Снижение энергозатрат и повышение качества переходных процессов в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.14, кандидат технических наук Оливетский, Иван Николаевич

• Оливетский, Иван Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Оливетский, Иван Николаевич

Введение.

Глава 1. Приводы буровых установок.

1.1. Общие сведения о приводах буровых установок.

1.2. Приводы главных буровых механизмов для колонкового бурения.

1.3. Системы векторного частотно-токового управления асинхронным электроприводом.

1.4. Оценка затрат мощности на бурение при работе электропривода буровых механизмов.

1.5. Особенности переходных процессов в системе электропривод — колонна бурильных труб.

Глава 2. Разработка модели асинхронного электродвигателя буровой установки со ступенчатым и частотным регулированием угловой скорости АД.

2.1. Разработка модели асинхронного электродвигателя буровой установки.

2.2. Методика определения параметров асинхронного электродвигателя буровой установки.

2.3. Электромеханические характеристики асинхронного электродвигателя буровой установки при частотном управлении.

2.4. Методика расчета уточненных потерь мощности в асинхронном электродвигателе буровой установки со ступенчатым и частотным регулированием угловой скорости АД.

Глава 3. Разработка модели системы асинхронный электродвигатель — колонна бурильных труб.

3.1. Исследование колонны бурильных труб.

3.2 Разработка модели колонны бурильных труб.

3.3. Методика расчета системы регулирования электропривода.

3.4. Разработка модели системы асинхронный электродвигатель — колонна бурильных труб со ступенчатым регулированием угловой скорости ПРИ.

3.5. Разработка модели системы частотно-регулируемый асинхронный электродвигатель - колонна бурильных труб.

Глава 4. Затраты электроэнергии при бурении геологоразведочных скважин.

4.1. Методика для расчета потребления электроэнергии при геологоразведочном бурении.

4.2. Расчет времени на СПО при работе нерегулируемого и частотно-регулируемого электропривода.

4.3 Определение затрат электроэнергии на бурение геологоразведочных скважин по методике ВИЭМС при использовании нерегулируемого и частотно-регулируемого электропривода.

4.4. Определение затрат электроэнергии на бурение геологоразведочных скважин по уточненной методике при использовании нерегулируемого и частотно-регулируемого электропривода.

4.5. Определение потерь мощности в электродвигателе вращателя с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом по методике ВИЭМС и уточненной методике.

4.6. Расчет срока окупаемости частотно-регулируемого электропривода.

Глава 5. Переходные процессы в системе асинхронный электродвигатель - колонна бурильных труб при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости АД.

5.1. Пуск колонны бурильных труб при ступенчатом регулировании угловой скорости АД.

-45.2. Пуск колонны бурильных труб при частотном регулировании угловой скорости АД.

5.3. Прикладывание нагрузки на коронку при ступенчатом регулировании угловой скорости АД.

5.4. Прикладывание нагрузки на коронку при частотном регулировании угловой скорости АД.

5.5. Прихват коронки при ступенчатом регулировании угловой скорости АД.

5.6. Прихват коронки при частотном регулировании угловой скорости АД.

Глава 6. Экспериментальные исследования.

6.1. Исследование нерегулируемого электропривода.

6.2. Исследование частотно-регулируемого электропривода.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение энергозатрат и повышение качества переходных процессов в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении»

На процесс геологоразведочного бурения влияет множество факторов: тип породоразрушающего инструмента (ПРИ), конструкция скважины, физико-механические свойства пород (контактная прочность, абразивность, хрупко-пластические свойства). Существенными факторами являются осевая нагрузка Р на ПРИ, угловая скорость со ПРИ, объемный расход О промывочной жидкости или сжатого воздуха, подаваемого в скважину. Вследствие приложения Р, со, О, изменяются выходные величины, которые характеризуют процесс бурения: скорость бурения и, величина проходки к за рейс, степень изнашивания ПРИ q и др. Если считать, что конструкция скважины, технические средства, тип ПРИ выбраны правильно, то необходимо установить такие значения Р, со, О, при которых режим бурения будет наивыгоднейшим, т.е. оптимальным. Одна из основных проблем, возникающих при достижении этой цели — необходимость плавного регулирования скорости приводов механизмов буровой установки (БУ) с целью установления требуемых управляемых технологических параметров Р, со и (2. В настоящее время на подавляющем большинстве БУ геологоразведочного бурения (УКБ-4, УКБ-5, ЗИФ-650, ЗИФ-1200МР и др.) применяется нерегулируемый электропривод (ЭП), в связи с чем не представляется возможным добиться требуемого качества управления процессом бурения [35].

При бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые (ТПИ) доля затрат, связанных с энергоснабжением, подчас достигает 50% от общего финансирования работ [44]. В условиях развития рыночных отношений, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, энергосбережение в совокупности с выполнением природоохранных мероприятий являются основным направлением повышения эффективности производства. Нерегулируемый ЭП, на долю которого приходится большая часть общих потерь электроэнергии в системе электроснабжения, не позволяет решить проблему энергосбережения.

Другой важнейшей проблемой при бурении геологоразведочных скважин БУ с нерегулируемым ЭП является возникновение значительных динамических нагрузок при переходных процессах (пуске, приложении нагрузки, стопорении и т.д.), которые носят колебательный характер с большими амплитудными значениями. Это приводит к накоплению усталостных напряжений в материалах передач, их разрушению и быстрому выходу из строя.

Решением этих проблем может явиться применение в качестве привода буровых механизмов плавнорегулируемого ЭП. В настоящее время наиболее перспективным является частотно-регулируемый ЭП переменного тока. Основными преимуществами данного вида привода по сравнению с приводом постоянного тока являются меньшие эксплуатационные расходы, большее значение коэффициента мощности преобразователя частоты по сравнению с управляемым выпрямителем.

Поэтому снижение энергозатрат и повышение качества переходных процессов в колонне бурильных труб (КБТ) на основе использования частотно-регулируемого ЭП является актуальной научной задачей.

Целью работы является повышение эффективности геологоразведочного бурения на основе снижения энергозатрат и повышения качества переходных процессов в КБТ.

Идея работы заключается в снижении энергозатрат и повышении качества переходных процессов в КБТ на основе использования частотно-регулируемого ЭП.

Методологической основой исследования послужили работы Е.А. Козловского, С.И. Наугольнова, В.В. Алексеева, A.M. Лимитовского, Д.Н. Башкатова, Н.В. Соловьёва, М.И. Григорьева, С.А. Хачатуряна, Е.Д. Хромина, Б.М. Парфёнова, Б.М. Ребрика, B.C. Федорова, Б.М. Плюща, В.П. Зиненко, И.С. Калинина, В.Г. Кардыша, А.Н. Кирсанова, Н.И. Корнилова, В.И. Мацейчика, Е.К. Юнина, В.В. Симонова, посвященные совершенствованию технологии разведочного бурения.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенная методика исследования затрат электроэнергии на бурение при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости ПРИ позволяет учесть уточненные потери мощности в электродвигателе.

2. Зависимости потребления электроэнергии БУ при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости ПРИ являются основой выбора системы частотно-регулируемого ЭП как средства повышения энергетических показателей технологии разведочного бурения.

3. Модель системы асинхронный электродвигатель - колонна бурильных труб, учитывающая частотное регулирование угловой скорости АД, позволяет установить закономерности влияния ЭП на переходные процессы в КБТ.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций.

Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, подтверждаются: применением методов технологии и техники разведочного бурения; теорий дифференциальных уравнений, автоматического регулирования, автоматизированного ЭП; компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями на объектах.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработана методика расчёта затрат электроэнергии на бурение геологоразведочных скважин, позволяющая получить зависимости изменения потерь мощности в электродвигателе от глубины бурения при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости ПРИ.

2. Установлены зависимости потребления электроэнергии БУ от глубины бурения при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости ПРИ, позволяющие обосновать выбор системы частотно-регулируемого ЭП как средства повышения энергетических показателей технологии разведочного бурения.

-83. Установлены закономерности влияния ЭП на переходные процессы в КБТ при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости ПРИ, позволяющие обосновать выбор системы частотно-регулируемого ЭП как средства повышения качества переходных процессов в КБТ.

Практическое значение

Разработаны программные средства для ЭВМ, позволяющие рассчитывать затраты электроэнергии на бурение геологоразведочных скважин и моделировать переходные процессы в КБТ, способствующие принятию рациональных решений на стадиях проектирования и эксплуатации буровых установок с плавнорегулируемым ЭП.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Оливетский, Иван Николаевич

Основные результаты и выводы по работе заключаются в следующем.

1. Разработана программа определения для ЭВМ затрат электроэнергии на бурение геологоразведочных скважин по методике ВИЭМС при частотном и ступенчатом регулировании частоты вращения породоразрушающего инструмента, позволяющая уточнить расчет потерь мощности в электродвигателе.

2. Уточненный расчет затрат электроэнергии на бурение показал, что расхождение с методикой ВИЭМС может достигать в среднем до 3% при ступенчатом регулировании угловой скорости и до 9% при частотном.

3. Определены затраты электроэнергии на бурение геологоразведочных скважин по уточненной методике при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости породоразрушающего инструмента. При ступенчатом регулировании затраты электроэнергии на 13% больше, чем в системе с частотно-регулируемым электроприводом.

4. Разработаны модели систем: нерегулируемый электропривод — колонна бурильных труб, частотно-регулируемый элктропривод - колонна бурильных труб. Модели учитывают регулирование угловой скорости АД.

5. Применение частотно-регулируемого электропривода позволяет увеличивать время пуска по сравнению с нерегулируемым электроприводом. Увеличение времени пуска от 0,2 до 1с способствует снижению колебаний упругого момента в сечениях колонны по сравнению с нерегулируемым электроприводом до 30%. Время пуска 1с не сказывается на производительности бурения.

6. Показано, что частотно-регулируемый электропривод по сравнению с нерегулируемым электроприводом в режиме приложения нагрузки снижает броски тока статора до 40%.

7. В режиме прихвата коронки частотно-регулируемый электропривод позволяет снизить броски тока статора в два раза, уменьшить амплитуды колебаний упругого момента в сечениях колонны бурильных труб до 50% по сравнению с нерегулируемым электроприводом.

8. Исследования на модели подтвердили теоретические выводы о том, что частотно-регулируемый асинхронный электропривод позволяет повысить качество переходных процессов в колонне бурильных труб при различных режимах её работы по сравнению со случаем нерегулируемого асинхронного электропривода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе разработанных моделей и установленных закономерностей, решена задача по снижению энергозатрат и повышению качества переходных процессов в КБТ при геологоразведочном бурении, за счет применения частотно-регулируемого электропривода, имеющая существенное значение для совершенствования технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых России.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Оливетский, Иван Николаевич, 2010 год

1. Алексеев В.В., Сердюк Н.И., Шевырев Ю.В., Перспективы применения регулируемого электропривода переменного тока на горно — геологических предприятиях. М.: Геология и разведка №3, 2005.

2. Алексеев В.В., Мазуренко В.В., Припоров И.М., Повышение эффективности работы погружных насосов на участках подземного выщелачивания. М.: Цветные металлы №2, 2005.

3. Алексеев В.В., Филиппов С.А., Регулирование подачи погружных насосных агрегатов на участках подземного выщелачивания Навийского ГМК. М.: Геология и разведка №5, 2005.

4. Андреев А.Ф., Барташевич Л.В., Боглан Н.В. Гидро- пневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Объемные гидро- и пневмомашины и передачи. Минск.: Высшая школа, 1987. 310 с.

5. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.-722 с.

6. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Гостехиздат, 1958.

7. Балицкий П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. М.: Недра, 1975.-244 с.

8. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982.-392 с.

9. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник. 2-е изд., п. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.

10. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия, 2004-752 с.

11. Бишоп Р. И. Колебания. М.: Наука, 1968.

12. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. Л.: Энергия, 1979.-160 с.

13. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. Учеб. для вузов. М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2003. 1007 е., Ил.

14. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирование. М.: Высш. шк. 1984.-439 с.

15. Воздвиженский Б.И., Голубинцев О.Н., Новожилов A.A. Разведочное бурение. М.: Недра, 1979.-510 с.

16. Воздвиженский Б.И. Буровая механика. М.: Госгеолиздат, 1943.

17. Волков С.А., Волков A.C. Справочник по разведочному бурению. М.: Госгеолтехиздат, 1963.

18. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974.-840 е., Ил.

19. Гафиятуллин Р.Х. Принцип построения регулируемого привода для станков геологоразведочного бурения. Изв. вузов. Геология и разведка. 1974. №11.- 152-157 с.

20. Гланц A.A., Алексеев В.В. Справочник механика геологоразведочных работ. М.: Недра, 1987.

21. Голован А.Т. Основы электропривода. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.344 с.

22. Григорьев М.И. Теоретические основы, диагностические средства и методы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок. Дис. д.т.н. М.: МГРИ, 1998.-304 с.

23. Егоров В.Н., Шестаков В.М. Динамика систем электропривода. Л.: Энергоатомиздат, 1983.-216 с.

24. Ермакова В.И. Исследование и разработка рациональных режимов работы быстроходных буровых насосов. Дис. М.: МГРИ, 1973.

25. Жеваго К.А., Портной Т.З., Школьников Б.М. Привод буровых установок. М.: Недра, 1964.-412 с.

26. Исаев И. Н., Созонов В.Г. Анализ демпфирующих свойств возможных вариантов электропривода заданной производительности. М.: Электричество, 1981.-№7-С. 69-71.

27. Карлов Н.В., Кириченко H.A. Колебания, волны, структуры. М.: Физматлит, 2003.-496 с.

28. Калашников В.И. Векторное управление асинхронным электроприводом. Донецк, ДонНТУ, 2006. — 150с.

29. Керимов 3. Г. Динамические расчеты бурильной колонны. М.: Недра, 1970. 152 с.

30. Керопян К.К., Чеголин П.М. Электрическое моделирование в строительной механике. М.: Госстройиздат, 1963. 391 с.

31. Клименков В.Я., Радченко В.П., Хачатурян С.А. О влиянии нелинейных колебательных эффектов на динамические характеристики бурильной колонны // Нефть и газ. 1992. №1. С. 21-27.

32. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001.-704 с.

33. Козловский Е.А., Воздвиженский Б.И. Перспективы и проблемы научного управления процессов разведочного бурения. Геология и разведка. 1975. №1. 3-10 с.

34. Козловский Е.А., Гафиятуллин Р.Х. Автоматизация процесса геологоразведочного бурения. М.: Недра, 1977.-215 с.

35. Козловский Е.А., Питерский В.М., Мурашев С.Ф. Автоматизация управления геологоразведочным бурением. М.: Недра, 1991.

36. Козловский Е.А., Питерский В.М. Моделирование процесса бурения с целью его оптимизации. М.: ОНТИ ВИЭМС, 1974. 92 с. ил.

37. Козловский Е. А. Оптимизация процесса разведочного бурения. М.: Недра, 1975.

38. Козловский Е.А. Принципы и методы экономической оценки оптимальных режимов бурения. Труды ВИТР. 1974. — 92 с. ил.

39. Козловский Е.А. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. 1 т. М.: Недра, 1984. — 512 с.

40. Козловский Е.А. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. 2 т. М.: Недра, 1984. 437 с.

41. Костылев Л.Ю. Разработка автоматизированного электропривода спуско-подъёмного агрегата буровой установки с микропроцессорным управлением. Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1990. 16 с.

42. Лимитовский A.M., Меркулов М.В., Косьянов В.А. Энергообеспечение технологических потребителей геологоразведочных работ. М.: РГТРУ, 2008.-135 с.

43. Мамадалиев И.Х. Исследование электроприводов механизмов ротора и лебёдки стола глубинных буровых установок. Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1981. 16 с.

44. Мачабели Г.Г. Исследование электроприводов роторного стола буровых установок для глубокого бурения. М.: МЭИ, 1975.-212 с.

45. Мейер Д.Сэ.А. Современная теория автоматического управления и ее применение. Перевод с англ. М.: Машиностроение, 1972. — 544 с. ил.

46. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Высш. шк. 1981.

47. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин A.A. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по католожным данным. М.: Электричество, 1998, № 4, 38-42 с.

48. Мощинский Ю. А., Петров А. П. Математические модели трехфазных асинхронных двигателей, включенных в однофазную сеть. Электричество. 2000. 40-45 с.

49. Панкратов В.В. Векторное управление асинхронными электроприводами. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.

50. Петров B.JL, Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод постоянного тока. уч. пособиею М.: МГГУ, 2001.-62 с.

51. Плющ Б.М. Электрооборудование нефтяных и газовых промыслов. М.: Недра, 1965.-411 с.

52. Половко A.M., Бутусов П.Н. Matead для студента. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-320 с.

53. Пономарев П.П., Каулин В.А. Отбор керна при колонковом геологоразведочном бурении. Л.: Недра, 1989.-256 с.

54. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Электроприводы с распределёнными параметрами механических элементов. Л.: Энергоатомиздат, 1987—144 с.

55. Ребрик Б.М. Механика в разведочном бурении. Справочное пособие -М.: Недра, 1992.-301 с.

56. Ребрик Б.М. Справочник по бурению инженерно-геологических скважин. М.: Недра, 1983.

57. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987 136с.

58. Рыбицкий И.А. Исследование влияние работоспособности демпферных устройств на эксплуатационные качества машинных агрегатов. Автореф. дис. М.: 1978.-16 с.

59. Сальников А.Х., Шевченко Л.А. Нормирование потребления и экономия топливно-энергетических ресурсов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

60. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. М.: Недра, 1990.-129 с.

61. Сердюк Н.И., Куликов В.В., Тунгусов A.A., Минаков С.И. Бурение скважин различного назначения. М.: РГГРУ, 2006. 264 с.$-14766. Симонов B.B, Юнин B.K. Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента. М.: Недра, 1977. — 217 с.

62. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. М.: Наука, 1964.-437с.

63. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1987.

64. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967.-352 с.

65. Федоров B.C. Проектирование режимов бурения. М.: Гостоптехиздат, 1958.-215 с.

66. Фирсов H.A., Черник Г.В., Щеголева И.Е. Тиристорный электропривод постоянного тока для станков колонкового бурения. «Совершенствование электроприводов буровых установок». 1974. №4. 15-18 с.

67. Хачатурян С.А., Босняцкий Г.П. Динамика бурильных установок. М.: Машиностроения, 1992.-398 с. Ил.

68. Черник Г.В. Электропривод и электрооборудование установок алмазного бурения. JL: Недра, 1978. 151 с.

69. Чиликин М.Г., Соколов М.М., Терехов В.М., Шинянский A.B. Основы автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1974. 568 с.

70. Шевырёв Ю.В., Шинянский A.B. Алгоритм определения изображений переменных системы электропривод-колонна бурильных труб. Электромеханика. 1987. - №4. - С. 118 - 120.

71. Шевырев Ю.В., Алексеев В.В., Акимов В.Д. Основы автоматики и автоматизации горных и геологоразведочных работ. М.: ОАО «Издательство «Недра», 1998.-432 е.: ил.

72. Шевырёв Ю.В., Мамадалиев И.Х. Анализ влияния параметров на характер переходных процессов в системе электропривод колонна бурильных труб. МЭИ. - 1980.

73. Шевырев Ю.В. Демпфирование механических колебаний в горных и буровых машинах средствами электропривода. МГТА «Новые достижения в науках о земле». Тезисы докладов. Москва, 1995.

74. Эскин М.Г. Продольные колебания низа бурильной колонны и их влияние на характеристики забойных двигателей, журнал Нефтяная промышленность, 1966. — №1.

75. Юнин Е.К. Введение в динамику глубокого бурения. М.: 2009.-168с.

76. Юртаев В.Г. Динамика буровых установок. М.: Недра, 1987.-155 с.

77. Методика проводки опытно- технологических скважин М.: ВНИИБТ, 1968.-236 с.

78. Учебное пособие. Экономические оценки эффективности применения общепромышленных электроприводов в геологоразведочной отрасли. М.: МГГРУ, 2002. 67 с.

79. Единые нормы времени на бурение разведочных, структурно -поисковых и картировочных скважин. Научно-исследовательский институт труда Государственного комитета Совета Министров СССР по труду и социальным вопросам, 1978.-120 с.

80. Сибирезев А.Н., Виноградов А.Б. Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода. // журнал Силовая электроника. М.: 2006. №2.

81. Степанов В:А., Виноградов А.Б. Энергосбережение и оптимизация энергопотребления средствами электропривода. // журнал Силовая электроника. М.: 2005. -№3.

82. Петров A.B., Татаринцев Н.И. Применение частотно-регулируемого привода на питателях сырого угля котельных агрегатов. // журнал Новости теплоснабжения. М.: 2003. —№11.

83. Применение частотных преобразователей. Красноярск. ОКБ Автоматика, 2007.

84. Сахарнов Ю.В. Регулируемый электропривод эффективное энергосберегающее оборудование // Энергетика Тюменского региона. 2002. -№1(15). с. 26-35.

85. Магазинник JI.T. Коммутация инвертора в частотно-регулируемых электроприводах. // журнал Современные наукоемкие технологии. М.: 2007. -№12.

86. Чаронов В.Я., Шепепин A.B., Тварнов П.В. Особенности выбора структуры асинхронного честотно-регулируемого электропривода для механизмов добычи нефти. М.: 1999.