автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов

На правах рукописи 005062215

ГУБАРЬ Николай Сергеевич

ДИНАМИЧЕСКИ УРАВНОВЕШЕННОГО БУРОВОГО СНАРЯДА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ ДОННЫХ ПОРОД ПОДЛЕДНИКОВЫХ ВОДОЕМОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О !''С!' ¿013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005062215

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально - сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный морской технический университет», кафедра электротехники и электрооборудования судов, профессор

кандидат технических наук, ФГУП «Крыловскнй государственный научный центр» филиал «Центральный научно - исследовательский институт судовой электротехники и технологии», ведущий специалист

Ведущая организация - ОАО «Севморгео».

Защита состоится 02 июля 2013 г. в 11 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при «Национальном минерально - сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке национального минерально — сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 31 мая 2013 г.

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

Дмитриев Борис Федорович

Зильберман Алексей Ефимович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

ГАБОВ

Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электротехнические комплексы на основе электромеханических колонковых буровых снарядов на гру-зонесущем кабеле широко применяются при бурении ледников в Арктике, Антарктиде, Гренландии и др. К достоинствам этих комплексов можно отнести отсутствие бурильных колонн, высокую мобильность, низкую металлоёмкость. Электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле, разработанным в «Национальном минерально - сырьевом университете «Горный», запатентованным в РФ и изготовленным в России, получены наивысшие мировые результаты при бурении скважины в Антарктиде на станции Восток: 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 метра было вскрыто крупнейшее подледниковое озеро Восток. При бурении слабосвязанных пород и интервалов с кавернами подобные снаряды становятся неработоспособными из-за потери возможности компенсировать реактивный момент, возникающий при работе буровой коронки на забое.

Динамически уравновешенные буровые снаряды с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки, разрабатываемые в «Национальном минерально -сырьевом университете «Горный» (Горный университет) не требуют применения редукторов и распорных устройств, могут применяться для вскрытия продуктивных пластов, очистки призабойных зон нефтяных и газовых добычных скважин. Кроме того, динамически уравновешенные буровые снаряды на грузонесущем кабеле могут использоваться для взятия донных проб рек, озер, морей и океанов, что является актуальным. Решение задачи бурения донных пород электромеханическими колонковыми буровыми снарядами на грузонесущем кабеле без применения распорных устройств стало особенно актуальным после вскрытия крупнейшего подледникового водоёма-озера Восток в Антарктиде. Поэтому обоснование структуры и основных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки для бурения донных пород уникального подледникового озера Восток является^ актуальной. В научных литературных источниках работ по'

исследованию динамически уравновешенных буровых снарядов с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки не обнаружено (кроме работ, выполненных по указанной тематике в «Национальном минерально - сырьевом

университете «Горный»).

Работа базируется на результатах исследований Асташе-ва В.К., Васильева Н.И., Горшкова Л.К., Кудряшова Б.Б., Загривного Э.А., Луковникова В.И., Мандельштама Л.И., Нагаева Р.Ф., Чистякова' В.К., Тимошенко С.П., Усынина Ю.С., Шестакова В.М., Фоменко Ф.Н., Яблонского A.A., и др.

Цель работы - обоснование структуры и основных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным вентильным электроприводом возвратно -вращательного движения буровой коронки для бурения донных пород подледниковых водоёмов, в том числе уникального озера Восток в Антарктиде.

Задачи исследования:

1. Разработка расчетной схемы, математической и имитационной моделей электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда с вентильным электродвигателем на грузонесущем кабеле.

2. Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитного момента вентильного электродвигателя в авторезонансных режимах возвратно - вращательного движения.

3. Исследование режимов работы динамически уравновешенного бурового снаряда на имитационной модели.

4. Разработка рациональной структуры электротехнического бурового комплекса для бурения донных пород подледникового озера Восток в Антарктиде.

5. Обоснование основных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

6. Модернизация лабораторного экспериментального стенда и экспериментальные исследования режимов работы динамически уравновешенного бурового снаряда с вентильным электродвигателем.

Идея работы. Состоит в использовании в составе электротехнического комплекса на основе для бурения донных пород под-ледникового озера Восток в Антарктиде вентильного электродвигателя со схемой включения обмоток статора, обеспечивающей размах колебаний ротора 180 геом. градусов, что приводит к уменьшению количества токопроводящих жил для электропитания статорных обмоток до двух и исключению применения силовых диодов в буровом снаряде.

Научная новизна:

1. Зависимость статического электромагнитного момента погружного вентильного ЭД со схемой включения статорных обмоток, обеспечивающей размах колебаний ротора 180 геом. градусов, от тока статора, угла поворота ротора относительно статора и параметров электродвигателя;

2. Структура источника питания вентильного электродвигателя в авторезонансном электроприводе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая и имитационная модели вентильного авторезонансного электропривода возвратно - вращательного движения электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов.

2. Обоснование структуры и рациональных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряд для бурения донных пород озера Восток в Антарктиде.

Методы исследований. Анализ проведенных ранее выполненных исследований по данной тематике; теоретические исследования электрической и механической частей бурового снаряда; использование программы MatLab при имитационном моделировании электротехнической системы; анализ результатов моделирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической электромеханики, теории автоматизированного электропривода, методов моделирования с применением ЭВМ. Показано, что сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований не хуже 90-95 %.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Системы управления авторезонансным вентильным электроприводом динамически уравновешенного бурового снаряда на гру-

зонесущем кабеле;

2. Имитационной модели электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда с авторезонансным вентильным электроприводом на грузонесущем кабеле.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на Всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2010 г.); ежегодной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые'России и их освоение» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ),

2010-2011 гг.).

Личный вклад автора:

1. Разработана математическая модель для исследования нормальных и аварийных режимов работы динамически уравновешенного бурового снаряда;

2. Разработана имитационная модель для исследования работы динамически уравновешенного бурового снаряда в нормальном и аварийном режимах;

3. Проведена модернизация системы управления авторезонансным электроприводом динамически уравновешенного бурового

снаряда на грузонесущем кабеле;

4. Реализован лабораторный макет динамически уравновешенного бурового снаряда на основе электродвигателя с магнитным ротором с авторезонансным режимом работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 79 наименований, содержит 65 рисунка и 22 таблицы. Общий объем работы -125 страницы.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и идея работы, а также научная ценность и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ современного состояния электромеханических буровых комплексов на грузонесущих кабелях среди существующих и разрабатываемых в Горном университете.

Во второй главе представлены математическая модель электромеханической системы динамически уравновешенного бурового снаряда с двумя степенями свободы и методика определения основных параметров снаряда, грузонесущего кабеля и упругого элемента.

В третьей главе представлена имитационная модель вентильного электропривода, совершающего возвратно - вращательное движение. В модели исследованы нормальные и аварийные режимы работы динамически уравновешенного бурового снаряда. Результаты моделирования показаны в виде графиков.

В четвертой главе представлены макет и состав экспериментального лабораторного стенда динамически уравновешенного бурового снаряда с авторезонансным вентильным электроприводом возвратно - вращательного движения. Приведены результаты исследования авторезонансных режимов на холостом ходу и под нагрузкой.

В заключении отражены выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Математическая и имитационная модели вентильного авторезонансного электропривода возвратно — вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле электротехнического комплекса для бурения донных пород подледниковых водоемов.

Динамически уравновешенный буровой снаряд (ДУБС) на грузонесущем кабеле для бурения донных пород озера Восток (рисунок 1,6) представляет собой двухмассовую электромеханическую колебательную систему с электроприводом возвратно-вращательного движения (рисунок 1,а). Роторная часть ДУБС 4,8,9 с алмазной буровой коронкой 10 соединена со статорной частью

2,5,10 пружиной кручения 6.

Статорная часть с моментом инерции її и роторная часть с моментом инерции ь под действием электромагнитного момента ЭД МЭм перемещаются на углы ср, и ср2 соответственно в противоположных направлениях (рисунок 1,в).

■к

-М у12

-МЖТ2

М=Мэм

+ <р2

Рисунок 1- Конструктивные схемы: а) для очистки призабойных зон; б) для бурения донных пород и в) расчетная схема ДУБС:

I - грузонесущий кабель; 2 - кабельный замок; 3 - статор ЭД; 4 - упругий элемент (пружина кручения); 5 - крепеж пружины кручения; 7 -корпус ЭД; 8 - вал ротора ЭД; 9 - колонковая труба; 10 - буровая коронка;

II - бесконтактный датчик скорости ВВД

При работе на резонансной частоте электромеханической системы амплитуды колебаний имеют максимальные значения, а сумма моментов относительно оси вращения, действующих на эти

8

части, равна нулю, т.е. буровой снаряд является динамически уравновешенным. Давление на забой и момент сопротивления на буровой коронке определяется общей массой снаряда.

Для построения математической модели электромеханической системы ДУБС использовалось уравнение Лагранжа второго рода

¿1

дТ

Эд,

дт ди дп _ . , °Я1 дси Э<7,

(1)

где Т - кинетическая энергия системы, Дж; П - потенциальная энергия системы, Дж; Б - диссипативная функция системы (энергия вязкого трения), Дж; - обобщенные силы, п - число степеней свободы.

Записывая выражения для кинетической, потенциальной энергий и диссипативной функции системы и подставляя их в уравнение (1), после дифференцирования получим уравнения движения системы, приведенные к виду, удобному для создания имитационной модели:

М ц, . с с

<Р\ =-г-£т-<Р1—г-<Р1+ — -<Р2

А А

М я, . <Рг=-Г-*у-<Р2

»/ л «/ т

А А С -<Рг+~9.1

(2)

J■

Л

где М - электромагнитный момент двигателя, У2 моменты инерции статора и ротора соответственно, (рх, <рг — углы поворота статорной и роторной частей соответственно, , [12 - коэффициенты жидкостного трения статорной и роторной частей соответственно, с - коэффициент жесткости пружины кручения.

По динамическим параметрам можно определить собственную частоту при работе в нормальном режиме и парциальные

частоты Л^ и соответственно при заклинивании роторной и статорной частей. При этом:

Л, < Л^ < со0. (3)

Собственная частота 0)^ определиться выражением: 1

"0 = 2*

с^^кЩ І724.4-(0.36+0.032) _25Гц. ~2тс\ 0.36 0.032

Парциальная частота ^ при заклинивании статорной части

Л,=±11=±л1Ш = 23.9ГЦ. (5)

^ 2л-\ Л 2л: V 0.032

Аналогично для парциальной частоты \ при заклинивании

роторной части ДУБС (~> 00 ):

4 =± II = ±Щ = 7.1Гц- (6)

^ 2л: V, 2л: V 0.36 Таблица 1 - Параметры динамически уравновешенного бурового

^на^лдд ЛУ1-Д --------Г--"-—- Внешний диаметр бурового снаряда Б, м 0.117

Внешний диаметр буровой коронки Овнеш, м 0.046-0.059

Электромагнитный момент, Н м 60

Собственная частота колебаний ЭМС Гр, Гц 25

Амплитуда колебаний статора (рх, рад (град) 0.088 (5)

Момент инерции статорной части снаряда 7Ь кгм 0.36

Амплитуда колебания буровой коронки (р2, рад (град) 0.96 (55)

______—--т 2 Момент инерции роторной части снаряда кгм 0.032

Коэффициент жесткости пружины с, Н м/рад 724.4

Коэффициент эквивалентного вязкого трения ¡1, Н- м ■ с/рад______ 0.246

Значения парциальных частот получены с учетом динамическими параметрами ДУБС, в котором использованы погружной вентильный электродвигатель ВД16-117В5 с наружным диаметром 117 мм и алмазная буровая коронка диаметром 46-59 мм (таблица 1).

В таблице 1 значение J2 принято равным 0.032 кгм , что больше расчетного (0.01 кгм2). Это сделано для получения заданной собственной частоты £Р=25Гц и обеспечения подвижности статорной части ДУБС (размах 10 геом. градусов) для возможности разбурива-ния скважины при переходе в нее из водной части в ледовую.

Схема соединения обмоток статора (рисунок 26) позволяет получить колебания ротора относительно статора с размахом колебаний 180 геом. градусов. На рисунке 2а представлены потокосцеп-ления ротора и статора при подаче напряжения по выбранной схеме.

б)

В

и

У LvL -/

/ / ~

Рисунок 2-а) схемы потокосцеплений ротора и статора при начальной установке ротора (II) и различных направлениях токов в об,мотках статора (І), (III), б) схема соединений источника питания и обмоток статора авторезонансного вентильного электропривода возвратно - вращательного движения

Учитывая, что в рассматриваемом случае все обмотки размещены на статоре, а потокосцепление ротора определяется постоянными магнитами, то при определении электромагнитного момента в режиме установившихся вынужденных колебаний в электроприводе возвратно - вращательного движения удобно пользоваться выражением:

Мы =к\і//ях.уг^ = к-у/я-у/3віпр» (7)

где y/s - потокосцепление статора, y/R = Const - потокосцепление ротора.

Выражение для максимального электромагнитного момента при $>=90 геом. градусов (7) можно представить в виде:

Ммлх = км -1Н -Sin(pM\ <Рм=^'

где kl=kR-y/R; Vs^-P,

(8) (9)

Тогда электромагнитный

_ момент вентильного

і ¥ Х' электродвигателя можно

ІГТі представить в следующем виде:

- М = ±км-І-зіпЩ (10)

иупр _ '

Рисунок 3 - Осциллограммы токов статора I, напряжение датчика скорости возвратно - вращательного движения идс, управляющих импульсов на тиристорах иущ> в авторезонансном режиме

где км = I - ток статора,

1н

М

н

и 1Н - номинальные мо-

мент и ток соответственно, + ф - угол поворота ротора против хода стрелки часов, — <р - по

ходу стрелки часов.

Для обеспечения авторезонансных колебаний электромеханической системы ДУБС с погружным вентиль-

- &

Рисунок 4 - Схема управления авторезонансными колебаниями электропривода возвратно - вращательного движения: ДС-датчик скорости, К-компаратор, БУ-блок управления, У81 и УБ2-тиристоры, и У02- диоды, Ск - коммутирующая емкость, "А-Х", "С-г", "В-Г' - обмотки статора

ным электродвигателем принят способ управления (по патенту РФ № 2410826) изменением знака электромагнитного момента электродвигателя Мэм на каждом полупериоде колебаний в точках <р' = 0

Рисунок 5 - Аварийные режимы (заклинивание различных частей) ДУБС: а) роторной части ДУБС 02-*°° ЧКшх =0.088 рад, /Р =8.7 Гц); б) статорной

части ДУБС (7, °° , 9гшх =0.96 РЭД, /Р = 28.8 Гц)

синфазно со скоростью колебаний электромеханической системы ср', формируя с помощью датчика скорости ВВД и компаратора управляющий сигнал (рисунки 3,4,11, 13).

По уравнениям (2) создана имитационная модель (рисунок 12), на которой проведены исследования работы ДУБС в нормальном и аварийных режимах. Имитационная модель позволяет: 1) исследовать установившиеся резонансные колебания с нагрузкой и на холостом ходу с разомкнутой и замкнутой системами управления авторезонансного электропривода; 2) исследовать тормозные режимы авторезонансного электропривода при превышении амплитуды колебаний заданного значения; 3) задавать вид статической характеристики двигателя; 4) вычислять работу электромагнитного момента и моментов нагрузки за период колебаний; 5) проводить замену форм электромагнитного момента при условии равенства работ, производимых моментами, за период колебаний.

В ряде случаев при моделировании удобно применять прямоугольную форму электромагнитного момента вместо синусоидальной. Так, например, в работе при исследовании замкнутой системы указанная замена приводит к заметному упрощению имитационной модели. Для замены электромагнитного момента синусои-

дальной формы прямоугольным моментом при имитационном моделировании целесообразно воспользоваться коэффициентом Кп :

(И)

к

м.

101.0 ' 128.4

= 0.79'

где МПР - значение момента прямоугольной формы, Н- м; Мт -амплитудное значение момента синусоидальной формы, Н - м

2. Обоснование структуры и рациональных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряд для бурения донных пород в условиях озера Восток в Антарктиде.

Принципиальная схема электротехнического комплекса с динамически уравновешенным буровым снарядом на грузонесущем кабеле (рисунок 6) включает в себя следующие элементы: 1 - управляемый преобразователь переменного тока в постоянный; 2 - грузонесутций кабель ; 3 - центральная экранированная жила грузонесущего кабеля; 4 - ДУБС; 5 -обмотка датчика скорости; 6 - датчик забоя; СУ- система управления; ДТ -датчик тока; ДН - датчик напряжения; Ь - дроссель; и2 - напряжение на выходе инвертора.

Технические характеристики принятого погружного вентильного электродвигателя ВД16-117В5 при номинальной частоте вращения 3000 об/мин: мощность-16 кВт, напряже-ние-750 В,ток-15А, ток холостого хо-да-1А.

Уравнение электрического

Рисунок 6 - Функциональная схема электротехнического бурового комплекса

равновесия вторичнои цепи имеет вид (рисунок 6):

■К п;

и2 = Е +1 ■

Ц-Е Я,

= 1 = ^ зад = Соті;

(12)

Е = 1/20 ■ Бт (П(). При принятой резонансной частоте колебаний ротора 25Гц линейное напряжение электродвигателя должно быть снижено до 375В, а фазное - до 217В. Тогда напряжение питания электродвигателя при последовательном соединении обмоток статора составит 650В.

При определении сопротивления токопроводящих жил погружного грузонесущего кабеля принята расчетная температура 1В=-30°С. Для грузонесущего кабеля

КГ1х1,5+6x2,5-125-200 (рисунок 8) длиной 1=4500 м суммарное сопротивление токопроводящих жил (рисунки 6,7), питающего

электродвигатель, составит Кобщ=250м. Потери напряжения в погружной кабельной линии при номинальном токе составят:

Рисунок 7 - Принципиальная схема источника питания

А и = 1 ■ Ял =15-25 = 3755; и20~ЕМАХ =650 В;

(13)

/ = 25 Гц\1н =15 А.

Принимая предельное значение противоэдс Е равным напряжению питания электродвигателя при последовательном соединении обмоток статора

Рисунок 8 - Сечение грузонесущего кабеля КГІхІ,5+6x2,5-125-200

650В, номинальное вторичное напряжение трансформатора инвертора с учётом потерь в погружной линии 1025В.

В качестве преобразователя постоянного тока предполагается применение преобразователя серии ТР032 ЕУ-500-2В компании ОЕРІІАМ, которая недавно вышла на российский рынок. Преобразователь обладает следующими характеристиками: 1) номинальный выходной ток - 40А; 2) входное линейное напряжение переменного тока - 230.. .500 В; 3) частота питающей сети - 50/60 Гц; 4) выходное напряжение постоянного тока - 600 В

Для лабораторного макета (рисунок 15 а,б,в) использован электродвигатель с трехфазным статором от асинхронного электродвигателя АИР10082УЗ и разработанного и изготовленного магнитного ротора с одной парой полюсов (ООО «Экомаг», г. Владимир, Московская обл.) (рисунок 9).

Рисунок 9 - Элементы электродвигателя электропривода возвратно - вращательного движения: а) трехфазный статор; б) ротор с возбуждением от постоянных магнитов

Ш-Ре-В (р=1)

Таблица 2 - Значение величин электромагнитного момента в зависимости от угла поворота ротора при номинальном токе 1=8А.

ф, град 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Мэм,Нм 0 0,7 2,3 4,7 6,5 9,7 10,9 11,5 12,6 13,2

<р, град 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Мэм,Нм 12,7 12,2 11,7 11,0 9,8 6,2 4,7 0,8 0,0

і

б)

Рисунок 10 - Осциллограммы токов и напряжений при работе с разомкнутой системой управления при задании частоты 12 Гц от ГСС (рис.а) и в режиме авторезонанса на холостом ходу с частотой 14 Гц (рис.б): 1-напряжение датчика скорости, 2-напряжение коммутирующего конденсатора, 3-напряжение на тиристоре, 4-напряжение рабочей обмотки, 5-ток обмотки возбуждения, б-ток силового тиристора, 7-ток коммутирующего конденсатора, 8-ток силового тиристора

Рисунок 11 - Принципиальная схема лабораторного стенда: РЫТ - лабораторный трёхфазный автотрансформатор, ВМ выпрямительный мост, VI - вольтметр, А1, А2 и АЗ - амперметры; АХ, ВУ, CZ - статорные обмотки АД; Як - реостат, имитирующий сопротивление грузомссущего кабеля; Ьк- дроссель; VII) 1 и \Т)2 - диоды; Ск - коммутирующие ёмкость, УТ1 и УТ2 - коммутирующие тиристоры; ВА - компаратор; ГСС - генератор специальных сигналов; ДС - датчик скорости; 1-2-3-4 -датчики напряжения. 5-6-7-8 - датчики тока.

Рисунок 12 - Имитационная модель динамически уравновешенного бурового снаряда с вентильным электродвигателем: 1 - блок моделирования для статорной части ЭД ; 2 - блок моделирования для роторной части \ 3 - блоки выделения точек (р = 0 (компаратор) и формирования электромагнитного момента прямоугольной формы; 4 -блок задания момента инерции статорной части Л; 5 - блок задания момента инерции роторной части 12; б - блок задания коэффициента жесткости С.

Рисунок 13 - Бесконтактный датчик скорости, А); схемы соединения статорных обмоток датчика, Б)

Рисунок 15 - Макет динамически уравновешенного бурового снаряда: а) лабораторный физический макет: 1-гру зо несущий кабель, 2-статорная труба, 3-электродвигатель с магнитным ротором, 4-колонковая труба, 5-алмазная буровая коронка, 6-цементный забой, 7-система управления, 8-датчики тока, 9-датчики напряжения, 10-генератор сигналов, 11-осциллографы, 12-источники питания системы управления и датчиков, 13-контрольно-измерительная аппаратура, 14-наборные панели, 15-реостаты; б) колонковая труба с искусственным забоем (3 различные плотности среды); в) керн и скважина в полнотелом кирпиче марки М-150.

Максимальный электромагнитный момент мМАХ =13,2 Я ■ м при положении оси симметрии потокосцепления ротора перпендикулярно относительно оси симметрии потокосцепления статора, что приблизительно равно номинальному моменту (рисунок 14 6).

Осреднение на каждом интервале выполнено в приложении Microsoft Excel при помощи полиноминальной аппроксимации экспериментальных данных (рисунок 14а).

а) зависимость электромагнитного момента от угла поворота ротора вентильного

электродвигателя при номинальном токе 1=8А

б) схема экспериментального определения электромагнитного момента лаборатор-

ного электродвигателя: Б-динамометр

Для реализации замкнутой системы управления электроприводом возвратно-вращательного движения с обеспечением незатухающий резонансных автоколебаний разработан и изготовлен в двух вариантах (рисунок 13) датчик скорости ВВД (заявка на патент РФ №2012104936.Решение о выдаче патента РФ от 03.04.2013г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, в которой приведены теоретические и экспериментальные положения, представляющие совокупность научно-технических решений задачи по выбору параметров электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с вентильным авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения, внедрение которых в практику буровых работ вносят значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области колонкового бурения и позволяют создавать новые буровые комплексы, обладающие существенно большей эффективностью.

Основные научные и практические выводы и рекомендации:

1. Математическая модель позволяет проводить анализ нормальных, анормальных и аварийных режимов работы динамически уравновешенного бурового снаряда, а также определять основные динамические параметры при заданных технологических (частота, амплитуда колебаний ротора, работа за период силам резания на буровой коронке).

2. Статический электромагнитный момент погружного вентильного электродвигателя определяется выражением: М=±км 1Бтгде км = МНДН, I - стабилизированный ток статора, + (р - угол поворота ротора против хода стрелки часов, - ф - по

ходу стрелки часов, М , и I - номинальные момент и ток соответ-

н н

ственно.

3. Максимальный электромагнитный момент экспериментального лабораторного вентильного электродвигателя (в положении ф= 90 геом. градусов) при включении обмоток статора последовательно для получения размаха колебаний 180 геом. градусов равен 13,2 Нм, т.е. приблизительно равен номинальному (с ошибкой менее 5 процентов).

4. Имитационная модель динамически уравновешенного бурового снаряда позволяет анализировать нормальные режимы при различных нагрузках вязкого, сухого трений и их комбинаций со случайной составляющей нагрузки, а также аварийные режимы (заклинивание статорной части или буровой коронки).

5. Применяемые при моделировании вычислители работ за период электромагнитного момента и моментов нагрузки на буровой коронке (сухое, вязкое трения, случайная составляющая момента нагрузки) позволяют: исследовать процессы в ЭМС ДУБС; выбирать требуемый нетрадиционный электропривод для работы в авторезонансном режиме; проводить сравнительную оценку работ электромагнитных моментов различной формы (прямоугольный, синусоидальный и электромагнитный момент ЭД с явнополюсным ротором).

6. Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом для бурения донных пород подлед-никовых водоемов включает в себя: геофизический подъемник с ка-натоемкостью не менее 4500м, регулируемый преобразователь постоянного тока ОБРЫДЫ серии ТРБ32 ЕУ-500-2В, работающий в режиме источника тока и однофазного инвертора тока с выходным трансформатором с коэффициентом трансформации 2,0-2,2 , динамически уравновешенный буровой снаряд с авторезонансным вентильным двигателем типа ВД16 - 117В5, грузонесущий кабель типа КГ1х1,5+6x2,5-125-200 длиной 4500 м, колонковую трубу с алмазной буровой коронкой длиной 1,0-1,5 м и диаметром 46-59 мм.

7. В системе управления авторезонансными колебаниям для формирования управляющего сигнала в моменты времени, когда скорость колебаний равна нулю, использован компаратор КОЗ 11, на вход которого подключена обмотка датчика скорости возвратно -вращательного движениях выходным напряжением до 4В.

8. Дальнейшие работы по совершенствованию электропривода возвратно-вращательного движения ДУБС следует направить на разработку натурных источников питания с погружными вентильными электродвигателями.

Основные результаты диссертации представлены в следующих печатных работах:

1. Губарь Н.С. Имитационная модель динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным вентильным электроприводом. / Э.А. Загривный, Н.С. Губарь, Басин Г.Г.// Электронный журнал «Нефтегазовое дело». г.Уфа, №1, 2013г. - С.190-198Л http://ww.ogbus.ru/authors/ZagrivniyEA/ZagrivniyEA_l.pdf.

2. Губарь Н.С. Бесконтактный датчик скорости возвратно - вращательных движений ротора и области его применения./ Э.А. Загривный, Н.С. Губарь, Д.А. Поддубный.// «Современные проблемы науки и образования»// г. Саратов, №3, 2013г.//http://www.science-education.ru/109-9159.

3. Губарь Н.С. ДУБС на грузонесущем кабеле с вентильным электроприводом возвратно - вращательного движения. / Э.А. Загривный, Н.С. Губарь.// Международная научно - практическая интернет - конференция 8\\^ог1с1 «Достижения современной науки». Украина, г. Одесса, 2011г. - С.34-39.

4. Губарь Н.С. Методика определения динамических и технологических параметров динамически уравновешенного бурового снаряда. / Э.А. Загривный, Н.С. Губарь.// Труды 11 международной научно - практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута, 2013г. - С.402-407.

5. Губарь Н.С. Вентильный электропривод возвратно - вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. / Э.А. Загривный, Н.С. Губарь // Материалы ХУП Всероссийской научно - технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». Изд-во «СПБ Графике» г. Томск, 2011г. - С.28-31.

6. Губарь Н.С. Лабораторные экспериментальные исследования динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения. / Э.А. Загривный, Н.С. Губарь, Д.А. Поддубный.// «Народное хозяйство республики Коми»// г. Воркута, №1, 2013г. - С.39-44.

РИЦ Горного университета. 31.05.2013. 3.328. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО - СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

0420136021 ^

ГУБАРЬ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИ УРАВНОВЕШЕННОГО БУРОВОГО СНАРЯДА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ ДОННЫХ ПОРОД ПОДЛЕДНИКОВЫХ ВОДОЕМОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Загривный Эдуард Анатольевич

Санкт-Петербург -2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1 Краткий обзор состояния теории, практики и перспектив применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле........................................................................................................6

1.1 Конструкции известных зарубежных буровых снарядов на грузонесущем кабеле..............6

1.2 Отечественный опыт применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле....................8

1.3 Работы по бурению ледников за рубежом...............................................................................11

1.4 Известные динамически уравновешенные буровые снаряды на грузонесущем кабеле.....13

1.5 Погружные электродвигатели...................................................................................................18

1.6 Морское бурение........................................................................................................................25

1.7 Донная устьевая платформа......................................................................................................28

1.8 Озеро Восток — крупнейший подледниковый водоём в Антарктиде..................................31

Выводы к первой главе....................................................................................................................39

Цели и задачи исследования...........................................................................................................39

ГЛАВА 2 Теоретические исследования электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным вентильным электроприводом..................................................................................................................................41

2.1 Предварительные замечания.....................................................................................................41

2.2 Динамически уравновешенный буровой снаряд.....................................................................42

2.3 Расчетная схема динамически уравновешенного бурового снаряда....................................43

2.4 Математическое описание электромеханической системы ДУБС.......................................45

2.5 Формирование электромагнитного момента вентильного электродвигателя......................48

2.6 Способ управления авторезонансными колебаниями............................................................50

2.7 Датчик скорости возвратно - вращательного движения........................................................51

2.8 Методика расчета и определение основных параметров ДУБС............................................57

2.9 Методика расчета и определение параметров упругого элемента........................................62

2.10 Грузонесущий кабель и его параметры..................................................................................64

2.11 Структура и состав электротехнического комплекса для бурения донных пород озера

Восток................................................................................................................................................68

Выводы ко второй главе..................................................................................................................72

ГЛАВА 3 Имитационное моделирование динамически уравновешенного бурового снаряда на

грузонесущем кабеле с вентильным электроприводом....................................................................73

Выводы к третьей главе:..................................................................................................................81

ГЛАВА 4 Лабораторные исследования режимов физического макета динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с вентильным электроприводом. 82

4.1 Лабораторная установка............................................................................................................82

4.2 Экспериментальное определение электромагнитного момента электродвигателя с магнитным ротором и трехфазным статором при формировании электромагнитного момента тремя рабочими обмотками.............................................................................................................85

4.3 Принципиальная схема лабораторного макета.....................................................................103

4.4 Исследование разомкнутой системы управления.................................................................103

4.5 Исследование замкнутой системы управления.....................................................................107

Выводы к четвертой главе:............................................................................................................116

Заключение.........................................................................................................................................117

Список литературы............................................................................................................................119

Введение

Электротехнические комплексы на основе электромеханических колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле широко применяются при бурении ледников в Арктике, Антарктиде, Гренландии и др. К достоинствам этих комплексов можно отнести отсутствие бурильных колонн, высокую мобильность, низкую металлоёмкость. Электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле, разработанным в «Национальном минерально - сырьевом университете «Горный» (НМСУ «Горный»), запатентованным в РФ и изготовленным в России, получены наивысшие мировые результаты при бурении скважины в Антарктиде на станции Восток: 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 метра было вскрыто крупнейшее подледниковое озеро Восток. При бурении слабосвязанных пород и интервалов с кавернами подобные снаряды становятся неработоспособными из-за потери возможности компенсировать реактивный момент, возникающий при работе буровой коронки на забое.

Динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки, разрабатываемые в НМСУ «Горный», не требуют применения редукторов и распорных устройств, могут применяться для вскрытия продуктивных пластов, очистки призабойных зон нефтяных и газовых добычных скважин. Кроме того, динамически уравновешенные буровые снаряды на грузонесущем кабеле могут использоваться для взятия донных проб рек, озер, морей и океанов, что является актуальным. Решение задачи бурения донных пород электромеханическими колонковыми буровыми снарядами на грузонесущем кабеле без применения распорных устройств стало особенно актуальным после вскрытия подледникового озера Восток. Поэтому обоснование структуры и основных параметров элементов электротехнического комплекса для бурения донных пород уникального подледникового озера Восток является актуальной. В научных литературных источниках работ по исследованию динамически уравновешенных буровых снарядов с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного

движения буровой коронки не обнаружено (кроме работ, выполненных по указанной тематике в НМСУ «Горный»).

Цель работы - обоснование структуры и основных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки для бурения донных пород уникального подледникового водоёма - озера Восток в Антарктиде

Идея работы состоит в использовании в составе электротехнического комплекса на основе для бурения донных пород подледникового озера Восток в Антарктиде вентильного электродвигателя со схемой включения обмоток статора, обеспечивающей размах колебаний ротора 180 геом. градусов, что приводит к уменьшению количества токопроводящих жил для электропитания статорных обмоток до двух и исключению применения силовых диодов в буровом снаряде.

Научная новизна:

1. Зависимость статического электромагнитного момента погружного вентильного ЭД со схемой включения статорных обмоток, обеспечивающей размах колебаний ротора 180 геом. градусов, от тока статора, угла поворота ротора относительно статора и параметров электродвигателя.

2. Структура источника питания вентильного электродвигателя в авторезонансном электроприводе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле

Защищаемые научные положения:

1. Математическая и имитационная модели вентильного авторезонансного электропривода возвратно - вращательного движения электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов.

2. Обоснование структуры и рациональных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряд для бурения донных пород озера Восток в Антарктиде.

Методы исследований. Анализ проведенных ранее выполненных исследований по данной тематике; теоретические исследования электрической и механической частей бурового снаряда; использование программы MatLab при имитационном моделировании электротехнической системы; анализ результатов моделирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической электромеханики, теории автоматизированного электропривода, методов моделирования с применением ЭВМ. Показано, что сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований не хуже 90-95 %.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Системы управления авторезонансным вентильным электроприводом динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле;

2. Имитационной модели электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда с авторезонансным вентильным электроприводом на грузонесущем кабеле.

Работа базируется на результатах исследований Асташева В.К., Васильева Н.И., Горшкова J1.K., Кудряшова Б.Б., Загривного Э.А., Луковникова В.И., Мандельштама Л.И., Нагаева Р.Ф., Чистякова В.К., Тимошенко С.П., Усынина Ю.С., Шестакова В.М., Фоменко Ф.Н., Яблонского A.A., и др.

ГЛАВА 1 Краткий обзор состояния теории, практики и перспектив применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле

1.1 Конструкции известных зарубежных буровых снарядов на грузонесущем

кабеле

К настоящему времени известны три работоспособные конструкции электромеханических буровых снарядов на грузонесущем кабеле. К ним относятся американский буровой снаряд СЮ1ЕЬ, использованный при бурении на станции Бэрд в Антарктиде, буровой снаряд 18Т1Ж, разработанный датскими и швейцарскими специалистами, применённый при бурении в Гренландии, и французский буровой снаряд, испытанный в районе Земли Адели в Антарктиде[29, 31].

Первый колонковый электромеханический снаряд на основе электробура А. Арутюнова был разработан Научно-исследовательской лабораторией холодных районов инженерного корпуса армии США при поддержке Национального научного фонда. Колонковый электромеханический снаряд СЯКЕЬ состоит из следующих основных узлов: кабельного замка с токосъёмником, инклиномера, распорного устройства, бака, приводного электродвигателя, насоса, редуктора и колонковой трубы с коронкой. Буровой снаряд подвешен на грузонесущем кабеле диаметром 25,4 мм с двойным слоем брони, тремя силовыми проводами и девятью сигнальными. Удельная масса кабеля 2,09 кг/м, разрывное усилие 3,2'105 Н. Основной особенностью технологии бурения снарядом СКЯЕЬ является то, что шлам, образующийся в процессе бурения, удаляется растворением его в водном растворе этиленгликоля. Способ удаления шлама путём его растворения в этиленгликоле, использованный американскими специалистами при бурении снарядом С1И1ЕЬ, может быть применён лишь при проходке скважин в ледовых толщах с температурой не ниже -30°С, так как при более низких температурах трудности обеспечения необходимой концентрации этиленгликоля для растворения ледяного шлама делают его применение малоэффективным и ненадёжным [14].

Оригинальная разработка по созданию колонкового электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения глубоких, залитых жидкостью скважин в низкотемпературных ледниковых толщах ISTUK проведена в Геофизической изотопной лаборатории Университета Копенгагена (Дания) [14, 30].

Отличительной особенностью новой системы электромеханического колонкового снаряда является передача электроэнергии по кабелю с использованием в снаряде электрических аккумуляторов как накопителей энергии. Это позволило при проектировании грузонесущего кабеля учитывать не пиковый расход электроэнергии, а средний и, так как среднее время бурения за рейс около 6 мин, а средняя продолжительность спускоподъёмных операций при глубине скважины 3500 м составляет 1 ч, оказалось возможным использовать грузонесущий кабель диаметром 6,4 мм. Применение микропроцессоров (в снаряде и в пульте управления) позволило существенно облегчить управление процессом бурения и повысило надёжность работы снаряда.

Общая длина снаряда 11,5 м, диаметр бурения 129,5 мм, диаметр керна 102,3 мм. Масса снаряда 180 кг. Средняя длина рейса 2,2 мВ качестве грузонесущего кабеля использован четырёхжильный армированный кабель в тефлоновой изоляции. Диаметр кабеля 6,45 мм, максимальное разрывное усилие 24940 Н, удель ная масса 153 кг/км, электросопротивление стальной оплётки 11,5 Ом/км, четырёх жил, соединённых параллельно, 16,7 Ом/км. Максимальное напряжение 300В (постоянный ток), максимальное напряжение при эксплуатации 200В. Бурение велось в залитой жидкостью скважине. В качестве низкотемпературной жидкости использовалась смесь реактивного топлива Jet А-1 (аналог ТС-1 - топливо самолётное (беспарафинный керосин)) и перхлорэтилена (PCE). В буровом снаряде ISTUK из-за нестабильности процесса удаления шлама применяется сложная система регулирования режима бурения, включающая компьютер, размещённый в буровом снаряде. Весьма оригинальная кинематическая схема существенно усложнила конструкцию, что увеличило стоимость изготовления и осложнило эксплуатацию всего оборудования[14, 30].

ІЬ

1

ш

2

В Гляциологической и геофизической лаборатории национального центра научных исследований (Гренобль, Франция) был разработан малогабаритный электромеханический снаряд, опробованный в 1978-79 гг. на Куполе С

(Антарктида). Снаряд состоит из колонкового набора, центробежного насоса с приводом от электродвигателя постоянного тока, приводного электродвигателя постоянного тока и кабельного замка с распорным механизмом[30].

Общим недостатком перечисленных буровых снарядов является зависимость интенсивности удаления шлама от частоты вращения породоразрушающего инструмента, что не позволяет регулировать процесс породы в забое. Это приводит к значительным осложнениям в процессе бурения из-за скопления шлама в призабойной зоне, снижает среднюю механическую скорость бурения, рейсовую проходку, требует дополнительных мероприятий для очистки скважин от шлама, что в значительной мере отражается на эффективности и возможностях самого способа бурения.

1.2 Отечественный опыт применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле

Разработанный в НМСУ «Горный» колонковый электромеханический буровой снаряд предназначен для завершения скважины, пройденной термобуровыми снарядами, с прохождением переходной зоны и последующим выходом в подледниковые породы. В связи с необходимостью снижения затрат энергии на бурение при глубине скважины 1500 м производится переход на применение снаряда меньшего диаметра, в качестве которого используется высокочастотный термобуровой снаряд ТБС 112ВЧ с диаметром коронки 112 мм. Для механического бурового снаряда принят номинальный диаметр коронки 112 мм и диаметр снаряда, соответствующий

12

Л.

п

17

Рисунок 1.1 -Колонковый электромеханический буровой снаряд КЭМС-132

стандарту на буровые трубы, 108 мм. Снаряду присвоен шифр КЭМС-112 (колонковый электромеханический снаряд для бурения скважин диаметром 112 мм). При переходе на бурение скважины 5Г принят диаметр скважины 132мм, а буровой снаряд получил шифр КЭМС-132 (рисунок 1.1). Он включает в себя колонковый набор, состоящий из коронки с кернорвателем 20, колонковой трубы 19, которая может быть выполнена двойной, шламосборника, состоящего из наружной трубы 17, переходного ниппеля 18, съёмного корпуса 17 и фильтра 15 с перфорированной по всей длине трубой 16. Колонковый набор соединён с приводным узлом, включающим в себя редуктор 13 с полым приводным валом 12, вращение на который передаётся от полого вала ротора 10 электродвигателя 11, к верхнему торцу которого крепится насосный отсек 9 с насосом 8. На верхнем торце приводного узла расположен датчик момента 7, соединяющийся с распорным устройством 6. Над распорным устройством устанавливается ударное устройство 5, к подвижной части 4 которого крепится электроотсек 3 с вращающимся токосъёмником. Электроотсек соединён с кабельным замком 2, в котором закрепля�