Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ современного состояния работ в области контроля при оперативном управлении процессом бурения в трещиновшх горных породах 13
1.1.Общая характеристика информационного обеспечения систем оперативного управления процессом бурения 13
1.2. Существующие критерии и методы оценки степени трещиноватости горных пород 18
1.3.Характеристика электроприводов буровых установок как элементов системы оперативного управления технологическим процессом бурения 22
1.4.Анализ затрат мощности при бурении в трещиноватых породах 25
1.5.Особенности оперативного управления процессом бурения в трещиноватых породах 29
1.6.Обоснование цели и постановка задач исследований 33
2. Теоретическое обоснование методики исследований технологических парамепров процесса бурения 35
2.1.Аналитические исследования изменения параметров режимов работы электронривода в зависимости от трещиноватости разбуриваемых горных пород 35
2.2. Методика определения информативности технологических параметров процесса бурения 39
2.3.Анализ погрешностей измерения вращающего момента двигателей электроприводов буровых установок 44
2.4.Исследование погрешностей измерения механической скорости проходки скважин 49
2.5.Дискретизация процесса измерения технологических параметров при определении их показателей информативности 59
2.6. Выв оды по второму разделу 67
3. Экспериментально-производственные исследования технологических параметров процесса буренин с применением разработанных средств котроля 69
3.1.Разработка системы автоматического контроля и регистрации технологических параметров для проведения экспериментальных исследований 69
3.2. Определение вероятностных характеристик технологических параметров процесса бурения 76
3.3.Оценка влияния износа породоразрушащего инструмента на изменение механической скорости проходки 89
3.4. Оценка погрешностей измерения механической скорости проходки 98
3.5.Исследование информативности технологических параметров процесса бурения в трещиноватых породах 102
3.6 .Выводы по третьему разделу 120
4. Практическая реализация средств кштроля технологических параметров при оператишом управлении процессом буренин 122
4.1.Обоснование требований к разработке технических средств контроля технологических параметров процесса бурения 122
4.2. Способ и устройства контроля механической скорости проходки и условного износа породоразрушающего инструмента 126
4.3.Измерение вращающего момента электропривода буровой установки в процессе проходки скважины 131
4.4. Определение трещиноватости горных пород по реакции электропривода буровой установки 137
4.5.Технико-экономические исследования разработанных средств контроля технологических параметров процесса бурения 140
4.5.1.Практическая реализация разработанных средств контроля для повышения эффективности процесса бурения разведочных скважин 140
4.5.2.Определение экономической эффективности использования средств контроля технологических параметров процесса бурения 144
4.6.Выводы по четвертому разделу 151
Заключение 153
Список использованных источников 155
Приложения 168
- Существующие критерии и методы оценки степени трещиноватости горных пород
- Методика определения информативности технологических параметров процесса бурения
- Определение вероятностных характеристик технологических параметров процесса бурения
- Способ и устройства контроля механической скорости проходки и условного износа породоразрушающего инструмента
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года, принятыми ХХУІ съездом КПСС, предусмотрено дальнейшее повышение эффективности геологоразведочных работ, применение высокоэффективного оборудования и аппаратуры с целью ускорения геологической разведки и увеличения добычи полезных ископаемых.
При разведке месторождений твердых и горючих полезных ископаемых одним из основных и наиболее трудоемких производственных процессов являются буровые работы.
С целью повышения производительности разведочных буровых работ требуется значительное увеличение скоростей проходки сква- жин, которое может быть достигнуто за счет интенсификации процесса бурения. Интенсификация поисков и разведки месторождений полезных ископаемых тесно связана с научно-техническим прогрессом в управлении производством геологоразведочных буровых работ, автоматизацией технологических процессов бурения скважин. Повышение эффективности этих процессов достигается путем использования современных методов управления, вычислительной техники и совершенной контрольно-измерительной аппаратуры.
Процесс проходки скважины непрерывно сопровождается как изменениями конкретных горно-технологических условий на забое, так и изменением технического состояния породоразрушаюшего инструмента.
Это обусловливает необходимость определения эффективных значений технологических параметров непосредственно в процессе проходки скважины. Это может быть осуществлено путем решения ряда задач информационного обеспечения и, в частности, определения достоверных оценок режимных параметров и показателей состояния горных пород в процессе проходки скважины.
В связи с этим в настоящее время уделяется большое внимание разработке новых технических средств оперативного контроля, позволяющих обеспечить рациональные режимы отработки породораз-рушающего инструмента и оперативное управление технологическим процессом бурения.
Следовательно, разработка методов и средств оперативного контроля технологических параметров, обеспечивающих решение задач информационного обеспечения процесса разведочного бурения, является весьма актуальной проблемой.
Исследования, представленные в настоящей работе, выполнены в рамках плана научно-исследовательских работ по отраслевой проблеме Мингео СССР Х1Хщ88 "Разработка системы оптимального управления производством работ на геологоразведочном объекте".
Целью настоящей работы является разработка и совершенствование технических средств сбора и распознавания информации о состоянии горных пород по степени трешиноватости и режимах их разрушения при бурении разведочных скважин.
В диссертационной работе решаются следующие задачи:
Разработка методики определения информативности технологических параметров процесса бурения.
Исследования изменений параметров режима работы электропривода буровых установок в зависимости от трешиноватости разбуриваемых горных пород.
Анализ и экспериментальные исследования погрешностей измерения технологических параметров процесса бурения.
Определение вероятностно-статистических характеристик параметров технологического процесса бурения и показателей состояния горных пород по трешиноватости для оценки показателей их информативности.
5. Разработка методов и технических средств оперативного контроля технологических параметров процесса бурения и определе ния состояния горных пород по их трешиноватости.
6, Технико-экономические исследования разработанных техни ческих средств контроля в производственных условиях.
При решении поставленных в работе задач использовались методы обобшения и анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований технологических параметров процесса бурения. При исследованиях использовались аналитические методы оценки погрешностей, метод адаптивной дискретизации и регрессионно-дисперсионный анализ параметров процесса бурения. При оценке информативности технологических параметров с применением средств вычислительной техники использовались вероятностно-статистические методы, корреляционный анализ и методы теории информации.
Правильность основных теоретических положений, а также возможность практической реализации предложенных методов и средств контроля параметров процесса бурения проверялась экспериментально-производственными исследованиями. При определении эффективности использования разработанных методов и технических средств проведены технико-экономические исследования.
Научная новизна результатов проведенных исследований технологического процесса разведочного бурения в трещиноватых породах заключается в следущем: теоретически и экспериментально установлена функциональная связь между мощностью, затрачиваемой на разрушение горной породы при алмазном геологоразведочном бурении, и степенью её трешиноватости. Создана математическая модель для определения трешиноватости разбуриваемых пород по реакции электропривода установок геологоразведочного бурения; разработана методика определения количественных показа- телей информативности технологических параметров процесса бурения, основанная на положениях теории информации с использованием вероятностно-статистических оценок исследуемых параметров; даны оценки методических погрешностей измерения механической скорости проходки при дискретно-непрерывном характере перемещения бурильной колонны. Рекомендован оптимальный шаг дискретизации проходки при измерении усредненных значений механической скорости бурения, равный периоду времени между двумя очередными подачами бурильного инструмента, т.е. в точках регенерации дискретно-непрерывного процесса перемещения бурильной колонны; установлено, что трещиноватоеть горных пород в процессе проходки скважины представляет поток редких событий, распределение которого соответствует закону Цуассона. Это дало возможность количественно оценить показатели информативности исследуемых параметров.
Основные положения, защищаемые в работе:
Показатель трешиноватости горных пород функционально связан с величиной мощности, затрачиваемой электроприводом при алмазном геологоразведочном бурении. Разработана математическая модель, которая дает возможность разработки технических средств автоматизированного определения трешиноватости горных пород непосредственно в процессе проходки скважины по реакции электропривода установок геологоразведочного бурения.
Технологические параметры процесса бурения рекомендуется оценивать по их информативности статистическим методом по результатам оперативного контроля с учетом количества информации, которую несет соответствуший измерительный сигнал о параметре и его граничных значений, скорости его изменения, мощности сигнала, а также коэффициента чувствительности параметра к изменению целевой функции оптимизации процесса, который предло- жено определять как среднеквадратическое отклонение коэффициентов взаимной корреляции параметров от их нулевого значения.
При бурении разведочных скважин со свободной подачей бурильного инструмента на забой технологический процесс имеет дискретно-непрерывный характер и классифицируется как регенерирующий, В связи с этим возникают методические погрешности при измерении усредненных значений механической скорости проходки. Для устранения указанных погрешностей процесс измерения рекомен-дуется производить в точках регенерации.
Устройства для измерения механической скорости проходки и условного износа породоразрушающего инструмента, в которых для устранения методических погрешностей реализован способ дискретизации проходки в точках регенерации. Устройства защищены авторскими свидетельствами на изобретения №746091 и JS59Q432.
Устройства для измерения вращающего момента на вращателе буровой установки и на валу электробура по мощности, затрачиваемой электроприводом, повышенной точности, позволяющие учитывать изменение мощности холостого хода при изменении момента сопротивления горной породы разрушению породоразрушаюшим инструментом (авторские свидетельства на изобретения Л7І7573 и №924527).
Функциональная схема преобразующего устройства, которое дает возможность реализовать алгоритм определения показателей трещиноватости разрушаемой породы по реакции электропривода установок геологоразведочного бурения.
В результате проведенных теоретических и экспериментально-производственных исследований определены возможные принципиальные напрвления дальнейшего развития работ по совершенствованию существующих и разрабатываемых средств контроля состояния и свойств горных пород для обеспечения возможности их использования при автоматическом регулировании электропривода буровой установки с целью обеспечения рациональных режимов ведения технологического процесса проходки скважин.
Достоверность результатов теоретических исследований подтверждены данными экспериментов, выполненных в производственных условиях. При определении показателей информативности параметров процесса бурения использованы основные положения теории информации и статистические характеристики, полученные на основании фактических данных эксплуатации буровых установок. Оценка погрешностей измерения механической скорости проходки подтверждается дисперсионным анализом данных экспериментальных исследований. При определении вероятностно-статистических характеристик параметров процесса бурения использованы критерии согласия математической статистики. Разработанные средства контроля технологического процесса бурения защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
Используя созданную математическую модель, разработано и изготовлено преобразующее устройство для определения трешиновато-сти горных пород по реакции электропривода буровой установки и внедрено в Алмалыкской 1РЭ ПГО "Ташкентгеология" . В Надворнян-ском УБР ПО "Укрнефть" и Дрогобычском долотном заводе внедрены устройства для измерения проходки и механической скорости бурения. Информационно-измерительная система контроля параметров процесса бурения внедрена в Стрыйской разведочной экспедиции глубокого бурения и Бориславском УБР ПО "Укрнефть".
Использование разработанных устройств контроля в процессе бурения разведочных скважин позволили осуществить выбор более рациональных режимов, что дало возможность повысить производительность процесса на 10 - 15 %
Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты обсуждались на П конференции молодых ученых и студентов нефтяных вузов (г. Москва, 1974 г.). Всесоюзной конференции по измерительным информационным системам "ИИО-75" (г. Кишинев, 1975 г.), Всесоюзном совещании "Повышение качества нефти и продуктов ее переработки" (г, Москва, 1976 г.). Всесоюзном научно-техническом совещании "Опыт разработки и внедрения АСУ буровыми работами" (г. Грозный, 1976 г.), ІУ научно-техничен. .. ской конференции молодых ученых и специалистов УкргипроНИИнефть (г. Киев, 1977 г.), конференции молодых ученых и студентов нефтяных вузов (г. Кисловодск, 1977 г.), Всесоюзной конференции по измерительным информационным системам "ИИС-77" (г. Баку, 1977 г.), научно-технических конференциях и семинарах Ивано-Франковского института нефти и газа ( 1976 - 1983 г.г.), технических совещаниях в Алмалыкской ГРЭ и ИГО "Ташкентгеология" ( 1980 - 1983 г.г,).
Основное содержание работы опубликовано в Ї6 печатных работах. Оригинальность предложенных в процессе исследований технических решений подтверждается 4 авторскими свидетельствами на изобретения. Материалы диссертации отражены также в 5 научно-исследовательских отчетах.
Исследования проводились на кафедрах автоматизации производственных процессов и электроснабжения и электрооборудования промышленных предприятий Ивано-Франковского института нефти и газа, в Алмалыкской и Восточно-Куроминской ГРЭ ПГО "Ташкентгеология", в Стрыйской разведочной экспедиции глубокого бурения, в Надворнянском и Бориславском УЕР ПО "Укрнефть".
Выполнены исследования при творческом содружестве с сотрудниками отдела управления и экономики буровых и горно-разведочных работ ВИЭМСа, отдела внедрения ВНИИБТ, ОМП НТ ПГО "Ташкентгеология", кафедры механизации и автоматизации МЕРИ.
Автор выражает благодарность кандидатам технических наук Абдумажитову А.А., Горбийчуку М.И., Замиховскому Л.М., инжене-
12 рам Бестелесному А.Г., Бинштоку Т.Н., Гирныку Я.И., Закрытому В.Ф. за активное участие в проведении совместных экспериментально-производственных исследований, к.т.н., доценту Семенцову Г.Н. за методическую помощь и консультации при работе над диссертацией, кандидатам технических наук, доцентам Гаврилюку Р.Б., Костырко Я.-В.И., Ромашоку Ю.Ф. за ценные советы и критические замечания, высказанные при обсуждении результатов проведенных исследований, а также многим другим, оказавшим содействие и поддержку при работе над диссертацией.
Автор искренне благодарен научным руководителям, доктору технических наук, профессору Алексееву В.В. и доктору технических наук Питерскому В.М. за научно-методическое руководство пи выполнении диссертационной работы.
Существующие критерии и методы оценки степени трещиноватости горных пород
Трещиноватость горных пород характеризуется совокупностью трещин, особенностью их структурного сложения, пространственной неоднородностью и анизотропностью свойств. Она определяется густотой расположения трещин, количеством систем трещин и их взаиморасположением [7] .
Возможность получения информации о трещиноватости горных пород на глубине весьма ограничена. Поэтому одним из основных методов, позволяющих прогнозировать трещиноватость по глубине, является параллельное изучение тектонической трещиноватости и влияние закономерностей ее развития по поверхностиии на глубине с последующим сравнительным анализом [7,79,88 3
Исследования Ржевского В. В. [88] по определению встречающихся в керне систем тектонических трещин и приведение их в координаты пласта показали, что как на глубине, так и на поверхности наблюдаются аналогичные системы трещин. При этом количество систем трещин оказалось соответствующим установленному по естественным обнажениям. Исследования показали также, что в платформенных условиях в основном развиты перпендикулярные к слою трещины. В складчатых же областях наклонные системы трещин развиты в такой же степени, как и перпендикулярные к слою [[7,35,88] .
В качестве критериев для количественной оценки степени тре-щиноватости горных пород выбирают различные показатели, учитывающие размеры и густоту трещин. Обычно при этом различают три вида показателей: линейные параметры, учитывающие количество и размеры трещин на единицу длины скважины; площадные, учитывающие количество и размеры на единицу площади; объемные, учитывающие количество и оюъем трещин на единицу объема породы.
Имеется ряд классификаций горных пород по трещиноватости, в основу которых положены различные показатели трещиноватости: линейные, площадные или объемные. Помимо этого, классификация отличается также количеством классов, на которые делятся породы. Однако все эти классификации различаются по признакам, наиболее важным для той или иной отрасли, для которой устанавливается эта классификация. Поэтому ни одна из существующих классификаций не может быть полностью использована для оценки трещиноватости во всех отраслях.
Существует несколько методов определения степени трещиноватости горных пород. Среди них следует назвать определение трещиноватости горных пород по керну скважины,7литолого- петрографические, геофизические, гидродинамические и другие методы.
Метод изучения трещиноватости горных пород по керну скважины является наиболее распространенным, т.к. дает возможность изучить трещиноватость практически на всех глубинах. Изучение трещиноват тости пород по керну ограничена тем, что керн очень трудно ориентировать. Кроме того, объем керна мал и выход его обычно недостаточный. В керне наблюдаются как естественные, так и искусственные трещины. По трещинам керн разваливается, вследствие чего ширину трещин по керну определить практически невозможно. При вращении снаряда керн истирается по границам трещин и углы пересечения трещин с горизонтом искажаются. В стенке скважины трещины сохраняют все свои размеры неискаженными или малоискаженными, но являются труднодоступными. Обзор стенок скважины может быть выполнен лишь с применением сложных оптических приборов, опыт применения которых для массового измерения трещиноватости недостаточный.
Несмотря на ограниченность метода исследования трещиноватости горных пород по керну скважин, при выходе керна 95 - 100 % и бурении в крепких породах с помощью данного метода можно достаточно надежно оценить положение плоскости трещин в пространстве и расстояние между трещинами [57,79] . Исследование трещиноватости по керну особенно перспективно при алмазном бурении.
Литолого-петрографические исследования являются неотъемлемой частью комплексного изучения трещинных коллекторов нефти и газа. Такие основные параметры пород-коллекторов как пористость, кавер-нозность, проницаемость и трещиноватость во многом обусловлены структурными особенностями пород и их составом, изучение которых производится с помощью литолого-петрографических методов. Обычно указанные методы сводятся к макро- и микроскопическому изучению пород и включают в себя определение их минерального состава, структурных и текстурных особенностей и условий образования.
Геофизические потенциальные поля { электрическое, гравитационное, магнитное, упругих волн и др.) достаточно чувствительны к изменению степени трещиноватости породы и могут быть использованы для ее определения 19,54,102,134] . Свойства трещиноватых горных пород достаточно хорошо изучены также путем измерения их удельного электрического сопротивления. Известно, что большинство породообразующих минералов не проводят электрический ток, а электропроводность горных пород обусловлена наличием пор и трещин, заполненных водой. В зависимости от характера распределения в породе пор и трещин ее электрическое сопротивление в различных направлениях неодинаково 87,88] .
Всесоюзным научно-исследовательским институтом методики и техники разведки (ВИТР) разработана общая методика оценки трещино-ватыкти горных пород при бурении на твердые полезные ископаемые по поднятому из скважин керну [57] . Использование данной методики и критериев оценки степени трещиноватости горных пород дает возможность сопоставлять результаты разведочного бурения в различных условиях, а также позволяет производить типизацию горно-геологических условий бурения. Количественным показателем степени раздробленности керна может служить величина его удельной кусковато-сти, которая определяется количеством кусков или столбиков на один метр выхода керна.
Приближенно оценку трещиноватости горных пород можно производить также по величине выхода керна. Однако выход керна не является показателем, характеризующим только трещиноватость породы. В значительной мере он зависит от состояния самой породы (ее пористости, кавернозности и т.д.) и от применяемой технологии бурения (типа и диаметра коронки, режимов бурения, вибрации снаряда, качества и количества промывочной жидкости и др.). Использование величины выхода керна в качестве показателя трещиноватости горной породы должно быть ограничено конкретными геологическими условиями, причем технические и технологические условия бурения должны быть по возможности одинаковыми.
Для оценки степени трещиноватости горных пород после каждого рейса производят подробное описание поднятого керна. Керновую пробу, уложенную компактно в керновом ящике, делят на зоны, отличающиеся линейными размерами столбиков и обломков керна. Далее определяют величину кусковатости для отдельных зон.
Методика определения информативности технологических параметров процесса бурения
Информация о режимах бурения может быть получена в виде статистических данных об основных показателях при проходке скважин из отчетов буровых предприятий или собирается оперативно с помощью соответствующих измерений в процессе бурения. Преимущество использования статистической информации заключается в том, что она дает заранее сведения об интервале глубин, где должно производиться бурение. Оперативная информация о процессе бурения,:в отличие от статистической, дает сведения об уже пройденном этапе бурения. Поэтому ее использование для задания режима бурения на последующий интервал уже предопределяет допущение о том, что свойства породы и породоразрушающего инструмента будут сохраняться неизмен ными и в течение этого последующего интервала бурения.
Преимуществом оперативного сбора информации о процессе бурения можно считать то, что она может быть получена с необходимой точностью и в необходимом объеме.
Для оперативного управления процессом бурения с помощью вычислительных устройств необходимо разработать соответствующие алгоритмы, которые содержали бы регулируемые параметры. Непрерывное изменение в процессе проходки скважины степени износа породоразрушающего инструмента, а также изменение в широких пределах свойств породы позволяют считать наиболее правильным такой подход к решению задачи регулирования бурения, при котором обеспечивалась бы возможность определения или поисков эффективных параметров режима в процессе бурения.
Процесс бурения характеризуется множеством параметров, которые имеют различную информативность. Если при разработке систем автоматического управления учитывать все параметры, то это приве дет к созданию громоздких систем, требующих для своей реализации значительных капиталовложений. При этом возможна передача и обработка практически лишней информации, оптимизация процессов по большому числу переменных может выходить за пределы возможностей современной техники, а наличие значимой корреляции между входными параметрами ведет к неустойчивости используемых численных методов и делает некорректными полученные результаты 22,60] .
Поэтому параметры, подлежащие контролю, следует оценивать по их информативности б5,77] , определяемой количеством информации, которую несет сигнал,,скоростью его изменения, значимостью поступившей информации, эффективностью принятого на основании поступившей информации решения, ролью параметра в процессе функционирования технологической установки.
Одним из главных вопросов, подлежащих решению при изучении информативности, является определение количества информации 50, 51,66,70,118 J.
Для определения информативности параметров процесса бурения использованы теоретические положения и расчетные формулы, полученные профессором Николаевым В. И. б5] и скорректированные автором применительно к бурению разведочных скважин. В зависимости от сочетания законов распределения измеряемой величины и ее ошибок использованы расчетные формулы для определения количества информации при измерении параметров.
Если значение X случайной величины 2 во всем диапазоне /] от Хтіп Д Хтак равновероятны ито расчет количества информации измерения осуществляется по формуле а погрешность можно считать постоянной и равной Д , то для практических расчетов удобно использовать выражение
Если измеряемая величина и ошибка измерения имеют нормальноераспределение с плотностью соответственно gто целесообразно использовать выражение
Показатель информативности параметра, используемого для целей оперативного контроля Q„ , определяется по формуле б5] :здесьо\Ziz)" среднее количество информации о параметре; UX ""среднеквадратическое отклонение; С - максимальная скорость изменения параметра в нормальных переходных режимах.
Для рассматриваемого параметра на графике распределения вероятностей выделяются четыре области его значений: А - допустимые; В - рабочие; С - предельные; П - за пределами уставок.
Ширина области А определяется конструктивными особенностями соответствующего элемента буровой установки или технологическими параметрами процесса бурения.При известных статистических характеристиках соответствующего параметра эта область оценивается разностью Ха — ГП у » гДе П1у - математическое ожидание, Xq допустимое значение наблюдаемой величины.
Для практической оценки показателей информативности принимаем, что рабочее отклонение параметров лежит в пределах 5 % отсвоего среднего значения (математического ожидания), а допустимое- в пределах 10 %. Определим информационную ценность параметровсостояния буровой установки за пределами уставок. С точки зрениянадежности работы буровых установок их параметры имеют обычно одностороннее ограничение вида J XQ Ш1И % ХаРассмотрим случай J Хог
Определение вероятностных характеристик технологических параметров процесса бурения
При наличии случайных возмущений рассмотрение единичных циклов подачи бурильного инструмента не позволяет сделать достаточно достоверного заключения об эффективности управляющих воздействий на ход технологического процесса проходки скважины. В данном случае единственно действенным методом является статистический. Достоинство этого метода заключается в том, что в условиях помех при анализе достаточно большого количества циклов закономерности проявляются в той или иной статистической характеристике [ 13,32] .
При оперативном управлении процессом бурения нужно выбирать такие параметры регулирования, которые являются наиболее информативными. Одним из основных параметров управления считается осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, эффективность воздействия которого на забой скважины определяется затратами мощности на бурение.
Исследования вероятностных характеристик осевой нагрузки и затрат мощности на бурение проводились по диаграммам, полученным при проходке скважин Надворнянского УБР ПО "Укрнефть". Бурение производилось электробурами с помощью стандартных буровых установок Уралмаш-ЗД с вышкой ВМ-300-53, оснащенных дополнительно компрессорами типа ВС3438, 4Н0/2а и 4Н0/4, генератором с приводом от двухдизельного блока для питания электробуров и станциями управления.
Дизель-электрическая установка позволяла регулировать частоту и величину напряжения, что обеспечило возможность регулирования частоты вращения породоразрушающего инструмента в процессе бурения в пределах от 100 до 700 мин""1. В качестве забойных двигателей использовались электробуры Э-240/8, Э-250/16 и Э-240 с редукторами РВ.
Бурильная колонна комплектовалась из УБТ диаметром 203 мм с кабельными секциями и труб ЭНП диаметром 140 мм. Конструкция низа бурильной колонны.зависела от конкретных задач бурения в заданном интервале.
Применение электробура в качестве приводного двигателя, который расположен на забое скважины, позволило устранить влияние целого ряда факторов, оказывающих существенное влияние на характер, затрачиваемой мощности при использовании наземных приводов.
Для установления закона распределения вероятностей осевой нагрузки и мощности, потредляемой электробуром, была рассмотрена выборка из стационарного участка диаграммы объемом 550 значений. Участки диаграмм записи анализируемых параметров приведены на рис. 3.3.
Для проверки однородности членов выборки нами применен критерий Фишера [б,82] , согласно которому для имеющейся выборки определяются минимальное и максимальное значения и они поочередно принимаются как сомнительные члены. Определяется оценка математического ожидания X и средневвадратическое отклонение Ох Для исследуемой выборки без сомнительного члена. - плотность распределения Стьюдента с &- Ц -1 степенями свободы
Значения t: - принимаются из таблиц распределения Стьюдента [82] в зависимости от числа степеней свободы .
Для оценки резко выделяющихся данных примем уровень значимости Л, = 0,05, тогда доверительная вероятность равна 0s 1-JLS0,95!
Если значения Xmax или Xmin таковы, что выполняется неравенство (3.1), то их считаем неслучайными и дальнейщий анализ выборки производим с этими величинами. В противном случае эти величины с доверительной вероятностью Р = 0,95 нельзя принимать в рассмотрении как члены выборки и они заменяются математическим ожиданием. Аналогично оцениваются другие выделяющиеся из выборки члены.
Среди всей совокупности значений однородной выборки выделяем наибольшее и наименьшее значения осевой нагрузки imavи Гт:п=31,2 кН. Весь промежуток между ними разбиваем на ряд рав Подставив числовые значения, получим п = 1,37 кН. После группировки результатов измерений по интервалам получаем статистический ряд распределений, для которого находим среднее значение осевой нагрузки F , дисперсию SF , асимметрию Ар и эксцесс Ер по следующим формулам [ 82] :
После подстановки числовых значений величин получим: f = 38,1 кН; SF = 5,1 кН2; J4F = 0,0175; р = -2,93. Сравним найденные значения асимметрии и эксцесса с их теоретическими дисперсиями, вычисленными по формулам [82] :
Если выборочные асимметрия и эксцесс удовлетворяют неравенствамто наблюдаемое распределение можно считать нормальным. Подставив числовые значения величин, получим)/р « 0,42;( 1= 1,04.
Из расчета видно, что найденная асимметрия не выходит за пределы среднеквадратического отклонения, а эксцесс значительно превышает эти пределы.
Для выявления соответствия статистического распределения теоретическому применим критерий согласия Пирсона [82І . Для этого вычислим теоретические числа ftp Для соответствующих интервалов. Вероятности г, вычислим в предположении, что генеральная совокупность имеет нормальное распределение, причем в качестве расчетных параметров возьмем найденные средние значения и средне-квадратические отклонения осевой нагрузки на породоразрушаюший инструмент. Для этого используем формулу 82] :гДе JL и В границы рассматриваемого интервала; Ш - табличное значение функции Лапласа.
Согласно критерия Пирсона, при условии Прі б" Расх етная величина имеет приближенно ЭС " распределение с Д.гК" 1 степенями свободы, где К - число рассматриваемых интервалов.
Для рассматриваемого распределения выбираем уровень значимости J =0,95. По таблицам распределения Пирсона при числе степеней свободы У = 5 находим значение "Х.0ос=ТД4. Расчетное значениеЭС =0 57, что меньше табличного, поэтому рассматриваемое распределение с вероятностью 0,95 можно считать нормальным.
В результате аналогичных расчетов установлено, что мощность, потребляемая двигателем электробура, также соответствует нормальному закону распределения.
Плотность нормального распределения l4jгде Y - математическое ожидание случайной величины; S сред-неквадратическое отклонение. Подставив в (3.10) числовые значения статистических рядов распределения рассматриваемых параметров, рассчитанные на ЭВМ, получим: для осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент На рис. 3.4, 3.5 приведены гистограммы и графики плотностей распределения рассматриваемых параметров.Определение закона распределения затрат мощности на бурение геологоразведочных скважин проведено по диаграммам записи мощности, потребляемой электроприводом. Диаграммы получены на скважинах Алмалыкской ГРЭ, ПГО "Ташкентгеология" при бурении установками УКБ-5. По приведенной выше методике составлен вероятностный ряд распределения и определены статистические характеристики. Среднее значение мощности составило Р =15,17 кВт, а среднеквад-ратическое отклонение S =0,27 кВт.
Применив критерий согласия Пирсона, установленоссоответствие полученного распределения нормальному закону. В результате проведенного анализа показано, что мощность, потребляемая электроприводом при бурении геологоразведочных скважин с вероятностью р(3(Гу =0,8 является нормально распределенной случайной вели чиной, плотность вероятности которой определяется выражением
Способ и устройства контроля механической скорости проходки и условного износа породоразрушающего инструмента
Как показали проведенные исследования, механическая скорость проходки является одним из наиболее информативных параметров технологического процесса бурения. В настоящее время существует ряд измерителей мгновенной и усредненной механической скорости проходки, в основе которых лежит косвенный метод измерения по перемещению верхнего конца колонны бурильных труб.
Существующие методы и средства измерения мгновенной механической скорости проходки обладают значительной методической погрешностью измерения даже при бурении вертикальных скважин l2j .
Большое распространение на практике получили дискретные и непрерывные измерители усредненной механической скорости проходки Первые просты в исполнении и часто применяются на практике. Такими измерителями укомплектованы пульты контроля бурильщика ІМБ-2, ІЖБ-59, ПКБ-50, ІЖБ-3-200, ПКБ-3-ЗІ5 и станции контроля СРБ-Ї.
Недостатком этих устройств является значительная погрешность измерения, связанная с постоянством времени усреднения во всем интервале глубин скважин.
Более совершенными являются непрерывные измерители усредненной механической скорости проходки, которые могут использоваться в замкнутых системах автоматического регулирования технологическим процессом бурения. Однако они характеризуются значительной постоянной времени сглаживающих элементов, которая зависит от окружающей среды и практически не поддается стабилизации при изменении условий разрушения горной породы на забое.
Отмеченные недостатки можно частично устранить, используя при измерении механической скорости проходки метод адаптивной подач бурильного инструмента на забой 941 .
На рис. 4.1. представлена функциональная схема разработанного наїли устройства для измерения механической скорости проходки. Устройство содержит делительный блок ДУ, который служит для вычисления средней механической скорости проходки, на вход которого через вентили ВІ и В2 подаются сигналы от преобразователей приращения проходки ЇЇП и приращения времени бурения ПВ. Исходное положение преобразователей ГШ и ПВ в начале каждого цикла измерений обеспечивается блоком управления БУ, выходы которого подключены к преобразователям Ш и ПВ. Работой вентилей ВІ и В2 управляет блок управления БУ, на вход которого подаются сигналы от блока определения момента подачи бурильного инструмента ЗП, состоящего из датчика положения ручки тормоза буровой лебедки, дифференциального детектора, усилителя-ограничителя и делителя частоты. Значение механической скорости проходки фиксируется на индикаторе
В момешт очередной подачи бурильного инструмента датчик положения ручки тормоза буровой лебедки вырабатывает сигнал постоянной амплитуды, поступающий на вход дифференциального детектора, который вырабатывает импульсы одной полярности. Эти импульсы усиливаются и ограничиваются по максимальному значению усилителем-ограничителем. Делитель частоты дает возможность регулировать частоту получения отсчетов через некоторое число импульсов, определяемое коэффициентом деления делителя частоты. Из блока управления поступает сигнал на открытие вентилей ВІ и В2. Открытые вентили пропускают сигналы от преобразователей ПП и ПВ на блок деления ДУ, где осуществляется операция деления сигнала, пропорционального приращению проходки, на сигнал, пропорциональный приращению времени бурения. В результате деления на индикаторе скорости И фиксируется значение скорости проходки.
После окончания операции деления вентили BI и В2 запираются, блок управления переводит в исходное положение преобразователи Ш и ПВ и начинается очередной цикл измерений.
Как показано во втором разделе настоящей работы, величинахарактеризует условный износ породоразрушающего инструмента. Погрешность его определения можно уменьшить, осуществляя измерения в моменты начала очередных подач бурильного инструмента на забой, с помощою устройства 97 J , функциональная схема которого приведена на рис. 4.2.
Устройство работает следующим образом. Висходном состоянии выходы запоминающих узлов ЗУІ и ЗУ2 закрыты. От преобразователя времени бурения ПВ поступает сигнал на вход запоминающего узла ЗУІ. Одновременно от преобразователя приращения проходки ПП подается сигнал на вход запоминающего узла ЗУ2. При очередной подаче бурильного инструмента через формирователь импульсов ФИ на вход делителя частоты ДЧ поступает импульс от преобразователя., осевой нагрузки ПН. Через определенное число импульсов, соответствующее уставке величины шага дискретизации А ( , который определяется коэффициентом деления делителя частоты, в устройство управления УУ подается сигнал, открывающий запоминающие узлы ЗУІ и ЗУ2. С выходов последних поступают сигналы, пропорциональные текущим значениям дТ и Д. Ц на делительный блок ДУ, где осуществляется операция деления согласно алгоритма (4.9).
Результат деления регистрируется запоминающим узлом ЗУЗ и фиксируется индикатором И. Одновременно с осуществлением операции деления происходит накопление сигналов для последующего измерения После поступления очередного импульса с выхода делителя частоты полученный результат предыдущего измерения снимается с помощью устройства управления и осуществляется очередной цикл измерения.
Применение разработанных устройств при бурении скважин дает возможность значительно уменьшить погрешности измерения механической скорости проходки и условного износа породоразрушающего инструмента и повысить их информативные показатели. Данные устройства могут быть использованы при оперативном управлении технологическим процессом бурения скважин.
Момент, необходимый для вращения породоразрушающего инструмента под воздействием осевой нагрузки, является одной из определяющих характеристик технологического процесса бурения, дает оценку показателей эффективности бурения и определяет основные требования к приводу буровых установок. Как отмечалось в первом разделе, при бурении скважин в трещиноватых породах возникают значительные колебания момента сопротивления буровому валу со стороны разрушаемой породы. Эти колебания могут превышать допустимые пределы Гзб"] . Поэтому контроль вращающего момента является необходимым условием предотвращения аварийных ситуаций при проходке скважин. Вращающий момент может быть выбран также как информативный признак при определении показателей трещиноватости горных пород.
Автором разработаны устройства контроля вращающего момента на роторе буровой установки при вращательном бурении 96} и на валу электробура ГІ23І . Ниже приводится описание принципа работы этих устройств.На рис.4.3 изображена функциональная схема разработанного устройства для измерения вращающего момента на роторе буровой установки. Устройство работает следующим образом. Напряжение
