Исследование структурной модели бурильной колонны

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б., Полетаев С. В., Ягубов З. Х. Исследование структурной модели бурильной колонны // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – Т. 20. – С. 2316–2320. – URL: http://e-koncept.ru/2014/54727.htm.
Аннотация. Рассмотрена структурная модель бурильной колонны как последовательное соединение элементарных звеньев. Проведено исследование этой структуры по динамическим свойствам с использованием пакета математических программ MatLab и пакета PDS. Проведен анализ переходных процессов для различных режимов работы бурильной колонны.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Быков Игорь ωрьевич,доктор технических наук, профессор, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаibykov@ugtu.net

Заикин Станислав Фёдорович,аспирант, старшийпреподаватель, Российская открытая академия транспорта МИИТ, г. УхтаAstrostas2008@yandex.ru

Перминов Борис Алексеевич,кандидат технических наук, доцент, Российская открытая академия транспорта МИИТ, г. Ухтаboris.perminoff2013@yandex.ru

Перминов Виктор Борисович,кандидат технических наук, заместитель начальник отделаООО «Газпром трансгаз Ухта», г. Ухтаvperminov@sgp.gazprom.ru

Полетаев Сергей Васильевич,старший преподаватель,Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаpoletaew@rambler.ru

Ягубов Зафар Хангусейноглы,доктор технических наук, заведующий кафедрой, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта

zav_eatp@ugtu.net

Исследование структурной модели бурильной колонны

Аннотация.Рассмотрена структурная модель бурильной колонны как последовательное соединение элементарных звеньев. Проведено исследование этой структуры по динамическимсвойствам с использованием пакета математических программ MatLabи пакета PDS. Проведен анализ переходных процессов для различных режимов работы бурильной колонны.Ключевые слова:структурная модель бурильной колонны, динамика. переходные процессы

Колонну бурильных труб можно рассматривать как двухмассовую систему, объединённую упругой связью рисунок 1).Массу Iобразует электромеханическая оборудования, находящегося в устье скважины, а вторую массу IIколонна бурильных труб с механизмами, расположенными в забое скважины. Обе инерционные массы связаны упругим элементом колонна бурильных труб с коэффициентом жёсткости с12, соотвественно угловые скорости вращения центров масс Iи IIω1и ω2не равны между собой.



Рисуок 1Расчётная схема колонны бурильных трубСтруктурная схема бурильной колонны, построенная на базе математической модели [1] имеет вид согласно рисунку 2.

Рисунок 2

Эквивалентная структурная схема бурильной колонны

на основе двухмассовой моделиЗдесь M1–крутящий момент, развиваемый на валу привода ротора; C12–коэффициент упругости бурильной колонны; β12–коэффициент вязкого трения; M12–значение крутящего момента, с учётом вязкого трения; J1–момент инерции первой массы модели бурильной колонны;J2–момент инерции второй массы бурильной колонны приведённой к валу привода; Mс–момент сопротивления, обусловленный диссипативными силами; ω1–угловая скорость бурильной колонны в устье скважины; ω2–угловая скорость породоразрушающего инструмента, p

оператор дифференцирования.Упростим структурную схему на рисунке 2, в результате которого структура модели бурильнойколонны сведена к виду на рисунке 3.

Рисунок 3–Упрощённая структурная модель бурильной колонныЗдесьM2–момент, приложенный к буровому инструменту, , , T3= K3c12, где T1, T2, T3–постоянные времени интеграторов прямого канала передачи; k1, k2, k3–статические коэффициенты передачи интегрирующих звеньев; J1–момент инерции вала привода, J2–момент инерции бурильной колонны приведённый к валу привода.Разомкнутая модель структуры имеет вид представленный на рисунке 4.

Рисунок 4–Разомкнутая структура модели бурильной колонныПередаточная функция разомкнутой структуры равна (1)Иными словами, передаточная функция определяет бурильную колонну как структурно неустойчивое астатическое звено второгопорядка.Проведём исследование структурной модели в пакете MatLabс учётом конкретных значений параметров бурения и привода. Параметры электропривода приведены в таблице 1.Таблица 1 –Расчётные параметры электроприводаМощностьPн, кВтУгловая скорость, ω1, с1Номинальный момент,М1, кН∙мПередаточное число редуктора, iУгловая скорость БК, ω2, с1Момент инерции100 521,26,38,20,7+b

Значения основных параметров колонны бурильных труб приведены в таблице 2. Глубина бурения 2000м, т.е. lбк 2000 м.Таблица 2 –Расчётные соотношения буровой колонныНаружный диаметр, DВнутреннийдиаметр, dМасса1 м трубыМасса свечи с буровым инструментомПриведённыймомент инерцииПриведённая жёсткость0,127м0,103 м28кг/м143 т0,12 кг∙м213 Па

Считаем, что при установившемся уравновешенном режиме бурения Mс ≈ Mкр.Структурная схемаисследования приведена на рисунке 5.

Рисунок5–Структурная схема исследованияБез введения корректирующего дифференцирующего звена и без учёта отрицательной обратной связи при подаче возмущения значение момента на выходе структуры неограниченно растет, что подтверждает утверждение о структурной неустойчивости колонны бурильных труб, как объекта автоматического управления.Результаты моделирования при Mс=11200 Нм и Mкр= 11300 Нм представлены на рисунке 6.

Рисунок 6–График переходных процессовкрутящего момента без обратной связи и корректирующих звеньевНа рисунке 7приведены кривые изменения крутящего момента переходный процесс для различных глубин бурения. Глубина бурения определяется соотношением моментов инерции J1и J2.

Рисунок 7–Осциллограммы крутящего момента с корректирующим дифференцирующим звеном для различных глубинВ данном случае в структуру исследования введено корректирующее дифференцирующее звено. Кроме того, учтена обратная отрицательная связь согласно структуре рисунок 3, что позволяет понизить порядок астатизма. Из графиков переходных процессовследует, что с увеличением глубины проходки, длительность переходного процесса возрастает. Перерегулирование по кривой переходного процесса убывает с ростом длины колонны бурильных труб, а постоянная составляющая момента сопротивления нарастает.Исследование динамики бурильной колонны в пакете MatLabне отличается наглядностью и не позволяет выявить соотношение параметров бурения в процессе углубления скважины. Поэтому для более детального изучения динамических процессов происходящих в процессе бурения было проведено использование пакета PDS–«Проектирование динамических систем»

Моделирование выполнялось на основе полной структурной схемы рисунок 2) с учетом упругих связей. Для каждого режима составлены модели, записанные в следующие файлы:Bur. pds–модель привода с учетом упругих связей по рисунку 2;Bur1. pds–режим пуска под нагрузкой в течении 5 с и последующего стопорения бура ω2 φ при коэффициенте вязкого трения β12 1φ;Bur2. pds–режим пуска под нагрузкой 5 с и последующего стопорения бура ω20 при β12=11;Bur3. pds–режим пуска 5 с, реверса 5 с и торможения под нагрузкой;Bur4. pds–определение логарифмического декремента затухания при скручивании вала приложение встречных моментов привода М1и нагрузки Мств течении 3 с и последующего освобождения вала;Перед началом моделирования необходимо настроить демпфирование механической части системы на уровень γ= 0,3, что позволяет скорректировать устойчивость бурильной колонны, как объекта автоматической системы регулирования. После настройки к упругим массам прикладываются внешние моменты. Происходит закручивание валоприводов с коэффициентом жёсткости C12и запасается потенциальная энергия. После снятия внешних моментов идёт колебательный процесс с обменом потенциальной и кинетической энергии запасённой в массах J1и J2.Колебания упругого момента M12затухают за счёт наличия вязкого трения, которые оцениваются β12. Переходные процессы данного режима приведены на рисунке 8.

Рисунок 8–Переходные процессыопыта оценки логарифмического

декремента в механической системеИз осциллгораммы видно, что колебания упругого момента М12а, следовательно, и скоростей упругосвязанных масс затухают с γ  0,3. Частота колебаний близка к частоте собственных колебаний механической системы .На рисунке 9,а приведены переходные процессыпуска привода, а на рисунке 9,бпереходные процессыреверса и торможения.

Рисунок 9,а –Переходные процессыпуска

Рисунок 9,б –Графикипереходных процессов реверса и торможения

Изменение скорости привода сопровождается колебаниями скоростей упруго связанных масс и упругого момента между первой и второй массами. В результате динамические нагрузки превышают среднюю, так при пуске Kдин = М12max/Мсрсоставляет 1,16 при реверсе 1,3. Однако, превышение их невелико. Более значительные колебания имеет скорость второй массы .Колебание скорости вала привода незначительны. Это связано с тем, что момент инерции вала двигателя гораздо больше приведенного момента инерции колонна труб –рабочий органJ1�� J2. Вследствии этого демпфирующие свойства привода проявляются слабо, поскольку он не вовлекается в колебательный процесс. Около большой массы вала двигателя колеблется малая масса колонны труб ипородоразрушающего инструмента. Поэтому демпфирование колебаний приводом ослаблено и определяется в основном механическим демпфированием за счет сил вязкого трения.Переходные процессы имеют хорошее качество практически при отсутствии перерегулирования в кривой скорости при высоком быстродействии. Время пуска на установившуюся скорость составляет 2,5 с. а время реверса 4 с.Рассмотрим динамические нагрузки при внезапном заклинивании породоразрушающего инструмента и работе привода на установившейся скорости до момента заклинивания. График переходных процессов, отражающий процесс стопорения приведенна рисунке 10. Как видно из рисунка,процесс стопорения сопровождается большими значениями колебаний скорости ω1, момента в упругой связи и момента на валу привода Мпрв несколько раз превышающие стопорные значения. Так М12в 4,2 раза,Мпрв 3,5 раза превышают стопорные значения. Такие величины моментов опасны не только для механического оборудования, но и непосредственно для двигателя привода.

Рисунок 10

Графикрежима внезапного стопорения породоразрушающего инструмента Поэтому в системах управления процессом бурения необходимо предусматривать меры, обеспечивающие снижение динамических нагрузок в указанных режимах работы.Выводы:1. Бурильная колонна как объект автоматического регулирования является структурно неустойчивым звеном, поэтому при управлении процессом углубления скважины требуется введение коррекции её динамических характеристик.2. Утяжеление забойной части бурильной колонны приводит к снижению частоты крутильных автоколебаний, но при этом резко возрастает амплитуда автоколебаний, что приводит к снижению устойчивости процесса бурения и снижению скорости проходки скважины вследствии скручивания бурильной колонны.3. При стопорении породоразрушающего инструмента происходит скачок упругого момента М12и при его значениях равных критическим возможен обрыв бурильной колонны.4. С ростом глубины проходки существенно возрастает значение упругого момента М12и увеличивается время переходного процесса. При этом значение демпфирующего фактора β12 значительно возрастает.

Ссылки на источники1. Быков И. ω., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Колонна бурильных труб в процессе углубления скважины, как объект автоматического регулирования.// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012.№10. С.1317.2. Быков И. ω., Заикин С. Ф., Перминов Б. А.Оптимизация управления процессом углубления скважины. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012.№10. С.1721.3. Перминов Б. А. Устройство для измерения крутящего момента. Патент СССР №1747963 G01L3/10, 19934. Перминов В. Б., Балахнов Д. А., Лихачёв В. Н., Норицин А. Д. Динамические методы измерения крутящих моментов.// Приборыисистемы. Управление, контроль, диагностика.2002.№12.

Bykov Igor Jur`evichdoctor of technical Sciences, professor, Uhtinsky state technical university, Ukhta, ibykov@ugtu.netZaikin Stanislav Fedorovichgraduate student, senior lecturer, Russian open Academy of transport MIIT, UkhtaAstrostas2008@yandex.ruPerminov Boris Alekseevichcandidate of technical Sciences, professor, Russian open Academy of transport MIIT,Ukhtaboris.perminoff2013@yandex.ruPerminov Viktor Borisovich candidate of technical Sciences, the Deputy head of the Department of OOO «Gazprom transgaz Ukhta», Ukhtavperminov@sgp.gazprom.ruYagubov Zafar Khanhuseyn ogluDoctor of Technical Sciences Head of Department, Ukhta State Technical University, Ukhta

zav_eatp@ugtu.netPoletaev Sergey VasilyevichSenior Lecturer, Ukhta State Technical University, Ukhtapoletaew@rambler.ruInvestigation of the structural model of the drillstringAnnotation.The structural model of the drill string as a series connection of of elementary components. A study of the structure dynamic properties using mathematical software package MatLab package and PDS. The transient processes for different modes of operation of the drill string.Keywords:structural model of the drill string, dynamics, perehodnye processes.