860 Нм.

Вращатель размера Н имеет две установки давления/потока, изменяющиеся соответственно максимальный крутящий момент и частоту вращения. Возможен вариант, при котором частота вращения достигает 1400 мин'1, а крутящий момент достигает 1275 Нм. Другой вариант управления параметрами вращателя позволяет получить частоту вращения до 1200 мин'1 и крутящий момент до 1850 Нм.

Вращатели обоих типоразмеров взаимозаменяемы.

Вращатель состоит из гидромотора, редуктора с уплотнением, шпинделя с отверстием и гидравлического зажимного патрона. Зажимное усилие гидропатрона регулируется. Осевое удержание гидропатрона для вращателя типа N составляет 100 кН, вращателя типа Н 150 кН.

Глубина бурения скважин снарядом типа AQ составляет 1 200 м, BQ - 1 000 м, NQ - 800 м и HQ - 600 м.

Буровая установка оснащается буровыми насосами типа TRIDO 80Н или TRIDO 140Н.

Возможны варианты установки с электрическим и дизельным приводами. В первом случае установка может оснащаться приводом мощностью 55 или 75 кВт. Во втором случае буровой агрегат оснащается дизельным приводом типа 110 DT мощностью 112 кВт.

Для бурения глубоких скважин с поверхности возможен вариант телескопического удлинения мачты, которая монтируется сверху на раме податчика. Таким образом, можно удлинить раму податчика с мачтой до 3,5— 4,5 м, а с дополнительными трубами - до 7,5 м.

Для работы с мачтой на установке может монтироваться талевая лебедка емкостью 425 или 1 000 м, управляемые с пульта. Привод лебедки от гидромотора. Скорость подъема в первом случае варьирует от 2,1 до 4,5 м/с, во втором - от 1,7 до 4,2 м/с. Тяговое усилие лебедки может достигать в первом случае 8,1 кН, а во втором -10 кН.

Буровой агрегат Diamec U8 АРС предназначен для колонкового бурения глубоких скважин на поверхности или из подземных горных выработок с автоматическим контролем параметров ССК типоразмера BQ-HQ.

Мощность электрического привода установки в базовой комплектации составляет ПО кВт, дизельного 149 кВт. Двигатель привода приводит в действие два гидронасоса установки, с помощью которых приводятся в действие гидродвигатели узлов агрегата: вращатель, буровой насос, лебедка ССК.

Буровая установка способна бурить скважины под любым углом заложения (от вертикального вниз до вертикального вверх).

Буровой агрегат Diamec U8 оснащен подвижным вращателем с ходом 1 800 мм. Привод подачи гидравлический. Осевое усилие подачи 133 кН, скорость подачи до 0,73 м/с.

Штангодержатель станка открывается гидравлически и закрывается под давлением газового патрона. Максимально возможный диаметр бурильных труб равен 117,5 мм, осевое усилие удержание -133 кН.

Буровой агрегат может оснащаться вращателями двух типоразмеров: стандартным с максимальной частотой вращения 1 400 мин'1 и крутящим моментом 1 275 Нм и высокомоментный - частота вращения до 1 200 мин'1 и крутящим моментом 2 300 Н м.

Вращатели обоих типоразмеров взаимозаменяемы.

Вращатель состоит из гидромотора, редуктора с уплотнением, шпинделя с отверстием и гидравлического зажимного патрона. Зажимное усилие гидропатрона регулируется. Осевое удержание гидропатрона 150 кН.

Все работы на станке выполняет один оператор. Управление бурением осуществляется автоматически бортовым компьютером.

Глубина бурения скважин снарядом типа BQ составляет 2 000 м, NQ - 1 500 м и HQ - 1 000 м.

Буровая установка оснащается буровым насосом TRIDO 140Н.

Для бурения глубоких скважин с поверхности возможен вариант телескопического удлинения мачты, которая монтируется сверху на раме податчика. Таким образом, можно удлинить раму податчика с мачтой до 3,0 м. Для бурения в подземных горных выработках удлинение податчика осуществляется на 2 м.

Для работы с мачтой при проведении спуско-подъемных операций на установке может монтироваться талевая лебедка емкостью 2000 метров, управляемая с пульта. Привод лебедки от гидромотора. Скорость подъема варьирует от 1,8 до 4,8 м/с. Тяговое усилие лебедки достигает 9,7 кН.

Применение современных станков с автоматизированной системой управления показывают очень высокие результаты производительности бурения. В США (шт. Айдахо) на станке Diamec U8 при колонковом алмазном бурении в автоматическом режиме за 10-часовую смену проходка достигала 185,6 м. Полученный результат показывает возможности автоматизированных систем, способных оптимально управлять процессом бурения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >