Исследование работы привода постоянного тока ротора буровой установки в режиме неустойчивого вращения долота

Рассмотрены вопросы работы привода постоянного тока системы «Тиристорный преобразователь двигатель» (ТП-Д) вращения колонны бурильных труб (КБТ) в условиях возникновения автоколебаний и неустойчивого вращения долота, сопровождаемого его остановкой – заклиниванием и последующим проскальзыванием, именуемого Stick-Slip эффектом. Особенно остро проблема неравномерного вращения долота встала в связи с появлением долот PDC (Poly Diamond Carbonic) режуще-истирающего типа, получивших широкое применение в бурении. Данный тип долот с одной стороны способствует возникновению Stick-Slip эффекта, а с другой является наиболее чувствительным к его проявлению, приводя к преждевременному разрушению долота. За прошедшие с начала применения PDC долот десятилетия разработаны различные способы борьбы с неравномерным вращением долота, реализованные в технологии бурения, но до настоящего времени проблема остается актуальной и ее решению посвящено большое число исследований. Проведено исследование возможности решения проблемы средствами автоматизированного электропривода постоянного тока. Разработана и реализована в среде MATLAB трехмассовая модель электропривода ротора буровой установки системы ТП-Д, учитывающая деформацию, упругие колебания и диссипацию энергии в КБТ с системой подчиненного регулирования двигателя по каналу якоря, а также по каналу возбуждения. Выполнено компьютерное моделирование системы, позволившее подтвердить и исследовать характерные режимы управления автоколебаниями и неравномерным вращением долота, сопровождаемого Stick-Slip эффектом, намечены пути совершенствования системы управления электроприводом ротора буровой установки.

Ключевые слова: электропривод, ротор буровой установки, режимы вращения долота, автоколебания колонны, Stick-Sleep эффект, система автоматизированного управления, компьютерное моделирование.
Как процитировать:

Ершов М. С., Балицкий В. П., Мелик-Шахназарова И. А. Исследование работы привода постоянного тока ротора буровой установки в режиме неустойчивого вращения долота // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 11. – С. 166–179. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-11-0-166-179.

Благодарности:
Номер: 11
Год: 2020
Номера страниц: 166-179
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.817:621.311
DOI: 10.25018/0236-1493-2020-11-0-166-179
Дата поступления: 10.03.2020
Дата получения рецензии: 05.08.2020
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.10.2020
Информация об авторах:

Ершов Михаил Сергеевич1 — профессор, e-mail: msershov@yandex.ru,
Балицкий Владимир Павлович1 — доцент,
Мелик-Шахназарова Ирена Александровна1 — доцент,
1 Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина.

 

Контактное лицо:

Ершов М.С., e-mail: msershov@yandex.ru.

Список литературы:

1. Cunningham R. A. Analysis of downhole measurements of drill string forces and motions // Journal of Engineering for Industry. 1968. Vol. 90. No 2. Pp. 208—216. DOI:10.1115/1.3604616.

2. Brett J. F. The Genesis of bit-induced torsional drillstring vibrations // SPE Drilling Engineering. 1992. Vol. 7. No 3.

3. Vaziri V., Kapitaniak M., Wiercigroch M. Suppression of drill-string stick–slip vibration by sliding mode control: Numerical and experimental studies // European Journal of Applied Mathematics. 2018. Vol. 29. No 5. Pp. 805–825. DOI: 10.1017/S0956792518000232.

4. Ратов Б. Т., Федоров Б. В., Омирзакова Э. Ж., Каргасбеков Д. Р. Разработка и совершенствование конструктивных параметров долот с резцами PDC // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 11. — С. 73—80. DOI: 10.25018/0236-14932019-11-0-73-80.

5. Besselink B., Vromen T., Kremers N., van de Wouw N. Analysis and control of stick-slip oscillations in drilling systems // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2016. Vol. 24. No 5. Pp. 1582—1593.

6. Балицкий В. П., Зайков Д. Л. Анализ крутильных колебаний бурильной колонны — stick-slip эффекта его влияния на процесс бурения // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. — 2015. —№ 4. — С. 2—8.

7. Aarsnes U. J., Van de Wouw N. Dynamics of a distributed drill string system: characteristic parameters and stability maps // Journal of Sound and Vibration. 2018. Vol. 417. No 37. Pp. 376—412. DOI: 16/j.jsv.2017.12.002.

8. Юнин Е. К. Введение в динамику глубокого бурения. — М.: Книжный дом «Либроком», 2015. — 168 с.

9. Tang L., Zhu X., Shi C., et al. Investigation of the damping effect on stick-slip vibration of oil and gas drilling system // Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2016. Vol. 4. No 1. Pp. 79–88.

10. Tang L., Zhu X., Qian X., Shi Ch. Effects of weight on bit on torsional stick-slip vibration of oil well drill string // Journal of Mechanical Science and Technology. 2017. Vol. 31. Pp. 4589–4597.

11. Monteiro H. L. S., Trindade M. A. Performance analysis of proportional-integral feedback control for the reduction of stick-slip-induced torsional vibrations in oil well drillstrings // Journal of Sound and Vibration. 2017. Vol. 398. Pp. 28–38.

12. Полипенко Н. А., Процук И. С., Бакланов Р. Р. Результаты экспериментальных исследований процесса бурения // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. — 2019. —№ 2. — С. 41—44.

13. Мщцохейн Б. И., Парфенов Б. М., Шпилевой В. А. Электропривод, электрооборудование и электроснабжение буровых установок. — Тюмень, 1999. — 263 с.

14. Букреев С. В. Исследование закономерностей влияния вентильно-индукторного электропривода на переходные процессы в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 10. — С. 219—225. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-219-225.

15. Tewari A. Modern Control Design with MATLAB and SIMULINK. John Wiley & Sons Ltd, 2002. 518 p.

16. Mohan Ned Advanced electric drives: analysis, control, and modeling using MATLAB/ Simulink. John Wiley & Sons, 2014. 179 p.

17. Liuping Wang, Shan Chai, Dae Yoo, Loo Gan, Ki Ng PID and predictive control of electrical drives and power convertors using MATLAB/SIMULINK. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd. 2015. 370 p.

18. Melkebeek J. Electrical machines and drives. Fundamentals and advanced modelling. Springer International Publishing, 2018. 734 p. DOI: 10.1007/978-3-319-72730-1.

19. Saldivar B., Mondie S., Avila Vilchis J. C. The control of drilling vibrations: A coupled PDE-ODE modeling approach // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. 2016. Vol. 26. No 2. DOI:10.1515/amcs-2016-0024.

20. Леонов Е. Г., Симонянц С. Л. Совершенствование технологического процесса углубления скважин. — М.: ИЦ РГУ нефти и газа, 2014. — 184 с.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.