Исследование закономерностей влияния вентильно-индукторного электропривода на переходные процессы в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении

УДК 622.24

С.В. Букреев

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЛИЯНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОЛОННЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПРИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОМ БУРЕНИИ

Приведены результаты исследования переходных процессов в колонне бурильных труб при замене традиционного нерегулируемого электропривода установок геологоразведочного бурения на вентильно-индукторный. Исследования выполнены методом имитационного моделирования в программной среде Matlab(Simulink). На основании выполненных экспериментов выявлены закономерности влияния вентильно-индуктор-ного электропривода с П-регулятором скорости на качественные показатели переходных процессов в колонне бурильных труб при пусках, приложении и сбросе нагрузки. Сравнение зависимостей электромеханических параметров показывает, что вентильно-индукторный электропривод качественно улучшает переходные процессы в колонне бурильных труб, снижая колебания моментов в её сечениях на 40% и время переходных процессов в 3 и более раз. Проведенные исследования позволяют рекомендовать вен-тильно-индукторный электропривод для внедрения в качестве силового привода буровых станков и повышения эффективности геологоразведочного бурения.

Ключевые слова: буровая установка, колонна бурильных труб, привод станка, трехфазный асинхронный электропривод, вентильно-индукторный электропривод, эффективность бурения, имитационное моделирование.

В аналитических и промышленных исследованиях, представленных в работах [4, 5, 8] выявлено, что динамика колонны бурильных труб (КБТ) влияет на механическую скорость и эффективность бурения. Большинство буровых установок разведочного бурения в качестве привода нерегулируемый трехфазный асинхронный электропривод (ТАД). Применение нерегулируемого электропривода с жесткими механическими характеристиками не позволяет достичь оптимального качества переходных процессов в КБТ. Также для асинхронного электропривода

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-219-225

характерно наличие скрытых дефектов, которые увеличивают потери мощности, расход электроэнергии на бурение и риск простоя [2, 3].

Альтернативой асинхронному электроприводу может быть вентильно-индукторный электропривод (ВИП). Влияние конструктивных параметров и настроек системы автоматического регулирования (САР) ВИП на динамику КБТ требует исследования.

Математическая модель т-фазного ВИП состоит из следующих уравнений [6, 10, 11].

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 219-225. © С.В. Букреев. 2017.

u = LR + L \vi~dt +

n n n

m ;2

M = 1 ir

dLn

2 дф

J^ = M - Mc dt c

ю =

Йф dt

где ф — угол поворота ротора, рад; ш — угловая скорость ротора, рад/с; Я — активное сопротивление фазы, Ом; и — напряжение приложенное к фазе, В; / — ток фазы, А; I — индуктивность фазы, Гн; ] — момент инерции электропривода, мкг2; Мс — момент сопротилвения, Нм; М — момент, развиваемый электроприводом, Нм.

Имитационная модель КБТ выполнена согласно методикам, описанным в работах [1, 3, 7, 9]. Уравнения для участка колонны в операторном виде:

/рщ, = - М, + М+1

РМ-1 = С

где J¡ — момент инерции иго участка БК; h.¡ — коэффициент вязкого трения /-го участка БК; ш. — угловая скорость вращения /-го участка БК; М. — момент со-

противления, приложенным к i-му участку БК; C — жесткость i-го участка БК; p — оператор Лапласса.

Поскольку в состав ВИП входит выпрямитель, инвертор и система управления то математическую модель необходимо дополнить соответствующими уравнениями [11]. В этом случае математическая модель ВИП представляет собой набор нелинейных дифференциальных уравнений с перекрестными связями высокого порядка. Исследование переходных процессов в таких системах возможно только на ЭВМ [6, 10]. Поэтому разработаны имитационные модели ВИП-КБТ и ТАД-КБТ в программной среде Matlab (Simulink), для установления закономерностей влияния ВИП на качество переходных процессов.

Имитационная модель системы ТАД-КБТ состоит из асинхронного двигателя мощностью 55 кВт привода станка ЗИФ-1200МР (Asynchronous Machine SI Units), источника переменного напряжения (Three-Phase Source), КБТ длинной 1000 м (KBT), измерительных приборов.

Частота вращения электропривода передается к КБТ через коробку переключения передач, включенную на максимальную скорость (передаточное число равно 0,599).

Рис. 1. Имитационная модель системы ТАД-КБТ

.Fundamental

Рис. 2. Имитационная модель системы ВИП-КБТ

Рис. 3. Имитационная модель ВИП с подчиненным регулированием координат

Имитационная модель системы ВИП-КБТ состоит из непосредственно электропривода, источника переменного напряжения, КБТ длинной 1000 м, измерительных приборов. Модель ВИП (рис. 3) состоит из вентильно-индукторной машины (ВИМ) мощностью 60 кВт, релейного регулятора тока (РРТ, Current controller), транзисторного коммутатора (К), П-регу-лятора скорости (Speed controller), нерегулируемого выпрямителя (Rectifier) с Г-образным фильтром.

Имитационная модель КБТ состоит из 10 участков длинной 100 м. Количество участков определяет точность модели-

руемых процессов [7]. Структурная схема участка КБТ представлена на рис. 4.

На разработанных моделях выполнены исследования и анализ переходных процессов в электромеханических системах ТАД-КБТ и ВИП-КБТ. На рисунках

Рис. 4. Структурная схема участка КБТ в виде динамических звеньев

Рис. 5. Графики изменения электромеханических параметров в системе ТАД-КБТ при глубине бурения 1000 м

приведены результаты моделирования для глубины бурения 1000 м с «разбиением» КБТ на десять участков. Результаты фиксировались в виде графиков, на которых записаны механические и электрические величины, характеризующие совместную работу ЭП и КБТ: шдв — изменение скорости вращения электропривода, рад/с; шк — изменение скорости вращения коронки, рад/с; М — из-

дв

менение момента электропривода, Нм; Мн — изменение момента в нижнем сечении КБТ, Нм; Р — изменение потребляемой активной мощности электроприводом, кВт.

Схема проведения опытов на имитационных моделях включала в себя пуск электропривода вхолостую с КБТ, при поднятой над забоем коронкой. После окончания переходного процесса к коронке скачком прикладывается постоянный по величине момент сопротивления, равный номинальному моменту электродвигателя. Далее происходит скачкообразное изменение нагрузки до 10% от номинальной, моделирующей попадание коронки в пустоты, и через 1 с восстановление нагрузки до первоначального значения. Время моделирования для системы ТАД-КБТ принято равным 40 с, для ВИП-КБТ — 10 с.

При пуске ТАД происходит значительный бросок момента двигателя (3200 Нм). Значение активной мощности при пуске превышает номинальное в 7 раз. Быстрый разгон электродвигателя (0,2 с) приводит к возникновению значительных колебаний момента в КБТ. Возникающие колебания частоты вращения в сечениях колонны практически не сказываются на частоте вращения приводного двигателя ю (Т), вследствие жесткой механической характеристики электропривода. Переходный процесс завершается после 15 с.

На 20 с происходит скачкообразное приложение нагрузки к коронке. Приложение нагрузки характеризуется колебаниями потребляемой мощности и момента, амплитуда которых в 2 раза превышает номинальное значение. Амплитуда

колебаний скорости коронки ю (Т) гораздо больше, чем амплитуда колебаний скорости электродвигателя ю (Т). Также в результате прикладывания нагрузки на коронку наблюдается просадка скорости двигателя ю (Т).

На 30 с нагрузка на коронке изменяется до 10% от номинальной и через 1 с восстанавливает свое значение. Данный переходный процесс вызывает колебания момента (максимальное значение 2800 Нм) и потребляемой мощности привода (максимальное значение 190 кВт).

В отличии от нерегулируемого электропривода время пуска для ВИП выбрано равным 1 с. При плавном пуске потребляемая мощность ЭП превышает значение номинальной в 1,48 раз. Колебания скорости коронки и момента дви-

Рис. 6. Графики изменения электромеханических параметров в системе ВИП-КБТ при глубине бурения 1000 м

гателя практически отсутствуют. Колебательные процессы в КБТ при плавном пуске затухают за 2 с, что значительно быстрее, чем в системе с нерегулируемым двигателем.

При приложении нагрузки наблюдаются резкие скачки момента и потребляемой мощности ВИП. Максимальное значение момента равно 1200 Нм, что на 40% меньше, чем в системе ТАД-КБТ. Увеличение потребляемой мощности не превышает 17% от номинальной.

При сбросе нагрузки на 6 с и возвращении ее до номинального значения колебания момента, скорости двигателя и потребляемой мощности не превышают значений, как и при ступенчатом приложении нагрузки. Время переходного про-

цесса также значительно меньше, чем по сравнению с системой ТАД-КБТ.

Заключение

Выполненные исследования позволили получить зависимости электромеханических параметров в системах ТАД-КБТ и ВИП-КБТ от времени. Сравнение данных зависимостей показывает, что регулируемый ВИП качественно улучшает переходные процессы в КБТ, снижая колебания моментов в сечениях КБТ на 40% и время переходных процессов в 3 и более раз. Внедрение ВИП в качестве силового привода буровых установок позволит увеличить эффективность бурения геологоразведочных скважин и повысить качество выхода керна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Букреев С. В. Исследование крутильных автоколебаний в колонне бурильных труб методами электромеханических аналогий и симуляционного моделирования // Разведка и охрана недр. - 2016. - № 5. - С. 53-55.

2. Григорьев М. И., Букреев С. В. Влияние повреждений ротора асинхронного двигателя привода вращателя буровых станков на энергопотребление при проведении геологоразведочных работ // Профессиональное образование и общество. — 2014. — № 2 (10). — С. 37—40.

3. Григорьев М.И. Методы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода геологоразведочных буровых установок. — М.: МГГА, 2000. — 132 с.

4. Козловский Е.А., Воздвиженский Б. И. Перспективы и проблемы научного управления процессов разведочного бурения // Геология и разведка. — 1975. — № 1. — С. 3—10.

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

6. Красовский А. Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: Автореф. дис. д-ра техн. наук. — М.: МЭИ, 2004. — 40 с.

7. Оливетский И. Н. Снижение энергозатрат и повышение качества переходных процессов в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении: дис. к.т.н. — М.: РГГРУ, 2010. — 150 с.

8. Соловьев Н. В., Кривошеев В. В., Башкатов Д. Н. Бурение разведочных скважин. Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2007. — 907 с.

9. Шевырёв Ю.В., Мамадалиев И.Х. Анализ влияния параметров на характер переходных процессов в системе электропривод — колонна бурильных труб. — М.: Изд-во МЭИ, 1980.

10. Ramya A., Dhivya G., Bharathi P. D., Dhyaneshwaran R., Ramakrishnan P. Comparative study of speed control of 8/6 switched reluctance motor using pi and fuzzy logic controller. IJRTE; 2012.

11. Wadnerkar V.S., Das G. T. R., Rajkumar A. D. Performance analysis of switched reluctance motor; design, modeling and simulation of 8/6 switched reluctance motor. J Theor Appl Inform Tech. 2005—2008 ЕШЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Букреев Сергей Витальевич — аспирант, e-mail: S.V.Bukreev2805@gmail.com, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 219-225.

UDC 622.24

S.V. Bukreev

EFFECTS OF VALVE-AND-INDUCTION MOTOR DRIVES ON TRANSIENT PROCESSES IN EXPLORATION DRILLING STRING

The article presents the results of studying transient processes in a drill string while replacing the traditional unregulated electric drive of geological exploration drilling rigs with a switched reluctance drive. The studies were performed by the simulation method in the Matlab (Simulink) software environment. Based on the performed experiments, the regularities of the effect of a switched reluctance drive with a speed P-regulator on the qualitative parameters of transient processes in a column of drill pipes during start-ups, application and discharge of loads are revealed. Comparison of dependencies of the Electromechanical parameters shows that a switched reluctance electric drive improves quality of transient processes in the drill string, reducing the fluctuations of the moments in its cross sections by 40% and time of transient processes 3 times or more. The carried out researches allow to recommend the switched reluctance drive for introduction of drilling rigs as power drive and increase of efficiency of geological prospecting drilling.

Key words: drilling rig, drill string, machine drive, three-phase asynchronous electric drive, switched reluctance drive, drilling efficiency, simulation.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-219-225

AUTHOR

BukreevS.V., Graduate Student, e-mail: S.V.Bukreev2805@gmail.com, Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), 117997, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Bukreev S. V. Razvedka i okhrana nedr. 2016, no 5, pp. 53—55.

2. Grigor'ev M. I., Bukreev S. V. Professional'noeobrazovanieiobshchestvo. 2014, no 2 (10), pp. 37—40.

3. Grigor'ev M. I. Metody energosberegayushchey ekspluatatsii asinkhronnogo elektroprivoda ge-ologorazvedochnykh burovykh ustanovok (Energy-saving operation methods for asynchronous motor drive of exploration drilling rigs), Moscow, MGGA, 2000, 132 p.

4. Kozlovskiy E. A., Vozdvizhenskiy B. I. Geologiya i razvedka. 1975, no 1, pp. 3—10.

5. Kozlovskiy E. A., Gafiyatullin R. Kh. Avtomatizatsiya protsessa geologorazvedochnogo bureniya (Geological exploration drilling automation), Moscow, Nedra, 1977, 215 p.

6. Krasovskiy A. B. Imitatsionnye modeli v teorii i praktike ventil'no-induktornogo elektroprivoda (Simulated models in the theory and practice of valve-and-induction motor drives), Doctor's thesis, Moscow, Izd-vo MEI, 2004, 40 p.

7. Olivetskiy I. N. Snizhenie energozatrat i povyshenie kachestva perekhodnykh protsessov v kolonne buril'nykh trub pri geologorazvedochnom burenii (Reduction in power consumption and improvement of quality of transient processes in exploration drilling string), Candidate's thesis, Moscow, RGGRU, 2010, 150 p.

8. Solov'ev N. V., Krivosheev V. V., Bashkatov D. N. Burenie razvedochnykh skvazhin. Uchebnik dlya vuzov (Exploration drilling. Textbook for high schools), Moscow, Vysshaya shkola, 2007, 907 p.

9. Shevyrev Yu. V., Mamadaliev I. Kh. Analiz vliyaniya parametrov na kharakter perekhodnykh protsessov v sisteme elektroprivod kolonna buril'nykh trub (Analysis of influence of parameters on the character of transient processes in the motor drive and drilling string system), Moscow, Izd-vo MEI, 1980.

10. Ramya A., Dhivya G., Bharathi P. D., Dhyaneshwaran R., Ramakrishnan P. Comparative study of speed control of 8/6 switched reluctance motor using pi and fuzzy logic controller. IJRTE; 2012.

11. Wadnerkar V. S., Das G. T. R., Rajkumar A. D. Performance analysis of switched reluctance motor; design, modeling and simulation of 8/6 switched reluctance motor. J Theor Appl Inform Tech. 2005—2008.