Мобильный комплекс для очистки призабойных зон скважин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.313.333:622.242

В.А.СОЛОВЬЕВ, Э.А.ЗАГРИВНЫЙ

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)

МОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИЗАБОЙНЫХ ЗОН СКВАЖИН

Исследуется мобильный комплекс, предназначенный для очистки призабойных зон нефтяных, газовых и водозаборных скважин от песка и других отложений, а также для вскрытия продуктивных пластов с полным отбором керна и для взятия донных проб озер, рек, морей и океанов, бурения ледников.

In article the mobile complex intended for clearing bottom of zones oil, gas and water-supply wells from sand and other adjournment, and also for opening productive layers with full selection of a core and for a capture of ground tests of lakes, the rivers, the seas and oceans, drilling of glaciers is investigated.

Образование в призабойной зоне нефтяных и газовых скважин пробок из песчаных и асфальтосмолистых парафиновых отложений (АСПО) приводит к снижению дебита скважин в несколько раз, а впоследствии и к выводу указанных скважин из основного фонда. Существующие методы очистки скважин дорогостоящие и малоэффективные. Поэтому задача разработки мобильного очистного комплекса для очистки призабойной зоны обрабатываемых скважин, в основе которого лежит динамически уравновешенный буровой снаряд на грузо-несущем кабеле, является актуальной.

Отличительной особенностью представленного бурового снаряда от известных является то, что отсутствует редуктор и распорная система, воспринимающая реактивный момент при работе коронки на забое, что упрощает конструкцию и обеспечивает надежную работу снаряда в металлической обсадной колонне и на дне водоемов [3].

Буровой снаряд представляет собой двухмассовую механическую систему. Статор и ротор соединены упругим элементом, торсионом, в результате чего ротор не вращается, а совершает возвратно-вращательные движения вокруг оси скважины на резонансной частоте механической системы.

В статье изложены теоретические исследования электромеханической системы,

150 -

целью которых является установление зависимости угла поворота коронки ф2 на резонансной частоте Q электромеханической системы от заданных диаметра коронки D, давления на забой P, момента на валу электрической машины М:

ф2 = f(D, P, М, Q).

На расчетной схеме (рис.1, б) упругий элемент (торсион) представлен невесомым валом длиной l. Под действием момента электромеханического преобразователя Мд масса с моментом инерции J1 перемещается в направлении действия момента Мд на угол ф! в неподвижной системе координат. Под действием этого же момента Мд масса J2 поворачивается на угол ф2 в противоположном направлении. Узловое сечение А-А на расстоянии а от Ji и b от J2, остается неподвижным, относительно него происходит вращение верхней и нижней массы.

Со стороны упругого элемента (тор-сиона) на массы J1 и J2 действуют упругие моменты Му12 = Му21, которые определяются коэффициентом жесткости и углом закручивания торсиона. На J2 (нижняя часть снаряда) со стороны коронки и колонковой трубы действует момент сопротивления Мс, на J1 (верхняя часть снаряда) действует аддитивная комбинации вязкого и сухого трения М-ф, соответственно Мжт2 и Мс.

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.178

На статор двигателя подается напряжение, магнитное поле которого изменяет направление своего вращение на частоте резонанса механической системы. Энергия, потребляемая из сети, при работе на резонансной частоте 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 [1].

Уравнение движения механической системы в операторной форме имеет вид:

Ф( р)( p 2 + цр + □ 2) -уМ (p),

(1)

где М - момент двигателя, Н-м; ц - коэффициент эквивалентного вязкого трения, Н-м; Ф - полный угол закручивания торсиона, рад; у - конструктивный коэффициент, 1/(кг-м2); □ 0 - резонансная частота механической системы, Гц.

При исследовании динамики систем с изменением электромагнитного момента в пределах линейной части механической характеристики асинхронного двигателя (АД) при питании от преобразователя частоты целесообразно воспользоваться обобщенным уравнением динамики электромеханической системы - 0,8Më < M < 0,8Më, обладающим линейным рабочим участком механической характеристики.

Уравнение динамики при частотном управлении АД имеет вид:

^ ^ + м + рф' = рШо(/), (2)

ш

где Т^ - электромагнитная постоянная времени; р - модуль жесткости линеаризованной статической характеристики; ) -угловая скорость вращения электромагнитного поля, пропорциональная частоте /х(}) напряжения статора АД.

Уравнения (1) и (2) отражают движение электромеханической системы с разомкнутой системой управления электрической машиной, система уравнений которой имеет вид:

б

- М = Мд

+Му21^

4 +Мжт1

5

3

Р,

-Ф1

А-А

I

^2

"Г—

- Му12

-МЖт2

-Мст

" М = Мд

+ Ф2

чтт

Рис.1. Динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле: а - конструктивная схема, б - расчетная схема

1 - грузонесущий кабель; 2 - кабельный замок; 3 - упругий элемент; 4 - статорная часть (неподвижная); 5 - подшипниковый узел; 6 - ротор электродвигателя; 7 - статор электродвигателя; 8 - подшипниковый узел; 9 - керноприемная труба; 10 - коронка

Г Ф( р )рр+м (р)(т р+1) = р®0( Р); 1ф( р)(р2 + цр + о2) -ум (р) = 0.

(3)

На данном этапе исследований интересен анализ установившихся вынужденных колебаний системы под действием движущего момента, изменяющегося по гармоническому закону. Решение подобных задач удобно выполнять методом передаточных функций, хорошо развитым в теории автоматического управления и в теории автоматизированного электропривода [4, 5].

Поделив систему уравнений (3) на ш0( р), получим:

апЖф (р) + апЩ( р) = Р;

(р) + а^Л р) = 0,

(4)

где а>1 = р2 +цр+02; аи - рр; а1? - 7 р +1);

а22 - -у; К (р)

ф( р) м р)

передаточная _ 151

Санкт-Петербург. 2008

а

Ь

9

Рис.2. Имитационная модель разомкнутой системы электромеханического преобразователя возвратно-вращательного движения по параметрам бурового снаряда

функция угла закручивания торсиона ф(р) по синхронной скорости АД ю0(р) = f1(p); f1 (Р) - управляющее воздействие АД (частота питающего трехфазного напряжения

М (p)

статора АД); Wi (p) = —- передаточная

ю0( Р)

функция электромагнитного момента АД М(р) по шо(р).

Разрешая (4) относительно Жф(р), получим: для получения приближенного аналитического выражения в силу малости T « 0,01с и при малых нагрузках ц можно

принять От^ц2 «0, тогда при входном воздействии &(t) = ю0 sin Q0t полный угол закручивания торсиона примет вид

ф =

®0i

f

Q 0

1 +

УР.

Л '

(5)

Разрешая (4) относительно Wм(p), получим при входном воздействии ю(^) =

= ю

0i

sin Q0t амплитуда

Mi =

рю

0i

1 +

ур-

ц

(6)

При получении аналитических зависимостей угла поворота коронки и момента на валу АД были приняты допущения и сокращения, поэтому необходимо выполнить проверку полученных зависимостей. Поставленная задача легко выполняется при имитационном моделировании [2].

На рис.2 представлена имитационная модель, в основу которой положена система уравнений (3).

При сравнении амплитуды колебаний и момента двигателя при имитационном моделировании со значениями, рассчитанными по аналитическим выражениям, установлено, что допущения, принятые при теоретических выводах, не влияют на окончательно полученные выражения:

ф=

ю

0i

100,3

Q0

1 +

УР.

(

12,56

1 +

28,6

4,84 • 9,17

= 4,865 рад;

. 4,856 - 4,85 % Аф = —--— = 0,1 %.

М а =

Рю

0i

4,856

4,84 • 100,3

1 +

уР

ц

1 +

4,84 • 9,17 28,6

= 190,2 Нм;

А/ = 19°,2 -19°,°7 = 0,07 о/0. 190,2

Параметры бурового снаряда, принятые при моделировании:

критический момент АД

Мк = 266 Нм;

момент сопротивления АД

Мс = 164 Нм;

критическое скольжение АД

^к = 0,35;

152 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.178

собственная частота механической сис-

темы

¡0 = 2 Гц; момент инерции статорной части

J\ = 1,2 кг-м2; момент инерции роторной части J2 = 0,12 кг-м2;

средний диаметр коронки

Др = 0,103 м;

средняя линейная скорость резцов коронки

Vср = 2 м/с; масса снаряда

т = 800 кг.

Установление аналитических зависимостей позволяет разработать методику выбора основных параметров мобильного комплекса для очистки призабойных зон скважин по заданным технологическим показателям процесса бурения.

ЛИТЕРАТУРА

1. A.c. 20028405 РФ. Колонковый буровой снаряд с электроприводом / Э.А.Загривный, В.А.Соловьев. Бюл. изобр. 2004. № 1.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0.: Учебное пособие. СПб: КОРОНА принт, 2001.

3. Кудряшов Б.Б. Механическое бурение скважин во льду / ЛГИ. Л., 1988.

4. Бабков Н.А. Теория автоматического управления. Ч.1 / Н.А.Бабков, А.А.Воронов и др. М.: Высшая школа, 1977.

5. Чиликин М.Г. Теория автоматизированного электропривода / М.Г.Чиликин, В.И.Ключев, А.С.Сандлер. М.: Энергия, 1979.

- 153

Санкт-Петербург. 2008