Критерии и параметры автоматического управления бурением
Критерием автоматического управления любого технологического пропета является величина, меняющаяся во времени и пространстве и характеризуют!! эффективность достижения поставленной цели. Как правило, такой целью являем достижение оптимальных результатов процесса. В понятие оптимальный процесс и разных этапах технического развития вкладывается различный смысл. Так, например, в 20-е гг. прошлого века при появлении первых автоматов подачи долота да глубокого бурения условием применения служила прямолинейность ствола скважине, так как следствием искривления часто происходили аварии из-за поломи
лопастных долот. В 30-е г. г. и позднее, когда появились шарошечные долота, целью стала высокая производительность бурения. Появились критерии оптимальности: наибольшая механическая скорость, наибольшая рейсовая скорость, наименьшая стоимость 1м бурения, которые действуют и по настоящее время, являясь теоретической основой для создания автоматических регуляторов подачи долота. Главным из них считается стоимость 1м. бурения.
В разведочном бурении стоимость 1м. также определяет оптимальность процесса. Кроме того, при определении оптимальности используют критерии наибольшей скорости, максимальной производительности бурового станка, минимального времени проходки скважины.
Критерий минимальной стоимости 1м бурения, как главный показатель оптимальности процесса проходки скважины, определяет наименьшую сумму всех производственных затрат, приходящуюся на 1 м скважины. Реализация этого критерия на практике с помощью автоматических устройств представляет пока определенные трудности, так как нет зависимостей вида:
С —Ф(х1,х2, хЗ,…,а.1,а2, аЗ ),
где С — стоимость 1 м скважины; х — управляемые факторы; а — неуправляемые факторы.
К управляемым факторам относят осевую нагрузку, частоту вращения, количество и качество промывочной жидкости и некоторые другие, поддающиеся регулировке и контролю, к неуправляемым — износ породоразрушающего инструмента, устойчивость стенок скважины, технологические осложнения и авариями, и т. п.
Критерий максимальной механической скорости может быть реализован путем регулирования параметров бурения: осевой нагрузки Р, частоты вращения п, расхода Q и качества промывочной жидкости (или другого очистного агента), если известна зависимость
V=tp(P, п, Q, f q),
где V — механическая скорость бурения; f — аргумент, отражающий механические свойства горной породы; q — характеристика породоразрушающего инструмента
(форма, острота, прочность и т. .д.).
Этот критерий имеет наибольшее практическое значение при автоматизация глубокого бурения на твердые полезные ископаемые. Это объясняется простотой описания цели управления, что облегчает задачи выбора измерительной техники и преобразования информации в исполнительные действия сервоприводов.
Критерий максимальной производительности бурового станка определяется вьфажением I I = h /Т, где — h проходка за время Т, м. Производительность может быть сменной (Т — продолжительность смены) и общей по скважине ( Т — период бурения скважины). Критерий оптимума по максимальной производительности может быть реализован при управлении процессом бурения по закону критерия максимальной механической скорости.
Критерий оптимума по минимальному времени проходки скважины действует в том случае, если осуществляется ускоренная проходка скважины. Очевидно, что этот критерий может не совпадать с основным — по минимальной стоимости 1 м. бурения и имеет значение для экономической оценки буровых работ. Однако, он мало пригоден для непосредственного использования в автоматизации бурения из-за отсутствия математических зависимостей, пригодных для описания задач управления.
Следует сказать, что из всех критериев практически используется только критерий максимальной механической скорости, который отражает наиболее полно задачи управления процессом бурения и дает возможность его математического моделирования.
Для реализации любого критерия необходимо установить параметры управления, которые связаны с ним математической зависимостью. Параметрами автоматического регулирования являются такие технологические параметры бурения, с помощью которых достигается поставленная цель управления процессом бурения.
При бурении, в особенности глубоком, универсальным параметром управления считается осевая нагрузка на забой. Это объясняется тем, что при всех существующих способах вращательного глубокого бурения, любое изменение осевой нагрузки на долото влияет на показатели его работы. При этом метод установления нагрузки определяется принятым критерием оптимальности режима бурения.
Так, например, при поддержании осевой нагрузки, соответствующей максимальной скорости бурения, реализуется критерий максимальной механической скорости бурения. При нагрузке, достигающей наибольшей проходки на долото, бурение будет вестись с наиболее эффективным использованием породоразрушающего инструмента. Выбранная же соответствующим образом средняя нагрузка приведет к режиму с максимальной рейсовой скоростью.
Другими параметрами при различных видах бурения являются: мощность на вращателе, вращающий момент, частота вращения, скорость подачи инструмента.