Доповідь/Технічні науки – Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК 681.5.033:622.24

Д.т.н. Семенцов Г.Н., Копистинський Л.О.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Показники якості автоматичних систем регулювання режимів буріння нафтових і газових свердловин електробурами

Науково-технічний прогрес в нафтогазовидобувній промисловості обумовлений підвищенням технічного рівня нафтової електроенергетики и подальшим розвитком автоматизованих систем керування технологічними процесами. Розробка і впровадження електробурів змінного струму для сучасних бурових установок, підвищення надійності експлуатації автоматизованих систем регулювання режимів буріння свердловин забезпечують значне підвищення продуктивності праці в бурінні нафтових і газових свердловин, у тому числі і на сланцевий газ.

Як показує проведений аналіз, сьогодні одним із засобів підвищення ефективності технологічного процесу буріння є використання автоматичних систем регулювання режимів буріння свердловин сучасними електробурами. Завдання проектування, експлуатації й автоматизації регулювання режимів буріння ведуть до необхідності вивчення такого складного питання як стійкість систем. Це обумовлено тим, що процес буріння нафтових і газових свердловин є нелінійним стохастично-хаотичним процесом, який здійснюється за умов апріорної та поточної невизначеності, розвивається в часі і перебуває під впливом різного типу адитивних и мультиплікативних завад. Для керування ним використовують системи із змінною структурою, які можуть забезпечувати або стабілізацію осьового навантаження на долото, яке вимірюється на поверхні, або потужності на валі двигуна електробура.

Аналіз показників якості таких систем є актуальною науково-прикладною задачею у зв’язку із інтенсивним впровадженням комп’ютерно-інтегрованих технологій [1, 3] у галузі. Проте, аналіз літературних джерел (наприклад, [1÷4 та ін.]) показує недостатній обсяг проведених досліджень в контексті використання методів моделювання таких систем за допомогою системи Matlab-Simulink і порівняння аналогічних моделей.

Тому метою даної роботи є оцінка і порівняння показників якості системи автоматичного регулювання осьового навантаження на долото і системи автоматичного регулювання потужності на валі електробура Е215-8м.

Розглядаються системи автоматичного регулювання з регулятором подачі долота, призначеним для роботи при бурінні свердловин електробурами, що забезпечує підтримку заданого значення потужності на валі двигуна електробура з обмеженням навантаження на долото або підтримку заданого значення осьового навантаження на долото (сили ваги на гаку).

У режимі буріння по потужності на валі й осьовому навантаженню на долото можна встановлювати два задані значення уставки – потужності на валі двигуна електробура або осьове навантаження на долото. Проте, при цьому можна підтримувати тільки один із параметрів, близький до заданого: в енергомістких породах – потужність, а в не енергомістких – осьове навантаження на долото. Тобто система керування має змінну структуру (рис.1).

F(t) – осьове навантаження на долото; P(t) – потужності на валі двигуна електробура; Z(t) – збурення

Рисунок 1 – Функціональна схема системи із змінною структурою для керування процесом буріння свердловин електробурами

Принцип змінної структури дозволяє використовувати позитивні властивості кожної структури і отримати ефекти не властиві жодній із систем, що мають постійну структуру

В досліджуваній системі використано регулятор подачі долота АМС-2, давач осьового навантаження на долото типу ДВР-2б зі стежною системою на основі безконтактних сельсинів типу БД404А, система телеконтролю потужності на валі двигуна електробура на основі серійного давача активної потужності серії Е.

На першому етапі досліджено систему автоматичного регулювання осьового навантаження на долото, алгоритмічна структура якої наведена на рис.2. Бачимо, що у даному випадку, коли коефіцієнт передачі ланки «редуктор з барабаном лебідки – колона бурильних труб – канат» К = 1, тривалість перехідного процесу складає 6,5 с, перерегулювання 6,5 % і кількість періодів коливань n = 1. Із збільшенням глибини свердловини, що супроводжується зростанням коефіцієнта передачі, показники якості системи погіршуються (табл. 1).

Рисунок 2 – Алгоритмічна структура системи автоматичного регулювання осьового навантаження на долото і перехідна характеристика

Таблиця 1

Показники якості системи автоматичного регулювання осьового навантаження на долото в залежності від коефіцієнта передачі ланки «редуктор з барабаном лебідки – колона бурильних труб – канат»

№	Коефіцієнт передачі ланки «редуктор з барабаном лебідки – колона бурильних труб – канат» (рб–кк)	Тривалість перехідного процесу, с	Перерегу-лювання, σ, %	Кількість періодів коливань n
1	1	6,5	7,5	1
2	2,2	10	37	2
3	2,8	14	50	3
4	3,4	17	47	4
5	4,4	30	71	7
6	4,8	35	77	8
7	5	45	85	13

Графіки залежностей тривалості перехідного процесу t_п, кількості періодів коливань n і перерегулювання σ від величини коефіцієнта передачі ланки «редуктор з барабаном лебідки – колона бурильних труб – канат» наведено на рис. 3. Бачимо, що при К→5 показники системи регулювання осьового навантаження на долото різко погіршуються. Тому доцільно змінити структуру системи регулювання і перейти до автоматичного регулювання потужності на валі електробура.

* – тривалість перехідного процесу; • – кількість періодів коливань;

◦ – перерегулювання

Рисунок 3 – Графіки залежностей тривалості перехідного процесу t_п, кількості періодів коливань n і перерегулювання σ від коефіцієнта передачі ланки «редуктор з барабаном лебідки – колона бурильних труб – канат»

Для порівняння показників якості перехідних процесів на рис. 4 наведено алгоритмічну структуру системи автоматичного регулювання потужності на валі двигуна електробура Е215-8м, яка відрізняється від системи, що зображена на рис. 2 лише зміною керованої величини. При цьому додатково в структуру введено функції передачі двигуна електробура

і давача активної потужності

Бачимо, що показники якості у цьому випадку значно покращилися. Вони зберігаються і при більш високих значення коефіцієнта передачі механічної ланки «редуктор з барабаном лебідки – колона бурильних труб – канат» (рис. 5, рис. 6).

Рисунок 4 – Алгоритмічна структура системи автоматичного регулювання потужності на валі двигуна електробура Е215-8 м (К_рб-кк=1, К_е =12,5)

Рисунок 5 – Алгоритмічна структура системи автоматичного регулювання осьового навантаження на долото і її перехідна характеристика (К_рб-кк = 4)

Рисунок 6 – Алгоритмічна структура системи автоматичного регулювання потужності на валі двигуна електробура Е215-8 м (К_рб-кк = 4,4, К_е =12,5)

Отже, при збільшенні глибини свердловини, коли коефіцієнт передачі К_рб-кк наближається до 5 доцільно змінити структуру системи автоматичного регулювання і перейти на автоматичне регулювання потужності на валі двигуна електробура.

Висновок

Виходячи із специфіки задач автоматичного регулювання режимів буріння нафтових і газових свердловин з урахуванням стохастично-хаотичних властивостей процесу, що розвивається у часі, досліджено показники якості системи автоматичного регулювання осьового навантаження на долото і потужності на валі двигуна електробура. Це дало змогу зробити висновок про доцільність із збільшенням глибини свердловини переходу на автоматичне регулювання потужності на валі двигуна електробура, замість регулювання осьового навантаження на долото.

Література:

1. Діхтяренко К.В. Перспектива відродження електробуріння / К.В.Діхтяренко, В.П.Червінський // Нафта і газ України: матеріали 9-ої міжнар. наук.-практич. конф. «Нафта і газ України – 2013», м. Яремча, 4-6 вересня 2013 р. – Л.: «Центр Європи», 2013. – С.59-60.

2. Фоменко Ф. Н. Бурение скважин электробуром / Ф. Н. Фоменко. – М.: Недра – 1974. – 272 с.

3. Балденко Ф.Д. Автоматизированные системы управления режимом бурения скважин забойными двигателями / Ф.Д.Балденко, А.П.Шмидт // Бурение и нефть. – 2003. – № 4. – С. 14-17.

4. Бунчак З. Електробур. Парадокси і реальність / З.Бунчак, О.Дудар, О.Кекот, О.Турянський. – Електроінформ. – 2003. – № 4. – С. 8-11.