Рассмотрен мобильный электротехнический буровой комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда с авторезонансным вентильным электроприводом возвратно-вращательного движения буровой коронки. Особенность этого бурового снаряда заключаются в том, что в нём сумма действующих моментов вращения в любой момент времени относительно оси снаряда (скважины) равна нулю, т.е. он не требует применения устройства для компенсации реактивного момента при работе на грузонесущем кабеле.
Электротехнические буровые комплексы на основе электромеханических колонковых буровых снарядов на грузонесущих кабелях получили широкое применение при бурении ледников в Антарктиде, Арктике, Гренландии и др. Достоинствами этих комплексов являются высокая мобильность, низкая металлоёмкость, отсутствие бурильных колонн.
Работы по созданию электромеханических колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле проводились в СССР и проводятся в России (Санкт-Петербургский государственный горный университет), в США (CRELL), Дании (ISTUK), Франции, Японии. Наивысшие мировые результаты достигнуты при бурении ледника в Антарктиде на станции Восток: 5 февраля 2012 года гляциобуровым отрядом НМСУ «Горный» и НИИ Арктики и Антарктики выполнено вскрытие озера Восток на глубине 3769,3 метра с помощью электротехнического бурового комплекса на основе бурового снаряда КЭМС – 132 [1]. Однако этот буровой комплекс, выполнивший уникальную работу по вскрытию озера Восток, становится неработоспособным из-за потери возможности компенсировать реактивный момент буровой коронки, возникающий при работе бурового снаряда на забое, при бурении слабосвязанных и донных пород, а так же интервалов с кавернами Этим недостатком обладают все существующие буровые снаряды на грузонесущем кабеле, в которых для компенсации реактивного момента на буровой коронке используют редукторы и распорные устройства, что усложняет конструкцию, снижает надёжность работы бурового комплекса.
Значительное число продуктивных пластов разрабатываемых нефтяных месторождений склонно к выносу песка в призабойную зону добычных скважин, а также к образованию в этих зонах пробок из асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО). Это приводит к существенному снижению дебита скважин. Так, например, при разработке некоторых нефтяных месторождений в республике Коми дебит добычных скважин снижается в 3-4 раза [2]. Кроме того, при разработке месторождений высоковязкой нефти тепловыми методами для постановки в зону продуктивного пласта различных забойных электротермических устройств (скважинных электронагревателей или электропарогенераторов), разработка которых ведется в НМСУ «Горный», необходимо иметь гарантированную чистоту и проектный диаметр призабойной зоны обрабатываемых скважин.
Для выполнения операций по очистке призабойных зон нефтяных, газовых и водозаборных скважин от песка и других отложений предлагается мобильный электротехнический буровой комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда (ДУБС) (рис.1). Комплекс включает в себя геофизическую лебедку c пультом управления, размещенные на автомобильном шасси, и динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле.
Разрабатываемые в НМСУ «Горный» динамически уравновешенные буровые снаряды с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения [3,4,5] лишены недостатков, характерных для традиционных буровых снарядов на грузонесущем кабеле. Это позволяет расширить область применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле и использовать их для очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, а также для взятия донных проб рек, озёр, морей и океанов, бурения в шельфовых зонах с бортов неспециализированных судов. Отличительными особенностями ДУБС от известных являются отсутствие редуктора и распорной системы, воспринимающей реактивный момент при работе породоразрушающего инструмента на забое, что упрощает конструкцию и обеспечивает надежную работу снаряда в металлической обсадной колонне.
Рассматриваемый ДУБС представляет собой двухмассовую колебательную электромеханическую систему возвратно-вращательного движения (ВВД) с двумя степенями свободы (рис.2). Статорная часть 3 погружного маслозаполненного электродвигателя соединена с роторной частью (8,9,10) упругим элементом 4 (параллельно соединенными пружинами кручения).
Статорная часть с моментом инерции J1 под действием электромагнитного момента ЭД МЭМ перемещается на угол j1 в неподвижной системе координат. Роторная часть с моментом инерции J2 под действием того же электромагнитного момента МЭМ поворачивается на угол j2 в противоположном направлении. Возвратно-вращательное движение статорной части относительно роторной происходит относительно неподвижного узлового сечения А-А упругого элемента, расположение которого зависит от соотношения моментов инерции и нагрузок на статорную и роторную части ДУБС.
Со стороны упругого элемента, представленного пружиной кручения с жесткостью С, на статорную J1 и роторную J2 части действуют упругие моменты Mу12=Mу21, определяемые углом закручивания пружины кручения и коэффициентом жёсткости. Со стороны буровой коронки и колонковой трубы на роторную часть с моментом инерции J2 и на статорную часть ДУБС с моментом инерции J1 действуют момент сопротивления Mс в виде аддитивной комбинации вязкого и сухого трений, а также случайной составляющей момента нагрузки.
При постановке снаряда на забой и подаче на статорные обмотки электродвигателя напряжения, формирующего в зазоре между ротором и статором знакопеременный электромагнитный момент, статорная и роторная части совершают возвратно-вращательные движения в противоположных направлениях. При работе на резонансной частоте электромеханической системы амплитуды колебаний имеют максимальные значения, а сумма моментов вращения, действующая на эти части, равна нулю, т.е. буровой снаряд является динамически уравновешенным. Давление на забой и момент сопротивления на буровой коронке определяется общей массой снаряда.
Для построения математической модели электромеханической системы целесообразно воспользоваться уравнениями Лагранжа второго рода, где за обобщенные координаты принимаются углы поворота статорной φ1 и роторной φ2 частей
Уравнения (2) позволяют проводить анализ нормальных режимов (нагрузка сосредоточена на буровой коронке, а на статорной части не превышает 5-10 %), анормальных и аварийных режимов работы ДУБС (работа в вязкой среде, заклинивание статорной или роторной частей бурового снаряда), а также исследовать симметричные и несимметричные режимы работы.
Известно, что амплитуды колебаний в резонансных машинах и устройствах в режимах холостого хода и малых нагрузок достигают значительных величин, вызывая в силовых системах этих устройств недопустимо высокие разрушающие механические напряжения. По этой причине такие машины работают в неэффективных в далеко зарезонансных областях. Поэтому электропривод при возвратно-вращательных движениях (ВВД) в режимах авторезонансных колебаний должен при превышении заданного угла колебаний переходить в тормозной режим, обеспечивая работу на холостом ходу с заданным размахом колебаний.
Режимы авторезонансных колебаний электропривода ВВД должны быть не чувствительны к изменениям динамических параметров (коэффициента жёсткости с упругого элемента, моментов инерции J), а также к величине и характеру нагрузки. Таким достаточно жёстким требованиям в полной мере удовлетворяет нетрадиционный электропривод с вентильным электродвигателем, в котором используется трёхфазный статор общепромышленного трёхфазного асинхронного электродвигателя с магнитным ротором, имеющим одну или две пары полюсов.
При создании ДУБС предполагается использование погружного вентильного электродвигателя ВД16-117В5 производства ОАО «РИТЕК» наружным диаметром 117 мм. Электромагнитный момент этого электродвигателя удобно представить в виде (рис. 3):
В зависимости от схемы соединения статорных обмоток электродвигателя можно получить различную амплитуду колебаний. Фазные обмотки электродвигателя с одной парой полюсов, соединённые как показано на рис. 4б, при питании от управляемого однофазного автономного инвертора тока позволяют получить возвратно-вращательные движения ротора с предельным теоретическим размахом 180 геометрических градусов (рис. 4а). При снижении технологической нагрузки амплитуда колебаний не превышает 90 градусов из-за перехода ротора в тормозную зону.
Выше показанный ДУБС с разомкнутой системой управления (СУ) в лабораторных условиях обеспечивает работу электропривода (ЭП) ВВД в резонансном режиме без технологической нагрузки. При появлении даже не значительной нагрузки ЭП выпадает из резонансного режима и ручное управление им становится невозможным.
Для обеспечения надёжной и эффективной работы в авторезонансном режиме создана система управления электроприводом ВВД по патенту РФ № 2410826 «Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения». согласно которому, для возбуждения авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения на каждом полупериоде колебаний в моменты времени перехода кривой скорости колебаний ротора относительно статора через нулевое значение на обмотки электродвигателя подают напряжение, формирующее электромагнитный момент, изменяющийся синфазно со скоростью колебаний ротора относительно статора [6].
Из теоретической механики известно, что сдвиг фаз между возмущающей силой и вынужденными колебаниями для систем с одной степенью свободы определяется выражением
При таком способе управления изменение динамических параметров системы не влияет на резонансные фазовые соотношения, т.к. на каждом полупериоде имеются точки 
.
Разработанная система управления ЭП ВВД позволяет получать авторезонансные колебания электромеханической системы ДУБС, инвариантные к изменениям и нелинейностям динамических параметров системы и нагрузок на буровой коронке.
Устройством для реализации способа управления резонансными колебаниями стал датчик скорости ВВД, разработанный в Горном университете и защищён патентом РФ № 2488122 «Бесконтактный датчик скорости и положения ротора» (рис. 6) [7]. Он служит для создания замкнутой системы управления электроприводом возвратно-вращательного движения в режиме резонансных автоколебаний. Ротор датчика скорости установлен на валу электродвигателя с совмещением продольных осей симметрий магнитных полей роторов датчика и электродвигателя. Размах колебаний ротора электропривода возвратно-вращательного движения, при котором может быть использован бесконтактный датчик скорости ВВД достигает 180 градусов.
Датчик состоит из корпуса 1, магнитопровода 2 с двумя кольцевыми полуобмотками 3 с полюсным делением равным π, явнополюсного ротора датчика скорости с постоянными магнитами 3, корпуса с подшипником 5 и крышки с подшипником 6. Разработаны и исследованы схемы различных разомкнутых и замкнутых систем управления.
При подаче напряжения с обмотки датчика скорости и положения ротора (рис. 7а) на вход компаратора К в точках нулевого напряжения на обмотках датчика, на выходе компаратора изменяется напряжение и формируется управляющий импульс для силовых тиристоров (рис. 7б).
Главная особенность замкнутой схемы управления (с использованием датчика скорости) заключается в обеспечении устойчивой работы в авторезонансном режиме при изменении динамических параметров и нагрузок на буровой коронке: при увеличении или уменьшении нагрузки уменьшается или увеличивается частота при сохранении резонансных фазовых соотношений между моментом электродвигателя, скоростью и заданным размахом колебаний – во всех режимах угол сдвига между положением и скоростью колеблющихся масс составляет 90 градусов (рис. 7).
При снижении технологической нагрузки до холостого хода амплитуда колебаний ротора лабораторного ДУБС практически не отличается от амплитуды номинального режима.
На кафедре «Электротехники, электроэнергетики, электромеханики» Горного университета разработаны лабораторный экспериментальный стенд для исследования динамически уравновешенного бурового снаряда (рис. 8) и лабораторный макет ДУБС (рис. 9a). В качестве приводного двигателя для реализации возвратно-вращательного движения буровой коронки используется вентильный электродвигатель со штатным трехфазным статором асинхронного электродвигателя с разработанным и изготовленным ротором на постоянных магнитах. Колонковая труба макета оснащена алмазной буровой коронкой для бурения горных пород [8].
На основе ДУСБ разработан электротехнический буровой комплекс, функциональная и расчётная схемы которого представлены на рис. 10. Его основные элементы: 1 – управляемый преобразователь переменного тока в постоянный; 2 – грузонесущий кабель; 3 – центральная экранированная жила грузонесущего кабеля; 4 – ДУБС; 5 – обмотка датчика скорости; 6 – датчик забоя; СУ- система управления; ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения; L – дроссель; U2 – напряжение на выходе инвертор. Этот комплекс можно установить на любую мобильную платформу.
Основные выводы
1. К достоинствам динамически уравновешенного бурового снаряда можно отнести возможность получения предельно допустимых средних линейных скоростей резания породоразрушающего инструмента, которые при гармоническом законе движения определяются амплитудой, частотой колебания и диаметром коронки, то есть:
4. Имитационное моделирование и исследование симметричных и несимметричных режимов на физическом макете электропривода ДУБС подтвердило устойчивость резонансных автоколебаний с комбинированной нагрузкой.
5. Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом для бурения донных пород подледниковых водоемов включает в себя: геофизический подъемник с канатоемкостью не менее 4500м, регулируемый преобразователь постоянного тока GEFRAN серии TPD32 EV-500-2B, работающий в режиме источника тока и однофазного инвертора тока с выходным трансформатором с коэффициентом трансформации 2,0-2,2, динамически уравновешенный буровой снаряд с авторезонансным вентильным двигателем типа ВД16 – 117В5, грузонесущий кабель типа КГ1х1,5+6х2,5-125-200 длиной 4500 м, колонковую трубу с алмазной буровой коронкой длиной 1,0-1,5 м и диаметром 46-59 мм.
6. По результатам исследований защищено шесть кандидатских диссертаций и получено шесть патентов РФ на изобретения.
7. Уровень проработки теоретических и экспериментальных исследований позволяют создать в настоящее время полноразмерный макет ДУБС для стендовых испытаний.
Список использованной литературы
1. Литвненко В.С., Васильев Н.И., Дмитриев А.Н., Липенков В.Я. Результаты и особенности бурения скважины 5Г и первого вскрытия озера Восток.// Сборник трудов международной научно-технической конференции имени Леонардо да Винчи – Берлин Wissenschaftliche Welle. V., 2013. – №1 – С. 137-146
2. Паненко И.А. Повышение нефтеотдачи пластов месторождений на поздней стадии разработки: "Нефтяное хозяйство" №4, Свиридов В.С., 1993.
3. Стародед С.С. Авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Автореф. канд. дисс. СПГГИ (ТУ), СПб, 2009, 21 с.
4. Электромеханический колонковый буровой снаряд. Патент Российской Федерации, № 2337225, МПК E21B 4/04 / Э.А. Загривный, В.В. Рудаков, С.С. Стародед, Ю.А. Гаврилов // Бюл. №30, 27.10.2008.
5. Электропривод колебательного движения. / Патент Российской Федерации, № 2401503, МПК H02P25/02 / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов, С.С. Стародед // Бюл. №28, 10.10.2010.
6. Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения. Патент Российской Федерации, № 2410826 / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов // Бюл. №3, 27.01.2011.
7. Бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора №2488122 / Э.А.Загривный, А.Н.Фоменко, В.А, Иваник, Ю.А.Гаврилов, Н.С.Губарь// Опубл. 20.07.2013, Бюл. № 20
8. Загривный Э.А., Губарь Н.С., Поддубный Д.А. Лабораторные экспериментальные исследования динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом возвратно – вращательного движения.// «Народное хозяйство республики Коми» – г. Воркута, 2013 – №1 – С.39-44.
9. Шкурко О.А. Электромеханический преобразователь для бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Автореф. канд. дисс. СПГГИ (ТУ), СПб, 1998, 23 с.
10. Соловьёв В.А. Асинхронный электромеханический преобразователь возвратно-вращательного движения для динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Автореф. канд. дисс. СПГГИ (ТУ), СПб, 2005, 21 с.
11. Иваник В.В. Авторезонансный асинхронный бездатчиковый электропривод возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Автореф. канд. дисс. СПГГУ, СПб, 2011, 21с.
12. Фоменко А.Н. Анализ режимов работы электромеханического бурового комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Автореф. канд. дисс. СПГГУ, СПб, 2011, 21с.
13. Губарь Н.С. Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов Автореф. канд. дисс. ФГБОУ ВПО «Национальный минерально – сырьевой университет «Горный», СПб, 2013, 21с.
14. Колонковый буровой снаряд с электроприводом. 2004, - Бюл.№1. Загривный Э.А., Соловьёв В.А.
15. Электромеханический колонковый буровой снаряд. Патент РФ на полезную модель №95728 / Загривный Э.А., Фоменко А.Н., Иваник В.В. // от 11.12.2009 г.
