Влияние режима неустойчивого вращения долота на энергоэффективность электропривода ротора буровой установки

Представлены новые результаты исследования работы асинхронного электропривода ротора буровой установки в режимах неустойчивого вращения долота, сопровождаемого Stick-Slip эффектом и присущим ему нежелательными последствиями. Ранее авторами были разработаны модели регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока ротора буровой установки. В ходе дальнейших исследований выявлена необходимость уточнения части механической модели имитации момента сопротивления на долоте, перехода от стохастической модели к комбинированной модели, более детально учитывающей физику процессов бурения и влияние технологических параметров режимов бурения на момент сопротивления на долоте. Разработана новая модификация общей компьютерной модели асинхронного привода ротора буровой установки, сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными подтвердило повышение адекватности моделирования процессов, связанных с возникновением автоколебаний и крутильных вибраций в режиме неустойчивого вращения долота. Особое внимание уделено изучению влияния неустойчивого вращения долота на энергетические показатели электропривода ротора и долота, для чего выходной список общей модели дополнен энергетическими показателями. В ходе компьютерного моделирования характерных режимов бурения выполнено исследование и установлены закономерности влияния основных технологических параметров на энергетические показатели.

Ершов М. С., Феоктистов Е. А. Влияние режима неустойчивого вращения долота на энергоэффективность электропривода ротора буровой установки // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 1. – С. 148–161. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_1_0_148.

Ершов Михаил Сергеевич — д-р техн. наук, профессор, Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина, e-mail: msershov@yandex.ru, ORCID 0000-0002-7772-0095,
Феоктистов Евгений Алексеевич — студент, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), e-mail: Eugene.Feoktistov@yandex.ru, ORCID 0000-0002-9490-3854.

Ершов М.С., e-mail: msershov@yandex.ru.

1. Kreisle L. F., Vance J. M. Mathematical analysis of the effect of shock sub on the longitudinal vibrations of an oil-well drill-string // Society of Petroleum Engineers Journal. 1970, no. 2, pp. 349—356.

2. Симонов Н. Г., Юнин Е. К. Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента. — М.: Недра, 1977. — 217 с.

3. Белокобыльский С. В., Ветюков М. М., Нагаев Р. Ф. О фрикционных автоколебаниях бурильной колонны // Известия АН СССР. Машиноведение. — 1982. — № 2. — С. 15—20.

4. Yang Liu, Wei Lin, Joseph Páez Chávez, Rulston De Sa Torsional stick-slip vibrations and multistability in drill-strings // Applied Mathematical Modelling. 2019, vol. 76, pp. 545—546.

5. Aarsnes U. J., Van de Wouw N. Dynamics of a distributed drill string system: characteristic parameters and stability maps // Journal of Sound and Vibration. 2018, vol. 417, no. 37, pp. 376—412. DOI: 16/j.jsv.2017.12.002.

6. Liping Tang, Xiaohua Zhu Effects of drill string length on stick–slip oscillation of the oilwell drill string // Iranian Journal of Science and Technology. Transactions of Mechanical Engineering. 2019, vol. 44, pp. 2—11. DOI: 10.1007/s40997-019-00279-y.

7. Saldivar B., Mondie S., Avila Vilchis J. C. The control of drilling vibrations. A coupled PDE-ODE modeling approach // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. 2016, vol. 26, no. 2, pp. 335—349.

8. Коронатов В. А. Основы математической строгой теории глубокого бурения // Системы. Методы. Технологии. — 2020. — № (46). — С. 23—29. DOI: 10.18324/2077-54152020-2-23-29.

9. Tang L., Zhu X., Qian X., Shi C. Effects of weight on bit on torsional stick-slip vibration of oil well drill string // Journal of Mechanical Science and Technology. 2017, vol. 31, no. 10, pp. 4589–4597.

10. Литвиненко В. С., Двойников М. В. Обоснование выбора параметров режима бурения скважины роторными управляемыми системами // Записки Горного института. — 2019. — Т. 235. — С. 24—29.

11. Monteiro H. L. S., Trindade M. A. Performance analysis of proportional-integral feedback control for the reduction of stick-slip-induced torsional vibrations in oil well drillstrings // Journal Sound and Vibration. 2017, vol. 398, pp. 28—38.

12. Ritto T. G., Ghandchi-Tehrani M. Active control of stick-slip torsional vibrations in drillstrings // Journal of Vibration and Control. 2018, vol. 25, no. 1, pp. 1—9. DOI: 10.1177/10775463-1877-4-240.

13. Wei Lin, Joseph Paez Chavez, Yang Liu, Yingxin Yang, Yuchun Kuang Stick-slip suppression and speed tuning for a drill-string system via proportional-derivative control // Applied Mathematical Modelling. 2020, vol. 82, pp. 2—19.

14. Букреев С. В. Исследование закономерностей влияния вентильно-индукторного электропривода на переходные процессы в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 10. — С. 219—225. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-219-225.

15. Руководство по эксплуатации PDC долот для полевых инженеров. Компания BP. URL: http://drillpoint.ru/uploads/files/Rukovodstvo%20po%20ekspluatacii%20PDC%20dolot

%20dlya%20polevyh%20inzhenerov.pdf (дата обращения: 25.11.2020).

16. Ершов М. С., Балицкий В. П., Мелик-Шахназарова И. А. Исследование работы привода постоянного тока ротора буровой установки в режиме неустойчивого вращения долота // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 11. — С. 166— 179. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-11-0-166-179.

17. Ершов М. С., Комков А. Н., Феоктистов Е. А. Работа электроприводов постоянного и переменного тока ротора буровой установки в режиме неустойчивого вращения долота // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 6. — С. 153—167. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_158.

18. Melkebeek J. A. Electrical machines and drives. Fundamentals and advanced modelling / Power Systems. Springer International Publishing AG, 2018, 740 p.

19. Hoang L. Modelling and simulation of electrical drives using MATLAB/Simulink and Power System Blockset // IECON'01. 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2001, vol. 3, pp. 1603—1611.

20. Юнин Е. К. Введение в динамику глубокого бурения. — М.: Книжный дом «Либроком», 2015. — 168 с.

21. Заляев М. Ф. Исследование вибрации при бурении скважин на Термокарстовом газоконденсатном месторождении // Нефтегазовое дело. — 2015. — Т. 13. — № 4. — С. 36—40.

22. Лукьянов Э. В., Кудашева С. В. Методические рекомендации по интерпретации данных ГТИ. — Новосибирск: Издательский дом «Историческое наследие Сибири», 2016. — 512 с.