Работа электроприводов постоянного и переменного тока ротора буровой установки в режиме неустойчивого вращения долота

В статье продолжаются исследования режимов электроприводов ротора буровых установок при неустойчивом вращении долота. Неравномерное неустойчивое вращение долота, сопровождаемое его остановками, последующим проскальзыванием и даже обратным вращением, получившее название Stick-Slip эффекта, может приводить к автоколебаниям, сопровождаемым увеличением потерь и уменьшением подводимой к забою мощности, резонансным явлениям и вибрациям колонны, сопровождаемым ускоренным износом бурового оборудования. Особенно остро проблема неустойчивого вращения долота возникает при применении долот типа PDC с алмазными резцами, которые нашли широкое применение в последние десятилетия. Различным аспектам возникновения крутильных колебаний и неустойчивого вращения долота в процессе бурения посвящено много работ. В статье исследованы режимы работы электроприводов ротора буровой установки постоянного и переменного тока, проведено сравнение этих режимов и выявлены признаки появления Stick-Slip эффекта средствами электропривода. В среде MATLAB Simulink разработана обобщающая модель автоматизированного электропривода ротора буровой установки с двигателем постоянного тока и электропривода на базе асинхронного двигателя, включая систему подчиненного регулирования скорости и тока двигателей. Механическая часть приводов, в которую входит буровой инструмент, представлена трехмассовой моделью, учитывающей явления упругой деформации и вязкого трения в колонне бурильных труб. Выполнено численное моделирование и установлены закономерности изменения скоростей, моментов и токов приводов постоянного и переменного тока. Установлены признаки и предложен критерий оценки возникновения StickSlip эффекта по характеру колебания токов двигателей постоянного и переменного тока в указанном режиме.

Ершов М. С., Комков А. Н., Феоктистов Е. А. Работа электроприводов постоянного и переменного тока ротора буровой установки в режиме неустойчивого вращения долота // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 6. – С. 153–167. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_153.

Ершов Михаил Сергеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: msershov@yandex.ru,
Комков Александр Николаевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: komkov.a@gubkin.ru,
Феоктистов Евгений Алексеевич — студент, e-mail: Eugene.Feoktistov@yandex.ru, Московский физико-технический институт, Национальный исследовательский университет,
¹ Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, Национальный исследовательский университет.

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

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. Симонов Н. Г., Юнин Е. К. Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента. — М.: Недра, 1977. — 217 с.

3. Руководство по эксплуатации PDC долот для полевых инженеров. Компания BP. URL: http://drillpoint.ru/uploads/files/Rukovodstvo%20po%20ekspluatacii%20PDC%20dolot%20dlya%20polevyh%20inzhenerov.pdf (дата обращения: 25.11.2020).

4. 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.

5. Peng Wang Stick-slip vibration motion simulation of depth well drilling // Metallurgical and Mining Industry. 2015, no. 7, pp. 201–206.

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

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. Tang L., Zhu X., Qian X., Shi C. Effects of weight on bit on torsional stick-slip vibration of oil well drill string // Journal of Mechanical Science and Technology. 2017, vol. 31, no. 10, pp. 4589–4597.

9. Yang Liu, Wei Lin, Joseph Páez Chávez, Rulston De Sa Torsional stick-slip vibrations and multistability in drill-strings // Applied Mathematical Modelling. 2019, vol. 76, pp. 545—546.

10. Ritto T. G., Ghandchi-Tehrani M. Active control of stick-slip torsional vibrations in drillstrings // Journal of Vibration and Control. 2018, vol. 25, no. 1. DOI: 10.1177/1077546318774240.

11. Liping Tang, Xiaohua Zhu Effects of drill string length on stick–slip oscillation of the oilwell drill string // Iranian Journal of Science and Technology. Transactions of Mechanical Engineering. 2019. January, pp. 2—11. DOI: 10.1007/s40997-019-00279-y.

12. 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.

13. 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, pp. 335—349.

14. 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 Sound and Vibration. 2017, vol. 398, pp. 28–38.

15. Wei Lin, Joseph Paez Chavez, Yang Liu, Yingxin Yang, Yuchun Kuang Stick-slip suppression and speed tuning for a drill-string system via proportional-derivative control // Applied Mathematical Modelling. 2020, vol. 82, pp. 2—19.

16. 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.

17. Abramov B. I., Parfenov B. M., Kozhakov O. I., Shalagin M. A., Kolesnikov I. V. Modern DC electric drive for drilling rigs // Russian Electrical Engineering. 2009, vol. 80, no. 1, pp. 1–5.

18. Melkebeek J. A. Electrical machines and drives. Fundamentals and advanced modelling/ power systems. Springer International Publishing AG, 2018. 740 p.

19. Герман-Галкин С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование механотронных систем на ПК. — СПб.: Изд-во «Корона. Век», 2017. — 368 p.

20. Hoang L. Modelling and simulation of electrical drives using MATLAB / Simulink and Power System Blockset // IECON'01. 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2001, vol. 3, pp. 1603—1611.