СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

Комплект преобразователей с вторичными приборами, конструк­тивно оформленных в виде пульта, представляет собой систему на­земного контроля процессов бурения (ПК.Б). Первичные преобразо­ватели (датчики) устанавливают в местах отбора измерительного импульса, блок вторичных приборов — в месте, удобном бурильщи­ку для наблюдения. В зависимости от проектной глубины скважи­ны и сложности бурения применяют одну из существующих трех модификаций ПКБ.

ПК.Б-1 входит в состав комплекта буровой установки БУ-50 и обеспечивает контроль нагрузки на крюке, крутящего момента на роторе, давления бурового раствора, частоты вращения ротора и механической скорости бурения.

В комплект ПКБ-2 входят электрические системы на сельсинах, предназначенные для измерения веса на крюке, подачи инструмен­та, расхода и давления промывочной жидкости. Самопишущий при­бор обеспечивает одновременную независимую регистрацию всех четырех контролируемых параметров на диаграммной ленте. Пуль­тами ПКБ-2 комплектуют буровые установки БУ-80, БУ-100 и БУ-125.

Пульт контроля ПКБ-3 аналогичен пульту ПКБ-2 и предназна­чен для комплектации буровых установок БУ-160 и БУ-200. В отли­чие от ПКБ-2 пульт ПКБ-3 имеет дополнительную измерительную систему для контроля нагрузки на долото, крутящего момента и ча­стоты вращения ротора. Все семь контролируемых параметров одно­временно и независимо регистрируются на диаграммных лентах двумя самопишущими приборами.

Рассмотрим устройство пульта ПКБ-2, обеспечивающего конт­роль режима бурения, выполняемого с помощью буровых установок грузоподъемностью широкого диапазона. В состав пульта входят (рис. 10.4) блок указателей 1, блок регистраторов 2, датчик веса на крюке 9, датчик давления буровой жидкости 8, датчик расхода про­мывочной жидкости 4 и преобразовательный блок расходомера 5, датчик подачи инструмента 7, измеритель частоты вращения ротора 6 и распределительный блок 3.

Измеряемые параметры преобразуются датчиками в пропорцио­нальное угловое перемещение ротора сельсина-датчика и по кабелю передаются сельсину-приемнику (см. гл. 4), установленному в блоке регистраторов.

Вес на крюке определяют по натяжению неподвижного конца талевого каната, который крепится к специальному приспособлению, представляющему собой смонтированный на установленный в опо­рах ролик с рычагом. Усилие от натяжения неподвижного конца та­левого каната рычагом приспособления передается упругому эле­менту, который представляет собой балку равного сопротивления изгибу. Прогиб балки при помощи трибосекторного механизма приводит к соответствующему угловому перемещению ротора бесконтактно­го сельсина-датчика. Угол поворота сельсина-датчика измеряется ди­станционно при помощи приемного бесконтактного сельсина-прием­ника, включенного по трансформаторной схеме.

Давление промывочной жидкости измеряется датчиком, смонти­рованным на трубопроводе между насосами и стояком или на стоя­ке нагнетательной линии буровых насосов. В качестве чувствительно­го элемента используют геликсную пружину (подобную используе­мой в скважинном манометре), которая, раскручиваясь под действием измеряемого давления, поворачивает ротор сельсина-дат­чика. Сельсин-датчик соединен по индикаторной схеме с сельсинами-приемниками, установленными в блоках показывающих и регистри­рующих приборов.

Подача бурового инструмента осуществляется свиванием талево­го каната с барабана буровой лебедки. При этом канат проходит через ролики талевой системы, вследствие чего вертикальные пере­мещения крюка с буровым инструментом пропорциональны угловым перемещениям роликов. Датчик подачи установлен на кронблоке буровой установки и с помощью сельсинной передачи передает уг­ловые перемещения ролика кронблока. установленному в блоке ре­гистраторов устройству, которое записывает на перемещающейся с постоянной скоростью диаграммной ленте подачу бурового инстру­мента.

Среднюю скорость бурения определяют прибором скорости пода­чи посредством измерения угла поворота ролика кронблока за опре­деленный промежуток времени. Ротор сельсина-приемника прибора скорости подачи с помощью реле времени периодически на 26 с под­ключается к датчику подачи. При этом стрелка прибора показывает среднюю скорость подачи за каждые 28 с.

Частоту вращения ротора определяют стандартным тахометром ТЭ-204, который снабжен дополнительным редуктором. Измерение расхода промывочной жидкости осуществляется расходомером РГР-7, устройство которого описано в гл. 7.

Основная приведенная погрешность измерения всех параметров не превышает ±2,5%.

На рис. 10.5 показана блок-схема комплекса приборов наземно­го контроля параметров бурения Б-7.

Комплекс, состоящий из комплекта первичных преобразователей (датчиков) изменяемых величин, пульта показывающих приборов и блока регистраторов, обеспечивает контроль и регистрацию следую­щих параметров процесса бурения: 1) нагрузку на крюк (долото);

2) частоту вращения ротора; 3) крутящий момент на роторе; 4) дав­ление на выкиде буровых насосов; 5) число ходов буровых насосов в минуту; 6) крутящий момент на механическом ключе при свинчивании и развинчивании труб над устьем; 7) подачу бурового инстру­мента.

Ниже даны краткое описание и характеристика измерительных устройств, входящих в комплекс.

Измеритель нагрузки на крюк типа ГИ В-М состоит из гидравлического преобразователя давления, монтируемого на рыча­ге устройства для крепления неподвижного конца талевого каната, соединительного шланга и показывающего прибора, представляюще­го собой двухстрелочный манометр. Измерительная система запол­нена маловязким маслом (ПМС-30). Маленькая стрелка показы­вающего прибора и две внутренние шкалы предназначены для от­счета полной нагрузки на крюк, большая стрелка и две внешние шкалы — для отсчета нагрузки бурильной колонны на забой, следо­вательно, для определения нагрузки на долото. Внешние шкалы вы­полнены вращающимися, для чего предусмотрены ручки установки «нуля» нагрузки на долото, когда последнее находится над забоем (вес всего бурового инструмента воспринимается крюком).

При разгрузке инструмента на забой по внешним шкалам мож­но определять нагрузку на долото. Каждая стрелка через трибосекторный механизм приводи гея во вращение от специальной пружины <трубка Бурдона). Упругость пружины, приводящей большую стрел­ку, в 6 раз меньше упругости пружины, соединенной с малой. Пар­ные шкалы, выполненные разным цветом, предназначены для раз­ных оснасток талевых систем.

Измеритель давления на выкиде буровых насосов типа ГИД-1—гидравлическое устройство, состоящее из датчика, показывающего прибора, соединительного шланга и запорного вен­тиля. Датчик, представляющий собой мембранный разделитель, уста­новлен на напорной линии буровых насосов. Для сглаживания пульсаций давления в нем предусмотрен дроссель. В качестве показы­вающего прибора использован стандартный манометр. Конструкци­ей ГИД-1 предусмотрено подключение регистратора и гидроэлектри­ческого преобразователя, предназначенного для формирования электрического сигнала в систему передачи данных. Диапазон изме­рения: 0—25 и 0—40 МПа.

Измеритель частоты вращения ротора типа ИСР-1 представляет собой электротахометр, состоящий из стандартного тахогенератора и показывающего прибора, в качестве которого ис­пользуется вольтметр, отградуированный в единицах частоты вра­щения ротора. Предел измерения 0—300 об/мин.

Индикатор крутящего момента на роторе типа ГИМ-1 представляет собой гидравлическую систему, состоящую из датчика, показывающего прибора, соединительного шланга и демп­фера.

Датчик индикатора — гидравлический преобразователь плун­жерного типа — воспринимает нагрузку от натяжения цепного при­вода ротора буровой установки. Давление на плунжер создается рычагом, на котором закреплена ось ролика, прижатого к ведущей (нижней) ветви цепи привода ротора. В качестве показывающего прибора использован манометр, шкала которого отградуирована в условных единицах. Шкала может поворачиваться для установки ее. на «нуль» при вращении бурильной колонны вхолостую, т. е. когда долото находится над забоем. Таким образом, условно компенсиру­ется крутящий момент, вызванный трением колонны о стенки сква­жины. Когда долото нагружается, индикатор отражает изменения крутящего момента на долоте.

В конструкции ГИМ-1 предусмотрено устройство, обеспечиваю­щее подключение регистратора и гидроэлектрического преобразова­теля для передачи сигналов в систему телеизмерения. Диапазон из­мерения 0—300 кН*м.

Измеритель числа ходов поршня бурового насоса в единицу времени типа ИХН-1 предназначен для определе­ния расхода бурового раствора, закачиваемого в скважину. Расход определяют по числу ходов поршня бурового насоса в единицу вре­мени. При этом принимают, что геометрические размеры цилиндров бурового насоса и длина хода поршня известны, а коэффициент на­полнения стабилен. Принцип действия и комплектность ИХН-1 ана­логичны рассмотренному измерителю частоты вращения ротора ИСР-1. Шкив тахогенератора ИХН-1 соединен ременной передачей со шкивом, устанавливаемым на редукторном валу бурового насоса. Предел измерения 0—150 ход/мин.

Измеритель крутящего момента (силы) на механи­ческом ключе ГМК-1 необходим для предотвращения срыва резьбы и обеспечения необходимой герметичности соединений при свинчивании бурильных труб во время спуско-подъемных операций. Состоит он из гидравлического преобразователя, показывающего прибора и соединительного шланга.

Гидравлический преобразователь имеет две серьги для присоеди­нения к удерживающему канату механического ключа. Одну серьгу крепят к удерживающему канату, соединенному с рукояткой ключа, вторую — к арматуре фонаря буровой вышки в том месте, где обыч­но крепят второй конец удерживающего каната.

При свинчивании и развинчивании труб сила, возникающая в удерживающем канате, передается на датчик плунжерного типа. В измерительной камере создается давление, пропорциональное действующей силе, которое жидкостью, заполняющей соединитель­ный шланг, передается чувствительному элементу показывающего прибора—трубе Бурдона. Предел измерения 0—70 кН.

Все приборы, входящие в комплект, имеют основную приведен­ную погрешность измерения ±2,5%. Комплекс Б-7 состоит измногоканальногорегистратора

Р-7 и измерителя проходки ИП-1. Многоканальный реги­стратор предназначен для одновременной синхронной записи всех указанных технологических параметров на одной ленточной диа­грамме.

Гидравлические сигналы от датчиков нагрузки на крюк, давле­ния на выкиде насосов, крутящего момента на роторе и на механиче­ском ключе по шлангам высокого давления поступают на чувстви­тельные элементы регистратора—трубки Бурдона, плоскости кото­рых расположены горизонтально. Свободные концы трубки Бурдона через рычажные механизмы соединены с пишущими устройствами.

Электрические сигналы от датчиков частоты вращения ротора и числа ходов поршня бурового насоса поступают на малогабаритные электронные потенциометры с бесконтактным реохордом. В схеме потенциометра предусмотрен электродвигатель, обеспечивающий компенсацию измеряемого и эталонного напряжений. Вал электро­двигателя с помощью рычажного механизма управляет пишущим устройством.

Запись параметров выполняется латунными штифтами на диа­граммной ленте, покрытой специальным веществом.

Совмещенный с регистратором измеритель проходки делает на диаграммном бланке короткие штрихи через каждые 10 см и длин­ные — через каждый 1 м перемещения бурового инструмента. Им­пульсы измеритель проходки получает от тросика, соединенного с вертлюгом буровой установки.

Для создания автоматизированных систем управления техноло­гическими процессами (АСУ-ТП) бурения нефтяных и газовых скважин Грозненским научно-производственным объединением «Промавтоматика» создан микропроцессорный комплекс БУРУН. Комплект включает четыре макромодуля: 1) контроля и отображе­ния технологических параметров — информационно-измерительная подсистема; 2) управления технологическим режимом; 3) анализа и отображения организационно-технологической информации; 4) пе­редачи—приема данных.

Информационно-измерительная подсистема комплекса БУРУН, предназначенная для контроля и отображения технологических па­раметров процесса бурения, включает в себя (рис. 10.6):

а) первичные преобразователи—датчики, устанавливаемые на технологическом оборудовании буровой установки;

б) линейный блок с промежуточными преобразователями и мо­дулями ввода-вывода дискретной и аналоговой информации, блок устанавливается в шкафу управления или в стойке индикационного табло бурильщика;

в) индикационное табло бурильщика, размещенное на стойке и оснащенное индикаторами основных технологических параметров бурения (вес инструмента, осевая нагрузка на долото, подача инст­румента и проходка, крутящий момент на роторе, частота вращения ротора, давление и расход промывочной жидкости). Стойка с табло устанавливается на рабочем месте бурильщика;

г) шкаф управления с панелью контроля и управления, в кото­рый встраиваются блок-каркасы макромодулей.

На панели контроля и управления шкафа размещены: цифровые индикаторы контроля технологических параметров; световые индика­торы сигнализации об отклонениях технологических параметров от предельного значения и о виде работы (бурение, спуск, подъем);

устройство ручного кодирования, ввода статистической информа­ции и констант.

Преобразователи

Преобразователь веса инструмента ППВИ-3 пред­назначен для измерения веса инструмента и нагрузки на долото. В состав его входят: первичный преобразователь, устанавливаемый стационарно в механизме для крепления неподвижного конца талевого каната между подвижным рычагом и основанием механизма; промежуточный преобразователь и усилитель, размещаемые в шка­фу управления комплексом или в стойке индикаторного табло.

Чувствительный элемент датчика — чашечная мембрана — имеет две параллельные стойки, на каждой из которых с двух сторон ук­реплены ферритовые чашки с катушками индуктивности. Против каждой катушки расположена ферритовая чашка—якорь. Ферри­товые якори укреплены с внутренней стороны П-образной скобы, установленной на второй стойке. Под действием усилия в неподвижном конце талевого каната мембрана прогибается, вследствие чего нару­шается параллельность стоек и изменяются воздушные зазоры между катушками и якорями. При этом изменяются реактивные сопротивле­ния катушек, являющихся плечами измерительного моста.

Измерительный мост размещен на плате промежуточного преоб­разователя. Напряжение разбаланса моста поступает в операцион­ный усилитель, формирующий унифицированный аналоговый сигнал. Для питания измерительного моста предназначен генератор прямо­угольных импульсов.

Для установления соответствия выходного аналогового сигнала типу оснастки сигнал масштабируется при помощи специального операционного усилителя и трехпозиционного делителя напряжения, управляемого переключателем.

Линейная зависимость выходного напряжения от нагрузки (вход­ного параметра) обеспечивается дифференциальным включением катушек индуктивности датчика и регулировкой начальных величин воздушных зазоров катушек. Диапазон измерения 0—6 и 0—8 МН, основная приведенная погрешность 1,5%.

Преобразователь подачи инструмента ППП пред­назначен для определения проходки на долото за один рейс. В со­став преобразователя входят: первичный преобразователь, собран­ный в пылеводозащищенном корпусе, который крепится на станине буровой лебедки; логический блок на печатной плате, расположен­ный в шкафу управления комплексом или в стойке индикационного табло.

Входной вал первичного преобразователя соединен с валом ба­рабана лебедки. При повороте вала барабана лебедки, пропорцио­нальном вертикальному перемещению бурильной колонны, через ре­дуктор и вариатор преобразователя приводится в движение фла­жок. Вращающийся флажок прерывает генерацию высокочастотного генератора, преобразуя частоту вращения вала в пачки импульсов высокой частоты. Далее высокочастотные импульсы детектируются, усиливаются и на выход первичного преобразователя поступают прямоугольные импульсы, интервалы между которыми соответству­ют перемещению бурового инструмента на 0,1 м.

С планетарным редуктором механически связан магнитоуправляемый контакт, выходной сигнал которого фиксирует направление перемещения бурильной колонны. Специальные кулачки планетар­ного редуктора фиксируют положение фрикционного диска на валу вариатора. При этом устанавливается соответствие передаточного числа вариатора с положением слоя навивки каната на барабане лебедки. Выходные сигналы первичного преобразователя, соответст­вующие расстоянию, на которое перемещается колонна, и ее направле­нию, поступают в логический блок. Логический блок выполняет сле­дующие операции: фиксирует число поступивших импульсов и опре­деляет расстояние, на которое перемещается бурильная колонна; выполняет алгебраическое суммирование этого расстояния со значе­нием проходки на долото, находящимся в памяти логического блока, формирует выходной сигнал о приращении проходки на долото; на­капливает в памяти значения проходки.

Преобразователь давления ППДР-4, предназначенный для измерения давления бурового раствора, состоит из первичного преобразователя, который устанавливают на горизонтальном участ­ке нагнетательной линии бурового насоса, и промежуточного преоб­разователя на печатной плате, который монтируют в шкафу управ­ления комплексом или в стойке индикационного табло.

Чувствительный элемент представляет собой чашечную мембра­ну, непосредственно воспринимающую давление контролируемой жидкости. Преобразование перемещения мембраны под действием давления в унифицированный аналоговый сигнал аналогично опи­санному выше в преобразователе веса инструмента ППВИ-3.

Диапазон измерения 0—25 и 0—40 МПа, основная приведенная погрешность 1,5%.

Преобразователь частоты вращения ПП 4-2, пред­назначенный для преобразования частоты вращения ведущего вала ротора в электрический сигнал, состоит из первичного преобразова­теля, представляющего собой формирователь импульсов и диск с зубцами, и промежуточного преобразователя на печатной плате.

Формирователь импульсов размещен в пылеводозащищенном корпусе, который крепится к крышке ведущего вала ротора. Диск с зубцами установлен на ведущем валу ротора. Промежуточный пре­образователь размещен в шкафу управления комплексом или в стой­ке индикационного табло.

При вращении диска зубцы прерывают генерацию высокочастот­ного генератора формирователя импульсов, преобразуя частоту вращения ротора в пачки импульсов высокой частоты. Высокоча­стотные импульсы детектируются, усиливаются и на выход первич­ного преобразователя поступают прямоугольные импульсы.

Промежуточный преобразователь при помощи частотного детек­тора преобразует частоту импульсов в унифицированный аналого­вый сигнал. Зависимость выходного аналогового сигнала от часто­ты вращения ротора линейна. Диапазон измерения 0—300 об/мин. Основная приведенная погрешность 1,5%.

Преобразователь крутящего момента на машин­ном ключе ПКМК-2, предназначенный для контроля крутяще­го момента на машинном ключе буровых установок глубокого буре­ния, состоит из датчика, устанавливаемого стационарно на хвосто­вике машинного ключа между шарнирным рычагом и кронштейном, и промежуточного преобразователя, который монтируют в .шкафу управления комплексом или в стойке индикационного табло.

Усилие натяжения каната, удерживающего ключ, действует на чувствительный элемент датчика—чашечную мембрану, имеющую две параллельные стойки. На одной из стоек с двух сторон укрепле­ны ферритовые чашки с катушками индуктивности. Против каж­дой катушки расположена с воздушным зазором ферритовая чашка-якорь, укрепленная с внутренней стороны П-образной скобы, уста­новленной на второй стойке. Когда под действием усилия на ключ мембрана изгибается, параллельность стоек нарушается и изменя­ются реактивные сопротивления катушек, являющихся плечами из­мерительного моста.

Измерительный мост размещен на плате промежуточного пре­образователя. Напряжение разбаланса моста поступает на опера­ционный усилитель, формирующий на выходе унифицированный аналоговый сигнал. Для питания измерительного моста промежуточ­ный преобразователь имеет генератор прямоугольных импульсов.

Линейная зависимость выходного напряжения от входного пара­метра обеспечивается дифференциальным включением катушек ин­дуктивности датчика и регулировкой начальных величин воздушных зазоров катушек. Диапазон измерения составляет 0—60 и О—120 кН*м, основная приведенная погрешность 1,5%.

Информационно-измерительная подсистема БУРУН комплекту­ется устройствами для измерения расхода и плотности бурового ра­створа. Для измерения расхода применяют индукционный расходо­мер РГР-7. Для измерения плотности Грозненским НПО «Пром-автоматика» разработан автоматический весовой плотномер АВП-1М, принцип действия которого аналогичен ДУВ-ТК-101(см. гл. 9).

Диапазон измерения АВП-1М 800—2600 кг/м³, основная по­грешность не более 15 кг/м³.