Назначение, устройство и область применения магнитных усилителей

1. Назначение, устройство и область применения магнитных усилителей.

 

Магнитные усилители в  силу своих многочисленных достоинств получили широкое применение. Они  обладают высокой надежностью, практически  не нуждаются в уходе, срок их службы в принципе определяется сроком службы изоляции провода. Магнитные усилители  обеспечивают значительное усиление сигнала  по мощности. Высокая механическая прочность и виброустойчивость магнитных усилителей позволяют использовать их при тяжелых условиях эксплуатации, какими являются условия эксплуатации буровой контрольно-измерительной аппаратуры и буровых регуляторов. Магнитный усилитель используется в электрических схемах измерительной аппаратуры и буровых регуляторов (маломощные усилители), использовался магнитный усилитель и в экспериментальном силовом приводе бурового станка ЗИФ-300 (мощный усилитель). На магнитных усилителях строятся и бесконтактные магнитные реле (БМР).

Магнитный усилитель является наиболее распространенным видом электромагнитных устройств аналогового типа. 

В литературе магнитные усилители  могут обозначаться по-разному, на рис.2.38 приведены две схемы одного и  того же магнитного усилителя.

Конструктивно магнитный  усилитель представляет собой две  катушки со своими сердечниками (рис.1.1,а). На каждую катушку наматываются так называемые рабочие обмотки Wр₁, Wр₂, после чего катушки состыковываются и поверх рабочих обмоток наматываются обмотки управления Wу (их может быть несколько); в зависимости от выполняемых функций они называются: обмотка управления, обмотка обратной связи (положительной Wпос, отрицательной Wоос), обмотка смещения Wсм, задающая обмотка Wзад. Рабочие обмотки могут соединяться параллельно и последовательно. Нагрузка включается последовательно с рабочими обмотками непосредственно (Zн, переменный рабочий ток ~ Iр) или через выпрямитель (Rн, =Iр- постоянный рабочий ток, или ток нагрузки Iн).

Путем изменения тока (магнитного потока) в обмотке управления можно  управлять током в нагрузке.

На рис. 1.1 представлены характеристики магнитного усилителя. 
 

  
а                    
 
б 

 

Рис.1.2. Два различных обозначения одного и того же магнитного

усилителя

 
 

 
 
 
Рис.1.1. Характеристики магнитного усилителя Iр = f (Iу): 
 
а – симметричная характеристика; б - характеристика со смещением

Магнитный усилитель может  выполнять роль сумматора сигналов через посредство суммарного (алгебраической суммы) магнитного потока Φ_Σ, создаваемого токами (сигналами) в обмотках управления. И такой вариант суммирования сигналов используется в схемах буровых регуляторов (W_зад - задающий сигнал, W_у1, W_у2 и т.д.- сигналы обратной связи).

 

2. Назначение, устройство и принцип работы преобразователя подачи инструмента ПАП, входящего в состав комплекса СКУБ.

При бурении скважин необходим  контроль проходки, механической скорости, глубины, длины бурильной колонны и др. Лебедка, талевый канат, ролики кронблока, талевый блок с крюком являются элементами, по перемещению которых определяют упомянутые параметры бурения скважин.

 

Преобразователь подачи инструмента (ПАП) входит в состав комплекса СКУБ и предназначен для преобразования вращения вала лебедки, соответствующего подаче инструмента, в пропорциональный электрический сигнал напряжением 0-10 В (исполнение 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 0,7; 0,8; 0,14). Вращение, входного вала ПАП, 1 Преобразовывается в перемещение плунжера дифференциального трансформатора, а перемещение плунжера в пропорциональное напряжение на выходе дифференциально трансформаторного преобразователя. Конструкция ПАП показана на рис. 2. Вращение входного вала с червячной передачей 14, кинематически связанной с выходным валом буровой лебедки, передается валу 13, на котором жестко закреплен фланец 12 с профильным кулачком 18. Последний, вращаясь, перемещает двухплечевой рычаг 16, шарнирно связанный с плунжером 6, который расположен внутри катушки 3. Для выборки люфта в кинематической паре кулачок- рычаг применена пружина 2, которая давит на нижний конец плунжера и размещается в гнезде 1 кронштейна 7. Плунжер 6, перемещаясь, изменяет в катушке э. д. с., подаваемую на вход дифференциально-трансформаторного преобразователя 5.

Зубчатая передача и червячная  пара работают в масле, уровень которого контролируется щупом 9. Корпус ПАП 8 отлит из алюминиевого сплава и имеет основание 11 для установки на буровой. На корпусе предусмотрены съемные крышки 4 и 10, обеспечивающие доступ к узлам и деталям при наладке и регулировке.

Для регулировки положения  плунжера 6 относительно катушки 3 предусмотрен хвостовик с резьбой и шлицевым пазом, а на шарнире рычага 16- разрезная резьбовая втулка с гайкой. В конструкции преобразователя для этой же цели имеется болт 15. Регулировка осуществляется с помощью ключа и отвертки, входящих в комплект инструмента. На кулачке 18 имеются пазы, позволяющие установить его в определенное положение относительно вала 13; фиксация кулачка в необходимом положении осуществляется винтами 17.

Для внешних подключений  ПАП предусмотрен кабельный ввод.

Техническая характеристика ПАП

Погрешность измерения в  интервале 100 м, %                             0,5

Температура окружающей среды,                                             -50 / +50  

Масса, кг                                                                                              6

Габариты, мм                                                                            224Х 186Х 189

 

 

3. Назначение, принцип действия и технические характеристики сигнализатора потока промыв очной жидкости СПЖ-1

Сигнализатор СПЖ-1 предназначен для непрерывного контроля изменения потока промывочной жидкости в циркуляционной системе на выходе из скважины в процессе бурения. Он может входить в состав комплекса приборов контроля параметров промывочной жидкости, долива скважины и прогнозирования флюидопроявления. Принцип работы СПЖ-1 основан на преобразовании угла поворота валика первичного преобразователя в пневматический аналоговый сигнал. Прибор СПЖ-1 разработан в Андижанском СПКБ.

 

СПЖ-1 (рис. 34) состоит из преобразователя 1, блока индикации 4, пневматических трубок 2 и 3. Под действием потока промывочной жидкости лопатка преобразователя поворачивается. В результате преобразователь выдает аналоговый сигнал, который поступает в блок индикации. Последний предназначен для обработки пневматического сигнала, поступающего с преобразователя, передачи информации на показывающий прибор, проградуированный в процентах, а также для световой сигнализации.

Блок индикации состоит  из корпуса и панели. На лицевой  стороне панели расположены органы управления СПЖ-1: тумблеры («Сирена», «Питание», «Настройка»), реле сигнализации, задатчик управления, индикаторы и манометр. На обратной стороне панели расположены две пневмопанели, на которых находятся универсальное пневматическое реле РУП ГМ-1 и перекидной клапан КП2-1. При верхнем положении тумблера «Настройка» сигнал через реле попадает на реле сигнализации, с помощью которых настраивается диапазон контроля потока промывочной жидкости. При нижнем положении тумблера «Настройка» сигнал через тумблер поступает в реле, где сравнивается с заданными значениями и в случае выхода сигнала за установленные пределы включает один из индикаторов «Минимально» или «Максимально».

Преобразователь предназначен для преобразования угла поворота лопатки в аналоговый пневматический сигнал. Он состоит из пневмопреобразователя угла поворота, пневмовыключателя, пневматического реле, лопатки, рычага, диска, вала, крышки, противовеса. Лопатка с помощью зажима крепится к рычагу. На одном конце вала закрепляется рычаг, на другом - толкатель. На валике пневмопреобразователя закреплен с помощью двух винтов поводок. Под напором промывочной жидкости лопатка и соединенные с ней вал и валик пневмопреобразователя поворачиваются на угол, пропорциональный изменению потока промывочной жидкости.

В пневмопреобразователе угол поворота валика преобразуется в пневматический аналоговый сигнал и через пневматическое реле передается в блок индикации. При повороте лопатки на угол 7° кулачок через рычаг действует на шток пневмовыключателя. Последний срабатывает и выдает сигнал, который через штуцер поступает в пневмолинию.

Техническая характеристика СПЖ-1

Диапазон индикации изменения  потока промывочной жидкости, % 0-100

Диапазон сигнализации, настраиваемый  по шкале, %  5-100

Порог чувствительности сигнализатора  при изменении потока к максимальному  значению, %  ±2,5

Диапазон изменения выходных аналоговых сигналов, МПа 0,02-0,1

Расход воздуха при  темnературе 20 °С и давлении 0,1 МПа в установившемся режиме,      м³ /с, не более 4,16*10^-4

Габариты, мм:        

Преобразователя 295Х360Х540

блока индикации 220Х170Х340

Масса сигнализатора, кг, не более 50

Давление питания воздуха, МПа 0,14±0,014

Класс загрязненности воздуха  по ГОСТ 17 433-80 1

Температура окружающего  воздуха, °С  -30 / +50

Верхнее значение относительной  влажности воздуха при температуре 35 °С и более низких температурах без конденсации влаги, % 95±3

СПЖ-1 является восстанавливаемым, одноканальным, многофункциональным  изделием. Срок службы его 6 лет.

 

4. Задачи, решаемые с помощью систем автоматического управления процессом бурения.

 

Средства автоматики заменяют труд человека при контроле и управлении различными процессами. Принцип этой замены рассмотрим на простейшем примере поддержания постоянной, заранее заданной скорости вращения электродвигателя. Чтобы выполнить данную задачу без применения автоматики, человек должен: а) наблюдать за показаниями тахометра; б) сравнивать эти показания с заданной скоростью вращения; в) в случае разности между заданной и наблюдаемой величинами изменять скорость вращения двигателя, например передвижением ручки реостата так, чтобы свести эту разность к нулю.

Система автоматического регулирования  выполняет эту же задачу без участия  человека. Измеряемая величина (в данном случае скорость вращения электродвигателя) воздействует на датчик, где преобразуется  в электрическое напряжение. Напряжение с выхода датчика поступает на управляющий орган, где оно сравнивается с заданным значением. При наличии расхождения управляющий орган воздействует на исполнительный орган, который и восстанавливает заданное значение контролируемой величины. В рассматриваемом примере элементами управляющего органа могут служить, например, реле, а исполнительным органом — секционированный реостат; реле управляются напряжением, полученным в результате сравнения заданной и измеренной величины, и своими контактами включают и выключают отдельные секции регулировочного реостата, изменяя тем самым скорость двигателя.

 

 

Системы автоматики подразделяются на следующие виды:

1. Замкнутая система автоматического управления (рис. 90, а) является замкнутой цепью воздействий: контролируемая величина воздействует на датчик, датчик на управляющий орган, управляющий орган на исполнительный орган и, наконец, исполнительный орган воздействует на контролируемую величину. Замкнутая система автоматического управления состоит из двух основных частей. Первая часть (объект-датчик-управляющий орган) осуществляет функцию контроля регулируемой величины, а вторая часть (управляющий орган-исполнительный орган-объект) выполняет функцию управления регулируемой величиной.

Разновидностью замкнутых систем автоматического регулирования являются следящие системы, в которых задаваемая величина представляет собой угол поворота оси, могущий изменяться во времени в широких пределах по произвольному закону. При этом система  автоматического  регулирования должна действовать так,

 

 

малейшими изменениями заданного  угла и точно повторял эти изменения.

2.Разомкнутая система автоматического управления (рис. 90, б). Здесь первая часть замкнутой системы автоматического управления, т. е. функция контроля регулируемой величины отсутствует; управление регулируемой величиной осуществляется путем подачи задания на управляющий орган. Воздействие на управляющий орган может оказывать человек или система автоматики другого процесса.

Разновидностью разомкнутых систем автоматического управления являются системы автоматической защиты, назначение которых — прервать контролируемый процесс при возникновении  того  или  иного  предельного режима.

3. Система автоматического контроля (рис. 90, в). Здесь отсутствует вторая часть замкнутой системы автоматического регулирования, т. е. функция управления. Система автоматического контроля мало отличается от системы измерения неэлектрических величин электрическими методами. В некоторых системах автоматического контроля промышленных изделий последний орган системы в зависимости от результатов измерений маркирует, отбраковывает или сортирует изделия.

4. Самонастраивающаяся система автоматического управления решает более сложные задачи обеспечения оптимальных, т. е. наилучших условий осуществления какого-либо процесса. Такие системы обладают сложной структурой, состоящей из нескольких датчиков и исполнительных органов, а управляющие органы не только принимают и сравнивают показания датчиков, но и производят вычислительные операции, на основании которых вырабатывают сигналы для воздействия на исполнительные органы.

5. Системы телемеханики. Во всех системах автоматики расстояния между объектом регулирования и пунктом размещения управляющего органа сравнительно невелики. Если же эти расстояния превышают несколько сот метров и для передачи сигналов от датчиков к органам управления и от органов управления к исполнительным органам требуются специальные передающие и приемные устройства и каналы связи, то системы автоматики преобразуются в системы телемеханики.

 

5. Принципиальная блок-схема автоматического управления процессом бурения.

Автоматизация буровой установки  предполагает автоматизацию двух основных процессов при сооружении скважин: процесса бурения и процесса спуско-подъемных операций (СПО). При автоматизации этих двух основных процессов буровую установку можно назвать комплексно автоматизированной. Комплексно-автоматизированная буровая установка включает и сложные автоматические системы, и простые, работа которых заранее может быть запрограммирована в пространстве и во времени.

Рис. 4.1. Блок-схема  ручного регулирования осевой нагрузки при подаче с лебедки: ОП - оператор (бурильщик); Л - лебедка (ТК - тормозные колодки, БЛ - барабан лебедки); ТС - талевая система; БВ - буровой вал; ДЗ - звено «долото - забой»; ГИВ-6 - гидравлический индикатор веса (ТД - трансформатор давления, ИП - измерительный прибор - основной указатель)

Рассмотрим схему ручного  управления осевой нагрузкой при  подаче инструмента с лебедки (рис. 4.1), а затем «переконструируем» ее на автоматическое управление и посмотрим, что это влечет за собой.

Большинство систем автоматизации  процесса бурения работают в функции  осевой нагрузки, т. к. осевая нагрузка, как режимный параметр, во многом определяет успех бурения.

Управление осевой нагрузкой  при подаче инструмента с лебедки  производится путем перемещения  его верхнего конца (верха буровой  колонны).

Бурильщик, наблюдая за показаниями  прибора р, при отклонении нагрузки G_oc от заданного значения G_ос.зад перемещает на величину s рукоятку управления тормозом лебедки, тем самым изменяет усилие f тормозных колодок ТК на шкив барабана буровой лебедки БЛ; при этом с соответствующей скоростью приспускается верх бурового вала на величину / (1_Л - сматывание каната с барабана лебедки, /_КР - перемещение крюка талевой системы, /_н - перемещение низа БВ при бурении, т. е. углубка), и изменяется нагрузка на породоразрушающий инструмент G_oc (F_Л - усилие в ходовой ветви ТС, сматываемой с барабана лебедки; G_KP - усилие на крюк талевой системы, G_oc), т. е. при уменьшении тормозного усилия f увеличиваются скорость подачи верха колонны V_B и нагрузка на ПРИ, при увеличении тормозного усилия - скорость подачи и нагрузка уменьшаются. В установившемся режиме скорость подачи верха колонны V_B равна скорости подачи низа колонны V_H, т. е. и механической скорости бурения V_M.

Таким образом, роль бурильщика сводится к перемещению s рукоятки управления тормозом лебедки в функции изменения показаний прибора φ, т. е. и нагрузки G_oc на ПРИ в соответствии с выражением

∆s = k∆Goc,    (4.1)

где ∆G_oc - отклонение осевой нагрузки от заданного значения; к - коэффициент пропорциональности, показывающий, какое перемещение бурового инструмента приходится на единицу отклонения нагрузки.

Рис. 4.2. Структурная  схема автоматического регулятора

осевой нагрузки при подаче с лебедки:

3 – задатчик; У – усилитель; ИМ – исполнительный механизм;

γ_ос – звено обратной связи

Для перехода на автоматическое управление с реализацией формулы (4.1) необходимо в схеме предусмотреть вместо бурильщика исполнительный механизм ИМ, воздействующий на тормоз лебедки. Естественно, потребуется введение и других узлов: задатчика, узла сравнения, усилителя и др. (рис. 4.2).

Как первый пример, так и  второй - обе системы замкнутые, с  обратной связью. Но в первом случае обратную связь осуществляет бурильщик, зрительно наблюдая за показаниями прибора. Во втором случае эту функцию выполняет звено обратной связи γ_ос, в качестве которого может быть применен любой датчик с электрическим выходным сигналом U_ОС (суммируются сигналы одной размерности). И в первом, и во втором случаях речь идет о стабилизаторе осевой нагрузки. При смене горных пород необходимо для задания и стабилизации новой осевой нагрузки изменять задающее воздействие.

 

6. Назначение и устройство кабельной телеметрической системы

«Пилот-БП26-01»

Кабельная телеметрическая  система для управления бурением скважины по заданной траектории типа «Пилот-БП26-01» предназначена для работы со стандартным одножильным геофизическим кабелем типа КГ1х0,35-10-130 при длине не более 4000 м (или другим кабелем с аналогичными параметрами) [16].

Условия работы для скважинной части: давление до 60 МПа; температура в зависимости от варианта исполнения — до +85 °С и до +125 °С.

Условия работы для наземной части: температура окружающего  воздуха — от 0 до +40 °С при относительной влажности до 98 % (при температуре + 35 °С); атмосферное давление — 100±4 кПа (750+30 мм рт. ст.); напряжение питания в зависимости от варианта поставки — а) от автомобильной бортовой сети — 11—13,8 В при токе нагрузки до 7 А; б) от промышленной однофазной сети — 50 Гц (220+22) В.

Телеметрическая система  обеспечивает:

измерение угловых параметров траектории скважин;

измерение температуры;

измерение уровня вибраций;

определение угла установки  отклонителя;

расчет траектории скважины и выдачу прогнозов по траектории скважины.

Техническая характеристика телеметрической системы типа

«Пилот-БП26-01»

Габаритные размеры забойного  модуля в сборе, мм:

длина.......................................................................................................................... 1500

диаметр наружный ............................................................................................... 36

Измеряемые параметры, градус:

азимут..................................................................................................................... 0 - 360

зенитный угол......................................................................................................... 0 — 95

положение отклонителя........................................................................................ 0—180

ускорение по продольной и  поперечной осям, м/с...................................... +500

Погрешности измеряемых параметров, градус:

азимута магнитного............................................................................................... +1,5

зенитного угла......................................................................................................... +0,15

угла установки отклонителя................................................................................ +1,0

температуры............................................................................................................ +2,0

механических ускорений..................................................................................... +10 %

Температура, °С:

для забойной части................................................................................................ +120

для наземной части................................................................................................ +50

Определение тока утечки кабеля от номинального потребляемого тока, в том числе из-за повреждения  изоляции кабеля — до 30 %.

Система характеризуется  применением новейших малогабаритных датчиков на основе феррозондов и  акселерометров, что резко повышает их моторесурс по сравнению с датчиками телесистем типов СТТ-108 и СТТ-172.

Телесистема типа «Пилот» (рис. 6.1) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами кабельных телесистем, используемых при бурении направленных скважин:

- точность измерений по углу установки отклонителя и азимуту составляет 1,5°, по зенитному углу — 0,15°; меньшая погрешность измерения параметров позволяет более точно соблюдать проектный профиль скважины;

- требуется меньшее число спуско-подъемных операций, поскольку забойная часть является извлекаемой;

- высокая надежность подземной части, выполненной на элементной базе SMD-технологии, ведет к уменьшению простоев;

- отсутствует сбросная муфта с электрическим контактом, что повышает надежность телесистемы;

- замеры параметров кривизны скважины можно проводить во время спуска телесистемы (т.е. действует как многоточечный инклинометр);

- с телесистемой может использоваться самый простой персональный компьютер (от 286);

- транспортировка телесистемы на забой на геофизическом кабеле позволяет оперативно (30—40 мин) произвести замену глубинного электронного блока;

- электрические параметры наземного блока позволяют работать с геофизическим кабелем любого типа;

- прибор весьма удобен для транспортировки, благодаря малым габаритам (D = 32 мм, I = 1500 мм) и небольшой массе (до 10 кг).

В период пробной эксплуатации телесистема «Пилот» была доработана с целью повышения эффективности работы в следующих направлениях:

- снижения опасности «задавливания» блока телесистемы со стороны геофизической части за счет использования в верхней стыковочной части узла герметизации;

- использования сменной нижней и верхней частей, позволяющих применять телесистему как в трубах с внутренним диаметром 54 мм без центраторов, так и в трубах с большим внутренним диаметром (72 мм и более) с центраторами.

Телесистема может использоваться как с геофизическим подъемником, так и со специальной малогабаритной лебедкой, что существенно сокращает эксплуатационные расходы.

Для повышения технологичности  и безопасности применения телесистемы необходимо создание устройства для ввода кабеля с каналом связи внутрь бурильной колонны через вертлюг вместо кабельного переводника.

Опыт эксплуатации телесистемы «Пилот» и типов СТТ при строительстве направленных скважин на Оренбургском ГКМ показал [16] более высокую надежность новой телесистемы — не зарегистрировано ни одного отказа.

Средняя безотказная наработка  двух телесистем только за 9 мес. 2001 г. составила 150 ч, что существенно выше, чем по телесистемам типа СТТ. Кроме того, на 75 % сократились затраты времени на техническое обслуживание телесистемы — 0,5 и 2 смены соответственно.

 

 

Рис. 6.1. Схема устройства кабельной телеметрической системы  типа

«Пилот-БП26-01»:

1 — переводник верхний; 2 — переводник средний; 3 —центратор;               4 — корпус телесистемы; 5 — переводник нижний

Изготовитель: ГНПП « Пилот» (г. Уфа).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. В. Г. Храменков Автоматизация технологических процессов при бурении скважин.
2. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н., Межлумов А.О., Близнюков В.Ю. Буровое оборудование: Справочник: в 2-х т. Т. 2. Буровой инструмент.
3. В.М. Овчаренко, И.А. Брацлавский Основы автоматизации производства и контрольно измерительные приборы.
4. В.И. Демихов Средства измерения параметров бурения скважин
5. В.Г. Храменков Автоматизация управления технологическими процессами бурения нефтегазовых скважин. Издательство Томского политехнического университета 2012.