Автоматизация управления технологическими процессами бурения нефтегазовых скважин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
В.Г. Храменков 

 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 
БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН 
 
 
 
Рекомендовано Сибирским региональным учебно‐методическим центром 
высшего профессионального образования для межвузовского использования 
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 
130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2012 

УДК 622.242(075.8) 
ББК 33.132я73 
Х89 
 
Храменков В.Г.  
Х89  
Автоматизация управления технологическими процессами 
бурения нефтегазовых скважин / В.Г. Храменков; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 416 с.  

ISBN 978-5-4387-0082-1 

В пособии приводятся основные понятия из теории автоматического регулирования; рассматриваются элементы аппаратуры и средства автоматики, 
буровая контрольно-измерительная аппаратура (БКИА), буровые автоматические системы. Подчеркивается теснейшая связь БКИА и автоматики с техникой и технологией бурения. Намечаются перспективы развития «классических» буровых систем и компьютеризации основного бурового процесса. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13100 
«Нефтегазовое дело» очной и заочной форм обучения. 
 
УДК 622.242(075.8) 
ББК 33.132я73 
 
Рецензенты 
 
Доктор технических наук, профессор 
генеральный директор ОАО «Тульское НИГП» 

В.И. Власюк 
 
Заместитель директора по бурению ТФ ЗАО «ССК»  
М.П. Пьявко 

 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-4387-0082-1 
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2012 
© Храменков В.Г., 2012 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2012 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Прогресс и высокие показатели при сооружении скважин во многом зависят от оперативного контроля и организации, применения контрольно-измерительной аппаратуры, внедрения средств автоматики. 
Применение аппаратуры и средств автоматики обеспечивает безаварийность работ, улучшает технико-экономические показатели, требует повышения технической грамотности обслуживающего персонала, влечет 
за собой повышение культуры производства.  
Создание аппаратуры и средств автоматики в силу специфических 
особенностей сооружения скважин является очень сложной задачей. 
Повысить точность аппаратуры возможно, используя сложные алгоритмы, включающие несколько косвенных параметров для определения действительного значения забойного параметра. Однако разработка 
таких алгоритмов требует еще своего решения. 
Многолетний опыт эксплуатации контрольно-измерительной аппаратуры, возросшие требования к повышению точности измерений, расширению ее функциональных возможностей в связи с внедрением систем управления процессом бурения выявили необходимость совершенствования аппаратуры. 
Автоматизация технологических процессов на основе современной 
техники должна обеспечить интенсификацию производства, повышение 
качества и снижение себестоимости продукции. 
Эти резервы заключаются, прежде всего, в оптимизации и автоматизации оперативного управления процессом бурения скважин и в совершенствовании организации работ. 
Теоретические исследования в области модернизации управления 
процессом бурения и его оптимизации получили новые возможности 
практической реализации с появлением управляющей микропроцессорной техники и созданием на ее основе систем автоматизированного 
управления. 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ  
И РЕГУЛИРОВАНИЯ 

1.1. Основные понятия и определения теории автоматического  
регулирования. Классификация систем 

Технический процесс характеризуется совокупностью данных, величин, показателей. Совокупность операций для пуска, остановки процесса, поддержания постоянства показателей процесса или изменения 
их по заданному закону называется управлением. 
Поддержание показателей на заданном уровне или изменение их по 
заданному закону называется регулированием, т. е. регулирование – это 
часть управления. И если эти процессы управления осуществляются без 
участия человека (оператора), то они называются автоматическими. 
Устройство, осуществляющее технологический процесс, показателями которого нужно управлять или регулировать, называется объектом 
управления, или управляемым объектом. Объектами управления могут 
быть буровой насос, буровой станок, привод бурового станка и т. д. или 
отдельные их узлы, выполняющие те или иные операции технологического процесса, например лебедка бурового станка.  
Техническое устройство, осуществляющее управление в соответствии с программой (алгоритмом), называется автоматическим управляющим устройством (автоматическим регулятором).  
Совокупность объекта управления и управляющего устройства 
называется системой автоматического управления.  
Для восприятия работы буровых автоматических систем основным 
является рассмотрение операций автоматического регулирования, т. е. 
тех операций, которые относятся к поддержанию или изменению показателей технологического процесса бурения. В связи с этим буровые автоматические системы называются установившимися в литературе и 
практике терминами – буровые автоматические регуляторы (БАР), автоматический стабилизатор крутящего момента на вращателе бурового 
станка, стабилизатор осевой нагрузки и т. п.  
Всякий процесс регулирования может вестись без контроля результата – регулирование по разомкнутому циклу или с контролем результата – регулирование по замкнутому циклу. 
Примером регулирования по разомкнутому циклу без контроля результата может служить стабилизация подачи промывочной жидкости Q 
при работе поршневого насоса на полную производительность при 

включении соответствующей скорости коробки перемены передач (нерегулируемый привод и нет сброса промывочной жидкости). Здесь при 
значительных (не аварийных) изменениях характеристики гидравлического тракта (по причине зашламования забойной части, вывалов кусочков породы со стенок скважины и т. п.) расход промывочной жидкости остается неизменным. 
Регулирование по разомкнутому циклу применяется значительно 
реже, чем регулирование по замкнутому циклу, в силу нестабильности 
характеристик элементов, подверженных различного рода возмущениям. В приведенном примере это может быть изменение коэффициента 
заполнения цилиндров насоса по причине изменения параметров промывочной жидкости или всасывающего тракта. 
Пример замкнутой системы ручного регулирования угловой скорости вращения вала ω электрического двигателя приведен на рис. 1.1. 

 
Рис. 1.1. Электрическая схема ручного регулирования угловой скорости  
вращения вала двигателя: Г – генератор; ОВГ – обмотка возбуждения  
генератора; ВД – вспомогательный двигатель; Д – двигатель;  
ОВД – обмотка возбуждения двигателя; ТГ – тахогенератор;  
V – вольтметр; Р – реостат 

Угловая скорость вращения вала ω электрического двигателя Д является функцией напряжения на клеммах генератора Uг, которое при постоянной частоте оборотов якоря (якорь вращается вспомогательным двигателем ВД, ωВД = const) определяется током в обмотке возбуждения ОВГ 
генератора Г. Для регулирования или поддержания постоянной угловой 
скорости вращения вала ω электрического двигателя Д оператор следит за 
показаниями вольтметра V, проградуированного в размерностях частоты 
оборотов, и, меняя вручную с помощью реостата Р ток Iовг в обмотке возбуждения генератора Г, добивается требуемого значения частоты оборотов вала электрического двигателя Д.  

_ 

+     ø 

ωВД 

– ø 

  + ø   
мc 

ω 

   ø 

UГ 

овд 
овг 

 
_ 

+ 

р 

ø 

 ø 

 • 

V

 вд 

тг 
г 
д 

Рассмотренная система ручного регулирования обладает существенными недостатками: малая точность регулирования и нежелательное наличие оператора. Кроме того, действует ряд возмущающих воздействий: меняющийся момент на валу двигателя МС, изменение температуры среды, износ щеток электрических машин и т. д., отсюда неточность системы регулирования.  

1.1.1. Принципы регулирования 

При работе системы на нее воздействуют внешние факторы (возмущающие воздействия). Учитывать каждое возмущающее воздействие – 
значит ставить соответствующий датчик на каждое возмущение, что не 
всегда выполнимо. Выход может быть таким: измеряется отклонение 
регулируемой величины от заданного значения (ставится один датчик) и 
по измеренному отклонению вводится поправка (в прошлом примере – 
рис. 1.1) изменением положения движка реостата Р.  
На рис. 1.2 приведена схема автоматического регулирования (стабилизации) частоты оборотов вала двигателя с использованием одного 
датчика (тахогенератора ТГ) контроля отклонения частоты оборотов от 
заданного значения.  
Данная схема является преобразованием схемы ручного регулирования (рис. 1.1). Оператор заменен электрической системой контроля и 
системой воздействия на движок реостата Р. В схему введены потенциометры Р1 и Р2, электронный усилитель ЭУ, реверсивный двигатель 
РД и редуктор Ред, механически связанный с движком реостата Р. 
Элементы системы (рис. 1.2): 
 
объект регулирования – двигатель Д, все остальные элементы 
входят в регулятор системы; 
 
показатель процесса регулирования – угловая скорость вращения вала двигателя ω (частота оборотов вала двигателя n); для системы 
в целом ω называется регулируемой величиной, которая может быть постоянной или изменяться по какому-либо закону; 
 
регулирующий орган – якорная цепь двигателя – содержит 
объект, изменяя положение или состояние которого, можно изменять 
регулируемую величину; 
 
регулирующее воздействие – напряжение в якорной цепи двигателя; 
 
задающая величина (воздействие) системы – Uзад, т. е. это такая 
величина, которая пропорциональна или функционально связана с регулируемой величиной и служит для изменения уровня последней; через 
Uзад задается конкретное значение ω. 

Рис. 1.2. Схема автоматической системы регулирования (стабилизации) 
угловой скорости вращения ω вала приводного двигателя 

При ∆U = Uзад – UОС = 0 имеет место состояние равновесия; UОС – 
напряжение обратной связи, пропорциональное регулируемой величине ω. 
При изменении ω (по причине изменения момента МС сопротивления на 
валу двигателя или по другим причинам) изменяется вырабатываемое тахогенератором ТГ напряжение обратной связи UОС, нарушается равновесие (∆U ≠ 0), что приводит по цепочке (ЭУ → РД → Ред → Р → Iовг)  
к изменению вырабатываемого генератором напряжения Uг и восстановлению значения угловой скорости ω. 
На рис. 1.3 показана упрощенная структурная схема системы, приведенной на рис. 1.2.  
 

 
Рис. 1.3. Структурная схема автоматической системы регулирования  
(стабилизации) угловой скорости вращения ω вала приводного двигателя:  
З – задатчик; С – сумматор; Г – генератор; Д – двигатель;  
ТГ – тахогенератор (звено обратной связи) 

Р1 
Р2 

 • 

 • 

UОС 

UЗАД  – Ø 
 Ø + 
∆U

_ 

+  ø 

ωВД 

–ø 

+ ø  
мc

ω

 ø 

UГ 

овд
овг 

_ 

+

р

 ø 

 
ø 

 • 

V

 вд 

тг
г 
д

ЭУ 
РД 
Ред 

Uг 
  ω 

–UОС 

               С 
   Uзад          ΔU 

  ТГ 

   З 
   Г 
    Д 

Второй пример регулирования по замкнутому циклу с контролем 
результата – расхода Q – показан на рис. 1.4. Расход Q контролируется 
датчиком расхода ДР. Задатчиком З устанавливается (через заданное 
напряжение Uзад) требуемый расход Q. Частота оборотов n вала двигателя (следовательно, и расход Q) постоянного тока с мягкой характеристикой определяется нагрузкой Мкр и напряжением Uг, которое зависит 
от значения ∆U. ∆U = Uзад – Uос1, где Uос1 – напряжение на выходе датчика (Uд), пропорциональное расходу Q, и называется напряжением обратной связи. И эта обратная связь в данном случае отрицательная: 
уменьшает значение Uзад. При отклонении (уменьшении или увеличении) по каким-либо причинам расхода Q от заданного значения изменяется и значение обратной связи Uос1, что приводит к изменению частоты 
оборотов вала двигателя n и тем самым к восстановлению расхода Q. 

 
Рис. 1.4. Структурная схема автоматического регулятора  
(стабилизатора) расхода промывочной жидкости:  
З – задатчик; У – усилитель; Г – генератор; Д – двигатель;  
БН – буровой насос; ДР – датчик расхода (звено обратной связи);  
Q – производительность насоса (интенсивность промывки) 

Принцип регулирования, который заложен в рассмотренных схемах, называется принципом регулирования по отклонению. Системы, 
выполненные по этому принципу, всегда содержат главную (передача 
сигнала с выхода системы на вход) отрицательную обратную связь, т. е. 
работают по замкнутому циклу. 
Системой автоматического регулирования по отклонению называется такая система, при работе которой измеряется отклонение 
регулируемой величины от заданного значения и в функции от значения 
отклонения вырабатывается такое регулирующее воздействие, которое сводит это отклонение к минимуму. 
Другим принципом регулирования, менее используемым в автоматических регуляторах, является принцип регулирования по возмущению, 
принцип компенсации (компенсация возмущения).  
На рис. 1.5 представлена схема генератора постоянного тока к пояснению принципа регулирования по возмущению (генератор работает 
на изменяющуюся нагрузку Rн). Регулируемой величиной является 
напряжение U. ЭДС генератора пропорциональна потоку возбуждения 
Φв: Ег = к ∙ Φв.  

Рис. 1.5. Принципиальная схема регулятора, использующего  
принцип регулирования по возмущению 

Считаем, что изменение напряжения на зажимах генератора обусловлено только внутренним сопротивлением якорной цепи:  
 
U = Е – Iн ּ Rа,  
(1.1)  
 
Е = U + Iн ּ Rа = Iн ּ Rн + Iн ּ Rа = Iн(Rа + Rн),  
(1.2) 
где Rа – сопротивление цепи якоря; Rн – сопротивление нагрузки. 
Необходимо, чтобы при изменении тока нагрузки Iн напряжение  
U = U0 = const. Для этого должно быть выполнено условие Е = U0 + ΔЕ = 
= U0 + Iн · Rа = к (Φво + ΔΦв), т. е. ΔЕ изменяется за счет изменения потока возбуждения Φв. U0 = к · Φво и ΔΦв = (Rа / к) · Iн = c · Iн, т. е. изменение 
регулируемой величины ΔΦ должно быть пропорционально току 
нагрузки Iн. Это условие выполняется постановкой компаундной обмотки, дающей дополнительный поток возбуждения Φдоп, пропорциональный нагрузке (возмущению) – току Iн. Таким образом, основная обмотка 
(основной поток возбуждения Фосн) служит для создания начального 
напряжения U0, а ΔЕ определяется компаундной обмоткой. Обе обмотки 
создают суммарный магнитный поток Фво. 
При изменении тока нагрузки Iн меняется суммарный поток Фво и 
напряжение U0 остается постоянным. Это и есть пример реализации 
принципа компенсации в регулировании: измеряется нагрузка (возмущающее воздействие) и в функции от измеренного ее значения вырабатывается такое регулирующее воздействие, чтобы регулируемая величина осталась постоянной. Системы, работающие по принципу компенсации, относятся к системам разомкнутого типа, т. е. не имеют обратной связи. Основное достоинство системы – быстродействие, но система обладает и рядом недостатков:  
 
у всякого объекта есть несколько возмущающих воздействий, 
и для систем компенсации нужно измерять в отдельности каждое возмущающее воздействие и в функции от него вырабатывать регулирующее воздействие, что значительно усложнит систему; 
 
трудность измерения неэлектрических возмущающих воздействий; 
 
неоднозначность и сложность зависимости регулирующего 
воздействия от возмущающего. 

Из-за своих недостатков эти системы применяются меньше по 
сравнению с системами, реализующими принцип регулирования по отклонению.  
Третий принцип регулирования – комбинированный. Это сочетание 
первых двух принципов. Применяется еще реже, чем первые два. Достоинства и недостатки те же. Системы сложные. 

1.1.2. Классификация систем автоматического регулирования 

Ниже приведены классификации систем автоматического регулирования (САР), наиболее важные для рассмотрения буровых автоматических систем. 
 По закону воспроизведения (изменения) регулируемой величины замкнутые САР делятся на три вида:  
 
системы стабилизации, поддерживающие заданное значение 
регулируемой величины. Рассмотренные выше системы относятся к системам стабилизации; 
 
системы программного регулирования, изменяющие регулируемую величину по заданному закону во времени или в зависимости от 
величины другого параметра;  
 
следящие системы, изменяющие регулируемую величину в 
соответствии с неизвестным заранее, непрерывно изменяющимся заданием. Отличаются друг от друга не принципиально, а лишь режимом 
работы и конструктивно. Они имеют общую теорию и исследуются 
одинаковыми методами. 
 В зависимости от характера регулирующего воздействия на 
исполнительный элемент системы автоматического регулирования подразделяются на системы непрерывного, импульсного и релейного регулирования. 
В системах непрерывного регулирования сигналы на выходе всех 
элементов системы являются непрерывными функциями сигналов на 
входе элементов. 
Системы импульсного регулирования отличаются тем, что в них 
через определенные промежутки времени происходит размыкание и замыкание контура регулирования специальным устройством. Время регулирования делится на импульсы, в течение которых процессы протекают так же, как и в системах непрерывного регулирования, и на интервалы, в течение которых воздействие регулятора на систему прекращается. Такие регуляторы применяются для регулирования медленно протекающих процессов (регулирование температуры в промышленных 
печах, температуры и давления в котлах).