автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка методов и средств реализации оптимальной технологии бурения

СОПСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОЙЛЯВЕДОЧНАЯ

АКАДЕМИЯ

/ (>

л

I/

Ш'АЧШ Михаил Юрь-синч

удк 622.243,3

разработка методов и средсгв реализации

оптимальной технологии бурения

(на примере автоматического управлении параметрами режима бурения)

Специальность 05.15.14 - '1 схполопш и юхинка геологоразвед<>чггы.\ работ

В Т О Р Ь Ф Е Р А ! диссертации на соискание ученой степени клнднла! I технических наук

Москва !1>1>:-м

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии (ГУНПП "Гебус").

Научный руководитель - академик АЕН РФ, заслуженный деятель

Ведущее предприятие - ВИЭМС.

Защита диссертации состоится 21 декабря 1995 г. в 15.00 час. в аудитории 415а на заседании специализированного Совета Д.063.55.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Московской государственной геологоразведочной академии (117485, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан ¿О НОЛоиЛ. 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Козловский Е. А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук ,

профессор Киселев А.Т.(СКБТеотехника") кандидат технических наук, доцент Кирсанов А.Н. (МГГА)

доктор технических наук, профессор

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

А1СГУАЛЫК)СП> РА!»ОТЫ. Интенсификация современного нрсизводсгва немыслима без наушо-техкическо! с- npoi рссс;., основанного на широком использовании сгсдт« вычислительное техники.

Ускож7»с1шс задач управления производством приводит необходимого! использования средств аг.ч'иаппапптт, перехода от ручного управления к автоматизированном}. ьогорое. однако.

пои условии, что изучены управляемые процессы, рлзрaooiAHbi алгоритмы упраздни;" В условиях недостаточности информации о состоянии объекта значи^ш^гс pons ирлоСрсгггг автоматизированное управление, где основное творческое рлгтенм»-остается за человеком.

Одним из основных недостатков практики ведения буровых работ является медленное совершенствование технологии по мере развития разведки месторождения. Только за счет ускоренного совершенствования технологии и быстрого выхода процесса бурения на оптимальные режимы можно сократить сроки разведки месторождения на 20% и более. Очевидно, что оптимизация технологии процесса бурения с помощью аь гомзтнзированных систем управления является перспективным к экономически оправданным направлением.

Из этого следует:

О актуальной в настоящее время является разработка технических

средств реализации оптимальной технологии бурения, о одним из важнейших направлений является разработка методики

поиска и поддержания оптимальных параметров режима бурения, 0 особую важность при автоматическом управлении процесса бурения приобретает решение задачи предотвращения аварийных ситуации.

Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы, которая выполнялась отраслевой лабораторией "Оптимум" ГУНПП "Гебус" МГГА в соответствии с отраслевыми планами Мингео СССР (1985-1991 г.г.), Роскомнедра (¡991-1995 г.г.) и ГП "Росуголь" (1993-1995 г.г.).

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЩЮТТНОЙ РАБОТЫ - разработка технических средств и методов реализации оптимально!! технологии бурения, технологического подхода к созданию ряда систем управления процессом бурения, алгоритма поиска оптимального значешш осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, методики определения оптимальной скорости подачи и технических

средств поддержания ее, механизма подачи бурового станка и алгоритма работы системы при возникновении предаварийной ситуации.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

О Исследование технологического процесса бурения с целью разработки средств и методов оптимизации параметров режима бурения.

О Разработка технологического подхода к созданию ряда систем

управления процессом бурения. О Обоснование и модификация метода помехостатической оптимизации (процедура Кифера-Вольфовица) для поиска экстремума критерия управления от осевой нагрузки при управлении процессом бурения с применением автоматизированных систем.

О Изучение динамических характеристик работы исполнительных механизмов различных типов в стендовых условиях с целью модификации механизма подачи бурового станка. О Разработка алгоритма предотвращения аварийных ситуаций в

процессе бурения. О Разработка системы стабилизации скорости подачи шпинделя как минимальной конфигурации системы управления процессом бурения.

О Создание методики реализации оптимальной технологии бурения с помощью систем стабилизации скорости подачи.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленные задачи решались:

- путем анализа и обобщения литературных и фондовых источников в области исследований, относящихся к тематике исследований;

- проведением теоретических исследований;

- проведением экспериментальных исследований в стендовых условиях с использованием современных методов планирования эксперимента;

проведением производственных испытаний системы стабилизации скорости подачи.

Правильность основных выработанных теоретических положений, возможность практической реализации предлагаемых решений проверялась в ходе стендовых исследований и производственных испытаний.

••• —Йссдедования проводились с применение.; co;;p¿'tcrn:o.i :.ompo тыюнгзмермгоп «ой аппаратуры, сисгсмы t ччфоркяши: и •i- ipr.iíao-RM'íucünTejibuoli техшгю;. Ofy;F г.— • - гогольтзгов пттлппена известными меч одами чяа- • .гти-н ••

приведением ЭВМ.

НАУЧНАЯ 1ЮВ113ПЛ. Преитртм-«,,^ г ;боге r.t содс1>;га-! решение кяжнтчежшх eoíípuccE, каса» личс\

aobcv, и яо.ще;? кит:, отнмяпьнмх ро Ги/ршис, надежности раЬоты сисгсшд jupa.uiuu'.: с ¡.--;кн у -и,-: ">>стехнологических аварийных ситуаций, i.^y ríoaií^.:z З"т"т1г>мяс1ся ^ то::,а«1Л>,,„

в предложен технологический подходсохт*"*"" с <>'«-i«m

управления процессом бурения; » разработан алгоритм поиска оптимальной осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (ПРИ), устойчиво работающий в условиях помех и постоянно меняющихся внешних условиях; • предложена модификация механизма подачи бурового станка, которая позволяет осуществлять изменение величины скорости и направления движения шпинделя с полным отсутствием ! идроударов г, гидравлической системе сгашсз; •» разработай алгоритм реакции системы на нарушение чормалг-лге

протекания технологического процесса: « создана методика поиска оптимальной скорости бурсия с использованием системы стабилизации скорости ¡¡одачи, учитывающая конкретные геолого-техинческис условия и не требующая применения вычислительной техники.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ. БЬПЮДОТ. И РЕКОМЕНДАЦИЙ обоснована теорсгичсски и подтвержден;; достаточным объемом экспериментальных исследований, повторяемостью их результатов, проверкой результатов в стендовых и

производст венных условиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В резулыато теорезтк-еких и экспериментальных исследований:

- разработаны технические средства и методы поиска и

поддержания оптимальных режимов бурения (по каналу "осевая нагрузка-скорость подачи");

- предложен технологический подход к созданию единого ряда систем управления буровым процессом, предназначенных для решения широкого спектра задач разведки месторождения полезных ископаемых;

- создан алгоритм поиска оптимальных режимов бурения, позволяющий быстро входить в зону оптимальных значений, что существенно снижает время работы системы на неэффективных режимах;

- разработан исполнительный механизм управления по каналу "скорость подачи", обеспечивающий высокое качество регулирования и полное отсутствие гидроударов, что повышает ресурс станка и контрольно-измерительных приборов;

- разработан алгоритм работы системы, позволяющий предотвратить возникновение аварийных ситуаций и, как следствие, избежать затрат на их ликвидацию.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения, разработанные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского геологоразведочного института им. Серго Орджоникидзе (1986-1989, 1991, 1992, 1993, 1995 г.г.), конференции молодых ученых ВИЭМС в 1989 г., 2-ом международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (г. Санкт-Петербург, 1992 г.), международных выставках "Геологоразведка-90" (г. Москва, 1990 г.) и "Геологоразведка-95" (г. Москва, 1995 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы изложены в 1 брошюре, 6 статьях, 3 авторских свидетельствах, I положительном решении на выдачу патента.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего (2( наименований, и 4 приложений. Содержит IS"1 страниц машинописного текста, рисунков, (, таблиц.

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дана краткая характеристика содержания работы.

Первая глава содержит анализ существующих систем управления процессом бурения и средств стабилизации скорости подачи. В результате данного анализа разработаны классификации систем управления - по функциональному назначению и по реализуемым аппаратным средствам. Показано отсутствие обобщения технологических задач при разработке этих систем.

Вторая глава посвящена обоснованию разработки единого ряда систем управления технологическим процессом бурения. Для систем

кшэдого класса определено основное технологическое назначение и "'¡•ог>м» решаемые задачи.

/• третьей главе приведен?» -теооегическос 060ui0F.ar.1ic

приме..иш;; мегода сгохлстичсское нпн; гос. ч.ч:ч (дт "оиска ------

. пмаль.югг. значения оееьой ширузп- " •'"' :: \п-\ . управления. Прояедсикыс чкен;*р1~?«»тагтьные «кл,^ • >:>-.. поютерждаю! целесообразное!-:» испгяьчшак:»! •• ч:п: »/стол4, '■¡горн!': 4« в сс:пуу рязоабогки адю^мма пиц'к-. •чгг'лат.ио-' .."; л.г..;') ¡¡Л1 рул'.'и

Четвертая глава а.-д-ржл! разул с:--^ V.

о.;сп^""рнтальных исследований по «¿учению динамически?. .-"Р'^ит,.,.;; •""""пни.^л"' "ехаиизмов различных типов, на обеновании которых цреп-ч""* мо^ф""'*""4 подачи

бурового станка.

Пятая глава посвящена разработке алгоритма работы системы при возникновении аварийных ситуаций. При работе по данному алгоритму ограничивается осевая нагрузка на ПРИ, предотвращается его разрушение, исключается возникновение таких аварийных ситуаций, как прижог и прихват.

В шестой главе описываются разработанные автором технические средства и методика поиска и поддержания оптимальной скорости подачи. Приведены резу.'.'мгаты стендовых и производственных испытаний макетного образца енгтамы 'л.:5|Ш1зации скорости подачи.

Заключение содержит основные выводы по работе. Автор выражает глубокую благодарность научному руководи гелю доктору зс.мшческих наук профессору Е.Л. Козловскому, кандидатам технических науг П.Л Новожилову Г' Г. Качержуку, сотрудникам ГУНГ1П "Геоус"' В.Л. Фридману , :.Ь Захарову, а также другим специалистам за «омону, и полезные соиетм при подготовке настоящей диссертационной работ ¡л.

СО.ирл; -лтиг рокоты.

задач и проведения исследований""составивших содеплание диссертации, легли фундаментальные работы отечественных ученых в области разведочного бурения: Б.И. Воздвиженского, С.А. Волкова,

С.С. Сулакшина. Е.Л. Козловского, Б.Б. Кудряшова, А.Г. Калинина, В.Г. Кардьшга, В.М. Питерского, Д.Н. Башкатова. МЛ Комарова. Б.М. Ребрика, Л.Т. Киселева и др.

Кроме того, известен целый ряд специальных работ, в которых описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой и внедрением автоматизированных систем управления процессом бурения.

В разное время этими вопросами занимались В.И. Васильев, Г.А. Воробьев, И.М. Гинзбург, Е.В. Калыгин, А.Е. Козловский, Г.М. Ланда, H.H. Михеев, С.Ф. Мурашев, Б.А. Новожилов, Е.И. Павлов, Э.Е. Смирнов, О.И. Шерстюк, В.А. Флянтиков и др.

Полученные ими результаты были тщательно изучены и проанализированы. Анализ существующих систем управления процессом буровым процессом позволил сформулировать следующее:

1. Решение задачи оптимизации технологии геологоразведочных работ требует комплексного подхода к разработке технических средств и технологического обеспечения.

2. Существующие управляющие системы повышают эффективность процесса бурения, однако ни одна из них (ни отдельно взятая, ни в совокупности с другими) не может являться базовой для создания автоматизированной системы оптимизации технологии.

3. В основе постановки задачи при разработке управляющей системы должно лежать определение ее технологического назначения, т.е. необходимо определение технологического подхода.

4. Невозможность разработки некоторой "универсальной" системы определяет необходимость создания ряда систем управления процессом бурения; исходная постановка задачи создания такого ряда требует формулирования предъявляемых к нему технологических требований.

5. Разработанное алгоритмическое обеспечение систем управления буровым процессом подходит для решения частных технологических задач, не претендуя на универсальность, в чем опять проявляется отсутствие технологического подхода у разработчиков.

6. Слабым звеном всех систем управления процессом бурения является характер их реакции на возникновение аварийных ситуаций.

В связи с этим актуальным является вопрос разработки комплекса средств и методов, позволяющих решить данную проблему.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения.

-91. Теоретические и экшсрнме1пздьны^^«с^дсщшя jj^mtccCT »утопия ;кп:азь1взют~ эффективность применении иомохоустопчкпых. алгоритмов поиска оптимальных ,Jiapa.MgrjioB ; бурения .?!ВЙ

Экспериментальные исследования процесса бурения в сгсндовьг. и производственных условиях показывают, что зависимость крнгернт ШИИМЯ1.НШН "К" от осевой нагрузки "Р" является унимодальной функцией.

Значение целевой функции "К" при vex или иных икпенилх r-стпй нагрузки "Р" могут быть получены посредством проведения •**сн<,рлисптя. я i икас iípir угтрявттении в реальном времени.

Представляющее интерес максимальное или ::т;;п»"чпьное значение целевой функции и соответствующие точки moi vi Gun. получены путем проведения ряда однородных экспериментов, число которых ограничено; при управлении в реальном времени в каждой точке проводится по одному эксперименту.

Измерение показателей бурения, используемых при определении критерия "К", затруднено из-за наличия помех, источниками которых являются: постоянно меняющиеся свойства разбуриваемых горных пород и используемого ПРИ, работа бурильной колонны, электромагнитное поле силового оборудования, наводящее помехи в слаботочных измерительных каналах и др.

Наличие погрешности результатов экспериментов и отсутствие информации о свойствах поверхности отклика K=f(P) (т.е. внесение случайности в проведение эксперимента) определяет необходимость применения схемы поиска Р* (оптимальное значение осевой нагрузки), содержащей элемент случайности.

Идея, лежащая в основе методов стохастической аппроксимации, состоит в том, что намечается путь решения задачи, для которого характерно то, что в каждой точке "Р" проводится только один эксперимент, я фильтрация ошибок происходит за счет умелого сочетания длины тага поиска и свойств случайных величин.

Процедура Кифера-Вольфовица, относящаяся к методам стохастической аппроксимации, отвечает предъявленным требованиям. С целью уменьшения числа шагов поиска и выполнения технологического требования уменьшения времени нахождения параметров управления п области нежелательных форсированных режимов была проведена модификация данной процедуры. В результате получена следующая схема переходов при поиске оптимальной осевой нагрузки Р,-> Рт:

р = р + 1 ¡+1 т

С;

•[К(Р,+с,) - К(Р;-с,)]

0)

где: Р - предыдущее значение осевой нагрузки, при котором велся поиск;

Р;+! - последующее значение осевой нагрузки; с, - шаг поиска;

К(Р;-сО, К(Р,+о) - значения критерия оптимизации, полученные в

точках поиска соответственно Р-с, и Р.+с,. а* - коэффициент.

На основании теоретических исследований предложена оптимальная последовательность шагов поиска и и коэффициента аг.

где: А, В - коэффициенты зависимости К=АР2+ВР+С, легко уточняемые в ходе поиска,

е - величина ошибки измерения.

Разработанная последовательность шагов поиска о и коэффициента г, легла в основу алгоритма поиска оптимального значения осевой нагрузки в реальном времени при автоматическом управлении процессом бурения. Стендовые и производственные испытания работы алгоритма показали его высокую устойчивость к внешним помехам, малое число шагов поиска области оптимальных значений осевой нагрузки (количество шагов было в диапазоне от 2 до 5, чаще всего - более 50% - поиск осуществлялся за 3 шага).

2. Стендовые и производственные исследования работы гидропривода бурового станка с подключением электро-гидравлического усилителя параллельно полостям гидроцялиндров показали высокую эффективность и качество регулирования как при автоматизированном, так и при ручном режиме управления процессом бурения.

Решение вопроса разработки механизма подачи бурового станка, обеспечивающего высокое качество регулирования по каналу управления "осевая нагрузка-скорость подачи", является одним из главных моментов при создании системы управления процессом бурения. Традиционное решение данной проблемы - разработка приспособления, в котором небольшой двигатель вращает ручку дросселя, изначально предназначенную для ручного управления.

(3)

(2)

Такой исполнитеяьны/i механизм фактически представляет собой - интегрирующее звено в прямой цепи управления; кроме того, в нем не рсалпюванл оСра'нш сг.п'ч. - гилравлическая либо электрическая Гаким сС r.tiOM. í-'я лдача управлсигя выполнится к.лтсо" до-программном уровне.

Даннал схема механизма ппдпчи н"еет следующие недоел а-шз: « пигкое качесгво ноддер^'аниь заданной скорости подачи (высокие тютиик* перерегулирования, нсс1абилыюсн> поддержан!';" скорое. а);

» переключи;;;'; <лс .-г . n>;io,.¡;:; oí слаоьа (¡¡-оизвод.пся 6ví уменьшения давления в гидросистеме. Таким образом и пеггег.п-* г^яитил шпинделя вызывает гидроудар,

уменьШшоищ:й preyf р*«><>1м j^e-ic:гт?- ••»,»p<w.»M-ic*u» ctznn " датчиков давления в полостях гидроцилиндров.

В стендовых условиях (учебно-экспериментальный буровой комплекс ГУНПП Тсбус", МГГА) были проведены сраттгслыше исследования качества регулирования с применением трех различных типов механизма подачи:

- приспособления с двигателем на ручке дросселя-регулятора, входящего в комплект станка;

- регулятора расхода с пропорциональным электрическим управлением,

- ;:рспор;п;ош!Ль!;аге 'гегс; г-тидравлмч'-' кого '.сл.акте ля.

! ¡рове/течны? гсшедовлшп позволили дать следующую опенку качества регулирования с применением дросселя-риулятора: " и чеет место кочсбатслл?ый реллтм переходных процессов;

• величина керерег/.пров'шия :го каналу "скорость подачи" доходит до 2-2.5 ;</-■;'

• большая дяпгепыкч п, лереход'и ¡х процессов (з средним 20-'30 с, доходам» до 3 мин.»;

• нелинейность расходной характеристики от угла поворота ручки дросселя.

Исследовании показали гакл'.о высокое качество регулирования с применением двух п.чждни* механизме!».

Приведем оценку работы регуляшра расхода с пропорциональным электрическим управлением:

*> переходные процессы регулирования осевой нагрузки имеют

апериодический харакл ер:

• ьремя переходных процессов составляет oí i) 3 ло ¡.5 секунд; г нелинейность расходной характеристики не более 5%;

« невозможность обеспечения плавного изменения направления движения шпинделя и исключить гидроудары.

Исследования работы исполнительного механизма с пропорциональным электрогидравлическим усилителем показало следующее (см. рис. I):

• переходные процессы регулирования осевой нагрузки имеют апериодический характер;

• время переходных процессов составляет в среднем от 0.3 до 0.5 секунд;

• имеется возможность обеспеченнть плавное изменение направления движения шпинделя и тем самым исключить гидроудары в гидравлической системе бурового станка.

Проведенные исследования показали, что исполнительный механизм на базе пропорционального электрогидравлического усилителя в целом удовлетворяет предъявленным требованиям, обеспечивает высокое качество регулирования по каналу "скорость подачи" и может использоваться как при автоматизированном, так и при ручном управлении процессом бурения.

3. Проведенные исследования позволили установить два принципа, обеспечивающих ресурсосберегающую технологию в условиях возникновения аварийных технологических ситуаций: 1) система управления не должна срабатывать на случайные превышения показателей бурения: 2) первая реакция на аварийную ситуацию - снижение осевой нагрузки без отрыва породоразрушающего инструмента от забоя скважины.

Надежность управления процессом бурения обеспечивается исключением случаев прекращения подачи породоразрушающего инструмента в критических ситуациях, когда буровой станок в состоянии за счет собственных возможностей и ресурсов преодолеть непродолжительные опелонения от нормы факторов, влияющих на процесс бурения.

На основании обработки экспериментальных данных установлены временные диапазоны, в течение которых превышение тем или иным параметром бурения (или ими всеми вместе) заданных максимальных значений не приводит к аварийной технологической ситуации, и при уменьшении этих параметров ниже максимальных значений процесс бурения не требует прекращения или изменения скорости подачи породоразрушающего инструмента.

п -ИШщВй!

О 5 10 15 20 25 30 35 40 врема.с

Рис. 1. Управление процессом бурения с применением электро-пщравлического усилителя.

Рис. 2. Алгоритм работы системы при возникновении критических технологических ситуаций.

Разработанный алгоритм может быть проиллюстрирован на примере сопостаалекия графиков изменения скорости подачи шпинделя и величины осевой нагрузки (см. рис. 2).

Как видно из рисунка, в алгоритме используются величины и, н I], это значения времени задержки реакции системы на возникновение критических технологических ситуаций. Для простоты на рисунке приведена реакция только на превышение заданного максимального значения осевой нагрузки (Ртах). Аналогичная реакция происходит также при превышении заданных максимальных значений тока нагрузки привода станка (1тах) и давления очистного агента (Рж шах). Используемые обозначения: Уп - скорость подачи шпинделя; Узад -заданное значение скорости подачи; Ь - продолжительность критической ситуации, необходимая для остановки подачи шпинделя Уп=0 (срабатывание режима "шпиндель СТОП"); Ь продолжительность бурения в режиме "шпиндель СТОП"; если в течение 11 ситуация нормализуется, тогда бурение продолжается, в противном случае система должна отрабатывать подрыв ПРИ над забоем (Уп<0).

Этапы 0-1, 1-2 (рис.2) соответствуют нормальному протеканию технологического процесса. Кратковременное возникновение критической аггуации (Р>Ршах) на этапе 2-3 не вызывает реакции системы, так как ситуация нормализуется (Р<Ршах) (3-4) за время Мо. Все это время (этапы 0-4) скорость бурения не менялась и была равна первоначально заданному значению (Уп="Узад).

В случае длительной критической ситуации (Р>Ршах) на этапе 4-5 (ОЪ) производится остановка шпинделя (Уп=0), в результате которой осевая нагрузка падает ниже предельной (Р<Ртах) за время (5-6), т.е. ситуация вновь нормализуется (6-7).

Если при возникновении критической ситуации (Р>Ртах) и последующей остановке шпинделя (Уп=0) осевая нагрузка не становится ниже предельной за установленное время г! (ои), как это видно на этапе 8-9, то производится подъем породоразрушающего инструмента над забоем (Уп<0) путем поднятия шпинделя (9-10).

Необходимые значения времени задержки 1о и 11 определяются технологом в конкретных геолого-технических условиях.

Апробация в стендовых и производственных условиях разработанного алгоритма работы системы показала его высокую надежность, исключение случаев необоснованных подъемов ПРИ над забоем скважины.

-154. Реализация оптимальной технологии бурения при использовании системы стабилизации скорости подачи возможна только с применением методики. учитывающей изменение свойств разбуриваемых пород и ПРИ.

Исполыование методов автоматизированного поиска оптимальных режимов бурения с применением процедуры Кифера-Вольфовица возможно только с применением цифровых управляющих систем.

Для беспоисковых систем стабилизации скорости бурения, а также для ручного управления процессом бурения разработано немало методик. Их условно можно разделить на аналитические, табличные и графические (номограммы). Анализ существующих методик показал, чю.

« аналитические методики, популярные в зарубежных фирмах, слишком "академичны" и их применение на практике дает весьма расплывчатые рекомендации; в табличные методики также дают не оптимальные значения скорости

подачи, а, скорее, область их допустимых значений; • номограммы, хотя и используют названия горных пород, их категории по буримосги, типы коронок, но не учитывают сложность геологических разрезов и непредсказуемость свойств горных пород, а также изменение свойстг. перодоразрушакчлегп инструмента по мере его отработки.

Задача поиска и поддержания оптимальной технологии требует оперативного определения оптимальных параметров бурения. Для автоматизированных систем управления эта задача уже решена. Необходимо разработать методику для бурения с беспоисковой системой стабилизации скорости подачи.

В настоящее время разработано немало критериев оптималыю1 о управления процессом бурения. Наиболее убедительными и распространенными являются:

V V2

К1 = ---у max, К2=--> max, КЗ =V-»max.

п - Р п ■ Р

Для подсчета значений выбранного критерия при управлении процессом бурения предлагается номограмма, учитывающая текущие свойства горной породы и коронки, а также прочие геолого-технические особенности (рис. 3).

В случае работы по критерию КЗ особых сложностей не возникает, так как речь идет о максимизации скорости бурения.

При выборе критерия оптимизации К2 бурильщик пользуется номограммой следующим образом. По измеренной скорости бурения (V) и заданной частоте вращения снаряда (п) определяется подача за

Подача

Частот вращения, об/мяч за оборот,

80070060050°400300200 мкм/об ' 302622 18 14 12 10

Осевая нагрузка, кН

10 987654321

Скорость бурения, м/ч

12 4 6 8 101214161820

Критерии управления:

V

П-Р

тах

К2=

V2

-> тах

п-Р КЗ = V -> тах

К 2

Скорость бурения, м/ч

Рис.3. Номограмма для поиска оптимальной скорости бурения при работе с системой стабилизации скорости подачи.

обооот (5, мкм). Далее, по определенной подаче за оборот и

измеренной осевой нагрузке (Р) определяется величина критерия Ю.

Для определения величины критерия К2 (если oír выбран - тгртггерттем оптимичании) используют полученное значение критерия

!С1 и измеренное значение скоро-, i и бурения С').

Интервал времени бур,сипя на каждом новом режиме составляет !

- 2 «линуш. Определение оптимальной скорости полачи оекомевдуегся

проводить в следующих случаях:

- в начале каасдо: о рейса;

- черг» каждые 3 д:етра буреккл (а течение ре":сл);

-при заметном изменении евойегз разбуриваемы.", пород

ociicb::i:c ргзучтт—тч "«ту р.* и ионной иаб<пы ^¿длте." ::

следующему:

1. Исследованы и обобщены технологические требования к средствам и методам оптимизации технологии бурения, что позволяет создать систему оптимального управления процессом бурения.

2. Проведены экспериментальные исследования по изучению процесса бурения с целью определения наиболее эффективного метода поиска оптимального режима бурения при автоматическом управлении

apüi^-cro;:.

Г. Р-< основание полуденных эченфнментальных данных в стеадоеыч и про1Со;!Сгаенных условиях показана надежность и •чЬф'.'спсжх/'б. гттпеа оптимальной осевой нагрузки в условиях помех по алгоритму, .чепользующему процедуру Кетфера-Во:»>фо:>:н ¡.п (метод помехоетнттчесхоп оптимизации).

4. Разработана модификации процедуры Кифера-Вольфовица. учитывающая технологически; требования: конечное число точек поиска, минимальное время нахождения в области форсированных режимов бурения.

5 Проведен!.! лкснерименталыше стендовые иссчедог.:ншя липами ческих режимов работы исполнительных механизмов управления по каналу "осевая нагрузка-скорость подачи" различных гшюь.

6. Результаты экспериментальных исследований показали, что предъявленным технологическим требованиям удовлетворяет исполнительный механизм. разработанный на базе пропорционального тлекгрогидравлическото усилителя, который

обеспечивает высокое качество управления и безударное изменение направления движения шпинделя.

7. Разработан алгоритм работы системы управления процессом бурения, обеспечивающий ресурсосберегающую технологию в условиях возникновения аварийных технологических ситуаций.

8. Разработана методика реализации технологии бурения в оптимальном режиме при использовании системы стабилизации скорости подачи шпинделя.

9. По результатам исследований разработана номограмма для определения величины выбранного критерия оптимизации, позволяющая определить оптимальную осевую нагрузку с учетом текущих свойств разбуриваемой горной породы и породоразрушающего инструмента.

10.Технические средства, алгоритмическое и программное обеспечение, разработанные на основании теоретических и экспериментальных исследований, прошли апробацию на специальных стендах (МГРИ, Иркутского политехнического института) и в производственных условиях Белгородской экспедиции ГП "Центргеологая" и Северной ГРЭ ГП "Севзапгеология" и др.

ОСНОВНЫЕ_ПОЛОЖЕНИЯ_ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Горизонтальный стенд для исследования процесса бурения с помощью автоматизированных комплексов (информационный листок выставки "Геологоразведка -90" (соавторы Б.А. Новожилов, В.А. Фридман и др.), ВИЭМС 1990.

2. Регулятор подачи бурового снаряда (информационный листок выставки "Геологоразведка -90" (соавторы Б. А. Новожилов, А.Е. Козловский и др.), ВИЭМС 1990.

3. Автоматизация управления процессом бурения. - Сб.: Оптимизация технологии разведочного бурения (стратегия, теория, практика). М.: МГП "Геоинформмарк".-1991. -с. 52-62 (соавтор A.C. Рябикин).

4. Информационное обеспечение АСУ ТП бурения. - Сб.: Оптимизация технологии разведочного бурения (стратегия, теория, практика). М.: МГП Теоинформмарк".-1991. -с. 72-80 (соавтор Л.И. Рабко).

5. Авторское свидетельство № 1670076, приоритет от 09.03.89, зарегистрировано 15.04.91. Способ колонкового алмазного бурения скважин (соавторы Б.А. Новожилов, А.Е. Козловский и др.).

ope::«-,: ер.И;.ггель.ггЕО j" 17"5534, тт?»е;>ит«т от 27.09.89, .•¡■п?г.:гт-.':' счзно 15.09.9!. Способ колснкоесгс плмязного бу;о;>:<:; екпажкн (соавторы Ь.А. Повожнлоь, А.Е. Козловский и др.)

- »р.-ч... С. .! j\'i !8390iJ ::pi:t.pu£-er cv '.'9Л0.90

1Г-Л0.9? V, CiUiC06 i ¡ЗШГ.ДТСЛЫ'ОГО .Syjt-.flfft iv-;:S!;.!

'-Д ill

TV \ ^PTvT*-'!. Г С Садмкпч и пр.).

,---. .yrn.TMFIf гтг»

aua. «шш^сшигная ri.Tf.ri yMj/iu>««5s —vm^nraofmi^i !тппиессом бурения, /Техника, ас>кЛ0лоп;л л

;'. • ;.!"• .■,.,;•!!''i\ ¡'.af'or. .'С-бюр АС."1 "Геочн,';'.;[!! i, -.а. '>•> (:0г.i\r4;,i Н '•.. Коз.юяскг-', Si Л . i !о»о:\-ал.. В. А. Фридман и др.).

/.J.. и,.........."■■¡»»•«пипшт- ■■»<•■ »¡umnnuv

^TXi^k*'^:.-Ч.'. Л^. У 1 ¿1. -2-и V.сAuум<tj<,/ "■ -■

^урешпо разпедочных скважин в осложненных условиях (2-7 тоня }992 г.), г. Санкт-Петербург (соавтор И.Г. Гашин и др.).

0.Разработка системы скорости подачи бурового станка. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии "Новые достижения в науках о Земле" 5-25 апреля 1993 г., МГГА (тезисы докладов). Москва, 1993 гед (соавтор И.Б. Захаров).

1.'. '';<.1-чг. ■ устройство pro огукс'гиг.чйш.ч. Дат-; '.'.».'!>н.!ллр ;ainTiii .'5.05 9'. По.гозгггелыю? решение о рл.маче чг>г:, лги/бо^шис от 5.01.95 >»о заявке на moOpeiein с

•( .:«Г<> ' ' : \ ло 'ЮККИЙ, ?>. А. Новожилов, В.Л. Фридман и др.).

> С «тп-о-' 1-,.опй1ШС бурении с пркг гением системы

. • ■ .'::>.!ц;ш c:«opocta лоддчи буревою спгряда. Конференции

пр;;(.1!;гс'.>;">(:ь'1,>-препо/1.1;зат."льского состава, ¡научных сотрудникои, осшграитоп л студс-гтон академии "Новые достижения в науках о Земле" 3 - 25 апреля 19У5 г., МГГА (тезисы докладов). Москва, 1995 год (соавторы В.А. Фридман, Б.А. Новожилов и др.).