19 июня 2018г.
Работа бурильной колонны в скважине при её углублении практически полностью отражается изменениями крутящего момента на валу двигателя привода буровой установки. Измеряя значение крутящего момента и его изменения можно судить о статических и динамических значениях параметров характеризующих работу бурильной колонны и влиять на эти параметры в режиме регулирования.
Из множества методов измерения крутящего момента высокой технологичностью отличаются методы измерения по энергетическим показателям двигательного устройства с выделением динамики. Методы измерения с выделением динамических составляющих крутящего момента [1,2,3] обладают большей точностью, свободны от статистической ошибки и положены в основу разработки систем регулирования режима устойчивой работы бурильной колонны. Кроме того, следует учитывать, что более приемлемыми в условиях бурения являются способы и методы позволяющие проводить измерения с достаточной степенью точности в наземных условиях.
Структура дифференциальных измерений представлена на рис.1.
Здесь N(t) – измеряемая мощность двигателя привода;
ω(t) – измеряемая угловая скорость вала двигателя привода;
ДФ1 – дифференцирующий фильтр канала измерения мощности;
ДФ2 – дифференцирующий фильтр канала измерения угловой скорости вала привода; БД – блок деления.
Блок деления необходим, для получения результата измерения крутящего момента, так как
является результатом косвенных измерений мощности и угловой скорости.
Операция дифференцирования может быть осуществлена на параллельных встречно включённых апериодических звеньях, например, для канала измерения мощности согласно рис. 2.
Рисунок 2. – Реализация дифференцирования на апериодических звеньях
Согласно приведённой структуре оба канала измерения объединяются блоком деления, выполняющим операцию:
При условии Т1=Т3, Т2=Т4, что вполне реализуемо, так как параметры T1, Т2, Т3, Т4 – являются параметрами настройки дифференциальных структур.
Таким образом, в результате деления на выходе устройства в целом можно получить статическое значение измеряемой величины, свободное от статической ошибки:
где ΔN – приращение мощности двигателя привода;
Δω – приращение угловой скорости вала двигателя привода.
Ниже на рис. 2 представлена функциональная схема измерителя крутящего момента, согласно которой проведен выбор комплектующих.
Ниже приведены предложения по практической реализации данной структуры на буровых установках, использующих для привода ротора электродвигатели постоянного тока Карпинского машиностроительного завода,
массой 5000 кг, габаритными размерами 2100х1245х1765 мм, со способом охлаждения ICA 16. В таблице 1 представлены их характеристики.
Таблица 1.
|
Тип двигателя
|
ДПБ 1000
|
ДПБ 750
|
ДПБ 650
|
|
Область применения
|
Бурение
скважин до 8000 м
|
|
Мощность
|
1000 кВт
|
750 кВт
|
650 кВт
|
|
Напряжение
|
800 В
|
800 В
|
440 В
|
|
Ток
|
1320 А
|
1000 А
|
1370 А
|
|
Частота вращения номинал
|
1000 об/мин
|
1000 об/мин
|
500/1000 об/мин
|
|
Частота вращения максимал
|
1500 об/мин
|
1500 об/мин
|
1500 об/мин
|
|
Вид напряжения
возбуждения
|
Независим., 220В
|
Независим.,220В
|
Независим.,220В
|
|
Ток возбуждения
|
22,3 А
|
23,2 А
|
21,2 А
|
|
Вращающий момент номинал
|
9,55 кНм
|
7,18 кНм
|
9,9 кНм
|
|
Режим работы
|
S 1
|
S 1
|
S 1
|
В качестве
оптимального двигателя выберем
ДПБ750
номинальные характеристики которого мощность 750 кВт, напряжение 800 В, ток 1000 А, частота вращения 1000 об/мин.
Для измерения угловой скорости вращения вала двигателя используем датчик скорости серии 3000 фирмы HID Corporation [4]. Характеристики датчика приведены в таблице 2.
Таблица 2.
|
№ п/п
|
Наименование параметра, единица измерения
|
Значение
параметра
|
|
1
|
Тип преобразователя магнитного поля
|
Датчик Виганда
|
|
2
|
Напряжение питания, В
|
Не требуется
|
|
3
|
Сопротивление
обмотки, Ом
|
1600 ± 5%
|
|
4
|
Сопротивление
нагрузки, Ом
|
103 - 104
|
|
5
|
Напряжение сигнала не менее, В
|
± 1,0
|
|
6
|
Длительность выходного импульса, мкс
|
10
|
|
7
|
Рабочий зазор, мм
|
1,27 - 3
|
|
8
|
Диапазон рабочих частот, кГц
|
0 -20
|
|
9
|
Диапазон рабочих температур, 0С
|
-
40 - +80
|
|
10
|
Возможность работы в жёстких условиях
эксплуатации
|
Для измерения рабочей мощности двигателя, как произведения силы тока на напряжение, используем датчики постоянного тока и напряжения из литературного источника[4].
Основные параметры аналогового датчика тока LT1000-SI/SP58 совместного предприятия «ТВЕЛЕМ» приведены в таблице 3.
Основные параметры аналогового датчика напряжения ДН 424Н06-0,05/0,1 НПО «ГАММАМЕТ» приведены в таблице 4.
Основная особенность данных датчиков использование в качестве преобразователя магнитного поля (ПМП) элемента Холла. Изготовлены они в России и имеют по сравнению с зарубежными аналогами низкую стоимость при оптимальных характеристиках.
Таблица 3.
|
№ п/п
|
Наименование параметра, единица измерения
|
Значение параметра
|
|
1
|
Масса, г
|
900
|
|
2
|
Диапазон рабочих температур, 0С
|
- 60 - +80
|
|
3
|
Диапазон воспроизводимых частот, кГц
|
0
-100
|
|
4
|
Скорость нарастания выходного сигнала, А/мкс
|
50
|
|
5
|
Ток потребления,
мА
|
30
|
|
6
|
Напряжение питания, В
|
± 15 - 24
|
|
7
|
Погрешность преобразования,
% от Iном
|
0,3
|
|
8
|
Коэффициент нелинейности преобразования,
% от Iном
|
± 0,1
|
|
9
|
Максимальный
выходной сигнал, мА
|
200
|
|
10
|
Начальный выходной сигнал, мА
|
± 0,4
|
|
11
|
Диапазон изменения входного тока, А
|
0 - 1500
|
|
12
|
Номинальный входной ток, А
|
1000
|
Таблица 4.
|
№ п/п
|
Наименование параметра, единица измерения
|
Значение
параметра
|
|
1
|
Диапазон измеряемого напряжения, В
|
0 - 600
|
|
2
|
Напряжение питания, В
|
24
|
|
3
|
Диапазон рабочих температур, 0С
|
- 40 - +60
|
|
4
|
Номинальный входной ток, мА
|
50
|
|
5
|
Номинальный выходной ток, мА
|
100
|
|
6
|
Постоянная времени,
мкс
|
50
|
|
7
|
Встроенный первичный резистор
|
|
|
8
|
Встроенная схема усиления и обработки сигнала
|
|
С целью минимизации аппаратурных средств измерения крутящего момента двигателя привода бурильной колонны рекомендуется контроллер:
1. С максимальным числом входных порталов – 8.
2. Число входов с использованием АЦП – 4.
3. Контроллер должен иметь:
- возможность моделирования вариационной структуры измерения,
- цифровую индикацию не менее 12-ти разрядов,
- возможность подключения внешних дисплейных устройств,
- возможность построения любых типов регуляторов.
- иметь условия настройки параметров каналов измерения и регуляторов.
Предлагается схему измерения собрать на программируемых контроллерах SIPLUS S7-200. Напряжения с датчика мощности блока умножения БУ и датчика угловой скорости подаются с помощью измерительного кабеля связи на блок сопряжения с входами аналого-цифровых преобразователей канала измерения мощности и канала измерения угловой скорости, а так же на входы вариационной структуры измерения крутящего момента. С АЦП мощности и АЦП угловой скорости информация о текущих значениях этих параметров подаётся на цифровые индикаторы и цифровой блок деления контроллера к выходу, которого подключается цифровой индикатор крутящего
момента. Таким образом, с
помощью каналов измерения АЦП мощности и угловой скорости возможно отслеживание с помощью контроллера текущих параметров мощности двигателя привода, скорости вращения вала редуктора и текущего значения крутящего момента на валу двигателя привода.
Окончательная функциональная схема измерения параметров крутящего момента, представлена на рис. 4, где ЦИ – цифровой индикатор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Если в системе управления процессом углубления скважины используется хотя бы один из этих параметров, то его текущее значение подаётся на вход ПИД-авторегулятора, смоделированного с помощью контроллера, используемого для целей управления бурением.
Выводы.
1. Способ измерения крутящего момента на валу двигателя привода и его составляющих с использованием вариационной структуры позволяет значительно минимизировать аппаратурные средства измерения и управления процессом углубления скважины.
2. Измерение в процессе углубления скважины значения крутящего
момента на валу двигателя привода буровой установки с выделением его составляющих, позволяет организовать управление бурением на основе этих параметров, которые являются более информативными и
более полно отражают динамические процессы при работе бурильной колонны в скважине.
Список литературы
1.
Быков И. Ю., Заикин С.
Ф., Перминов
Б.
А. Дифференциальная
(вариационная) структура измерителя крутящего момента на валу
электродвигателя буровых установок // Инженер-нефтяник.– 2011. – №2. –
С.
33 – 35.
2. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Оценка метрологических точностных характеристик дифференциальной (вариационной) структуры измерителя крутящего момента на валу силового привода буровых установок // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2011. – №7. – С. 14 – 16.
3.
Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Косвенный метод измерения крутящего момента // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2011. – №7. – С. 46 – 48.
4. Микромагнитоэлектроника. Т. 2 / Бараночников М.Л. - Изд. 2-е, доп. - М.: ДМК Пресс, 2014. - 888с.
