Способ автоматического поддержания заданной плотности бурового раствора и циркуляционная система для его реализации

 

Изобретение относится к бурению скважин. Цель изобретения - повышение точности поддержания плотности бурового раствора (БР) путем подачи утяжелителя (У) с оптимальной производительностью при работе с дозаторами как пропорционального, так и дискретного действия. Подают У в приемную емкость 1 с учетом текущего значения плотности на входе емкости 1. Подача осуществляется пропорционально рассогласованию текущего и заданного значений плотности. Измеряют расход БР на входе в приемную емкость 1 и, учитывая плотность У, определяют оптимальную производительность подачи У как сумму пропорциональной и компенсационной составляющих. Последняя не зависит от параметров БР на выходе емкости 1. Циркуляционная система для осуществления способа содержит дозатор 2, датчики 3, 4 расхода и плотности БР на входе емкости 1, датчик 5 плотности БР на выходе емкости 1, задатчик 6 плотности БР, задатчик 7 плотности У, пропорциональный регулятор 8, блок 9 компенсации, сумматора 10, переключатель 11 режима У, дискретный преобразователь 12 и перемешивающее устройство 13. На выходе регулятора 8 формируется сигнал пропорциональной составляющей подачи У, на выходе блока 9 компенсации - сигнал компенсационной составляющей. Обе составляющие, пройдя сумматор 10, поступают либо на аналоговый вход дозатора 2, либо через преобразователь 12 на дискретный вход дозатора 2. В последнем случае У подается в емкость 1 дискретными порциями через определенные промежутки времени, которые вычисляются в преобразователе 12. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

СО(ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (S1) 4 E 21 В 21/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4349376/23-03 (22) 24 ° 12.87 (46) 30.10.89. Бюл. № 40 (71) Специальное проектно-конструкторское бюро автоматизации глубокого разведочного бурения (72) P.М. Беккер, И.Ю, Лурье, Я,М. Печатников, А.А. Ляховецкий и О.Н. Ярочкин (53) 622.241.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1032165, кл. Е 21 В 21/06, 1982, 2 (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ЗАЦАННОЙ ПЛОТНОСТИ БУРОВОГО

РАСТВОРА И ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ

ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (57) Изобретение относится к бурению скважин. Цель изобретения — повышение точности поддержания плотности бурового раствора (БР) путем подачи утяжелителя (У) с оптимальной производительностью при работе с дозаторами как пропорционального, так и дискрет1518482

)-"

-а

Вта)ЕТС5! )1)атЗСНСТДО ного действия. Пода!от У в приемну)о емкость 1 с учетом текущего значения плотности на входе емкости 1, Подача осуществляется пропорционально ряссОГлясОвяниlо текущего и задяннОГО значений плотности, Измеряют расход

БР на входе в приемную емкость и, учитывая плотность У, апредел5)ют апТИМЯЛЬНУЮ IIP ОИЗ В ОДИт Егцтllo С ТЬ Г)0 т(ЯЧИ

У кяк сумму прапорцианвльнОй и ком "

ПЕНСацИОННай СОСТЯВЛя)О))тйтХ, ПОСЛЕдяяя не зависит от параметр(2)3 БР ца выхо-. де емкости 1, Циркуляц)!0)ц!Я5! система для осуцествления спас«бя содержит дозатор ?, датчики 3, 4 расхода и плотности HP на входе,:..r!(oc.тц 1,, датт)ик 5т плОтнОсти Б1 на )!ûõo (Г мl(ос ги

1, зядатчик 6 платно(. r!r БР. зада г-.

Изаб ;СT;IíH(Относи 05! < ггриГoToi3 лепи!о и обработке бура) ых растворов,, В Ч " С НОСТИ 1(у гяж(3)r! ))О ра с i )3(2pQ и под (ржании его плотна .-,.и !.рц <2урени-» эксп31; ятяцианных и p(1çü3(.,)(О нь)х . ".Квь "

1, I жин ня нефть и газ

Це)!ью изобретен! 51 являе-.ся ".(2)ь))))(ТОГ)НОС t! 1)ОД(1Ег2 (: Ö-, irL П-,,-, Г! «,"" . путем подачи утяже!!ит(ьт(5! бурава 0 р . створа с ОптH! !альнОй г!роиз водит(?Гь

3, . !.LO CT5)(ь

НЯ. фиГ, r при!3(дГ. ца ст)2у)(ту!21 B

СХЕМЯ ЦИ12К т ЛЯЦИОЦ1!ОЙ СЦС Е) )Н )2ЕГУ т1т" рования плотности буравoro 1212ст)30)211:, на фиг. 2 — функцпацаль)!яя схеь)л. диск4J ретнога преобрязавятел,),, Циркут15)циоь!НЯ1! сис т< .мя !31(о" нат приемную емкость ., ii(2.çèpó J! . (1!i- — дел дтяттц)!д! 3 т1 4 р ПСХО тя тт )!ттo -. лаС"г г ти буро)зого раствора отек(т)о))1ега )3

I 5 емкость 1 датчик 5 плотности бурода-. го раствора, вытекающего цз емкости

1, задатчцк 6 плотностц бураваг.2 раствора задатчик 7 ппотцас . Параш9 кообразт ага утяжел=1):е1!51, процорциа-- : (1 нальць)й рагу)тгт i 00 8, б: ак 3 ка 1(=:—

CGIIH СУМ )ЯТОР () . Пад Е---:„-."О:.. Я Lrа) !

2 Е))П)ЫЯ тГТЯ>(ЕЛЕ11)!Я Д 1 с "(Р (!

ОбрЯЗадатЕЛЬ 12 И т .-,-„;,, ),ц, -!I C;„ узсл l 3, Блок 9 компенсации . Одер)(!1Т г)ерг г вый и второй блоки 14 31 )О вьгц тания, блок 16 деления и блок 17 умнаженияг-, чик 7 плотности У, пропорциональный регулятор 8, блок 9 компенсации, сумматор 10, переключатель 11 режима.У, дискретный преобразователь 12 и переI мешивающее устройство 13. На выходе регулятора 8 формируется сигнал пропорциональной составляюцтей подачи У, ня выходе блока 9 компенсации — сигнал компенсационной составляющей, Обе составляющие, пройдя сумматор 10, поступают либо на аналоговый вход дозатора ?, либо через преабразоьатель 12 на дискретный вход дозатора 2. В последнем случае У подается в емкость l дискретными порциями через определенные промежутки времени, которые вычисля)отся в преобразователе 12, 2 с. и 2 з ..г! д)-лы, 2 ил:.

Дискретный преобразователь 12 вк)почает задатчик 18 веса дискретной порции утяжелителя, задатчик 19 вре. ени поступления дискретной порции утяжелителя, интегратор 20, компара ар 2), упрявляемьй таймер 22„ nepI3b)r и второй однавибратары 23 и 24, 1(8-триггер 25 первый и второй логич(ские элементы ИЛИ 26 и 27 и логи-.

-теский злемент И 28.

Способ асуцествляют следу)ощим об)2ЯЗ ОМ, В емкость 1 для паддержянля требуемсй плотности бурового раствора

lrgII помощи дозирующего узла 2 добавляюг -!екаторое количество парашкообразцага утяжелигеля, ns:0THocT которога )3„ заведома больш" заданной пла-: асти раствора Г).„„ (т.", О„ ь» гт

>j() \

Поступающий в емкость 1 парашкообтзязный утяжелитель прц помощи перемешиьаюцега узла 13 равномерно рас.!ределястся па всему объему еь кости, В рез)!i!ü TÈTe sd счев r дОбявления тяP c 0 i:: г2)12 Я КЦ! 1 (и I L J!. 0 T I-r o c T b Р Я с твОРЯ

В >!Хада -тЗ ЕЬ)Кастр! УВЕттнттцдаЮТ до цеобьадимай ве-)ичины, когда абеспечи- р Бь!» ps (1Ý

Интенсивность поступления утяжелителя регулируется дазирующим узлам 2 и характеризуется объемной

5 !5184 производительностью (расходом) О„, м /ч.

Так как подача утяжелителя является единственным управляющим воздействием, обеспечивающим поддержание заданной плотности, оптимизация системы регулирования плотности бурового раствора состоит в определении такой оптимальной производительности,Q „ !О дозирующего узла.2, при которой достигается минимум абсолютной величины разности между текущим и заданным значениями плотности раствора на выходе из емкости 1 в течение всего !5 процесса бурения, т,е, вы» P esp, / =ш1п. (2)

Сущность способа состоит в том, что производительность Qg дозирую- 20 щего узла 2 определяют как сумму пропорциональной Q, „ и компенсационной

- Х"

Q „,„,„составляющих: о> „„ +о „,„„ (з) 25 при этом пропорциональная составляющая задается линейным законом пропорционального регулирования: п =К(вых I op,)» (4).

30 где К вЂ” комплексный коэффициент усиления регулятора 8, а компенсационная составляющая определяется по формуле

< Рхдд Pre 5 35 кО/Ап 1 — 3 с Ьх

Как видно иэ выражения {5), компенсационная составляющая производительности подачи утяжелителя. зависит только QT параметров втекающего в ем- 4О .кость 1 раствора (P „и Ов„) и от известной по технологической карте плотности утяжелителя 0 и не завиг3 сит от плотности раствора на выходе из скважины и, следовательно, явля- 4 ется безынерционной, т,е. не зависит от запаздывания, связанного с процес-. сом перемешивания утяжелителя, посту пающего из дозирующего узла 2 в емкость 1. S0

Иэ анализа математической модели процесса утяжеления следует, что оп" ределенная в соответствии с выражением (5) величина Qg комп. составляет большую долю от оптимальной с точки зрения критерия (2) производительности Q „ дозирующего узла 2, т.е. для разности

h Q=Q) OAT TЯ i м. справедливо утверждение

6Q«QN ОПТ ° (б)

Таким образом, для осуществления точного поддержания плотности регулятором 8 пропорционального типа необходимо добавить к компенсационной составляющей полной производительности дозатора Q äoáàâêó Щ. Так как в случае малых отклонений пропорциональный регулятор 8 работает в линейном режиме, что гарантирует высокую точность, можно утверждать, что производительность подачи утяжелителя, сформированная как сумма Qgnp+Qg „„„ с учетом выражений (4) и (5), будет практически совпадать с оптимальным значением производительности дозирующего узла 2, при котором достигается приемлемый минимум величины (р вы„-P>ap,)Если дозирующий узел 2 снабжен дискретным исполнительным механизмом, работающим по принципу открыто — закрыто, то в соответствии с предлагаемым способом следует организовать квазиоптимальный режим управления, состоящий в том, что утяжелитель подают в емкость 1 малыми фиксированными порциями весом ДР . Вес утяжелителя Р, поступающего в емкость 1 за время t при подаче его с некоторой производительностью Q (t), определяется интегралом вида

P= f Q {t) dt. . У (7)

Поэтому, если подавать утяжелитель фиксированными порциями весом АР с, через промежутки времени At;, удовлетворяющие уравнению

И;

ДP„>= ) „,„(t)dt, о

J где О „ — вычисленное в соответствии с (3)-(5) значение производительности, в каждый момент времени суммарный вес утяжелителя, поступающего в емкость 1, будет практически совпадать с величиной, которая поступала бы в емкость 1 при непрерывной оптимальной производительности дозирующего узла 2. При этом качество регулирования тем лучше, чем меньше порции

ДР „., так как уменьшается влияние инерционности перемешивающей сн-..темы.

1518482

10 мзсд Р А/Q3. где Π— паспортная пэаизводитель1 ность открытого дозирующего узла 2.

При этом ",a промежуток времени

К .„е, в ем-сость 1 поступает порция утяжелителя вессм LP><@.

Интегратор 20, запущенный одновременно с таймером 22, формирует сигнал, пропорциональный интегралу ат оптимальной праизводчтепьнасти цазатора Л. .., который сравнивается на компаратаре 21 с ус" àâêoé, поступающей с задатчика 18„ пропорциональной заданному весу порции утяжелителя ссР "ос,с °

Пусть через . екотарый интервал времени с, (при 1ем 5 t; 5 t qq ), атсЧИ1ЫВ;ЕМЫй ат МаМЕНта ЗаПУСКа ИНтегратор; 20 (сов1.гдающего с момен— там предыдуще-.а открытия дозируюшега узла 2) величина и: терзала ат оптч—

MЕ3 Ьпай и «1 .ЗВОДИ "ЕссъиаСтн ПаДЯЧИ сравняется с уставкай 6 3а °

Л

В этот момент на выходе компаргтара 21 формируется уровень логи™ескай единицы, катс3рый возбуждает второй однавибратар 24. Выходной импупьс Io следнего че13ез IIppH51= элеь ент ИЛИ 20 .устанавливает триггер 2 в состоя1rие логической единицы, т.е, формирует н команду "Открыть цозатор, Таким образом, время Нс; между двумя открытиями дозирующего узла 2 соотве ствует времени, необходимому для поступления 13 емкаст1-.. . порции утяжелителЯ весам 6 Р„о,, 11Ри ега чепРеРывнай подаче с оптимальной производительностью. Положительный импульс с пря50 мого выхода второго одновибратора 24 аднавреме -:а с открытием дозирующего узла 2 осуг1ествляет обнуление и павropнь1й запуск интегра-,îðà 20 и таимера 22 чта обеспечивает авто .атичес— 9

55 кое поддержание описанного цикла, При переходных процессах, например, 7oI,.„а в силу технологической необходимости oo;3àIîð резка увеличивакоторый через второй элемент ИЛИ 27 сбрасывает таймер 22 и через элемент

И 28 поступает на S-вход триггера 25, В результате чего на ега Выходе ус- 5 танавливается уровень логического нуля, что соответствует команде Дозатор закрыть". Необходимое время

Qt, устанавливаетс". по фор "уле

10 ет уставку па заданной плотности 3„ на задатчике 6. может на некоторое время возникнуть ситуация, при которой расчетное значение Q „ на вь1ходе сумматора 10 станет больше максимальной производительности Q открытого цозирующего узла 2. В этом случае интервалы времени Ьt, через с которые формируется открывающий дозируюший узел 2 импульс одновибратора 24 и осуществляется перезапуск интегратора 20 и таймера 22, будут меньше заданной уставки по времени

gt .„, (т.е, gt (11t „ ), При этом дозирующий узел 2 будет открыт до тех пор, пока плотность раствора в емкости 1 снова не приблизится к величине настолько, что расчетное значение оптимальной производительности станет меньше максимальной производительности дазирующего узла 2, после чего циклический процесс подаПОРЦИЯМИ IIO ПР асс возобновится.

Элемент И 28 разрешает прохождение импульса с таймера 22 на закрытие дазирующего узла 2 только при отсутствии импульса на прямом выходе вто" с рого однавибгатара 24. Это позволяет избежать неопределенности в случае одновременнога появления импульсов на выходах второго аднавибратора 24 и таиме13а 22, чта возможно при случайном равенстве величин Q „ „ =0, Применение предлагаемого способа и устроиства для ега осуществления позволяет падцержеть зацанную плотность бурового раствора в глубоких сква1:Iп.ах и обеспечить высокую точность регулирования при работе с дози— рующими узлами как пропорционального, так и дискретного действия.

Фар мула из о бретetния

1, Способ а13то avI«Iec

l4!

518482 ным выходом второго одновибратора, выход соединен с R входом триггера, . выход которого является выходом дискретного преобразователя.

Составитель А Рыбаков

Редактор А. Лежнина Тех е р д Л.Сердюкова Корректор Т. Палий

Заказ 6579/36 Тираж 5!4 Подписное

PRfgf1TW, ГП4 Государственного комитета по изоб

11303 5 Моск — ", а . ц а по изобретениям и открытиям пр ГКНТ ГГ"Р и .(.

Москва, Ж 3a, Раушская наб;, ц. 4/5

П оизво роизводственно-издательский комби П ент нат Патент

П ент, г.ужгород, ул. Гагарина,lи1