Помощь студентам в учебе
Автоматизированная система управления буровой установки
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ 8
1.1 Скважина и ее составные части 9
1.2 Схемы процессов бурение скважин 11
2 ГЛАВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ 14
2.1 Буровая лебедка 15
2.1.1 Работа и кинематика буровой лебедки 19
2.1.2 Система смазки редуктора лебедки 26
2.1.3 Система охлаждения двигателей лебедки 27
2.2 Дополнительный (аварийный) привод лебедки 27
2.3 Система верхнего привода 28
2.3.1 Работа и кинематика системы верхнего привода 29
2.4 Буровые насосы 32
2.4.1 Работа и кинематика бурового насоса 33
2.5 Циркуляционная система очистки и приготовления бурового раствора
(ЦСГО) 39
3 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БУРОВОЙ
УСТАНОВКИ 42
3.1 Основные функции автоматизированной системы управления буровой
установки 42
3.2 Состав, структура и принцип работы АСУ ТП буровой установки 44
3.3 Система контроля параметров бурения (СКПБ) 46
4 РАЗРАБОТКА ВЕРХНЕГО УРОВНЯ АВТОМАТИЗАЦИИ 51
4.1 Обзор топологий 51
4.2 Технология кольцевого резервирования данных сети Ethernet 57
4.3 Разработка сети автоматизации верхнего уровня 59
5 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ АСУ ТП 61
5.1 Выбор коммуникационного оборудования 61
5.2 Выбор серверного оборудования 68
5.2.1 Выбор серверного ПО 68
5.2.2 Выбор сервера 74
5.2.3 Выбор источника бесперебойного питания сервера 76
5.2.4 Выбор АРМ инженерной станции (ES) и операторской станции (OS) ... 77
6 НАСТРОЙКА СЕТИ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ 80
6.1 Разработка схемы подключений 80
6.2 Предварительная настройка клиентских устройств 80
6.3 Установка и настройка программного обеспечения сервера 84
6.3.1 Установка KЕPSеrvеrЕX и создание ОРС сервера 84
6.3.2 Установка и настройка Simple-SCADA. Создание проекта 88
6.3.3 Установка MySQL и создание базы данных 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 99
ПРИЛОЖЕНИЕ А 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 102
ПРИЛОЖЕНИЕ В 103
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 104
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ 8
1.1 Скважина и ее составные части 9
1.2 Схемы процессов бурение скважин 11
2 ГЛАВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ 14
2.1 Буровая лебедка 15
2.1.1 Работа и кинематика буровой лебедки 19
2.1.2 Система смазки редуктора лебедки 26
2.1.3 Система охлаждения двигателей лебедки 27
2.2 Дополнительный (аварийный) привод лебедки 27
2.3 Система верхнего привода 28
2.3.1 Работа и кинематика системы верхнего привода 29
2.4 Буровые насосы 32
2.4.1 Работа и кинематика бурового насоса 33
2.5 Циркуляционная система очистки и приготовления бурового раствора
(ЦСГО) 39
3 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БУРОВОЙ
УСТАНОВКИ 42
3.1 Основные функции автоматизированной системы управления буровой
установки 42
3.2 Состав, структура и принцип работы АСУ ТП буровой установки 44
3.3 Система контроля параметров бурения (СКПБ) 46
4 РАЗРАБОТКА ВЕРХНЕГО УРОВНЯ АВТОМАТИЗАЦИИ 51
4.1 Обзор топологий 51
4.2 Технология кольцевого резервирования данных сети Ethernet 57
4.3 Разработка сети автоматизации верхнего уровня 59
5 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ АСУ ТП 61
5.1 Выбор коммуникационного оборудования 61
5.2 Выбор серверного оборудования 68
5.2.1 Выбор серверного ПО 68
5.2.2 Выбор сервера 74
5.2.3 Выбор источника бесперебойного питания сервера 76
5.2.4 Выбор АРМ инженерной станции (ES) и операторской станции (OS) ... 77
6 НАСТРОЙКА СЕТИ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ 80
6.1 Разработка схемы подключений 80
6.2 Предварительная настройка клиентских устройств 80
6.3 Установка и настройка программного обеспечения сервера 84
6.3.1 Установка KЕPSеrvеrЕX и создание ОРС сервера 84
6.3.2 Установка и настройка Simple-SCADA. Создание проекта 88
6.3.3 Установка MySQL и создание базы данных 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 99
ПРИЛОЖЕНИЕ А 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 102
ПРИЛОЖЕНИЕ В 103
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 104
Современные тенденции развития отрасли бурения нефтяных и газовых скважин характеризируются совокупностью данных, величин, показателей. Необходимость обрабатывать, структурировать, анализировать,
воздействовать и регулировать большой объем данных является неотъемлемой частьюсовременного технологического процесса.
Автоматизированная система управления технологических процессов (АСУ ТП) в рамках одного технологического комплекса позволяет создать полноценную базу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.
В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:
• Автоматизация непрерывных технологических процессов (Ггосезз
АШошайоп)
• Автоматизация дискретных технологических процессов (Балогу
АШошайоп)
• Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid АШошаИоп)
Важной составляющийнаучно-технического прогресса в бурении и геологоразведывательных работах является автоматизация технологического процесса. Развитиесистем автоматизации наоснове микропроцессорной вычислительной техники дает большой старт исследованиям в области совершенствования управления процессом бурения и егооптимизации [12].
По данным BPStatistic-2019 доля Росси по запасам нефти составляет 6,1% мировых запасов углеводородов, тем самым Россия входит в десятку стран лидеров по запасам нефти [3].
За последние 60 лет промышленной разработки нефтяных месторождений главные эксплуатационные объекты России находятся в поздней стадии и характеризуются высокой выработанностью залежей нефти и значительным обводнением продукции скважин.
Традиционные запасы углеводородов истощаются, об этом говорит снижение темпов добычи на фоне роста объемов бурения и капитальных затрат нефтегазовых компаний [12].
Интенсивность и скорость бурения растут, в связи с этим растут объемы работ выполняемыми буровыми. Возрастаетответственность за решения, принимаемые буровой бригадой в процессе бурения и психологическая нагрузка на коллектив бригады.На текущий момент время простоев по причинепринятия неверных решений в процессе бурения составляет 5-7% общего рабочего времени.
Процесс бурения, особенно глубоких скважин, протекающий в условиях высокой степени непредсказуемости воздействий внешних факторов, основа которых как горно-геологические, так и технико-технологические факторы. Вследствие этих внезапных факторов бурильщиквынужденпринимать решения отступитьот проектной технологии, опираясь насвой собственный опыт, знания, интуицию, чтобы вовремя обнаружить изменение категории буримости пород, неблагоприятную технологическую ситуацию. Возникает дефицит на высококвалифицированные кадры с большим опытом и знаниями, которые они набирались долгое время, однако вырастить такие кадры долго, дорого и трудозатратно. Гораздобольший выигрыш во времени и стоимости
этообучитьперсонал пользоваться системой автоматизированного управления процессом бурения, которая будет выбирать, и поддерживать оптимальные режимы бурения в соответствии с заданными требованиями [10]. А так же давать рекомендации по проведению технического обслуживания оборудования, отслеживая его состояние и предотвращая заранее выход из строя. Таким образом минимизировав простои в связи выходом из строя оборудования и организуя эффективное распределения времени и ресурсов буровой бригады.
Система автоматизации верхнего уровня требуют сбора и обработки данных для дальнейшего его анализа. На сегодняшний день большинство буровых установок оборудованы системой автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП), что по своему роду является основой для построения системы автоматизации верхнего уровня.
Однако, данные, собранные АСУ ТП, используются лишь для управления главными и вспомогательными механизмами оператором в полуавтоматических либо ручном режимах, которые доступны лишь оператору либо обслуживающему инженеру.
Задачами выпускной квалификационной работы является разработка системы сбора, обработки, архивирования и визуализации данных собираемыми АСУ ТП и других систем сбора данных, объединения их на одном сервере для дальнейшего анализа и построения алгоритмов системы управления производством. Также необходимо создать возможность удаленно доступа к данным, хранящимся на сервере и передачи их удаленным клиентам либо серверам. Предварительно необходимо полностью изучить технологические процессы и оборудование, выполняющее технологические операции.
Разработка сети будет включать в себя разработку структурной схемы автоматизации, выбор оборудования, разработка схем подключений, программную реализацию связи, выбор программного обеспечения и его конфигурирование для работы оборудования с системой верхнего уровня.
Возможность удаленного доступа позволит оперативно контролировать процесс бурения на расстоянии, что в свою очередь повысит эффективность работы буровой установки за счет снижения простоев и минимизации выхода из строя оборудования, оптимизированного использования ресурсов, что является целью данной работы
воздействовать и регулировать большой объем данных является неотъемлемой частьюсовременного технологического процесса.
Автоматизированная система управления технологических процессов (АСУ ТП) в рамках одного технологического комплекса позволяет создать полноценную базу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.
В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:
• Автоматизация непрерывных технологических процессов (Ггосезз
АШошайоп)
• Автоматизация дискретных технологических процессов (Балогу
АШошайоп)
• Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid АШошаИоп)
Важной составляющийнаучно-технического прогресса в бурении и геологоразведывательных работах является автоматизация технологического процесса. Развитиесистем автоматизации наоснове микропроцессорной вычислительной техники дает большой старт исследованиям в области совершенствования управления процессом бурения и егооптимизации [12].
По данным BPStatistic-2019 доля Росси по запасам нефти составляет 6,1% мировых запасов углеводородов, тем самым Россия входит в десятку стран лидеров по запасам нефти [3].
За последние 60 лет промышленной разработки нефтяных месторождений главные эксплуатационные объекты России находятся в поздней стадии и характеризуются высокой выработанностью залежей нефти и значительным обводнением продукции скважин.
Традиционные запасы углеводородов истощаются, об этом говорит снижение темпов добычи на фоне роста объемов бурения и капитальных затрат нефтегазовых компаний [12].
Интенсивность и скорость бурения растут, в связи с этим растут объемы работ выполняемыми буровыми. Возрастаетответственность за решения, принимаемые буровой бригадой в процессе бурения и психологическая нагрузка на коллектив бригады.На текущий момент время простоев по причинепринятия неверных решений в процессе бурения составляет 5-7% общего рабочего времени.
Процесс бурения, особенно глубоких скважин, протекающий в условиях высокой степени непредсказуемости воздействий внешних факторов, основа которых как горно-геологические, так и технико-технологические факторы. Вследствие этих внезапных факторов бурильщиквынужденпринимать решения отступитьот проектной технологии, опираясь насвой собственный опыт, знания, интуицию, чтобы вовремя обнаружить изменение категории буримости пород, неблагоприятную технологическую ситуацию. Возникает дефицит на высококвалифицированные кадры с большим опытом и знаниями, которые они набирались долгое время, однако вырастить такие кадры долго, дорого и трудозатратно. Гораздобольший выигрыш во времени и стоимости
этообучитьперсонал пользоваться системой автоматизированного управления процессом бурения, которая будет выбирать, и поддерживать оптимальные режимы бурения в соответствии с заданными требованиями [10]. А так же давать рекомендации по проведению технического обслуживания оборудования, отслеживая его состояние и предотвращая заранее выход из строя. Таким образом минимизировав простои в связи выходом из строя оборудования и организуя эффективное распределения времени и ресурсов буровой бригады.
Система автоматизации верхнего уровня требуют сбора и обработки данных для дальнейшего его анализа. На сегодняшний день большинство буровых установок оборудованы системой автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП), что по своему роду является основой для построения системы автоматизации верхнего уровня.
Однако, данные, собранные АСУ ТП, используются лишь для управления главными и вспомогательными механизмами оператором в полуавтоматических либо ручном режимах, которые доступны лишь оператору либо обслуживающему инженеру.
Задачами выпускной квалификационной работы является разработка системы сбора, обработки, архивирования и визуализации данных собираемыми АСУ ТП и других систем сбора данных, объединения их на одном сервере для дальнейшего анализа и построения алгоритмов системы управления производством. Также необходимо создать возможность удаленно доступа к данным, хранящимся на сервере и передачи их удаленным клиентам либо серверам. Предварительно необходимо полностью изучить технологические процессы и оборудование, выполняющее технологические операции.
Разработка сети будет включать в себя разработку структурной схемы автоматизации, выбор оборудования, разработка схем подключений, программную реализацию связи, выбор программного обеспечения и его конфигурирование для работы оборудования с системой верхнего уровня.
Возможность удаленного доступа позволит оперативно контролировать процесс бурения на расстоянии, что в свою очередь повысит эффективность работы буровой установки за счет снижения простоев и минимизации выхода из строя оборудования, оптимизированного использования ресурсов, что является целью данной работы
Врезультатенаписаниявыпускнойквалификационнойработыбылиподробноизуч енытехнологическиепроцессыбуровойустановки, описаныосновныеивспомогательныемеханизмы, атакжетехнологическиеоперациивыполняемыеими.
Основнымимеханизмамивтехнологическихпроцессахбуровойустановкивыступают буроваялебедка, буровыенасосыисистемаверхнегопривода.
Дополнительноописанысистемыуправленияглавныхмеханизмовиихвзаимодействи есАСУ. Особенностьюсистемыуправлениябуровойлебедкиявляетсятрехконтурнаязамкнут аясистема, внешнийконтуркоторойявляетсяконтурположения.
Онпозволятопределятьтекущуювысотуталевого блокаиограничиватьеговыходзакрайниеположения, установленныеоператором, обеспечиваяплавнуюостановку, вдобавоккэтомувыполняетсяфункцияавтоматическойподачидолота, контрольнагрузкинадолотоиконтрольвесанакрюке.
Подробноописанаструктураиработаавтоматизированнойсистемыуправления (АСУТП) буровойустановкивпарессистемойконтроляпараметровбурения (СКПБ) напримересистемыАСУбуровойустановкиУралмаш 6500/450 БМЧ.
Разобранысуществующиеуровниавтоматизациитехнологическихпроизводств, различают 3 основныхуровня - нижний (полевой),
которыйвключаетвсебядатчикииисполнительныемеханизмы; средний,
включающийвсебяконтроллерыиЗСАПАиверхний уровень,
ккоторомуотносятсяМЕЗ системы. Дляавтоматизацииверхнегоуровняразработанаструктура, наосновесуществующихирассмотренытребования, которымдолжнаотвечатьсетьавтоматизацииверхнегоуровня.
Наоснованиипредъявленныхтребований, целейизадачксетиавтоматизацииверхнегоуровня,
разработанаструктурнаясхематопологиисетинабазевышеописаннойАСУбуровойус тановки.
Длясвязиустройстввыбранасеть1пйи8й'1а1Е1йете1покольцевойтопологииосновныху зловАСУсреднегоуровняпериферийныхустройствглавныхмеханизмов. Кольцеваятехнологиявыполненапотехнологиирезервированияданных, котораяполностьюотвечаеттребованиямпонадежностисетииотказоустойчивости.
Наоснованииразработаннойструктурнойсхемывыбранооборудованиясервера, операторскойстанции, инженернойстанции,
атакжекоммуникационноеоборудованиеввидекоммутаторовЕШетеШЕТЕ -
модемсвозможностьюсозданияУРКтуннелядляудаленногоподключениядополните льнойстанцииоператора. Разработанаэлектрическаяпринципиальнаясхема,
накоторойотображеноподключениевсехустройствксети1пйи81г1а1Е1йегпе1, котораяпредставленаотдельнымдокументомЭЗ.
Выбранноепрограммноеобеспечениеобеспечиваетдиспетчеризациютехнологич ескогопроцессабуровойустановки, свозможностьюследитьзатекущимсостояниеммеханизмов, просматриватьтренды, сообщениями, составлятьотчетвЕхсе1иархивироватьданные.
ДополнительноописананастройкапрограммногообеспеченияиподключениекОРС- серверу. Разработанавизуализациядляоператорскойстанциилокальноголибоудаленногодост упа, представленнаявприложенияхА,Б ,ВиГ. Такимобразом, разработаннаясистемаавтоматизациипозволяетвестидиспетчеризациютехнологиче скихпроцессовсрабочегоместатехнологаидополнительносудаленногоАРМ. К
списку обрабатываемых данных относятся данные о пусках и остановах оборудования, текущих режимах работы, значения со всех технологических датчиков. Собираемые данные архивируются и хранятся на сервере длительное время и имеют возможность доступа к ним в любое время. Разработанная система автоматизации позволит повысить эффективность работы буровой установки за
счет возможности предотвратить неисправности оборудования заранее, тем самым сократив время простоев, и оптимального распределения времени на проведение ТО и ТР.
Благодаря возможности удаленного доступа к данным в режиме реального времени,технологи и менеджеры проектов смогут получать оперативные данные и эффективней управлять технологическим процессом и распределением ресурсов.Данные о текущем состоянии позволят технологам удаленно контролировать работу буровой установки и оказывать помощь в принятии сложных решений, это в свою очередь позволит снизить психологическую нагрузку на рабочий персонал.
РазработаннаясистеманеявляетсяполноценнойМБЗ-системой, таккакнеосуществляетуправлениепроизводством, атолькособираетданные.
ДаннаяструктураимеетполноценнуюбазудляреализациинанейМБЗ-системы, дляэтогонеобходиморазработатьалгоритмыанализаданных. Мощностьоборудованияибезопасностьподключенийпозволяютвперспективепостр оитьинтеллектуальнуюсистемуавтоматизированногоуправления.
Основнымимеханизмамивтехнологическихпроцессахбуровойустановкивыступают буроваялебедка, буровыенасосыисистемаверхнегопривода.
Дополнительноописанысистемыуправленияглавныхмеханизмовиихвзаимодействи есАСУ. Особенностьюсистемыуправлениябуровойлебедкиявляетсятрехконтурнаязамкнут аясистема, внешнийконтуркоторойявляетсяконтурположения.
Онпозволятопределятьтекущуювысотуталевого блокаиограничиватьеговыходзакрайниеположения, установленныеоператором, обеспечиваяплавнуюостановку, вдобавоккэтомувыполняетсяфункцияавтоматическойподачидолота, контрольнагрузкинадолотоиконтрольвесанакрюке.
Подробноописанаструктураиработаавтоматизированнойсистемыуправления (АСУТП) буровойустановкивпарессистемойконтроляпараметровбурения (СКПБ) напримересистемыАСУбуровойустановкиУралмаш 6500/450 БМЧ.
Разобранысуществующиеуровниавтоматизациитехнологическихпроизводств, различают 3 основныхуровня - нижний (полевой),
которыйвключаетвсебядатчикииисполнительныемеханизмы; средний,
включающийвсебяконтроллерыиЗСАПАиверхний уровень,
ккоторомуотносятсяМЕЗ системы. Дляавтоматизацииверхнегоуровняразработанаструктура, наосновесуществующихирассмотренытребования, которымдолжнаотвечатьсетьавтоматизацииверхнегоуровня.
Наоснованиипредъявленныхтребований, целейизадачксетиавтоматизацииверхнегоуровня,
разработанаструктурнаясхематопологиисетинабазевышеописаннойАСУбуровойус тановки.
Длясвязиустройстввыбранасеть1пйи8й'1а1Е1йете1покольцевойтопологииосновныху зловАСУсреднегоуровняпериферийныхустройствглавныхмеханизмов. Кольцеваятехнологиявыполненапотехнологиирезервированияданных, котораяполностьюотвечаеттребованиямпонадежностисетииотказоустойчивости.
Наоснованииразработаннойструктурнойсхемывыбранооборудованиясервера, операторскойстанции, инженернойстанции,
атакжекоммуникационноеоборудованиеввидекоммутаторовЕШетеШЕТЕ -
модемсвозможностьюсозданияУРКтуннелядляудаленногоподключениядополните льнойстанцииоператора. Разработанаэлектрическаяпринципиальнаясхема,
накоторойотображеноподключениевсехустройствксети1пйи81г1а1Е1йегпе1, котораяпредставленаотдельнымдокументомЭЗ.
Выбранноепрограммноеобеспечениеобеспечиваетдиспетчеризациютехнологич ескогопроцессабуровойустановки, свозможностьюследитьзатекущимсостояниеммеханизмов, просматриватьтренды, сообщениями, составлятьотчетвЕхсе1иархивироватьданные.
ДополнительноописананастройкапрограммногообеспеченияиподключениекОРС- серверу. Разработанавизуализациядляоператорскойстанциилокальноголибоудаленногодост упа, представленнаявприложенияхА,Б ,ВиГ. Такимобразом, разработаннаясистемаавтоматизациипозволяетвестидиспетчеризациютехнологиче скихпроцессовсрабочегоместатехнологаидополнительносудаленногоАРМ. К
списку обрабатываемых данных относятся данные о пусках и остановах оборудования, текущих режимах работы, значения со всех технологических датчиков. Собираемые данные архивируются и хранятся на сервере длительное время и имеют возможность доступа к ним в любое время. Разработанная система автоматизации позволит повысить эффективность работы буровой установки за
счет возможности предотвратить неисправности оборудования заранее, тем самым сократив время простоев, и оптимального распределения времени на проведение ТО и ТР.
Благодаря возможности удаленного доступа к данным в режиме реального времени,технологи и менеджеры проектов смогут получать оперативные данные и эффективней управлять технологическим процессом и распределением ресурсов.Данные о текущем состоянии позволят технологам удаленно контролировать работу буровой установки и оказывать помощь в принятии сложных решений, это в свою очередь позволит снизить психологическую нагрузку на рабочий персонал.
РазработаннаясистеманеявляетсяполноценнойМБЗ-системой, таккакнеосуществляетуправлениепроизводством, атолькособираетданные.
ДаннаяструктураимеетполноценнуюбазудляреализациинанейМБЗ-системы, дляэтогонеобходиморазработатьалгоритмыанализаданных. Мощностьоборудованияибезопасностьподключенийпозволяютвперспективепостр оитьинтеллектуальнуюсистемуавтоматизированногоуправления.
