автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройства контроля положения скважины для системы автоматизированного управления направленным бурением

На правах рукописи

АНИСИМОВ АНДРСй плитадрптш .

УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ ДЛЯ СК&ТЕМУ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИИ БУРЕНИЕМ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1996

Работа выполнена в Новочеркасском Государственном техническом Университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Водяник Г.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, лауреат премии Совета Министров СССР Фандеев E.H.

кандидат технических наук Горчаков В.В.

Ведущее предприятие - АО "Углемеханизация" г.Луганск Украина

Защита состоится " 2,8 " hajOWc6u 1996 года в {0_—час. на заседании диссертационного Совета К.063.30.04 при Новочеркасском Государственном техническом Университете по адресу: 346400, г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в би&иотеке Новочеркасского Государственного технического университета.

Автореферат разослан осСЬЯ, 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд. техн. наук, доцент

А.Н. Иванченко

Актуальность работы. Применение прогрессивных технологических схем подземной разработки тонких угольных пластов сдерживается из-за отсутствия методов и средств бурения направленных скважин.При бурении скважин длиной более 25 м ось скважины начинает отклоняться от заданной траектории в связи с различными техническими, технологическими и геологическими причинами, что часто приводит к потере скважины и необходимости бурения новой. Ряд технологий, например, гидравлический способ бурения скважин и добычи угля, требуют точной ориентации рабочего органа на конце бурового става относительно угольного пласта. Без оперативного контроля положения головной штанги и АСУ направленным бурением неэффективны шахтная доразведка угольных пластов, бурение скважин малого диаметра для дегазации пластов и нагнетания воды в пласт, попутная подработка газодинамических пластов - спутников, сдерживается внедрение новых прогрессивных безлюдных технологий добычи угля.

В настоящее время хорошо разработаны вопросы контроля положения скважин на нефть и другие полезные ископаемые, бурящиеся с дневной поверхности. Методы контроля предполагают извлечение бурового става из скважины и проведение замеров с помощью инклинометров. Такие действия оправданы для дорогих скважин большой длины и диаметра, но не могут быть использованы при бурении из подземных выработок скважин диаметром до 150 мм и длиной до 200 м. Разработанные для нефтяных скважин системы с размещением первичных устройств в головном звене става имеют большие габариты и зачастую не могут применяться при бурении из подземных выработок по условиям взрывобезопасности на шахтах, категорийных по внезапным выбросам угля, пыли и газа.

В этой связи разработка устройств системы управления бурением направленных скважин из подземных выработок представляет собой очень важную проблему для горной промышленности РФ.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка элементов и устройств системы автоматизированного управления направленным бурением при проходческих и очистных работах.

Научная идея работы. Научная идея работы состоит в том, что координаты головного звена бурового става вычисляются по величине углов закручивания става и дополнительного поворота става до совмещения базовой плоскости первичного устройства в головном звене

- г -

става с алсидальной плоскостью в точке замера.

Научные положения, вынесенные на защиту и их новизна.

- квазинепрерывный способ контроля положения головной штанги

"-у-"

бурового става при бурении пространственноориентированных скважин, заключающийся в нахождении угла дополнительного поворота става до совпадения базовой плоскости первичного устройства в головном звене става и алсидальной плоскости в точке замера; при этом используется гравитационное поле Земли и свойство упругой деформации бурового става;

- методика проектирования гидрогравитационного первичного устройства системы автоматизированного управления процессом направленного бурения при проходческих и очистных работах; метрологические характеристики устройств системы управления процессом бурения; алгоритмы и программное обеспечение для устройств обработки и отображения информации;

- способ и устройства для передачи информации по потоку технологической воды в канале бурового става;

- математические модели первичного гидрогравитационного устройства и потока жидкости в канале переменной длины;

Достоверность результатов обеспечивается:

-корректным использованием фундаментальных законов математики, сопромата и гидравлики,теории автоматического управления, методов теории планирования эксперимента, математической статистики, численных методов и процедур параметрической оптимизации;

-достаточным обьемом испытаний устройств системы автоматизированного управления процессом бурения пространственноориентированных скважин на полноразмерном стенде с серийно выпускаемым технологическим оборудованием;

-применением общепризнанных методик обработки данных по испытаниям устройств АСУ бурения направленных скважин и методик расчета метрологических характеристик устройств системы управления;

-корректными допущениями при составлении математических моделей волновода как канала передачи информации и гидрогравитационного устройства АСУ бурения пространственно-ориентированных скважин;

Научное значение работы состоит:

-в выявлении зависимости между величиной угла дополнительно-

- 3 -

го поворота става до совпадения базовой плоскости первичного устройства в головном звене става с апсидальной плоскостью и пространственным положением головной штанги става и использовании этой зависимости для квазинепрерывного управления процессом бурения направленных скважин в угольных пластах с известным углом наклона;

-в разработке способа передачи информации от первичного устройства в головном звене бурового става к вторичным устройствам по потоку технологической жидкости в канале бурового става. Практическое значение работы заключается: -в разработке первичного гидрогравитационного устройства системы квазинепрерывного контроля положения скважины;

-в создании комплекса первичных элект-роконтактных датчиков системы непрерывного контроля положения скважины;

-в создании методики определения положения скважины и разработке алгоритма расчета на ЭВМ параметров траектории буримой скважины и графического представления полученной информации.

Новизна разработанных способа и устройств непрерывного контроля положения скважины подтверждается авторским свидетельством и патентом РФ.

Реализация результатов работы. Разработанная система управления процессом направленного бурения при проходческих и очистных работах внедрена в НПО "Углемеханизация" г.Луганск, Украина и на угольных предприятиях Донбасса.

Методика проектирования первичного гидрогравитационного устройства и математические модели первичного датчика и потока жидкости в канале переменной длины используется в учебном процессе в НГТУ при проведении курсов "Теория и проектирование гидропневмоприводов" и "САПР в машиностроении".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены,обсуждены и получили положительную оценку на научно-технических семинарах Северо-Кавказского научного центра высшей школы ( г.Новочеркасск, 1987-1996 гг.), на XI,XII,ХШ республиканских научно-технических конференциях "Гидравлика и гидропривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении" (1939,1990 гг., г.Севастополь,1991, г.Киев), на II семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (1991, г.Кемерово), на I Всесоюзной конференции "Динамические процессы в горных машинах и ста-

- 4 -

ционарных установках" (1989,г.Тбилиси).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения,изложенных на 207 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, список литературы из 111 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе рассмотрены существующие способы контроля и управления положением скважин и устройства для их реализации.

Большой вклад б развитие направленного бурения и АСУ процессом бурения внесли научные школы ИГД им.А.А.Скочинского, ДонУГИ, ИГД АН Грузии, института автоматики АН Киргизии, Карагандинского технического университета, Новочеркасского технического университета, НПО "Углемеханизация", ИГД СО АН РФ. Известны работы б этой области таких ученых, как Торский Н.П., Алейников A.A., Петров Н.Г., Дзидзигури A.A., Алимов О.Д., Водяник Г.М., Рылев З.В., Загороднюк В.Т., Притчин Б.П., Дровников А.Н., Щепетков С.А., Кузнецов A.C., Демченко Н.В., Алиферов А.П., Небратенко А.П. и другие. Разработкой инструмента для бурения направленных скважин малого диаметра занимались Ленченко В.В., Сысоев Н.И. и многие другие. Общепризнанной научной школой по разработке устройств систем автоматического управления для взрывоопасных сред является ОКТБ "Старт" НГТУ ( Михайлов В.В., Петраков В.А., Фандеев Е.И., Учитель Г.С., Горчаков В.В. и другие).

Проведенный анализ показал, что:

- для контроля положения скважины применяются методы: последовательных ходов и ориентированного спуска (с использованием силы гравитации), магнитометрический, сейсмоакустический, радиолокационный; при бурении скважин из подземных выработок наиболее эффективны методы с использованием только силы гравитации;

- в большинстве случаев методы контроля положения скважины связаны с извлечением бурового става из скважины для проведения замеров и как следствие с большими затратами времени; разработанные для нефтяных скважин системы с первичными устройствами в головном звене става предназначены для бурения скважин большого диаметра и не могут эксплуатироваться на шахтах, категорийных по

- G -

внезапным выбросам угля, пыли и газа;

- для передачи информации от первичных устройств в головном звене става используются каналы связи: электрический проводной, электрический беспроводной, гидравлический, акустический, с помощью электромагнитных колебаний; при бурении скважин на выбросо-опасных пластах единственно возможным является гидравлический канал передачи информации.

Рассмотрен комплекс безлюдный гидравлический (КБГ). предназначенный для безлюдной выемки угля гидравлическим способом из пластов любой категорийности. Б состав КБГ (рис.1) входят станок подачи 5 с автоматически наращиваемым ставом 4. Головное звено 3 става снабжено двумя проходческими гидромониторами 2 и боковым добычным монитором 1. Привод узлов станка подачи осуществляется от маслостанции 7, вода к гидромониторам подается под давлением 20 МПа от водяного насоса 9 по внутренней полости става. Управление комплексом осуществляется с основного пульта 6 при работе на обычных пластах или с удаленного на расстояние до 250 м от станка подачи пульта 8, обеспечивающего безлюдную Еыемку угля.

Технологический процесс КБГ включает два этапа:

- бурение скважины с откаточного штрека на вентиляционный разрушением угля струями из проходческих мониторов;

- отбойка угля из панелей справа и слева при постепенном демонтаже става и перемещении рабочего органа от вентиляционного штрека к откаточному; уголь разрушается струей из добычного монитора на глубину до 6 м и в виде пульпы по скважине поступает в откаточный штрек и затем транспортируется для переработки.

Применение прогрессивной безопасной безлюдной технологии сдерживается из-за отсутствия у КБГ средств контроля положения рабочего органа и скважины. При проходке скважины это приводит к отклонению оси скважины на величину до 10...12 м в плоскости пласта при длине скважины 150 м. В связи с этим либо разрушаются предохранительные целики, разделяюще выработанное пространство при предыдущем технологическом цикле КБГ, либо становится невозможным вынуть большой массив угля. В то же время оператор КБГ имеет возможность управлять траекторией скважины, если сориентирует наклонный проходческий монитор в сторону желательного отклонения. При проведении очистных работ требуется точная ориентация добычного монитора в плоскости пласта, иначе струя воздействует

Рис.1. Состав комплекса КБГ

на почву или кровлю, вызывая значительную потерю энергии и снижение темпов очистных работ. Величина углового сектора, в котором должен находиться добычный монитор в зависимости от толщины пласта изменяется в пределах 5...9°. Задача осложняется наличием углового люфта между первым и последним звеном става из-за зазороЕ в местах соединения звеньев и силового закручивания стаза.

Требования к устройствам системы автоматизированного управления процессом бурения и добычи угля подземным способом комплексами КБГ формулируются следующим образом:

1. Устройства должны соответствовать Правилам безопасности для угольных и сланцевых шахт.

2. На шахтах, опасных по внезапным выбросам угля, газа и пыли пульт оператора должен находиться на расстоянии 250 метров от устья скважины.

3. Длина бурового става изменяется дискретно при наращивании и разборке става на величину 1 м диапазоне от 2 до!50 м, скорость вращения шпинделя находится в диапазоне 0..10 об/мин.

4. Для шахт, опасных по внезапным выбросам в элементах САУ должна применяться энергия сжатого газа гаи жидкости, а в качестве канала передачи информации - буровой став, поток жидкости, угольный пласт шш вмещающие породы.

5. Устройства контроля положения головного звена бурового става должны обеспечивать точность фиксации углового положения головного звена относительно продольной оси ± 1,5°, а общее отклонение оси скважины от заданного направления не должно превышать + 2,5% от длины скважины.

6. Устройства должны представлять оператору КБГ визуальную информацию о положении скважины и насадков гидромониторов.

7. Для повышения эффективности находящихся в эксплуатации КБГ без АСУ необходимо разработать устройства для контроля положения гидромониторов при управлении КБГ оператором, находящимся у устья скважины при отработке пластов, не опасных по внезапным выбросам угля, газа и пыли.

Во второй главе предложен способ оперативного контроля положения головного звена бурового става, который поясняется рис.2. Пусть ось скважины задана в плоскости С. Если действительная ось скважины совпадает с заданным направлением ОК, то некоторая базовая плоскость Б первичного устройства в головном звене

става при поступательном движении става всегда совпадает с апси-дальной (зенитной) плоскостью А. Если скЕажина отклонится, например, на 90° от заданного направления в положение Е, то угол между апсидальной плоскостью А в точке Е и плоскостью Б составит тоже 90° и для совмещения этих плоскостей необходимо повернуть став из точки 0 на 90°. Таким образом, при наличии в головном звене устройства, фиксирующего совмещение базовой плоскости с апсидальной и датчика углового положения механизма вращения става, можно определить азимут отклонения оси головного ЗЕена става от заданного прямолинейного направления и координаты скважины.

Получены зависимости, связывающие значения углового положения механизма поворота става ф1 и ф2 в момент фиксации сигнала от первичного устройства о совмещении базовой и апсидальной плоскостей при вращении става по часовой стрелке и против часовой стрел-

и углом дополнительного поворота става

- величина углового рассогласования между первым и последним звеном става фл1-1(Ф1л+ Ф2±)1/2; значение ч>Л1 позволяет оператору точно ориентировать голоБное звено с мониторами относительно угольного пласта-,

- угол дополнительного поворота става для совмещения базовой

и алсидальной плоскостей ¡Зо1=(Фн+ Ф21"180°)/2;

- условный азимут отклонения продольной оси головного става от заданной прямолинейной траектории: при известном зенитном угле Т1 продольной оси головного звена - аг^(зш0си/31П(9Оо-Т1))• при известном угле наклона пласта «пл; в точке замера и условии' что скважина может отклоняться только в плоскости пласта (например, если буровой машиной является КБГ)

01 - агсз1п(51пБо1/з1пс(ПЛ1) ;

- координаты головного звена е точке замера 0*1 - агс^а^-а/созКл^пл!-!));

X* - Х1_1 + /\LiCosf(0*+з1)/2)созаПЛ1;

VI - Yi-1 + ЛЬ1з1п((й*+01)/2);

- Ъу-х + ЛЬ1Соз((в*+В1)/2)з1п«Пл1.

Способ защищен авторским свидетельством.

В третьей главе предложена методика проектирования комплекса устройств САУ процессом бурения без применения в первичном датчике и канале передачи информации электрических цепей. Функциональная схема комплекса устройств приведена на рис.3. Входным воздействием является угловое положение механизма вращения става фп, которое через нелинейный элемент, описывающий люфт в буровом ставе, формирует угловое положение головного звена фгол. Величина <?гол определяет входной сигнал гравитационного датчика в виде проходного сечения Г3 и позиции распределителя гидросистемы пер-

Гравитационный датчик

^гол

ь

Шт

Вторичная

аппаратура

РкЯм

Гидравлическая турбина

Гидросистема ГГД

Поток жидкости в канале

Рис.3. Функциональная схема комплекса устройств контроля

вичного устройства, от которых зависит проходное сечение канала подачи воды к гидромониторам. Величина формирует уровни давления потока жидкости в канале буроЕого става, соответствующие сигналам первичного устройства. Вторичной аппаратурой фиксируется Фп б момент повышения давления воды возле насоса (т.е. в момент подачи сигнала первичным устройством о совмещении базовой и алсидальной плоскостей) при вращении стаБа е ту или иную сторону. Питание гидросистемы первичного устройства осуществляется от турбины, установленной в канале подачи воды головного звена.

Схема первичного устройства приведена на рис.4. Чувствительным элементом устройства является (рис.5) эксцентриковое кольцо 1, внутри которого находится гидрораспределитель 2, вращающийся вместе с головным звеном става. При расположении золотника 3 на цилиндрической части кольца распределитель находится в позиции, обеспечивающей подачу масла от насоса 4 в левую полость гидроци-

линдра 5 ГГД (см.рис.4) и такое положение клапана 6, при котором не создается сопротивления потоку воды к гидромонитору 7. Если золотник на профильной части кольца распределитель направляет масло в правую полость гидроцилиндра и клапан увеличивает сопротивление потоку воды, в результате чего давление в канале става повышается и вторичной аппаратурой фиксируется сигнал от первичного устройства о совмещении базовой и алсидальной плоскостей. Устройство защищено патентом РФ. Аналитически определено время формирования полезного сигнала в виде повышения давления воды

в канале бурового става:

Х=2•(С-0н1п•Шн-К/Ро+ЛР)/К2-с/Ро+ДР/К)]-

Так как жесткость канала Ск, подача насоса Он, и номинальное давление воды Ро являются заданными, а величина ступени давления ДР выступает как ограничение, то параметр

К-(ХгмГпУ2цгм^гм2/р(ик2Гк?'+Игм2Ггм2),

где Ггм-проходное сечение насадка гидромонитора-, Гк-проходное сечение клапана первичного устройства во время формирования полезного сигнала; рк,р.гм-. коэффициенты расхода клапана и насадка гидромонитора; р-плотность технологической воды, является определяющим для быстродействия комплекса устройств системы контроля положения скважины. Так как параметры р^гм^гм и р являются заданными и с учетом р«-Сопз1,быстродействие первичного устройства однозначно связано с £К"*£ (с1,Х) ,где сЬдиаметр канала подачи воды,Хх-ход клапана,т.е. с ходом X гидроцилиндра первичного устройства.

С возрастанием давления воды в волноводе увеличивается сила реакции на поршне гидроцилиндра и для ее компенсации требуется повышение рабочего давления в гидросистеме первичного устройства.Рост давления в гидросистеме датчика 1 предполагает увеличение мощности, отбираемой у потока технологической воды и массо-габаритных показателей самого первичного устройства.

Рис.5. Гравитационный датчик В работе с помощью полно-

факторного машинного эксперимента решена оптимизационная задача по нахождению величин диаметров штоков гидроцилиндра ГГД, обеспечивающих минимальное требуемое давление в гидросистеме ГГД Рд при различных значениях X. На рис.6 приведена зависимость РД-1Г(X) при оптимальных значениях диаметров штоков и времени формирования полезного сигнала в канале

передачи информации при различной длине бурового става.

Разработана математическая модель первичного устройства. Модель включает 8 дифференциальных уравнений, содержит строгое описание гравитационного датчика и гидросистемы. Допущения модели:

- не учитывается изменение гидродинамической силы на клапане при изменении проходного сечения канала;

- не учитываются волновые процессы в коротких линиях гидросистемы влияние, растворенного газа в масле и изменения в характеристиках рабочей жидкости при износе уплотнений вала и попадании в герметичную камеру ГГД технологической воды.

Разработана математическая модель потока жидкости в канале переменной длины. Модель содержит (2п+2) линейных дифференциальных уравнений, где п - число участков, на которое разбивается канал. Линейный размер участка канала принят равным длине звена

Рис.6. Зависимости давления в гидросистеме ГГД и времени формирования полезного сигнала от хода клапана ГГД.

става (1м), задача решается методом граничных элементов.

Для каждого элемента рассматривается процесс движения массы жидкости ш по каналу под воздействием разности давлений на входе и выходе элемента, что достигается решением двух дифференциальных уравнений:

Р1 - С (41+1-01- ДЦг); VI - (Р1-Р1-1- ДРО*Гтр\т,

где 1 - номер элемента бурового става расход жидкости в 1-том элементе става; ДС^- утечки жидкости через зазор между з.-тым и (д+1)-ым элементом става; С - приведенная жесткость элемента ; ш - масса жидкости в элементе; Р^ давление на входе в 1-ый элемент; Pi.fi- давление на выходе из Ього элемента; ДР^ -потери давления по длине элемента и на местных сопротивлениях в местах стыка элементов;Гтр- проходное сечение элемента.

На модели получены частотные характеристики канала передачи информации, хорошо согласующиеся с рассчитанными аналитически характеристиками.

Объединенная модель первичного устройства и канала передачи информации дала возможность:

- получить переходные процессы в ГГД и канале бурового става при различной длине става; на рис.7 приведен пример переходных процессов в канале става при 1-150 м;

- исследовать работу гравитационного датчика при различных углах наклона ГГД, длине става и скорости вращения става при замерах;

- получить метрологические характеристики устройств САУ процессом бурения;

- исследовать возможность фиксации полезного сигнала ГГД по

- 14 -

первому фронту волны давления в канале.

В четвертой главе рассмотрены вопросы реализации разработанных устройств контроля положения рабочего органа САУ процессом бурения.

Разработаны:

- комплект устройств, исключающих применение в системе контроля и обработки информации каких-либо электронных или электрических элементов. Комплект рассчитан на управление технологическим процессом со станка и включает в себя первичный гидрогравита-цюнный датчик, размещенный в головном эвене бурового става, буровой став с потоком жидкости как канал передачи сигнала в виде повышенного уровня давления жидкости в ставе с визуальной фиксацией по манометру момента получения сигнала от первичного устройства, механическое вычислительное устройство текущего углового рассогласования между приводом поворота става и рабочим органом, соединенное через зубчатую передачу с буровым ставом на станке и имеющее две показывающие стрелки;

- комплект устройств, исключающий применение электрических или электронных датчиков и каналов информации в технологической скважине. Комплект рассчитан на дистанционное управление КБГ и включает в себя гидрогравитационный датчик , буровой став с потоком жидкости как канал передачи сигнала в виде повышенного уровня давления жидкости в ставе, электронный в искробезопасном исполнении приемник давления на насосной станции с цифровой индикацией на пульте оператора, потенциометрический датчик углового положения привода поворота става в искробезопасном исполнении с передачей информации на пульт оператора и обрабатывающую микро-ЭВМ в искробезопасном корпусе;

- комплект устройств, допускающий размещение в технологической скважине электрических датчиков в искробезопасном исполнении и включающий датчики углового положения головного звена бурового става относительно горизонта,электрический канал передачи информации в сердечнике стального каната,перемещающегося за голоеным звеном, потенциометрический датчик углового положения привода поворота става в искробезопасном исполнении и обрабатывающую микро-ЭВМ в искробезопасном корпусе; работа первичных устройств основана на известном принципе замыкания контактов токопроводящей жидкостью и с помощью этих устройств фиксируется совмещение базо-

вой и апсидальной плоскостей и величина зенитного угла в точке замера;

- комплекс программных средств для автоматизации проведения операций контроля положения головного звена бурового става, расчета координат оси скважины и предоставления любой информации о ходе технологического процесса в удобном для оператора виде на мониторе микро-ЭВМ в искробезопасном корпусе.

В пятой главе обобщены результаты испытаний разработанных устройств. Испытания проходили в НПО "Углемеханизация" на стенде с серийным образцом КБГ. Конструкция стенда позволяла проводить испытания при различных длине става, угле наклона головного звена и азимута отклонения продольной оси головного звена от прямолинейного направления.

В результате проведения испытаний разработанных устройств:

- полностью подтверждена работоспособность устройств поэлементно и в составе системы автоматизированного управления процессом бурения;

- получена зависимость точности фиксации угловых параметров от скорости вращения става при проведении замеров;

- установлено,что при скорости вращения бурового става во время проведения замеров <|>сх-1б°/с в диапазоне углов наклона угольного пласта аПл~15..75° разработанные устройства системы автоматизированного управления позволяют проводить скважину с погрешностью не более 2,5£ от длины скважины. При этом в среднем интервал проведения замеров не должен превышать 5 м, а общая ошибка фиксации угловых параметров не ниже 5°; на рис.3 приведены зависимости величины отклонения оси скважины от заданного направления

Кч А

2

1

О

Рис.8. Зависимости погрешности при £-5°, 1-а=-75°, 2-а-60°, З-ос-ЗО0, 4-с£-15°; а) ДЬ-Ю м, б) ДЬ-2 м.

/ "Л.

! \ \ А

3У Л

/ У _ Г N

ш

£0 40 60 .80 Ш0 120 140

( *1 Л

/ \/ / '

к г 1 1 ч/ ]г

// \ V -Л 4—' >

т V В -¿■и У 3

Н • ,Г-»Г О | | | »

0 20 40 Б0 80 100 №0 140 Ь,м б).

по длине скважины при различных углах наклона голоеного звена, погрешности фиксации угловых величин 5° и интервала проведения замеров 1С м и 2 м; на рис.9 показаны зависимости величины отклонения оси скважины при разной погрешности фиксации угловых величин;

- проверена и подтверждена эффективность программных средсть для обработки первичной информации и выдачи оператору в удобном виде.

Комплекс устройств системы автоматизированного управления технологическим процессом бурения и добычи КЕГ передан НПО "Угле-механизация" для внедрения на выпускаемых по заказу комплексах КБГ. Инженерная методика проектирования первичного гидрогравита-

4

'3 г 1

0 20 40 60 &0-Ю0 120 (40 Ь,м

Рис.9. Зависимости погрешности при «-30°,ДЬ-10 м;

1-£-10°, 2-£-5°, 3-г=2°.

ционного датчика и программное обеспечение дляописания потока жидкости в каналах переменной длины внедрены в учебном процессе НГТУ.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании анализа существующих способов контроля положения скважины и устройств для их реализации показана целесообразность применения для технологий бурения направленных скважин и проведения очистных работ из подземных выработок способов оперативного контроля положения скважины и рабочего органа с размещением первичных устройств в головном звене бурового става и использованием для операций контроля силы гравитации Земли и неэлектрического канала передачи информации от первичного устройства.

2. Разработан способ контроля положения головной штанги бурового става, заключающийся в определении величины угла поворота става до совмещения базовой плоскости первичного устройства в головном звене стаЕа и апсидальной плоскости в точке замера, возникающего при отклонении продольной оси звена става от заданного направления. Способ защищен A.c. N 1585511.

3. Предложена методика проектирования первичного устройства системы автоматизированного управления процессом бурения с чувствительным элементом в виде эксцентричного груза. Источником питания устройства является энергия потока жидкости в полости бурового става, а сам поток жидкости используется для передачи информации к вторичным устройствам.

Первичное устройство защищено патентом РФ.

4. Аналитически определены частотные характеристики канала передачи информации. Разработана и исследована адекватная математическая модель, рассматривающая поток жидкости в канале переменной длины. Модель содержит (2п+2) линейных дифференциальных уравнения, где п-'число участков, на которое разбивается канал, и решается методом конечных элементов.

5. Разработана и исследована математическая модель, адекватно описывающая работу первичного устройства как системы с близким к релейному выходным сигналом. Найдены оптимальные параметры работы буровой установки при проведении замеров, получены динамические и метрологические характеристики устройств системы автоматизированного управления процессом бурения.

6. Разработаны электроконтактные первичные устройства и вторичное механическое вычислительное устройство, обеспечивающие непрерывное слежение за ориентацией рабочего органа относительно угольного пласта.

7. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для средств обработки информации устройств системы контроля положения скважины, позволяющие выдавать оператору в реальном масштабе времени видеоинформацию о положении скважины, гидромониторов, рекомендации по проведению замеров и другие сервисные возможности.

3. Проведены испытания двух вариантов системы контроля в составе АСУ бурением скважин; в первом варианте применены устройства и каналы передачи информации, использующие только гидравлическую энергию, что дало возможность выполнить са^ые жесткие

требования безопасности к системам управления при работе на шахтах, категорийных по внезапным выбросам угля и газа; во втором варианте использованы устройства с электрическими цепями. Получены экспериментальные динамические и метрологические характеристики систем контроля положения скважины.

Время на проведение замеров для определения положения рабочего органа не превышает 60 с, погрешности определения отклонения скважины от заданного направления не более 2,5 Z от длины бурового става, определения зенитного угла скважины не более 2,5°, величины люфтов в буровом ставе не более 1,5°.

9. Комплекс устройств системы контроля положения скважины внедрен в НПО "Углемеханизация" г.Луганск Украина и на угольных предприятиях Донбасса.

Основные положения диссертации достаточно полно отражены в следующих работах:

1. A.c. 1535511 CCCF, МКИ 5 Е21 С25/60. Способ управления положением добычного насадка бурогидравлической установки и устройство для его осуществления/ Г.М. Водяник, A.B. Анисимов, В.Ф. Нуждин, Г.П. Сергиенко,- Опубл. 15.08.90, Bcwi.N SG.

2. Водяник Г.М.,Анисимое A.B.,Нуждин В.Ф. Система контроля положения рабочего органа бурогидравлической установки// Тезисы докладов Бторого семинара по угольному машиностроению Кузбасса.-Кемерово, 1991.- С. 56 - 57.

3. Водяник Г.М.,Анисимов A.B. Гидро-гидравитационный датчик положения рабочего органа бурогидравлической установки //' Реология гидравлически сложных сред и гидропневмопривод в машиностроении: Сб.ст./ Киев,1991.~ С. 23 - 25.

4. Водяник Г.М., Анисимов A.B., Нуждин В.Ф. Применение метода ориентированного спуска для определения положения бурового инструмента // Инструменты и машины выемочных и проходческих комплексов: Сб.ст./ НТО!.- Новочеркасск,1992.- C.1G5-111.

5. Водяник Г.М., Анисимов A.B., Нуждин В.Ф. Способ контроля положения рабочего органа бурогидравлической установки и устройство для его осуществления: Решение о выдаче патента по заявке N 5026847/03 от 13.02.92,- Приоритет от 11.07.95.

6. Водяник Г.М.,Анисимов A.B. Компьютерное моделирование гидро-гравитационного датчика системы управления бурением прост-

ранственно-ориентированных скважин // Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства и транспортных работ: Сб.ст./ НГТУ.- Новочеркасск, 1996.- С.36-45.

7. Анисимов A.B. Моделирование потока жидкости в канале бурового става как агента передачи информации // Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства и транспортных работ: Сб.ст./ НГТУ.- Новочеркасск, 1996.-С. 51 - 56.