Устройство управления буровым насосом

 

1. УСТРОЙСТЮ УПРАВЛЕНИЯ БУРОВЫМ НАСОСОМ, содержатдее регулируемый электропривод, соедиве вый с исполнительным мвхаввзм( датчик давления, установленный на выходе насоса, и блок задания уставок, отличающееся тем, что, с оепыо повышения надежности работы уСгтройства, в. него бведены датчик цпотноств раство ра , датчик глубины скважиш, блок фо мирования сигнала смены за бойвого ВЕН струмента в блок зад19т|я щмжзвоавтепьности , при атом первый в второй выхооы блока задания уставок соединены с iiep выми и вторыми входами бпсжа эаоанвя производите льжюти и блока ф()врования сигнала смевы забойного ивструМевта, третий вход которого соелннен с датчиком плотности раствора, а,выходы-стретьим ь и четвертым входами блока а&пияея производительвости, пятый вход . соединен с датчиком давпеивя, вюстсА в с«аьмой входы бйока эадаш1я хфожшодвтельвоств соедв}|е а|| с третьем четвертым выхрдамв блока задаввв уставок, датчвк глубины скважв{9ы воокпкпеи к Ю восьмому входу блока эадавва про«эвсавч1 телыюсти, первый выход соедвсо вев с вхоас( регупвру вм(яч люктроярвв х а .да, а агорой - с вхоасм блока шшаввя ч уставок. 2. Устройство по п. 1, о т я в ч А ю ш е е с я тем, чтоблок фортдйрова ия сигяала смдны забойвсячэ ввструмевта содержит бпсжв деления, бжж уылояа ВИЯ, С;ук возведешш в степевь в вст.очнвк шпряжеввя смешения, прв этом выход первого блока деления соедввев с первым входом второго блока деления , вход которого соедивэн с выходе блсжа умножения, а ЕЫХОД подключен к входу

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Зов E 21 В 44/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 341 41 83/22-03 (22) 25.03.82 (46) 07.07.83. Бюп. Ж 25 (72) Б.И.Мопохейн и В.В.Жипиков (71) Всесоюзный научно-исснедоватепьо кнй и проектно-конструкторский институт по автоматизированному эпектроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (53) 622.245 (088.8) (56) 1. Ишханов Э.П. и др. Повышение производительности глубокого бурения прн регулируемом приводе буровых насо сов. "Энергетика и электрооборудование установок нефтяной н газовой промышпен ности", вып.2, М., ВНИИОЭНГ, 1970», 2. Баршай Г.С. и др. О рациональном использовании гидравлической мошности буровых насосов с регулируемым прив<г дом. Машины и нефтяное оборудование», . вып.9. М., ВНИИОЭНГ, 1981, с. 14-17.

3. Сапяк И.И., и др. Усовершенствованне схемы пуска асинхронного вентипьного каскада бурового насоса, Машины и нефтяное оборудование, вып. 8, М;, ВНИИОЭНГ, 1981, с. 23-24.

4. Монохейн Б.И. и Портной Т.З.

Регулируемый эпектропривод дпя буровых насосов. - "Энергетический бюллетень", 1958, % 6, с. 15-21.

5. Парфенов Б.М. Электропривод бу ровой установки дпя бурения скважин глубиной 7-10 км. «Автоматизирован» иый эпектропривод производственных механизмов", т.П. М., Энергия, 1966, с. 334-339, 6. Ишханов Э.П. Исследование регулируемых эпектроприводов буровых наcocos при глубоком бурении скважин.

Автореф. днс. Баку, 1972, с. 20 .(прото тип)..,SU„„1027377 А (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ БУРОВЫМ НАСОСОМ, содержащее регулируемый эпектропривод, соединенный с исполнительным механизмом» дат чик давления, установленный на выходе насоса, и блок задания уставок, о т п и ча юше вся тем,что,с депью псиышення надежности работы устройства, в"него введены датник плотности раство» ра, датчик глубины скважин, бпок формирования сигнала смены забойного ицструмента и блок aaaaasa щшизводитепьности, ши етом первый и второй выхсаы блока задания уставок соединены c п®рвыми и вторыми входами бпока задания производительности и блока формирования Я сигнала сиены забойного инструМента, третий вход которого соединен с датчиком плотности раствора, а выходы «с третьим ь и четвертым входами бпока задания производительности, нятйй вход .которого: соединен с датчюкм давления, шестой и ведьмой входы бра задания проазводитепьности соединены с третъим и четюртым выходами бпока aagaisa уставок, датчик гпуби ы скважины подкпючеи к восьмому входу бпока задания производительности, первый выход которого соединен с входом регудируемого аияктропрю< да, а второй - с входом бдока задания уставок.

2. Устройство по п. 1, о т и и ч а ю.щ е е с я тем, что. блок формирования сигнапа смены забойного ииструмеи та содержит блоки деления, бпок умножения, бич возведения в степень и источник нащажения смешения, при этом выход первого блока деления coeaases с первым входом второго блока депения, второй вход которого соединен с выходом блока умножения,. а выход подкпючен к входу

1027377 входами блока. бяока возведения в степень, первый вход блока умножения соединен с источником напражвиия смещения, второй вход бпока умножения явпяется первым входом бпока, первый и второй входы первого бпока депвния явпяются cooTseTGTseHHo stopHM и третьим входами блока, выход блока возведения в степень явпяется вторым вы ходом блока.

3. Устройство по и. 1, о т и и ч ею щ е е с я тем, что блок задания производитепьности содержит бпок умножеННН, блок деления, сумматоры, пороговые бпоки, эпвктронные- ключи, бпок возведения в степень и блок формирования отрицательного напряжения,при этом блок умножения соединен с первым входом первого сумматора„выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого через бпок возведения в степень соединен с первыми. входами второго сумИзобретение относится к буровой технике, а точнее к устройствам дпя осущвствпения регулирования производитепьиости бурового насоса с электрическим приводом, и может применяться в бурении 5 скважин, например, на .нефть и газ.

Механическое разрушение горных пород, например, при бурении скважин иа нефть и газ связано с необходимостью интен снвной промывки забоЯ дпя удапениЯ час тичек выбуренной породы на. поверхность.

Топько при достаточной очистке забоя можно обеспечить максимапьные тем1ял проходки скважин, опредепенные режимом бурения. Наряду с очисткой забоя струя промывочной жидкости, нищ высокий дав-.. пением поступакхцая sa забой из rsspo мониторных насадок допота, непосредственно способствуют разрун1внию породы рр (гидромониторный эффект). В большинстве спучаев поток промывочной жидкости, закачиваемой в скважину с помощью буровых насосов, используется дпя привода,, забойш 1х гидравпических двигателей (турбобур, винтовой двигатель), непосредственно сочпенэиных.с долотом. Таким образом, функции гидравлической системы буровой установки многообразны, причем все они непосредственно связаны с oñ матора и первого порогового блока, выходы которых подключены к входам первого эивктронного кпюча, выходы второго порогового бдока и блока формирования отрнцатепьного. напряжения соединены с входами второго электронного ключа, выход которого подкпючен и второму входу второго сумматора, второй вход второго пороговсп.о бпока явпяется первым входом бпока, второй н третий входы первого сумматора явпяются соответственно вторым и седьмым входами бпока, второй вход блока депения является третьим входом бпока, первый вход второго порогового бпока и вход бпока формирования отрицатепьного напряжения объедннейы и являются четвертым входом бпока, второй вход первого порогового блока яв, пяется пятым входом бпока, входы бпока умножения явпяются шестым и восьмым новным технопогичесинм процессом бурения - угпубпением (проводкой) скважины.

Потери давления в гидравпической системе возрастают по мере увеличения глубины скважины и уменыиения ее диаметра. Поэтому рапионапьное испопьзование гидравпической мощности, установ пенной на буровой установке насосной группы, возможно только при регупировании д насосов. Еспи

npssen насосов .нврвгупируемый, применяется ступенчатое регупирование производитепьиости буровых насосов путем смены яипиидзовых втупок sns диаметра приводим х тиивов, обеспечивающее среднввзве1иениое значение коэффициента ис- попьзования мощности 65-,75% 11.

Применение регупируемого эпектропривода буровых насосов обеспечивает возможность ручного управления частотой вращения приводного эпектродвигатепя и, соответственно, бесстунэнчатого регупирова имя производитепьности насосов в достаточном диапазоне. Однако на практике даже простейший закон perynspoвання - поддержание постоянного максимапьио допустимого дпя данной втупки, давпения и системе (постоянство мо мента на sany двигателя) - при ручном

102 ь

55 управпении не всегда выпопняется с достаточной строгостью из-за перегруженности оператора (бурильщика) технопогическимн операциями. Тем более невозможно с достаточной точностью выполнять бопее эффективные эаконь| управленияподцержание оптимапьной забойной мощности ипи режима равновесного бурения, связанные не только с оперативным управпением, но и с выпопнением расчета уставок Р 2).

Известна система регупируемого апектропривода бурового насоса, предназначенная для буровых установок с номинальной гпубиной бурения 3000-5000 м.

Система регупируемого эпектропривода бурового насоса по схеме асинхронного вентильного каскада содержит асинхронный эпектродвигатель с фаэным ротором, мостовой роторный выпрямите пь, сглаживающий цроссель, резистор, инвертор и согпасующий трансформатор. Система автоматического управления электроприво .цом предусматривает пуск асинхронного, вентипьного каскада до номинапьной скорости с бесконтактным перекпючением пускового резистора. Выбор установившейся скорости в диапазоне 0,5-1 от номинальной осуществляется вручную, посредством сельсанного командоаппарата 3 .

Известно также устройство для буровых установок с электроприводом постоянного тока, в котором осуществпяется автоматическое регулирование скорости двигатепя в диапазоне 0,8-1,25 от номинальной в функции одного из трех параметров (давления, произвоцитепьностн ипи глубины скважины) (4).

Схема управления предусматривает возможность ввода информации m гпубине скважины и коэффициентам гидравпических сопротивпений однако не содержит блоков формирования сигналов управпения и не может обеспечить автоматическое регулирование производитепьностью.

В дапьнейшем на установках с приводом постоянного тока скорость вращения двигатепя изменяется вспедствие нелинейной обратной связи по давпению «5).

Наиболее близким техническим решением к изобретению явпяется система автоматизированного эпектропривода бурового насоса, содержащая обратную связ по давлению в нагнетатепьном трубопроводе, регулируемый электропривоц, испопнитепыо|й механизм - двигатепь, бпок задания уставок, цатчнк давления на выходе насоса.

7377 4

Наличие обратной связи- по давпенню существенно упучшает режим пуска под нагрузкой, способствует успешному восстановлению циркупяции. промывочной

5 жидкости, а также снижению производительности буровых насосов при максимапьных давпениях, возникающих при аварийных ситуациях в скважине E.6).

Недостатком известного устройства является то, что система автоматизированного эпектропривоца бурового насоса не решает задачи автоматического регупирования производительности в функции угпубпения скважины с цепью рационапь15 ного испопьзования гидравлической мощности буровых насосов.

Как известно fl) и 2) давпение в гидравлической системе буровой установ ки (на выкиде насосов) Ри опредепяется

20 потерями давпения в манифопьде, эпемен тах циркупяционной системы и гидромониторных узпах допота и забойного двигатепя. Соответственно а щ +c yq„ to y q (ц где - ппотность промывочной жидкости; — коэффициент гидравпических со4 противлений эпементов циркус ционной системы, потери давпе30 ния в которых зависят от гпубины скважины;

q - коэффициент гнцравпических со-. противлений ма нифопьда;

CI>- коэффициент, характеризующий

35 гидравлическую характеристику гидромониторных узлов долота и забойного двигатепя.

Коэффициент Q> как правипо постоя нен за время бурения скважины. Коэфф 40 циент (1 меняется редко с изменением компановки бурипьной копонны и конструкции скважины. Коэффициент 6 меняется дискретно (не чаше чем один раз на рейс долота).

Максимапьная допустимая гидравпичеокая мощность буровых насосов развивается в том спучае, еспи во всем интервапе проходки скважины поддерживается максимапьно допустимое дйя данного диа50 метра сменной втупки давпение на выкиде насоса Р О 1 ° При PN = Р,@Оп закон регулирования производитепьности Q„ опреде;л тся из (1) Однако максимум гидравлической мощности насосов на поверхности не всегда

1027377 обеспечивает подведение к забою максимальной гидравлической мощности и ев реализацию. С другой стороны известное в теорий условие реализации максимап ной забойной мощности требует непрерывного изменения гидравлической характеристики забойных двигателей и долот> что практически неосущест вимо. Кроме того, этот способ приводит к непроизводительным затратам суммарно расходуемой мощности.

На современном уровне развития техники наиболее рационапиым явдяется, комбинированный способ peryaaposaaaa . производительности буровых насосов, сочетающий работу при максимально допустимом давлении по уравнению (1) с периодическим изменением гидравлической характеристики забойных механизмов при достижении условия

Предлагаемое устройство управления обеспечивает автоматическое регулироиание частоты вращения энектропривода бу рового насоса {и соответственно производительности) в процессе углубления скважины с периодической заменой гидравлической характеристики забойных механизмов при достижении забойной мощности Цси.

Белью изобретения является повышение надвжностк работы устройства путем регулирования частоты вращения бурового насоса прн поддержании максимальных ао» пустимого давления на выккде насоса и гидравлической мощности забойного механизма для повышения производительности бурового агрегата, одновременно за счет рационального испопьзования мощности сокращаются энергетические затраты на проводку скважины.

Поставленная цепь достигается тем, что в устройство управления буровым насосом, содержащее регулируемый эпектропривод, соединенный с исполнительным механизмом, датчик давления, установленный на выкиде аасоса, и блок задания. уставок, введены датчик плотности раствора, датчик глубины скважины, блок формирования сигнала смены забойного инструмента и блок задания производительности,,при этом первый и второй выходы блока задания уставок соединены с пер!

15 выми и вторыми входами блока задания производительности и. блока формирования сигнала смены забойного инструмента, третий вход которого соединен с датчиком плотности раствора, а выходы — с третьим и четвертым входамн блока эадания производительности, пятый вход кото рого соединен с датчиком давления, шеотой и седьмой входы блока задания производительности соединены с третьим н четвертым выходами блока задания уставок, датчик гпубинь1 скважины подключен ° к восьмому входу блока задания производительности, первый выход которого соединен с входом регулируемого эпектронривода, а второй - с входом блока задания уставок.

Также блок формирования сигнапа смены забойного инструмента содержит блоки деления, блок умножения, бпок воз» ведения в степень и источник напряжения смещения, при этом выход первого блока деления соединен с первым входом второу5 го блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход подключен к входу блока воэведе» ния в степень, первый вход блока умножения соединен с источником напряжения смещения, второй вход блока умножения является первым входом блока, первый и второй входы первого блока деления явля» ются соответственно вторым и третьим входамн блока, выход блока возведения в степень является вторым выходом бно35

Кроме того, блок задания производительности содержит блок умножения, блок деления, сумматоры, пороговые блоки, 46 эпектронныв ключи, блок возведения в степень и блок формирования отрицатель ного напряжения, при этом блок умножения соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом блока деления, выход ко45 торого через бпок возведения в степень соединен с первыми входами второго сумматора и первого порогового блока, выходы котрых подключены к входам первого электронного ключа, выходы второ. го порогового блока и блока формирования отрицатеньного напряжения соединены с входами второго электронного ключа, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, второй вход. второго

55 порогового блока является первым входом блока, второй и третий входы первого сумматора являются соответственно вторым и седьмым входами блока, вто1027377 8 рой вход блока цепения явпяется треть им входом блока, первый вхоа второго порогового бпока и вход бпока формиро»saws отрицательного напряже.ния объединены и явпяются-четвертым вхоаом блока, второй вход первого порогового бпока является пятым входом блока, входы бпока умножения явпяются шестым и вось" мым входами бпока.

Введением бпока формирования сигнала о смены забойного инструмента со своими связями обеспечивается формирование

"сигнала смены забойного инструмента из сигналов максимально допустимого цавпения на выкиде HBcocos, посту 15 щего с бпока задания уставок, сигнапа плотности бурового раствора, поступаюulего с датчика плотности бурового раствора, и сигюпа, характеризующего гидравпическую характеристику гидромониторных допот и забойных гидравпических двигателей, поступающего с блока задания уставок. Формирование сигнала на смену забойного механизма необходимо апя рационапьного испопьэования гидрав пической мощности работающего забойного механизма, так как испопьэование укаэанного забойного механизма цпя дапьнейшего угпубпения скважины нерационально.

Введением бпока задания проиэводитепьности со своими связями в устройство управления обеспечивается формирование сигнала задания проиэвоцитепьиос5 ти на систему автоматического регупирования эпектропривоаом насоса. Сигнал задания производительности формируется из сигналов, текущего цавления, поступающего с цатчика давления на выкиае юм,О соса, сигналов значений гидравпического сопротивпе ния эпементов циркупяционной системь, коэффициента гицравпического сопротивления манифоцьца, коэффициента гиаравпического сопротивпения элементов циркупяционной системы, коэффициента, характеризующего гидравпическую характеристику гидромониторных узлов допота и забойного гидравпического ави» гатепя, поступающих с пульта управпения, и сигналов текущей гпубины скважи; ны, поступающих с датчика гпубины скважины, и плотности бурового раствора с датчика плотности.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления буровым насосом с регупируемым электроприводом; на фиг, 2 — блок формирования сигнапа

I смены забойного инструмента; на фнг.3бпок задания проиэводитепьности.

Устройство управпения содержит регу лируемый эпектропривоа 1, исполнительный механизм - двигатепь 2, например двигатель постоянного тока дпя придания вращения буровому насосу, бпок 3 задания уставок, датчик 4 аавпения, например типа ППДР-З, установленный на выкиде насоса, цатчик 5 ппотности раствора (юпример, типа ДПВ2) и датчик 6 глубины скважины, (укаэанные датчики являются аатчиками параметров технопогического процесса иэ комппекта датчиков буровой установки), бпок 7 формирования сигюпа смены забойного инструмента, бпок 8 задания проиэвоаитеп ности

Бпок 7 формирования сигнала смены забойного инструмента содержит . (фиг. 2) первый блок 9 деления сигнапов и второй бпок 19 аепения, бцок 11 умножения; источник 12 напряжения смешения, бпок

13 возведения в степень.

Бпок 8 задания производитепьности содержит (фиг. 3) блок 14 умножения, первый сумматор 15, бпок 16 депения, блок 17 возведения в степень, первый пороговый блок 18, второй сумматор

19, первый электронный кпюч 20, второй пороговый бпок 21, блок 22 формирования отрицатепьного напряжения и вто рой электронный кпюч 23.

Перед пуском устройства проводят сцеауюшие подготовитепьные работы. На блоке 3 задания уставок выставляются значения коэффициента гидравпнческого сойротивления эпементов циркупяционной системы, коэффициента гидравпического сопротивпения манифопьаа, коэффициента гидравпической характеристики гидромони îðåàõ узлов цоцота и забойного двигатепя, максимально допустимой гиаравпической мощности Р

При вкпючении устройства в работу на выхоае бпока 14 умножения в бпоке

8 задания произвоаитепьности появпяется сигнал, который суммируется на сумматоре 15 с сигнапами установок коэффициентов и поданных с бпока 3 задания уставок. Сигюд с сумматора 15 поступает иа ="=.îðîé sxoa блока 16 деления, в котором он взаимодействует с сигнапом с первого выхода бпока 7 формирования сигнапа смены забойного инструмента и являющегося в преобразовании сигнапов делимым. Полученный в бпоке 16 и преобразованный в бпоке 17 возведения в

1027377

10 степень сигнал поступает в пороговый блок 18. В блоке 18 сигнал с блока 1 7 сравнивается с сигналом, поступаюшим с второго выхоца блока 7. При равенстве этих сигналов на выходе порогового блока 18 появляется сигнал, управляющий электронным ключом 23.

Сигнал с выхода блока 17 суммируется на втором сумматоре 19 с сигналом с выхода электронного ключа 20, который в первоначальный момент равен нулю„и цодается через электронный ключ

23 в регулируемый привоц. Двигатель 2 разгоняется, и на входе датчика 4 давления появляется сигнал об уровне давления бурового раствора в трубопроводе. Сигнал с датчика 4 подается через пороговый блок 21 на электронный ключ 20.

Этот же сигнал с датчика 4 устанавливает на выходе блока 22 соответствующее отрицательное напряжение, которое поступает также на .электронный ключ

20. На пороговый блок 21 одновременно подается сигнал с блока 3 задания уставок о допустимом давлении Р ои

На выходе электронного ключа 20 сигнал отрицательного напряжения появляется после превышения сигналом текущего цавпения Р1-ек, поступающим с. датчика 4, сигнала о цопустимом давле- нии РДО>. Сигнал на выходе электронного ключа 20, пропорциональный значению превышения Р .Ек над Р о>, подается на сумматор 16 и поддерживает на его выходе уровень сигнала, соответствующий заданному значению уровня производи» тельности насоса.

Сигнал допустимого давления Рд п, поступающий с блока 3 зацания уставок, в блоке 9 целится на сигнал плотности раствора, поданный с цатчиков 3 и 4 после преобразования, произведенного с сит налом значения коэффициента гидравлического сопротивления манифольда в блоке 6, и подается на пороговый блок 18. На другой вход блока 18 поступает сигнал иэ блока 1 7, Сигнал на выходе порогового блока

18 появляется при достижении Я-г зна. чениями,< и и подается на управляющий вхоц электронного ключа 20. При этом сигнал задания на регулируемый привод снижается до нулевого значения, и на блок 3 задания уставок выдается сигнал . на смену забойного инструмента.

Предлагаемое устройство по сравне- нию с известным обладает тем преимуществом, что автоматически выполняется наиболее рациональный режим регулирования производительности насосов, позволяющий подвести и реализовать на забое до 50% дополнительной мощности (по

ЗО сравнению с регулированием в режиме постоянства давления) при одновременном снижении потребляемой мощности из сети, и исключает влияние субъективных факторов на эффективность работы.

1027377

7 ис.

Составитель И. Назаркию

Редактор P. Видика Техрвд К.Мыцьо Корректор А. Ференц

Заказ 4696/36 Тираж 603 Подцисиое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР ло цепам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушскаа юб., д. 4/8

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектюи, 4