CC BY
11
УДК 621.398
С.С.СТАРОДЕД
аспирант кафедры электротехники и электромеханики
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОЛОНКОВЫЙ БУРОВОЙ СНАРЯД НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИЗАБОЙНЫХ
ЗОН НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Рассмотрен электромеханический колонковый динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле, его назначение, область применения, конструктивная и расчетная схемы, математическая модель, структурная схема замкнутой системы положительной обратной связью.
The paper studies a dynamically-balanced electromechanical core drilling tool on a carrying cable, its purpose and the area of its application, construction and design diagrams, a mathematical model and a block scheme of the closed system with positive feedback.
При разработке нефтяных месторождений значительное число нефтяных пластов склонно к выносу песка в призабойную зону добычных скважин, а также к образованию в этих зонах пробок из асфальтосмолистых парафиновых отложений (АСПО). Это приводит к снижению дебита скважин в несколько раз. Так, например, по этой причине при разработке некоторых нефтяных месторождений высоковязких нефтей в Республике Коми дебит добычных скважин снижается в 3-4 раза [1]. Кроме того, при разработке месторождений высоковязких нефтей тепловыми методами для постановки в зону продуктивного пласта различных скважин-ных электротермических устройств (электронагревателей и электропарогенераторов), разработка которых ведется в СПГГИ (ТУ), необходимо иметь гарантированную чистоту и проектный диаметр призабойной зоны обрабатываемых скважин. Поэтому задача разработки активного инструмента для очистки призабойной зоны обрабатываемых скважин, каким является предлагаемый буровой снаряд (рис.1) на грузонесущем кабеле, чрезвычайно актуальна.
В качестве электропривода могут быть использованы асинхронные короткозамкну-тые, вентильно-индукторные, синхронные с постоянными магнитами электродвигатели.
Буровой снаряд представляет собой двухмассовую электромеханическую систе-
му [2]. Статор и ротор соединены упругим элементом (торсионом) и совершают возвратно-вращательные движения вокруг оси скважины относительно неподвижного узлового сечения А-А под действием знакопеременного момента электродвигателя с собственной частотой системы. Давление на забой и момент сопротивления на коронке определяются общей массой снаряда.
На расчетной схеме упругий элемент (торсион) представлен невесомым валом длиной l (рис.1, б). Под действием момента электромеханического преобразователя Mд масса с моментом инерции J1 перемещается в направлении действия момента Mд на угол ф1 в неподвижной системе координат. Под действием этого же момента масса J2 поворачивается на угол ф2 в противоположном направлении. Узловое сечение А-А на расстоянии а от J1 и b от J2, неподвижно, относительно него происходит вращение верхней и нижней массы. Со стороны упругого элемента на массы J1 и J2 действуют упругие моменты Ыу12 = M3,21, которые определяются коэффициентом жесткости и углом закручивания торсиона. На J2 (нижняя часть снаряда) со стороны забоя на буровую коронку и колонковую трубу действует момент сопротивления Mc, который в расчете представлен аддитивной комбинацией моментов вязкого и сухого трений Ытр, соответственно Мж.т2 и Мс.
Санкт-Петербург. 2007
IK
к6 5
10 6
9 -M = Мд'
8 —My2i '
7 -Мж.т1 '
-Ф1 '
Ро,
\/
4
А-А
1\ А
1
M = Мд
Рис.1. Электромеханический динамически уравновешенный колонковый буровой снаряд: а - конструктивная схема; б - расчетная схема 1 - буровая коронка; 2 - колонковая труба; 3, 6 - подшипниковые узлы; 4 - статор ЭД; 5 - ротор электродвигателя; 7 - верхняя труба; 8 - упругий элемент; 9 - кабельный замок; 10 - грузонесущий кабель
Рис.2. Структурная схема замкнутой системы с положительной обратной связью по скорости - электромеханический преобразователь энергии; Ш2 - механическая система; К - коэффициент передачи положительной обратной связи по скорости
Энергия, потребляемая из сети, при работе на резонансной частоте рассматриваемой электромеханической системы расходуется на совершение работы с моментом сопротивления на коронке и на покрытие потерь трения. На поддержание колебаний на резонансной частоте при высокой добротности колебательной системы энергии извне практически не требуется, чем и объясняется высокий КПД резонансных машин.
Математическая модель рассматриваемой системы может быть получена с помощью уравнений Лагранжа, которые дают наиболее общую форму записи дифферен-
циальных уравнении движения голономных систем в обобщенных координатах:
d_ dt
í qt Л
А',
-—=а dqt
(1)
где Т - кинетическая энергия системы; Qi -обобщенная сила, i = 1, 2, 3 ... п; qj - обобщенная координата ^ = ф1; q2 = ф2).
После определения Т, Qi и преобразований уравнения (1) примут вид
и с , ч M M f21
фт-т (Ф2-Ф1) = - -у+—г^;
„ С , , I Mc Ф2 + ~(Ф2 -фт) = ^---
(2)
J
J2 J 2
где фт' ф2 - угол поворота статорнои и ро-
торной части соответственно; M
Ж.01 :
I
и
М - моменты жидкого, сухого трений и электромагнитного электродвигателя; , - моменты инерции статорной и роторной частей соответственно; с - коэффициент жесткости торсиона.
Принимая ф = ф1 - ф2, получим
ф" + цф' + Qo ф = yM'
(3)
где О - собственная частота электромехани-
ческой системы, Q° = с
JT + J
2 .
J1J 2
; y =
Jl + J2 . J1J2
M = M ¡ sin raí; ц - коэффициент эквивалентного вязкого трения.
Для определения амплитуд вынужденных колебаний системы с сухим трением из условий равенства работ сил сухого и эквивалентного вязкого трения коэффициент вязкого трения [3]
4'4M J
(4)
лАга(/т + J2 )J2
При действии на массы JT и J2 разнонаправленных моментов Мт = М2 = М углы поворотов этих масс относительно сечения А-А определяются соотношениями
Фт =
Ф J2
Jl + J2
; Ф 2 =
Ф J1
Jl + J 2
(5)
Для того чтобы воспользоваться методом передаточных функций, который позво-
3
2
Рис.3. Схема работы установки УМБ-130 (http;//ggf.donntu.edu.ua/caf/ttgr/russian/razrab/umb.htm.): а - спуск бурового снаряда; б - проходка первого интервала скважины; в - проходка последующих интервалов скважины; г - при замене
бурового снаряда с гидроударником на колонковый ДУБС 1 - канифас-блок, устанавливаемый на грузовой стреле; 2 - шланг; 3 - блоки направляющего каната; 4 - ролик компенсирующего груза; 5 - компенсирующий груз; 6 - направляющие канаты; 7 - погружной буровой снаряд; 8 - хомут; 9 - основание опоры; 10 - короткая обсадная (направляющая) труба; 11 - скобы для соединения
каната и шланга
ляет получить все динамические характеристики системы, уравнения (3) в операторной форме запишем в виде
Ф( б)(р2 + цр + О02 )=уМ (б). (6)
Передаточная функция разомкнутой системы
Wфб (р ) =
У
ф( р)
М (р) р 0 + ц р + ц
о______о • (7)
Передаточная функция замкнутой положительной обратной связью системы
Жф¥( б) =
Жф (б)
1 - Жф (р) Кф
р0 + (ц-уК)р + '
(8)
Из (8) видно, что при К = ц / у система вырождается в консервативное звено, обладающее колебательной устойчивостью.
Для обеспечения устойчивой работы системы в автоколебательном режиме необходимо коэффициент передачи положительной обратной связи К изменять в соответствии с (4) в зависимости от момента сопротивления на буровой коронке (рис.0).
Следует также отметить, что снаряд может использоваться для взятия проб со дна Мирового океана и бурения ледников (Антарктида, Арктика и др.). В настоящее время известны погружные гидроударные установки серии УМБ-130 для многорейсового бурения подводных скважин глубиной до 35 м при геолого-разведочных работах на шельфе (рис.3), в частности, при инженерно-геологических изысканиях с неспециализированных судов. В установке используется буровой снаряд с гидроударником, поэтому он позволяет брать только донные пробы ила, глины, песка, но не может брать пробы скальных пород.
Применение в установке УМБ-130 колонкового динамически уравновешенного
У
- 107
Санкт-Петербург. 2007
бурового снаряда позволит брать донные пробы скальных пород, что существенно расширит область применения легких буровых установок на неспециализированных судах на шельфовых нефтяных и газовых месторождениях.
Колонковый динамически уравновешенный буровой снаряд можно рекомендовать к применению в следующих случаях:
1) для очистки призабойных зон скважин для увеличения нефтеотдачи пластов, склонных к пескопроявлению и образованию пробок из асфальтосмолистых парафиновых отложений;
2) для бурения подводных скважин на шельфовых месторождениях нефти и газа
Научный руководитель д.т.н. проф. Э.А.!
глубиной свыше 30 м с отбором керна скальных пород с неспециализированных судов;
3) для бурения ледовых отложений в Антарктиде, Арктике и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Паненко И.А. Повышение нефтеотдачи пластов месторождений на поздней стадии разработки // Нефтяное хозяйство. 1993. № 4.
2. Пат. 2228420 РФ. МКИ3 Е 21 В 4/04. Колонковый буровой снаряд с электрическим приводом / Э.А.Загривный, В.А.Соловьев. Заявл. 08.07.02. Опубл. 10.05.04. Бюл. № 13.
3. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле: Пер. с англ. / С.П.Тимошенко, У.Уивер, Д.Х.Янг / Под. ред. Э.И.Григолюка. М: Машиностроение, 1985.
