Автоматизация технического процесса бурения

    3.3. Основные источники  эффективности разработки  и внедрения систем  автоматизированного  управления процессом  бурения

    Один  из основных источников экономической эффективности -повышение качества управления при его автоматизации.

    Если  управление процессом бурения рассматривать  как поддержание параметров процесса (например, механической скорости и  т. п.) возможно ближе к заданному  режиму, который устанавливается бурильщику инженером-технологом на основе его знаний геолого-технических условий бурения, то качеством управления будет то, насколько точно в течение длительного времени процесс бурения соответствует заданным режимам, установкам и т.д. Как показывает практика, обычно усилий бурильщика недостаточно, чтобы поддерживать процесс в пределах заданного режима или показателя. Это объясняется случайным характером факторов, влияющих на процесс бурения, и ограниченными возможностями человека.

    Система автоматизированного управления обеспечивает повышение качества управления благодаря своей особенности быстро реагировать на возмущения и вырабатывать управляющие воздействия, в которых учитывается взаимное влияние параметров и показателей процесса. Кроме того, система гарантирует качество управления, что особенно важно.

    Помимо  описанного подхода к управлению, заключающегося в поддержании заданного  состояния процесса (так называемое локальное регулирование), в системе  должны быть реализованы перспективные  методы управления, которые нельзя осуществить с помощью традиционного ручного управления. К ним можно отнести такие методы; реализуемые в процессе автоматизированного управления, как оперативная оптимизация, адаптивная настройка, регулирование по возмущению, управление по вычисляемым косвенным переменным, которые не поддаются непосредственному измерению (например, достижение минимального отношения мощности на бурение к механической скорости бурения), и т.д.

    Другой  источник эффективности систем автоматизированного  управления - увеличение производительности труда в результате роста механической скорости бурения, уменьшения количества аварий и осложнений, увеличения производительного времени за счет объективного документированного контроля.

    Очевидно, в ближайшем будущем не предвидится сокращение обслуживающего персонала буровой установки, так как, по крайней мере с точки зрения техники безопасности, буровая установка должна обслуживаться не менее, чем двумя рабочими. Но можно говорить об условном высвобождении численности при автоматизированном управлении даже в процессе бурения одной скважины. Поскольку система управления принимает на себя часть функций обслуживающего бурового персонала, то в высвободившееся время рабочие могут выполнять различные вспомогательные работы. Кроме того, за счет повышения скоростей бурения возможно сокращение количества буровых установок, а следовательно, и численности рабочих.

    Снижение  себестоимости 1 м бурения скважины - следующий источник эффективности систем автоматизированного управления процессом бурения. Это достигается с одной стороны, за счет роста производительности труда, а с другой - за счет меньших удельных расходов истирающих материалов, инструмента, энергии, увеличения межремонтных сроков оборудования и т.д. Например, известная система Вектор-1. разработанная в Севукргеологии В. А. Флянтиковым и В. А. Бабишиным. обеспечила рост производительности труда на 46%, увеличение механической скорости и длины рейса на 30 и 43% соответственно, снижение затрат мощности при бурении 1 м расхода истирающих материалов и себестоимости буровых работ на 6,50 и 19,3% соответственно.

    Такие результаты получены при бурении  плановых геологоразведочных скважин  общим объемом более 10 тыс. м. Следует  учесть, что названная система  вследствие жесткой, аппаратной, реализации алгоритма управления обладает весьма ограниченными функциональными возможностями и по существу управляет лишь по одному параметру-нагрузке на породоразрушающий инструмент (долото).

    К неявным источникам экономической  эффективности можно отнести функции контроля и регистрации параметров, а также показателей процесса бурения, выполненные системой управления. При этом высвобождается определенная часть инженерно-технических работников; которые должны хронометрировать процесс и предварительно обрабатывать данные.

    Полученные  объективные данные служат основой  для оптимального проектирования процесса бурения, нормирования и др.

    В недалеком будущем с внедрением гидрофицированных буровых установок  нового поколения возможен рост эффективности  за счет расширения функциональных возможностей системы управления процессом бурения, таких как автоматизация спуско-подъемных операций, диагностика состояния станка, оперативная обработка данных скважинной геофизики, учет расхода материалов и т. д.

    Внедрение систем автоматизированного управления имеет социальное значение. Прежде всего, это устранение различий между умственным и физическим трудом, улучшение условий труда и техники безопасности, поскольку в результате автоматизации буровой персонал может быть удален на безопасное расстояние от движущихся и вращающихся частей, и создание комфортабельных условий работы. 

    3.4. Состояние разработок  по автоматизации  процесса бурения

    По  имеющимся данным, созданием систем автоматизированного управления процессом  бурения в последнее время занимаются также зарубежные фирмы.

    Японская  фирма “Кокэн Боринг Машин Ко”  разрабатывает буровые станки с  компьютерным управлением с 1979 г. Например, в 1981 г. был разработан буровой станок СВК-К-10А с программным управлением. Эта модель представляет собой малогабаритный гидравлический станок со встроенной микро-ЭВМ, который предназначен для геологической съемки и бурения цементировочных скважин глубиной до 100 м при постройке дамб и плотин. Разработчики обоснованно считают, что эффективность и безопасность бурения значительно зависят от квалификации оператора-бурильщика. Поэтому цель разработки бурового станка со встроенной ЭВМ состоит в обеспечении высокой надежности, эффективности и безопасности работы при бурении станком независимо от квалификации бурильщика и, тем более, в открытии возможности автоматического бурения станком скважины заданной глубины в неизвестных горно-геологических условиях. Система управления собирает информацию по шести параметрам и по заданной программе производит оптимальное управление станком спускоподъемные операции также автоматизированы. Специалисты фирмы утверждают, что применение станков с программным управлением позволило получить большой экономический эффект.

    В ФРГ в 1989 г. приступили к оптимизации  процессов бурения на основе микроэлектроники при разработке рудных месторождений скважинами большого диаметра. Начатые научно-исследовательские опытно-конструкторские работы показывают, что их результаты могут быть использованы и при других видах бурения.

    Авторы  считают, что автоматическое регулирование при бурении скважин большого диаметра позволяет:

• повысить скорость бурения при снижении удельного износа потребления энергии;
• создать условия для обслуживания бурового станка одним человеком, обслуживания одной бригадой нескольких станков;
• сократить непроизводительное время в начале и конце смены;
• максимально увеличить скорость бурения при минимизации затрат.

 В  разработке предусматривается диагностика  бурового станка, регистрация и индикация параметров режимов бурения и некоторых режимов работы. Оптимизацию процесса бурения намечено осуществить путем адаптивного регулирования с помощью вычислительных устройств.

    В обзоре, посвященном анализу состояния  разведочного бурения и направления  его развития, зарубежные специалисты утверждают, что дальнейшее развитие этого способа, вероятно, приведет к повышению| производительности, автоматизации бурового процесса с целью сокращения времени на спускоподъемные операции и обеспечения адаптивного регулирования параметров бурения с поиском оптимальных сочетаний скорости подачи, осевой нагрузки, крутящего момента и частоты вращения бурильной колонны [12]. В Специальном проектно-конструкторском бюро буровой автоматики (СПКББА) на базе ЭВМ среднего класса разработана станция автоматической оптимизации и геолого-технологического контроля бурения глубоких скважин (САОБ), предназначенная для оперативного управления процессом бурения с целью его оптимизации, распознавания и предупреждения осложнений и аварийных ситуаций, ликвидации аварий, автоматического сбора, обработки, накопления и выдачи геолого-технологической и технико-экономической информации о процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ.

    Основные  функции станции следующие: оптимизация  режимов бурения, обеспечивающих достижение экстремального значения критерия оптимальности (максимум рейсовой скорости или проходки на долото, минимум стоимость 1 м проходки); корректировка выбранного оптимального режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса; распознавание на ранней стадии предаварийных и аварийных ситуаций и вероятностная оценка момента их наступления; накопление, хранение и представление в различной форме геолого-технологической информации о процессе бурения, кратной 1 м бурения или рейсу.

    Станция может работать с любыми нефтяными буровыми установками, укомплектованными необходимым набором технологических датчиков и рассчитанными на бурение эксплуатационных и поисково-разведочных скважин на нефть и газ глубиной 4000-6500 м. В первую очередь целесообразно использовать станцию на новых площадях в условиях малой изученности разрезов и недостоверности сходной геолого-технологической информации об условиях бурения.

    Вторая  наиболее значительная разработка, имеющая  реальный выход в производство, автоматическая система управления процессом углубки скважины в оптимальном режиме (автобурильщик “Узбекистан 2А”), созданная в Методической экспедиции геолого-экономических исследований. Система включает кабину бурильщика с размещенным в ней вычислительно-управляющим комплексом, датчики технологических параметров и исполнительный механизм для управления рычагом тормоза лебедки. Система предназначена для ведения в автоматическом режиме процесса бурения роторным и турбинным способами глубоких скважин на нефть и газ серийными буровыми установками с использованием шарошечных долот. Систему обслуживает один оператор. Вычислительно-управляющий комплекс включает в себя вычислительный блок, выполненный на базе серийной микроЭВМ “Электроника С5-12”, пульт управления, устройства связи с объектом и оператором, представления информации, формирования управляющих сигналов, ленточный перфоратор ПЛ-150 и систему питания. Комплекс предназначен для приема и анализа информации о процессе бурения по сигналам датчиков технологических параметров, а также для логической и математической обработки ее в соответствии с алгоритмом управления, формирования информационных и управляющих сигналов и обеспечения всех устройств системы электропитания.

    В соответствии с алгоритмом управления система производит взвешивание бурового инструмента, приработку долота, поиск эффективного значения осевой нагрузки на долото и поддержание ее в процессе бурения. Если дальнейшее бурение экономически нецелесообразно, то система вырабатывает сигнал об окончании рейса и прекращает подачу инструмента. Кроме того, система обеспечивает безаварийное бурение, своевременно определяя износ опоры шарошечного долота. Сведения о ходе процесса бурения и режимах работы оборудования выдаются бурильщику с помощью стрелочных приборов, цифровой индикации, светящихся транспарантов, а также фиксируются на перфоленте, которая может быть исходным документом для формирования информационного банка и служит контрольным документом, объективно представляющим состояние бурового инструмента и оборудования и отображающим работу буровой бригады.

    Система предназначена для бурения скважин  глубиной 3500-4000 м. Потребляемая мощность не более 0,5 кВт. Как показали результаты промысловых испытаний, применение системы позволяет сократить  расход долот и время проводки скважины на 15-20% при обеспечении полной безаварийности.

    Фирмой  “Даймэнт Боарт” создана гидрофицированная  установка с подвижным вращателем и трубодержателем, в управлении которой использован микропроцессор [13]. С помощью микропроцессора координируется функционирование элементов гидроуправления, выполняются расчеты различных операций и контролируется их соответствие предварительно принятым заданиям. При спускоподъемных операциях микропроцессор синхронизирует последовательность срабатывания гидропатрона вращателя и трубодержателя, перемещение вверх и вниз и контролирует интервалы времени между прохождением последовательных сигналов.

    Возможно  расширение функций системы управления: полное воспроизведение различных  программ, заранее отработанных экспериментально; защита по максимальному крутящему моменту при свинчивании и развинчивании бурильных труб; ограничение по предельной осевой нагрузке во время бурения, что повышает надежность бурильной колонны и т. д. Предусматриваются регистрация и обработка информации о процессе бурения, которая затем будет использована для интерпретации этого процесса и геологического разреза.

    Для бурения геологоразведочных скважин  на твердые полезные ископаемые разработана  система автоматизированной оптимизации  управления технологическим процессом бурения САОПБ-1. Система предназначена для автоматического управления технологическим процессом бурения скважин алмазным породоразрушающим инструментом по заданной оптимальной углубке коронки за оборот или заданной механической скорости и может применяться на всех буровых станках с гидравлической системой подачи, используемых при алмазном бурении.