Опис пристрої збору та первинної обробки інформації про стан процесу буріння

Необхідне умова якісного рішення задачі автоматичного керування процесом буріння - отримання інформації про стан процесу з необхідною оперативністю і точністю. Необхідна оперативність отримання інформації визначається необхідністю управління процесом у реальному масштабі часу, тобто керуючі впливу повинні сформуватися без запізнення (або з припустимим запізненням) щодо змін стану керованого процесу. Це забезпечується тим, що технологічні параметри повинні вимірюватися з частотою, оптимальною для тимчасових характеристик процесу буріння, до яких відносяться тривалість перехідних процесів у приводі подачі бурового верстата, інерціальні властивості бурової колони, нестаціонарний характер процесу.

Крім того, тимчасові характеристики істотно залежать від геолого-технічних умов буріння: глибини свердловини, фізико-механічних властивостей разбуріваемих порід, типів бурильних труб і компонування бурильної колони, властивостей очисного агента, режиму промивки свердловини і т.п. Розрахунок точних часових характеристик можливий лише на основі адекватного математичного опису процесу буріння (моделі), що визначає не тільки якісні, але й точні кількісні залежності вхідних і вихідних змінних, що характеризують процес буріння, для конкретних геолого-технічних умов.

Однак існуючі в даний час математичні описи процесу буріння мають якісний характер і дозволяють лише досить приблизно оцінити (від одиниць до декількох десятків секунд) тимчасові характеристики процесу буріння. Ця оцінка також підтверджується численними експериментальними даними. Таким чином, тимчасові характеристики процесу буріння, а отже, і частота опитування параметрів, не можуть бути точно визначені на підставі розрахунків. На даному етапі розвитку автоматизованого управління процесом буріння доцільно розглядати період опитування параметрів як технологічну константу, конкретне значення якої для певних умов встановлюють експериментальним шляхом за відповідними методиками. За даними експериментальних досліджень і випробувань, при бурінні різними буровими установками (СКБ-4, 5, 8, ЗІФ-650) свердловин глибиною 100-300 м при періоді опитування параметрів з забезпечуються цілком задовільну якість стабілізації режимних параметрів буріння, своєчасна та ефективна реакція на зміни процесів і ліквідація аномальних технологічних ситуацій в початкових стадіях їх розвитку. За таких великих періодах опитування параметрів неможливий аналіз високочастотних процесів в бурінні, наприклад, вібрацій, діапазон яких становить, за різними оцінками, від сотень герц до десятків кілогерців. Для реалізації опитування параметрів з такими високими частотами необхідні спеціальні технічні засоби і складний математичний апарат обробки вимірів. Тому в даний час доцільно проводити спеціальні дослідження високочастотних процесів в бурінні і формувати за їх результатами рекомендації з управління режимами буріння, наприклад, у вигляді системи обмежень.

Для цілей управління режимами буріння в реальному масштабі часу можливо обмежитися вирішенням завдання формування тимчасового ряду вимірювань (тренду), який адекватний реальним закономірностям зміни стану процесу буріння, що дозволяє виявляти взаємозалежності зміни параметрів і прогнозувати тенденції зміни стану процесу. Якість формування тренда кожного параметра буріння також визначається точністю вимірювань окремих точок (миттєвих значень), що становлять тренд.

Процедура отримання миттєвого значення параметра, що представляє собою безперервний електричний сигнал, полягає в квантуванні цього сигналу за рівнем, яка полягає в тому, що в діапазоні безперервних значень функції? (?) вибирається кінцеве число дискретних значень функції, розподілених, наприклад, рівномірно по всьому діапазону. У момент вимірювання значення функції ? (?) Замінюється значенням найближчого дискретного рівня. Функція при цьому набуває ступінчастий вигляд (рис. номер). При квантуванні виникає похибка квантування, яка визначається кроком квантування. При рівномірному квантуванні за рівнем максимальне значення наведеної похибки квантування де - Діапазон зміни параметра; (q-1) - число інтервалів (кроків) квантування, q-1 =().

Однак основна проблема полягає у виділенні корисного сигналу на тлі випадкових перешкод, джерело яких не вимірювальні тракти, а стохастичні обурення, що виникають у процесі буріння і що є наслідком зміни умов буріння і нестабільності роботи бурового обладнання. Завдання полягає в формуванні вимірювання потрібного параметра буріння в певний момент часу таким чином, щоб сукупність цих вимірів відображала закономірне зміна цього параметра в межах аналізованого тимчасового інтервалу. У розробляється справжнім дипломі системі зазначена проблема вирішується наступним так:

Формування одного виміру кожного виду параметрів здійснюється за певним кількості опитувань АЦП, що розглядається як статистична вибірка n спостережуваних значень вимірюваної величини, ..., (під опитуванням АЦП розуміється одноразовий програмний запуск АЦП для вимірювання миттєвого значення заданого параметра в момент запускаю; швидкодію АЦП ADC0816 дозволяє проводити опитування з частотою 10-30 Гц залежно від амплітуди вимірюваного сигналу). У якості значення параметра обчислюється вибіркове середнє - перша момент вибіркового розподілу випадкової величини. Для одновимірних розподілів - це середнє арифметичне значення за елементами вибірки, ..., (7/1) При обробці статистичних вибірок середнє арифметичне є оцінкою математичного очікування, точність якого залежить від кількості елементів вибірки n. Так як n в разі формування вимірювань параметрів необхідно вибирати з міркувань отримання достатньої точності, то для оцінки цієї точності при невеликих обсягах вибірок можна скористатися найкращими лінійними оцінками S середнього квадратичного відхилення.

Очевидно, зі збільшенням n точність формування вимірювання підвищується і при n = 4 і при n = 8 цілком задовільна. Крім того, для виявлення тенденцій у зміні стану процесу буріння точність формування вимірювань різних параметрів може бути неоднаковою. Наприклад, механічну швидкість і крутний момент (потужність), як найбільш інформативні параметри необхідно вимірювати з великою точністю (n = 8), ніж осьову навантаження і частоту обертання (n = 4).

Для параметрів витрати промивної рідини та тиску на насосі, зміни яких носять пульсуючий характер, можна обмежитися n = 2.

Параметри обробляються не в фізичних одиницях параметрів буріння, а в деяких абстрактних одиницях (кодах АЦП), пропорційних виміру напруги сигналу з відповідного датчика. Наступний етап формування вимірювання -- масштабування, тобто переклад значень вимірів, виражених в кодах АЦП, в фізичні одиниці.

Для деяких параметрів потрібна додаткова математична обробка, пов'язана з особливостями їх виміру. Наприклад, при вимірюванні осьового навантаження на породоруйнуючих інструмент необхідно враховувати вагу снаряда в залежності від того, як здійснюється буріння: з додатковим навантаженням або розвантаженням. Така додаткова обробка здійснюється спеціальними підпрограмами, враховують конкретні характеристики бурових установок і датчиків технологічних параметрів. У системі автоматичного управління процесом буріння повинна бути реалізована можливість зміни певних характеристик підсистеми опитування та первинної обробки інформації шляхом введення в систему відповідних даних з пульта оператора системи. До таких характеристик відносяться період вимірювання параметрів, кількість опитувань у вимірі, Масштабні коефіцієнти, вибір необхідної підпрограми обробки. Дані зміни повинен робити спеціаліст служби КВП експедиції або партії при проведення налагоджувальних і перевірочних робіт.

Як зазначалося вище, оцінка і прогнозування змін стану процесу буріння здійснюється шляхом формування та аналізу часового ряду (тренду) кожного з вимірюваних параметрів. Безпосередньо аналіз трендів, оцінка і прогнозування змін стану процесу здійснюється іншими підсистемами системи автоматичного керування процесом буріння. Завдання підсистеми збору та первинної обробки інформації - формування тренду, який, з точки зору програмної реалізації, повинен являти собою масив комірок пам'яті, в якому зберігаються значення параметрів, впорядковані в часі.

Такий масив пам'яті формується з використанням так званої стекові організації зберігання даних, суть якої полягає в тому, що в масиві пам'яті фіксованого обсягу N, що містить N значень певної змінної, нове (N + 1) значення даної змінної поміщається в цей масив (стек) за рахунок виключення з нього за певним правилом одного з N елементів. Правилами записи в стек можуть бути "першим прийшов - першим пішов", "першим прийшов -- останній пішов "і т. п. В даному випадку стекові організація зберігання даних організована таким чином.

Частина обсягу оперативної пам'яті ЕОМ, у якому організована оперативна інформаційна база, розділена на блоки, що включають по 64 комірки пам'яті. Число таких блоків одно максимальній кількості параметрів і показників процесу буріння, що використовуються в системі. Кожен з таких блоків є стеком відповідного параметр; запис інформації у всі стеки здійснюється за правилом "перший прийшов - перший пішов ". Нехай у момент часу в будь-якого стеку, наприклад стеку вимірювань, знаходилося 64 попередніх значень (рис. 7.2), ( ,, ... ,).

В момент часу було сформовано чергове вимір, яке необхідно помістити в стек, буде переміщено у 63-й елемент, - в 62-й елемент і таким чином до "вершини" стека, тобто до1-го елемента, в який буде поміщено значення, а значення буде видалено з стека. Отже, в стек буде міститися кожен новий вимір даного параметра.

Запис в усі стеки проводитиметься синхронно з періодом, тобто в момент часу   (де K - номер циклу вимірювань) формуються вимірювання всіх параметрів і записуються значення вимірювань у відповідні стеки. У будь-який момент часу   в стек Очевидно, що, маючи в своєму розпорядженні даних протягом такій відносно тривалий проміжок часу, можна досить надійно розпізнавати виникають зміни стану процесу і прогнозувати тенденції розвитку технологічних ситуацій. Аналіз формуються таким чином часових рядів проводиться іншими підсистемами системи з математичних методів і алгоритмами, що відповідає завданням, що вирішуються кожної з підсистем.

Описані вище методи опитування, первинної обробки та зберігання інформації про параметри і показниках процесу буріння реалізуються програмним модулем САУ технологічним процесом, який отримує управління циклічно, з періодом   Даний програмний модуль має в системі вищий пріоритет.

Вся необхідна для роботи інформація міститься в таблиці опитування параметрів (рис. xxxx) і визначає потрібний режим і характеристики вимірювань. Блок схема алгоритму роботи модуля наведена на рис. xxxx.

Важливе перевага такої структури даної підсистеми - можливість простого зміни або заміни підпрограми обробки вимірювань параметрів, і отже можливість роботи системи з різними датчиками і вимірювальними приладами.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nashstroy.ru