Электромеханический преобразователь для бурового снаряда на грузонесущем кабеле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Шкурко, Олег Александрович

• Шкурко, Олег Александрович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шкурко, Олег Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение

1. Электромеханические установки бурения скважин

1.1.Технология бурения с использованием алмазных и синтетических материалов в породоразрушающем инструменте

1.2.Забойные двигатели

1.3.Буровые электромеханические снаряды на грузонесущем кабеле

1.4.0еобенноети и перспективы применения вибрационных движителей

1.5.Конструктивная схема бурового снаряда на грузонесущем кабеле

2. Теоретические исследования электромеханического преобразователя

2.1 .Конструктивная и расчетная динамические схемы бурового

снаряда с электромеханическим преобразователемвозвратно-вращательного действия

2.2.Математическая модель электромагнитного преобразователя

2.3.Методика определения основных параметров динамически уравновешенного бурового снаряда

2.4.Динамическая модель электромеханического преобразователя с возвратно-вращательным движением исполнительного органа

2.5.Пример расчета основных параметров бурового снаряда

3. Электропитание и управление буровым электромеханическим снарядом

3.1.Общие требования и основные характеристики

3.2.Усилительно-преобразовательное устройство электромеханического преобразователя

3.3.Система управления режимами электромеханического преобразователя

4. Экспериментальные исследования электромеханического

преобразователя

4.1 .Экспериментальная установка

4.2.Конструкция лабораторного макета снаряда

4.3.Исследования режимов на физической модели электромеханического преобразователя

Заключение. Выводы и рекомендации

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромеханический преобразователь для бурового снаряда на грузонесущем кабеле»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Одним из основных методов проведения поисков и разведки месторождений на твердые полезные ископаемые является алмазное колонковое бурение. Есть все основания искать первоочередные резервы повышения производительности и качества геологоразведочных работ именно в этой области.

При прочих равных условиях, скорость алмазного бурения прямо пропорциональна частоте вращения бурового снаряда вплоть до 3000 об/мин. Однако, при современной схеме колонкового бурения с приводом бурильного вала от вращателя станка (то есть без применения забойного двигателя) реализация столь высоких оборотов на практике разведочного бурения, тем более на большие глубины, полностью исключена. Причина заключается в высоких вибрациях, неизбежно возникающих при высокой частоте вращения длинного тонкого вала, каким является бурильная колонна.

Разработанные и освоенные на практике способы борьбы с вибрациями - смазка бурильной колонны, применение эмульсионных промывочных жидкостей, легкосплавных бурильных труб, сбалансированных бурильных труб точного изготовления, амортизаторов и др. - не решают данной проблемы коренным образом, лишь несколько расширяют область применения высоких скоростей при алмазном бурении.

По результатам неоднократно повторявшихся стендовых экспериментов и существующим теоретическим оценкам за счет повышения частоты вращения алмазного породоразрушающего инструмента имеется принципиальная возможность повысить механическую скорость и производительность алмазного бурения по крайней мере в 2-3 раза, что реально достижимо только с применением высокооборотного призабойного двигателя.

Применение забойного двигателя при алмазном бурении принципиально содержит в себе перечисленные ниже потенциальные преимущества.

• Колонковый набор с алмазной коронкой может иметь достаточно высокую частоту вращения (до 15-25 об/с), независимо от глубины скважины.

• Бурильная колонна не вращается, а служит для подачи снаряда с заданной осевой нагрузкой, транспортировки очистного агента, а, в идеальном варианте, служит также для транспортирования забойного двигателя вместе со съемным керноприемником.

• Поскольку в процессе бурения колонна не вращается, отсутствует также ее вибрация, а,значит,резко снижается механический износ.

• Высокая работоспособность и надежность бурильной колонны многократно снижают опасность и частоту аварий по причине ее обрыва, а, следовательно - затраты времени, средств и труда на их ликвидацию.

• Длительная безотказность в работе бурильной колонны кратно снижает затраты на приобретение, доставку, хранение и обслуживание дорогостоящих бурильных труб.

Сочетание технических, технологических и организационных преимуществ применения забойного двигателя при алмазном бурении дает возможность существенного повышения производительности и снижения себестоимости буровых работ даже без учета вполне реального при этом резкого повышения механической скорости и проходки за рейс.

Вопросам разработки буровых снарядов с призабойным двигателем на грузонесущем кабеле посвящены работы Б. Б. Кудряшова, Н. И. Васильева, Г. К. Степанова, П. Г. Тал алая, В. В Уфаева, В. Ф. Фисенко, В. К, Чистякова, D. Е. Garfield, Н. Ueda, W. I. Hansen и др.

Однако, до настоящего времени отсутствуют конструкции высокоскоростных буровых снарядов с призабойными двигателями для проходки скважин в твердых породах. Поэтому создание призабойных электромеханиче-

ских буровых снарядов на грузонесущем кабеле является весьма актуальной проблемой и требует научного решения, чему и посвящена настоящая работа.

Цель работы: научное обоснование и разработка электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле с возвратно-вращательным движением рабочего органа.

Основная идея работы состоит в создании динамически уравновешенного электромеханического бурового снаряда с двигателем возвратно-вращательного действия, не требующего специальных устройств, воспринимающих реактивный момент, возникающий при работе.

Основные задачи исследований:

- анализ и обоснование необходимости создания электромеханического снаряда на грузонесущем кабеле;

- разработка конструкции бурового снаряда;

- разработка расчетной модели бурового снаряда;

- разработка математической модели снаряда;

- математическое моделирование привода возвратно-вращательного движения;

- выбор способа и устройства регулирования частоты угловых колебаний рабочего органа;

- разработка экспериментальной установки;

- проведение эксперимента;

- разработка методики расчета электромеханического снаряда.

Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось комплексным методом, сочетающим в себе методы математического

моделирования электромеханических систем с упругими связями и экспериментальные исследования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современной методологии системного анализа, корректным использованием применяемых математических методов, достаточным объемом исходной информации по объекту исследования.

Научная новизна результатов работы заключается в получении аналитической зависимости между технологическими параметрами бурения и основными параметрами электромеханического преобразователя с возвратно-вращательным движением исполнительного органа.

Практическая ценность работы состоит в разработке конструктивной схемы бурового снаряда и методики выбора его параметров.

Основные защищаемые положения:

1. Амплитуды колебаний коронки и тока на резонансной частоте электромеханического преобразователя с разомкнутой системой управления определяются отношениями угловых частот вращения идеального холостого хода двигателя к резонансной частоте системы, моментов номинального двигателя к сопротивлению на коронке, момента инерции статорной части к сумме моментов инерции движущихся частей снаряда и номинальным скольжением.

2. Эффективность ведения буровых работ обеспечивается удержанием электромеханического преобразователя в режиме резонанса, для чего его питание осуществляется от полупроводникового преобразователя частоты.

3. Методика определения основных параметров динамически уравновешенного бурового снаряда.

Апробация диссертационной работы. Основное содержание диссертации докладывалось на ежегодных научных конференциях молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (1996, 97 гг.), былд рассмотрено на международном симпозиуме "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология" в рамках IV Международного Форума "Минеральные ресурсы стран СНГ" (1996 г.), на научно-техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода" (1997г.), а также молодежной научной конференции в рамках 26й недели науки СПбГТУ (1998г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах.

Автор выражает искреннюю глубокую благодарность научному руководителю д. т. н., проф. Козяруку А. Е., д. т. н., проф. Загривному Э. А., к. т. н., доц. Рудакову В. В. за помощь в подготовке диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Шкурко, Олег Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Основные научные и практические выводы заключаются в следующем.

1. Перспективным направлением развития технологии и техники бурения скважин следует считать разработку и создание полуавтономных буровых снарядов на грузонесущем кабеле, позволяющих обеспечить не зависящие от глубины скважины технологические параметры процесса бурения, сократить затраты времени на сттуско-подъемные операции, снизить металлоемкость, энергоемкость и трудоемкость процесса, улучшить условия труда при высокой мобильности бурового комплекса.

2. Среди существующих полуавтономных снарядов на грузонесущем кабеле рациональной схемой следует считать конструктивную схему динамически уравновешенного бурового снаряда возвратно-вращательного действия, обеспечивающего заданные технологические параметры при знакопеременных нагрузках, повышающие эффективность разрушения горных пород, а также не требующие специальной распорной системы, воспринимающей реактивный момент при работе коронки на забое.

3. При анализе движения системы целесообразоно ввести новую координату ф=ф2—ф] (полный угол закручивания), что позволяет описать механическое движение системы одним уравнением второго порядка, а замена момента сухого трения на коронке эквивалентным моментом вязкого сопротивления при условии равенства работ в обоих случаях позволяет существенно упростить аналитические исследования и получить решения для амплитуд установившихся колебаний на резонансной частоте.

4. Характерным параметром, определяющим реализуемость движения системы, является "параметр реализуемости", представляющий собой квадрат отношения момента инерции верхней части снаряда к сумме моментов инер

4 I, ций подвижных частей © = —[-i—] . Для реальных систем © изменяется

71 + в пределах от 1 до 1.12.

5. В качестве движителей электромеханического преобразователя электрической энергии в возвратно-вращательное породоразрушающего инструмента могут быть использованы двигатели постоянного тока, а также двух-или трехфазные синхронные и асинхронные. Наиболее приемлемыми являются бесконтактные вентильные двигатели с НПЧ.

6. Амплитуда механических колебаний инструмента прямо пропорциональна отношению угловой скорости идеального холостого хода электрической машины к резонансной угловой частоте, возрастает при увеличении отношения номинального момента к моменту сопротивления на коронке и уменьшается при увеличении номинального скольжения электрической машины при прочих неизменных параметрах системы.

7. Разработанная методика расчета позволяет выбирать основные динамические параметры системы, обеспечивающие заданные рациональные технологические режимы, характерные для традиционных способов вращательного бурения.

8. Рациональным источником питания следует считать непосредственный преобразователь частоты, обеспечивающий режимы источников напряжения и тока, а также автоматическое поддержание режима работы на резонансной частоте.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шкурко, Олег Александрович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА.

1. Адволоткин H. П., Гращенков В. Г., Лебедев Н. И. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Л., "Энергоатомиздат", ЛО, 1984,160 с.

2. Адкинс Б. Общая теория электрических машин. М.; Л.: ГЭИ, 1970.

271 с.

3. Адлер П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., Наука, 1976, 280 с.

4. Алексеев В. В., Соловьев А. С. Автоматизированный привод станков шарошечного бурения. С-Пб: СП6ГГИ(ТУ), 1997,49 с.

5. Бажулин Ю. В., Шкурко О. А. Электроприводы буровых снарядов на грузонесущем кабеле. // Научн.-техн. семинар "75 лет отечественной школы электропривода". Тезисы докладов. СПб, 1997.

6. Бабков Н. А., Воронов А. А. и др. Теория автоматического управления,

ч. I. М., "Высшая школа", 1977, 302 с.

7. Балденко Д. Ф., Безленкин Н. И., Кондратенко Л. А. и др. Винтовые секционные забойные двигатели. - Нефтяник, №2, 1987, С. 14-16.

8. Балденко Д. Ф., Иванов В. П., Л свитский Г. Б. и др. Промышленные испытания забойных винтовых двигателей в Ставропольнефтегазе. - Нефтяное хозяйство, №1,1975, С. 7-10.

9. Барон И. Основные научно-методические вопросы разрушения горных пород механическими способами. М., Наука, 1966, С. 3-13.

10. Бирюков Б. Н. Роторно-поршневые гидравлические машины. М., "Машиностроение", 1972.

11. Бобин H. Е., Васильев Н. И., Кудряшов Б. Б. и др. Механическое бурение скважин во льду. Л., ЛГИ, 1998. 90 с.

12. Борцов А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. - С-Пб, 1992,288 с.

13. Бронштейн И. Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока. М., Энергия, 1968.

14. Булатов А. И., Аветисов А. Г. Справочник инженера по бурению. Том 1, М., "Недра", 1985.

15. Вадецкий Ю. В. Бурение нефтяных и газовых скважин. М., "Недра", 1985.

16. Важнов А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980. 256 с.

17. Васильев Н. И., Талалай П. Г., Чистяков В. К. Буровой снаряд. А. С. №21716067,1992, - Б. И. №8.

18. Вахиров Р. К., Ризванов Н. М., Межлумов О. А. Результаты бурения скважин в Башкирии с применением забойных винтовых двигателей при промывке аэрированной водой. // РНТС. Сер. Бурение. - М., ВНИИОЭНГ, 1983, вып. 2, с. 5-6.

19. Геминтерн В. И., Коган Б. М. Методы оптимального проектирования. М., "Энергия", 1980,160 с.

20. Глебов В. А., Разуванов В. Д., Крист М. О. и др. Совершенствование технолог ии бурения глубоких скважин в Западной Сибири. // РНТС. Сер. Бурение. - М„ ВНИИОЭНГ, 1983, вып. 4, С. 2-4.

21. Гусман М. Т., Балденко Д. Ф., Бакчурин Г. Н. и др. Промышленные испытания забойных винтовых двигателей в Татарии. - Бурение, 1973, №2, С. 3-7.

22. Гусман М. Т., Балденко Д. Ф., Кочнев А. М. и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М., "Недра", 1981.

23. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. 664 с.

24. Дубинин А. Ф., Загривный Э. А., Рудаков В. В. Моделирование системы электропривода станка шарошечного бурения. - Сб. научных трудов ЛГИ, 1973.

25. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.

26. Загривный Э. А. Динамические модели и устойчивость подсистемы "Исполнительный орган - забой" горной машины. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук, С-Пб: СПГГИ, 1996.

27. Загривный Э. А., Рудаков В. В., Столяров И. М. Контроль вибраций в электрических приводах с упругими связями. - Л., ЛДНТП, 1973.

28. Иориш И. Виброметрия. М., 1963.

29. Исаев М. И., Он ищи н В. П. Бурение скважин со съемными керноприемниками. Л., Недра, 1975, 128 с.

30. Карды ш В. Г., Мурзаков Б. В., Окмянский А. С. Энергоемкость бурения геологоразведочных скважин. М., Недра, 1984. 202 с.

31. Козловский Е. А. Оптимизация процесса разведочного бурения. М., Недра, 1975, 303 с.

32. Козловский Е. А., Комаров М. А., Питерский В. М. Кибернетические системы в разведочном бурении. М., Недра, 1985, 285 с.

33. Козярук А. Е. Анализ динамических режимов ГЭУ с помощью ЦВМ на этапе проектирования // Вопросы автоматизации проектирования электрооборудования судов. Л.: Судостроение, 1980. С. 96-100. (Материалы по обмену опытом; Вып. 325).

34. Козярук А. Е. Опыт проектирования мощных электромеханических систем с использованием ЭВМ. Л.: ЛДНТП, 1980. 30 с.

35. Козярук А. Е., Плохтына Е, Г. Вентильные преобразователи в судовых электромеханических системах. Л. "Судостроение", 1987,192 с.

36. Козярук А. Е., Шкурко О. А. Буровой снаряд на грузонесущем кабеле для вибрационного бурения. // IV международный форум "Минеральные ресурсы стран СНГ". Тезисы докладов Симпозиума "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология". СПб, 1996.

37. Кононенко Е. В. и др. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1975.279 с.

38. Кудряшов Б. Б., Фисенко В. Ф., Степанов Г. К. Электробур для бурения скважин во льду. А. С. №399000, 1973, Б. И. №39.

39. Кудряшов Б. Б., Васильев В. И., Уфаев В. В. и др. Колонковый электромеханический буровой снаряд. А. С. №1472613, 1989, Б. И. №14.

40. Корн Г., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. М., Наука, 1970, 720с.

41. Куропаткин П. В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1973. 527 с.

42. Луковников И. П. Электропривод колебательного движения. М., 1984, 263 с.

43. Маковей. Гидравлика бурения. Пер. с рум. М., Недра, 1986, 536 с.

44. Михайлова Н. Д. Техническое проектирование колонкового бурения. М., "Недра", 1985, 198 с.

45. Моцохейн Б. И. Электротехнические комплексы буровых установок. М.: "Недра", 1991,254 с.

46. Остриров В. Н., Козаченко В. Ф., Носач С. В. Преобразователи для асинхронных частотно-регулируемых приводов широкого применения. Приводная техника, №2, 1997, С. 15-17.

47. Повышение эффективности вращательного бурения с отбором керна. В сб. Технические средства для прогрессивных способов бурения. М., ВПО "Союзгеотехника", 1983, с. 11-28.

48. Пшеничный Б. Н., Данилин Ю. М. Численные метода в экспериментальных задачах. М., Наука, 1975, 320 с.

49. Ровинский П. А., Тикан В. А. Вентильные преобразователи без звена постоянного тока. М.: Л.: "Наука, 1965,76 с,

50. Романив А. В. Основные направления совершенствования техники и технологии бурения гидравлическими забойными двигателями. - Обзор ВНИИ экон.минер.сырья и геолого-разведочных работ, ВИЭМС, М., 1989, вып. I.

51. Румшинский 3. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. М., Наука, 1971,192 с.

52. Рудаков В. В Электроприводы с программным управлением и последовательной коррекцией. Учебн. пособие // Рудаков В. В., Л., ЛГИ, 1990.

53. Сабинин Ю. А. Электромагнитные устройства автоматики. Л., Энергоатомиздат, 1988, 407 с.

54. Самонастраивающиеся системы. Справочник. Под ред. проф. П. И. Чин аев а . Киев , "Наукова думка", 1969, 528 с.

55. Сахаров В. В. Расчет оптимальных регуляторов. Л., "Судостроение", 1983,168 с.

56. Селезнев Д. А., Шкурко О. А. // Межвузовская научно-практ. Кон-фер. "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения". Тезисы докладов. Воркута, 1998.

57. Сили С. Электромеханическое преобразование энергии. М., 1968.

58. Системы электроприводов и автоматики иолупогружных буровых платформ // ТС-08. Электропривод. Комплектные устройства. М.: Информэ-лектро, 1977.48 с. (обзорная информация).

59. СолтышВ. М., Меерсон Ж. Т., Бубнов Е. С. Руководство по алмазному буреншо геологоразведочных скважин. М.,Госгеолтехиздат, 1963.

60. Столяров И. М. Автоматизированный электропривод станков шарошечного бурения. Л., ЛГИ, 1979,77 с.

61. Технология и техника разведочного бурения. / А. Ф. Шамшев, С. Н. Тараканов, Б. Б. Кудряшов и др. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Недра, 1983,

565 с.

62. Тимошенко П. Колебания в инженерном деле. М., Наука, 1967.

63. Трещев И. И. Электромеханические процессы в машинах постоянного тока. Л.: Энергия, 1980. 344 с.

64. Фоменко Ф. Н. Бурение скважин электробуром. М.: "Недра", 1974,

Z, / Z,

65. Хайруллин X. и др. Вибрационный электродвигатель со спиральным вторичным элементом. Электротехника, № 9, 1994.

66. Шкурко О. А. Динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле. // Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1996.

67. Шкурко О. А. Математическая модель процесса бурения скважин. // Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1997.

68. Шкурко О. А., Козярук А. Е. Автономный буровой снаряд на грузонесущем кабеле с поворотноугловым движением породоразрушающего инструмента. // Молодежная научная конференция в рамках 26й недели науки СПбГТУ. Материалы докладов, ч. 2. СПб, 1998.

69. Шкурко О. А. Бесконтактный электропривод возвратно-вращательного движения для бурового снаряда. // Сборник трудов молодых ученых СПбГГИ. СПб, 1998.

70. Яворский В. II., Макианов В. И., Ермолин В. П. Проектирование нелинейных следящих систем с тиристорным управлением исполнительными двигателями. Л.: Энергия, 1978.

71. Garfield D. E., Ueda H. Drilling through the Greenland Ice Sheet. US army cold regions research energy laboratory, tech. note, sept. 1967.

72. Gow J. Anthony. Preliminary results of studies of ice cores from 2164m deep drill hole, Bird station, Antarctica. CREEL, Hanover, New Hampshire 03755, USA, sept. 1968.

73. Hansen W. L., Langway I. Deep core drilling in ice and core analyses at Camp century, Greenland, 1961-1966. Antarctic JUS, US army CREEL tech. note, July 1966. Hanover, N.H., 1966.

74. Hansen W. L. Deep core drilling in the East Antarctic ice sheet. Prospectus. Ice core drilling. Proceedings of the symposium, University of Nebraska, Lincoln, 1974.

75. Sutton B., Arutunoff A. Use of electrodrill for oil coring and drilling. Report prepared for presentation at the petroleum industry electrical conference at the American Institute of Electrical Engineering, 1954.

А К Т

целесообразности внедрения результатов диссертационной работы Щкурко О. А.

Повышение эффективности буровых работ является важным фактором снижения их себестоимости и-трудоемкости.

Разработанные в работе Шкурко О. А. модель динамически уравновешенного электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле, теоретические результаты и методика расчета основных параме»ров позволяю 1 ак I ивншрова гь работы по созданию бурового комплекса, обладающего малыми энергоемкостью и металлоемкое 1 ыо, высокими 1ехническими и технологическими параметрами.

Применение основных положении диссертационной работы позволит создать новый комплекс, который может существенно повысить эффек 1'пыюс 1 ь оурения.