Информационная система автоматического контроля параметров бурения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения об автоматическом управлении

Управление - это такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

Автоматическое управление - это управление, осуществляемое без участия человека.

Любой процесс управления включает в себя следующие основные этапы: - сбор и обработка информации о положении объекта управления в целях оценки сложившейся ситуации; - принятие решения о наиболее целесообразных действиях; - исполнение принятого решения.

Техническая структура управления -- устройство или набор устройств для манипулирования поведением других устройств или систем.

Объектом управления может быть любая динамическая система или её модель. Состояние объекта характеризуется некоторыми количественными величинами, изменяющимися во времени, то есть переменными состояния. В естественных процессах в роли таких переменных может выступать температура, плотность определенного вещества в организме, курс ценных бумаг и т. д. Для технических объектов это механические перемещения (угловые или линейные) и их скорость, электрические переменные, температуры и т. д. Анализ и синтез систем управления проводится методами специального раздела математики -- теории управления.

Структуры управления разделяют на два больших класса:

· Автоматизированная система управления (АСУ) -- с участием человека в контуре управления;

· Система автоматического управления (САУ) -- без участия человека в контуре управления.

Объект управления -- изменение состояния объекта в соответствии с заданным законом управления.

Классификация САУ

Системы автоматического управления можно классифицировать по следующим признакам.

1. По наличию или отсутствию дополнительных источников энергии САУ подразделяются на системы прямого и непрямого регулирования. Системы прямого регулирования - это системы, в которых для приведения в действие регулирующих органов не требуются дополнительные источники энергии, т.е. чувствительный элемент непосредственно перемещает регулирующий орган. Примером такой системы может служить регулятор заданного уровня воды в паровом котле, изобретенный русским механиком И.И. Ползуновым в 1765г.

В противном случае САУ является системой непрямого регулирования. Эти САУ используются в подавляющем числе случаев, так как практически всегда сигнал ошибки E(t) недостаточен по мощности для управления регулирующим органом.

2. По характеру сигналов, циркулирующих в системе, САУ подразделяются на непрерывные (аналоговые), дискретные и дискретно- непрерывные (гибридные).

3. По виду уравнений, описывающих систему, САУ подразделяются на линейные и нелинейные.

4. По характеру изменения задающего воздействия САУ делятся на системы стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования.

Системы стабилизации - это САУ, которые обеспечивают поддержание требуемого значения регулируемой величины относительно неизменного значения задающего воздействия. Отметим, что здесь и в дальнейшем отдельные компоненты векторов задающего воздействия, выходных координат и т.д. обозначаются малыми буквами.

Следящие системы предназначены для изменения регулируемой величины по закону, который заранее неизвестен, т.к. в общем случае величина задающего воздействия изменяется во времени и это изменение может быть случайным.

Программные САУ - это системы, в которых задающее воздействие изменяется по заданной программе.

Нетрудно заметить, что системы стабилизации и программные САУ являются частным случаем следящих систем.

5. По величине и характеру ошибки САУ бывают статическими и астатическими.

В системах, статических по отношению к какому- либо воздействию, ошибка, вызванная этим воздействием, по окончанию процесса регулирования становится равной некоторой постоянной величине, называемой статической ошибкой.

В системах, астатических по отношению к какому- либо воздействию, ошибка, вызванная этим воздействием, по окончании процесса регулирования становится равной нулю.

6. По числу замкнутых контуров регулирования САУ бывают одноконтурными и многоконтурными.

7. По характеру зависимости коэффициентов дифференциальных уравнений, описывающих систему от времени, САУ бывают стационарными и нестационарными. В стационарных САУ указанные коэффициенты не зависят от времени.

8. С точки зрения возможностей изменения параметров управляющей подсистемы, в зависимости от изменяющихся в процессе функционирования параметров объекта управления, САУ бывают обыкновенными и самонастраивающимися (адаптивными)

По виду информации в управляющем устройстве:

В замкнутых системах автоматического регулирования управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Связь выхода системы с его входом называется обратной связью. Сигнал обратной связи вычитается из задающего воздействия. Такая обратная связь называется отрицательной.

Разомкнутые САУ

Сущность принципа разомкнутого управления заключается в жёстко заданной программе управления. То есть управление осуществляется «вслепую», без контроля результата, основываясь лишь на заложенной в САУ модели управляемого объекта. Примеры таких систем: таймер, блок управления светофора, автоматическая система полива газона, автоматическая стиральная машина и т. п.

В свою очередь, различают:

· Разомкнутые по задающему воздействию

· Разомкнутые по возмущающему воздействию

Характеристика САУ

В зависимости от описания переменных системы делятся на линейные и нелинейные. К линейным относятся системы, состоящие из элементов описания, которые задаются линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Если все параметры уравнения движения системы не меняются во времени, то такая система называется стационарной. Если хотя бы один параметр уравнения движения системы меняется во времени, то система называется нестационарной или с переменными параметрами.

Системы, в которых определены внешние (задающие) воздействия и описываются непрерывными или дискретными функциями во времени, относятся к классу детерминированных систем.

Системы, в которых имеет место случайные сигнальные или параметрические воздействия и описываются стохастическими дифференциальными или разностными уравнениями, относятся к классу стохастических систем.

Если в системе есть хотя бы один элемент, описание которого задается уравнением частных производных, то система относится к классу систем с распределенными переменными.

Системы, в которых непрерывная динамика, порождаемая в каждый момент времени, перемежается с дискретными командами, посылаемыми извне, называются гибридными системами.

Иформационная система контроля параметров бурения «Контур-2»

Система контроля параметров процесса бурения предназначена для оперативного управления процессом бурения и предотвращения аварийных ситуаций. Система контроля параметров процесса бурения обеспечивает сбор и обработку данных от датчиков в реальном времени.

«Контур-2» применяется при эксплуатационном бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин и удовлетворяет требованиям стандарта СТ ЕАГО-051-01.

Система «Контур-2» осуществляет контроль и визуализацию следующих параметров:

Система Контур-2 содержит базовый комплект датчиков параметров бурения, аппаратуру сбора данных, табло бурильщика, переговорное устройство, компьютеризированное рабочее место и комплект ЗИП.

Аппаратура сбора данных и табло бурильщика системы Контур-2 размещаются на буровой и имеют пылевлагозащищенное исполнение по классу IP 65.

Табло бурильщика отображает информацию о параметрах бурения в виде цифровых значений на знакосинтезирующих светодиодных индикаторах и в виде гистограмм - на мнемонических индикаторах.

Система контроля параметров процесса бурения позволяет:

- выполнять калибровку датчиков;

- устанавливать пороговые значения измеряемых параметров;

- осуществлять визуальную и звуковую сигнализацию при выходе параметров за установленные пределы;

- распознавать технологические ситуации;

- архивировать данные измерений;

- выполнять просмотр и печать данных в виде отчетных документов (рапорт за сутки, рейс и др.).

Система «Контур-2» оснащается модулем управления МУ-1, который предназначен для выдачи управляющих сигналов при превышении допустимых значений давления бурового раствора, момента на роторе и веса на крюке буровой установки.

Система контроля параметров процесса бурения «Контур-2» совместима со станциями ГТИ, оснащенными программным обеспечением DTCIS, что позволяет хранить результаты измерений и расчетов в базе данных станции ГТИ и использовать их при обработке данных.

Система контроля давления «СКД-1»

Система контроля давления «СКД-1» обеспечивает измерение и цифровую индикацию давления жидкости создаваемого насосными установками цементировочных и других передвижных агрегатов, используемых при капитальном ремонте скважин, кислотной обработке пластов и в других случаях.

Система контроля давления «СКД-1» содержит тензорезистивный датчик давления, подключенный кабелем к микропроцессорному блоку преобразования и индикации давления.

Система СКД-1 может комплектоваться датчиком для измерения давления в одном из выбранных диапазонов: 0...25, 0...40, 0...60 и 0...100 МПа.

Система СКД-1 обеспечивает в случае необходимости возможность корректировки начальной градуировочной характеристики датчика давления по показаниям эталонного манометра.

Для периодического контроля измерительного тракта блока обработки и индикации система СКД-1 оснащена имитатором давления.

Принцип работы основан на преобразовании электрического сигнала, поступающего от тензорезистивного датчика и пропорционального давлению жидкости, микропроцессорным блоком в усреднённое за интервал времени 0,4 сек. значение давления и последующем отображении на цифровом индикаторе. Микропроцессорная обработка сигнала осуществляется по градуировочной зависимости, полученной изготовителем и хранящейся в энергонезависимой памяти блока обработки и индикации давления.

Блок преобразования и индикации «СКД-1» размещён в герметичном корпусе с ударопрочным стеклом. Корпус тензорезистивного датчика давления и его оснастка выполнены из стали с антикоррозионным покрытием.

Для эпизодической проверки корректности преобразований, осуществляемых микропроцессором блока системы СКД-1, применяется имитатор давления, который представляет собой источник опорного напряжения, подключаемый перед началом работы к входному разъёму блока вместо датчика давления.

Система контроля расхода и объема растворов «СКР»

Система СКР предназначена для измерения расхода и объема буровых, тампонажных, цементных, кислотных и др. растворов, подаваемых плунжерными или поршневыми насосами.

Система контроля расхода и объема растворов применяется в составе цементировочных агрегатов, установок для кислотной обработки пластов и других комплексов, оснащенных насосами указанного типа.

Система СКР реализует камерный метод измерения расхода жидкости (ГОСТ 15528-86), заключающийся в суммировании за единицу времени объемов жидкости, подаваемой насосом за один цикл. Состоит из бесконтактного датчика оборотов вала насоса "ДОВ" и микропроцессорного блока обработки и индикации расхода и объема растворов.

Датчик и микропроцессорный блок имеют пыле- и влагозащищенное исполнение (не хуже IP64), обеспечивающее эксплуатацию при температуре воздуха от - 40 °С до + 50 °С и относительной влажности до 95% (при температуре 20 °С).

Принцип действия системы СКР основан на бесконтактном считывании и суммировании импульсов, формируемых при прохождении магнитных меток, закрепленных хомутом, или имеющихся на валу привода насоса (например, болтов соединительной муфты), и преобразовании количества поступающих импульсов в значения расхода и объема нагнетаемого раствора.

Датчик оборотов вала насоса ""ДОВ"" имеет магнитоиндукционный преобразователь считывания импульсов, устанавливается вблизи трансмиссионного вала насоса и подключается кабелем к разъему микропроцессорного блока, питаемого от аккумулятора или от другого источника постоянного тока напряжением 24В.

Преобразование сигналов, поступающих от датчика, осуществляется микропроцессором блока обработки и индикации по градуировочной зависимости между числом импульсов и объемом раствора, прокаченного насосом. Градуировочная характеристика хранится в энергонезависимой памяти микропроцессора и при необходимости может быть изменена пользователем.

Данные измерений могут передаваться из микропроцессорного блока по интерфейсу RS-485.

Комплекс оборудования для бурения горизонтальных и наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин

Задачу автоматизации процесса бурения успешно решает информационно-технологический геонавигационный комплекс, который включает в себя как наземные, так и датчики приближенные, с помощью телеметрической системы к забою скважины. В него входят также устройства сбора информации ее преобразования, передачи и программной обработки для принятия оперативного решения и вывода технологических рекомендаций на пульт бурильщика, а в автоматическом режиме для вывода управляющих воздействий на приводы исполнительных устройств. Аппаратура геонавигационного комплекса (Схема1) для обеспечения мобильности монтируется на базе передвижной геофизической лаборатории.

Геонавигационный комплекс содержит установленную в колонне бурильных труб 1 над забойным двигателем 2 забойную телеметрическую систему 3 с источником питания 4, насос 5. с приводом насоса 6. Насос 5 соединен с приемной емкостью 7, в которой установлен датчик уровня бурового раствора 8. В нагнетательной линии 9 насоса 5 установлены датчики давления 10, расхода И, плотности 12. наличия газовых включений 13. В нагнетательной линии 8 также установлен управляющий клапан 14. К антенне 15 подключено приемное устройство 16, выход из которого подключен к входу в компьютер 17. Ко второму входу в компьютер I7 подключен преобразовательный комплекс 18. Лебедка 19 содержит привод лебедки 20. На лебедке 19 установлен датчик длины колонны бурильных труб 21. Индикатор веса на крюке 22 установлен на тросе 23. Колонна бурильных труб 1 проходит через ротор 24, содержащий привод ротора 25, для ориентации отклоняющей компоновки 26. В верхней части колонны бурильных труб 1 установлен превентор 2". привод превентора 28. В затрубном пространстве колонны бурильных труб 1 установлен газоанализатор 29.

Датчик осевой нагрузки 30, датчик крутящего момента 31, датчик оборотов гидротурбины 32, блок инклинометрии 34 и передающий модуль 33 установлены в корпусе забойной телеметрической системы 3. Возможна установка над источником питания 4 съемного модуля пульсатора 43 для передачи информации по гидравлическому каналу связи.

К выходам компьютера 17 подключены монитор 35, принтер 36, а через блок сопряжения 37 - пульт бурильщика 38, модем 39. Модем 39 соединен по линии телефонной связи через модем удаленного компьютера 40 с удаленным компьютером 41. Выход компьютера 17 подключен к блоку управления 42. к которому, в свою очередь, могут быть подключены привод насоса 6, привод лебедки 20, привод ротора 25. привод превентора 28 и управляемый клапан 14.

Компьютер 17 содержит программное обеспечение информационно-технологического геонавигационного комплекса 45, которое включает: операционную систему 46, программу обработки информации от технологических датчиков 47, базу знаний по всем вопросам, связанным с бурением скважин, проектные данные конкретной скважины (индивидуальные или групповой проект), экспертную систему, программу выработки технических решений 48, а также программу управления 49.

Преобразовательный комплекс 18 содержит по числу датчиков аналого-цифровые преобразователи АЦП 50..ЛЦП 58, контроллер 59, модем комплекса 60 и блок питания 61.

Комплекс работает следующим образом. При бурении работает насос 5, который по нагнетательной линии 7 подает буровой раствор к трубопроводу 3 и приводит его в действие. Инклинометрические параметры с блока инклинометрии 34 и забойные параметры с датчиков осевой нагрузки 30 и крутящего момента 31, и оборотов гидротурбины 32 при помощи передающего модуля 33 в виде электромагнитного сигнала подаются на антенну 15 и далее в приемное устройство 16 и в компьютер 17. Сигналы с наземных технологических датчиков 8, 10, 11. 12. 13. 19 и 29 подаются на вход в преобразовательный комплекс 18 и далее на вход в компьютер 17, где обрабатывается и передается одновременно на монитор 35 и пульт бурильщика 38 и при необходимости на принтер 36. На экране монитора 35 информация оперативно, качественно и наглядно доводится до исполнителя-геофизика (технолога), а на пульте бурильщика 38 часть этой информации представляется в цифровой и аналоговой форме, причем в аналоговой форме при помощи светодиодов, размещенных по окружности, представляются преимущественно инклинометрические данные.

Рисунок 1. Приемное устройство, пульсатор гидравлического канала связи, корпусные детали телеметрической системы электронная аппаратура, входящая в состав скважинного прибора ЗТС

Программа обработки информации от технологических датчиков 4 обрабатывает всю информацию, полученную с датчиков для представления первоначально в цифровом виде, затем для визуализации в форме таблиц, графиков и диаграмм на экране монитора 35 и, кроме того, рассчитывает и выдает данные, полученные путем математических преобразований с замеренными параметрами, например, отклонение от траектории. Экспертная программа и программа выработки технических решений 48 осуществляет более сложные логические и математические преобразования информации для выработки рекомендаций по управлению процессом бурения. Программа управления 49 непосредственно подает управляющие сигналы на исполнительные органы системы управления, к которым относятся привод насоса 6, привод лебедки 18, привод ротора 25 и привод превентора 28. Возможна выдача звуковых и световых предупреждающих сигналов при аварийной ситуации. Предложенный комплекс обеспечивает и полную автоматизацию процесса бурения путем воздействия на привод насоса 6, привод лебедки 18, привод ротора 25 и привод превентора 28. При этом каждое из этих управляющих воздействий может быть реализовано либо в отдельности, либо совместно в любом сочетании. Обратная связь между компьютером 17 и забойной телеметрической системой 3 осуществляется путем воздействия на управляющий клапан 14 и посылки управляющего импульса по гидравлическому каналу. Такая связь может быть использована, например, для включения или выключения источника питания 4, изменения режима работы забойного измерительного комплекса, изменения частоты и формата передачи.

Если установлен пульсатор 43, создающий гидравлические импульсы бурового раствора, то информация об инклинометрических параметрах и с забойных технологических датчиков может быть передана по гидравлическому каналу связи на датчик давления 10 и далее, к преобразовательному комплексу 18 и в компьютер 17. По информации с датчиков расхода 11, плотности 12 и датчика наличия газовой фазы 13, поступающей также через преобразовательный комплекс 18, подается в компьютер 17.

Производится коррекция данных, полученных с забоя по гидравлическому каналу связи на датчик давления 10. Это необходимо, чтобы учесть влияние характеристик бурового раствора на скорость распространения гидравлической волны в буровом растворе для избежания искажения результата. Кроме того, комплекс обеспечивает передачу всей информации на удаленный компьютер 41, для осуществления контроля за бурением не только на одной буровой, но и в масштабах куста или месторождения.

Схема 1. Информационно-технологический геонавигационный комплекс

Телеметрическая система, входящая в состав информационно-технологического геонавигационного комплекса, предназначена для определения пространственной ориентации компоновки низа бурильной колонны, а также забойных параметров, необходимых для оптимизации процесса бурения. Телеметрическая система работает следующим образом. Поток промывочной жидкости приводит в действие турбину электрогенератора, вырабатывается электроэнергия, питающая электронный блок скважинного прибора. Информация от датчиков преобразуется в кодовую последовательность, которая передается в зависимости от условий бурения и наличия соответствующих модулей по электромагнитному или гидравлическому каналам связи. На поверхности сигнал принимается антенной, удаленной на ЗО...5О метров от буровой или датчиком-преобразователем, установленным в нагнетательную линию насосов. В приемном устройстве принятый сигнал декодируется и вводится в компьютер для обработки. Приемное устройство питается от сети переменного тока частотой 50-1 Гц, напряжением 180-240 В. Потребляемая мощность не более 20Вт. Чувствительность не менее ЮмкВ. Приемное устройство соединяется с компьютером по интерфейсу RS232. Программное обеспечение телеметрической системы, установленное на компьютере, обеспечивает обмен информацией между ПЭВМ и УСО обработку информации.

Скважинная часть телеметрической системы имеет модульную конструкцию и производится с наружным диаметром 108, 172, 195 мм. Корпусные детали телеметрической системы выполнены из немагнитной специальной стали с высокими механическими свойствами.

Рисунок 2

Скважинная часть забойной системы состоит из немагнитного корпуса-переводника, имеющего на обоих концах стандартные резьбы бурового инструмента. Как правило, это 6-10 метровая труба из сплава Д16Т (ЛБТ), либо из титана марки ВТ-4 или сплава 12Х18Т, в которой размещены генератор переменного тока на постоянных магнитах, приводимый во вращение гидротурбиной, и аппаратурный контейнер, внутри которого размещены инклинометрические датчики, блок управления процессом записи, устройство управления коммутацией канала связи. Там же размещены коммутатор канала связи, устройство управления работой системы и источник питания. Для электрического разобщения глубинного прибора и колонны труб, необходимого для ввода сигналов передачи в канал связи, предусмотрена изолирующая вставка из стеклопластика, пропитанного эпоксидной смолой. автоматический бур растворов информационный

Функциональные возможности телеметрической системы зависят от состава входящих в нее модулей, которые, в свою очередь, определяются технологической необходимостью. Базовые комплектации скважинного прибора обеспечивают ориентацию отклонителя на забое, а также непрерывную передачу и индикацию на поверхности азимута, зенитного угла скважины в процессе турбинного бурения в геологических средах, не имеющих магнитных аномалий. Телеметрические системы используют для передачи электромагнитный или гидравлический канал связи. Передача информации по гидравлическому каналу связи обеспечивает работоспособность системы в породах с высокой проводимостью, но имеет меньшую скорость передачи информации. Измерение угловых параметров также возможно без циркуляции бурового раствора в «статике», при этом используется батарейное питание электронных компонентов ЗТС. Технические характеристики забойной телеметрической системы приведены в таблице №1:

Таблица 1 - Технические характеристики

Рисунок №3 - Генераторы питания скважинной аппаратуры

Генератор питания входит в состав забойной телеметрической системы и предназначен для питания скважинной аппаратуры электроэнергией.

Размещено на Allbest.ru