Содержание к диссертации
стр.
Обозначения . 4
Введение 8
Глава I. Состояние вопроса автоматизации процесса бурения
-
Причины искривления скважины и оптимизация режимов бурения 15
-
Существующие системы автоматического регулирования и задачи исследования 22
Глава 2. Исследование статических характеристик бурового става в прямолинейной скважине
-
Определение влияния собственного веса бурового става на его устойчивость 26
-
Исследование формы статического равновесия бурового става в скважине. . 33
-
Определение влияния сил трения бурового става
о стенки скважины на крутящий момент привода . 47 Глава 3. Исследование статических характеристик бурового става в криволинейной скважине
3.1. Определение влияния искривления бурового става
и скважины на крутящий момент привода. .... 50
3.2. Определение напряжения в буровом ставе .... 64
Глава 4. Динамика бурового става в закритической области
его нагружения
-
Определение критических значений скорости вращения бурового става 68
-
Исследование влияния ударных нагрузок на
буровом ставе 77
4.3. Определение рациональных параметров нагрузки
для сохранения прямолинейности бурения
стр.
скважины * .82
4.4. Исследование возможности срыва резонансных
явлений в буровом ставе 94
Глава 5. Экспериментальная проверка полученных результатов
5.1. Обоснование необходимости проведения экспе
риментов III
5.2. Разработка и конструирование стенда 112
Глава 6. Реализация полученных результатов
-
Разработка способов и устройств для автоматического управления буровыми машинами 138
-
Промышленные испытания регулятора нагрузки
ПРИЗ-М 155
Выводы 157
Заключение 157
Список литературы 162
Приложение I. Акт приемки и протокол приемочных испытаний опытных образцов регулятора нагрузки ПРИЗ-М
(на машине БГА-4) 172
Приложение 2. Акт приемки и протокол приемочных испытаний опытного образца регулятора нагрузки ПРИЗ-М
(на машине "Стрела-77") 207
Приложение 3. Данные о затратах времени на забуривание. . . 232
Приложение 4. Акт 233
Приложение 5. Расчет экономического эффекта от использова
ния модернизированного регулятора нагрузки
ПРИЗ-М на буровых машинах БГА-4 и "Стрела-77" 235
Приложение 6. Справка об использовании результатов диссер
тационной работы 256
_ ц. _
В работе используются следующие буквенные обозначения:
Д - параметр Вышнеградского;
& - скорость распространения продольных колебаний;
&о- безразмерный коэффициент;
q - параметр Вышнеградского;
5 - интенсивность распределения нагрузки;
(jn- продольная жесткость бурового става;
J] - диаметр скважины;
С - модуль упругости первого рода;
С - общие затраты энергии;
р - энергия изгибных колебаний в криволинейной скважине;
р - энергия изгибных колебаний става в прямолинейной скважине;
р - потери энергии на трение;
р - сумма кинетической и потенциальной энергии;
С- площадь поперечного сечения стержня (става);
р - реакция скважины;
I - частота колебаний;
Q. - модуль упругости второго рода;
3 - ускорение силы тяжести;
\\ - функция;
J- - параметр;
- момент инерции сечения; р- полярный момент инерции сечения;
J - момент инерции бурового става;
\\ - крутящий момент, направленный по касательной к оси стержня;
К - эквивалентный коэффициент усиления нелинейного звена;
К - коэффициент усиления буровой машины;
К - коэффициент усиления преобразователя;
К - приводной крутящий момент в прямолинейной скважине;
^ - приводной крутящий момент при искривлении скважины на
угол і ; \\и - номинальный крутящий момент;
g - проекция стержня (става) на ось оболочки (скважины); Б, - проекция контактной линии на ось скважины; 0КЛ - длина контактной линии; gKp- критическая длина стержня (става); КР1- критическая длина стержня (става) без учета собственного
веса; Ub - шаг винтовой линии;
Виъ- длина криволинейного участка буровой скважины; Вп- длина прямолинейного участка скважины;
gc - длина секции става; Wf момент трения; ГП - масса бурового става; Що- масса единицы длины бурового става; [\| - динамическая осевая нагрузка; М - амплитуда ударной волны; [\| - мощность привода; р - осевая нагрузка; П - осевая критическая нагрузка; р - осевая номинальная нагрузка;
П - суммарная реакция скважины;
П - реакция скважины вдоль контактной линии;
П - реакция скважины на границе контактной линии;
3 - вес единицы длины бурового става;
f\ - стрела прогиба;
\\ - реальная стрела прогиба;
Х- радиус бурового става;
5- комплексная переменная;
- б -
Cj0- длина стержня (става); Т Т - постоянные времени интегрирования; Т - постоянная времени бурового става; Ь - параметр времени;
ц - продольное перемещение стержня (става); Ui,lk- управления; Y - скорость движения бурового става; \1 - коэффициент второй вариации нагрузки; \J- момент сопротивления; \J- полярный момент сопротивления; Х,УД~ координатные оси; Хо- координата точки касания стержня (става) и оболочки (скважины); Хеке.- отклонение скважины; Хгпох максимальное отклонение скважины; j^ - угол искривления скважины; ^с- угол отклонения секции бурового става; (ЦЛч-г коэффициенты; К - плотность стержня; К, - коэффициент пропорциональности осевой нагрузки и крутящего
момента; Q- угол закручивания бурового става; р- угол наклона касательной к траектории (конфигурации)
става; 0- угол поворота бурового става вокруг собственной оси; *f - угол поворота бурового става вокруг оси скважины; *f„- функция ограничения; 1- относительная погрешность; JV- неопределенный множитель Лагранжа;
]И0- малый параметр;
jh0- коэффициент трения бурового става о стенку скважины;
р - собственная частота вращения бурового става относительно
оси скважины; Pjs.- радиус кривизны бурового става при искривлении скважины; р0- радиус кривизны стержня (става); р, - радиус кривизны оболочки (скважины); рЛР- критическая частота вращения бурового става; (5~ напряжения изгиба; Мгг ПР9Д9Л пропорциональности;
бскь среднеквадратическое отклонение фиксированной точки траектории скважины; X, - касательное напряжение; t,- собственное время; ^- вспомогательная вектор-функция в принципе максимума Понт-
рягина; ц)- параметр искривления бурового става; Ыг~ собственная частота поперечных колебаний бурового става; у^- частота вращения става вокруг некоторой оси в скважине; [д^- частота вращения выходного вала привода бурового става; [^Jkjt собственная частота крутильных колебаний бурового става; Д - толщина стенки полого бурового става; П - функционал энергии деформации бурового става; ф-функция Лапласа.
Введение к работе
Актуальность проблемы. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года указывается, что в угольной промышленности необходимо обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770-800 млн.тонн. Прирост добычи и переработки угля обеспечить в основном за счет повышения производительности труда.
Производительность труда в угольной промышленности во многом зависит от качества бурения технологических скважин.
В настоящее время в угольной промышленности бурится около 2,7 млн.м3 скважин различной длины. Из-за искривления большое количество их бракуется и перебуривается. Исследованию оптимальных режимов бурения и анализу причин искривления скважин, а также разработке способов и средств борьбы с искривлениями скважин посвящено большое количество работ как в нашей стране, так и за рубежом. Анализ этих исследований и практика бурения показывают, что наиболее сложной задачей является создание устройств автоматического контроля направления бурения, особенно для машин с вращающимся буровым ставом. Решение задачи оптимизации режимов бурения прямолинейных скважин позволит существенно снизить процент бросовых скважин, исключить необходимость организации дорогостоящих промштреков благодаря бурению прямолинейных скважин на всю высоту этажа, что существенно снизит себестоимость угля при щитовом способе его добычи и повысит экономический эффект от автоматизации буровых работ. Указанные обстоятельства обусловливают актуальность данной проблемы.
Цель работы. Установить закономерности влияния потери устойчивости бурового става и искривления скважины на динамические параметры нагрузки буровой машины, на основании которых создать _ 9 - регулятор нагрузки для повышения производительности и вероятности прямолинейного бурения скважины.
Связь с отраслевым планом НИР. В соответствии с планом работы института Автоматгормаш по теме № 4776 была проведена модернизация регулятора нагрузки ПРИЗ, который не обеспечивал в общем случае выполнение поставленной цели. Модернизации регулятора предшествовала научно-исследовательская работа, результаты которой отражены в отчете /I/. Результаты, полученные автором, помещены в 8 указанного отчета. Впоследствии они были развиты в диссертационной работе, что позволило сформулировать основные принципы и критерии управления скоростью подачи буровой машины, реализованные для достижения поставленной цели в регуляторе нагрузки ПРИЗ-М.
Идея работы. Установить зависимость между углом искривления скважины и крутящим моментом на приводе буровой машины и обосновать возможность измерения модуля угла искривления скважины по нагрузке привода с помощью серийных датчиков, например, датчиков тока электроприводов буровых машин. На базе полученных результатов разработать способы и устройства для предотвращения искривления скважины.
Методика выполнения исследований. Для решения поставленной задачи проведен анализ статических и динамических характеристик бурового става с учетом взаимодействия его со станками скважины после потери прямолинейной устойчивой формы.
Для экспериментальной проверки теоретических результатов разработан на базе использования методов подобия стенд, позволяющий имитировать искривление скважины и оценивать, качественно и количественно,влияние искривления на приводной крутящий момент.
Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили обосновать, разработать и сконструировать регулятор нагрузки ПРИЗ-М, который был испытан в стендовых и шахтных условиях.
В процессе испытаний записывались на осциллографе ток электропривода исполнительного органа, а также выходные сигналы регулятора нагрузки, что позволило определить оптимальные параметры регулятора для достижения поставленной цели. При испытании осуществлялся сравнительный анализ работы регуляторов ПРИЗ и ПРИЗ-М. Результаты сравнения обрабатывались методами математической статистики.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна.
Зависимость устойчивой длины бурового става от поперечной составляющей его собственного веса, отличающаяся тем, что при ее выводе была использована нелинейная постановка задачи устойчивости с учетом параметра веса. Анализ полученной зависимости показал, что поперечная составляющая веса бурового става практически не влияет на его устойчивость, вследствие чего устойчивая длина с достаточной для практики точностью может быть определена по формуле Эйлера.
Зависимость формы бурового става в скважине после потери прямолинейной устойчивости, отличающаяся тем, что при решении задачи использовался вариационный подход с учетом ограничения фазовых координат, вместо общепринятого силового или бифуркационного методов расчета. Это позволило уточнить известные результаты, погрешность которых достигает 30%.
Зависимость потерь на трение от длины скважины, отличающаяся тем, что при ее анализе была учтена форма бурового става в скважине, отличная от известной.
Зависимость приводного крутящего момента от кривизны скважины, отличающаяся тем, что при ее выводе были учтены осевая - II - нагрузка и крутящий момент на буровом ставе, а также стрела прогиба става в скважине, что позволило обосновать возможность измерения модуля угла искривления скважины по вариации крутящего момента привода. Указанная вариация названа второй вариацией,так как неизбежно существование первой вариации нагрузки, связанной со случайным характером разрушения массива.
5. Установлена вероятностная связь между чувствительностью САР (системы автоматического регулирования) ко второй вариации нагрузки и точностью стабилизации направления бурения, что позво лило трансформировать проблему стабилизации направления бурения в известную задачу оптимизации параметров САР по критерию качества.
Зависимость амплитуды продольных колебаний бурового става от краевых и начальных условий, отличающаяся тем, что учтено совместное воздействие осевой нагрузки и начальной скорости при ударе исполнительного органа о забой. Показано, что при этом амплитуда ударной волны в пять раз превышает статическую нагрузку, чем обосновывается необходимость безударного забуривания исполнительного органа при переводе буровой машины из режима холостого хода в рабочий.
Зависимость форм динамического равновесия бурового става в скважине от технологических параметров нагрузки, отличающаяся тем, что при ее определении дополнительно учтены энергетические потери, связанные с изгибными колебаниями бурового става как в прямолинейной, так и в криволинейной скважинах, определены условия перехода из одних форм равновесия в другие. Это позволило теоретически доказать, что для сохранения заданного направления бурения наилучшими являются, так называемая, квазистатическая форма динамического равновесия, при которой буровой став вращается лишь вокруг своей оси, и форма движения с перескоками между стенками скважины.
Обоснованность и достоверность научных положений» выводов и рекомендаций обеспечена применением современных математических методов анализа динамических систем и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных (более 98 замеров) и промышленных (более 60 скважин) условиях, а также успешным внедрением регулятора ПРИЗ-М в промышленности.
Значение работы. На основе проведенных исследований получены уточненные инженерные формулы для расчета статических и динамических характеристик бурового става, позволяющие с большей надежностью определить возможные напряжения в буровом ставе, а также геометрические размеры, обеспечивающие безаварийную работу во всех режимах его нагружения.
Определены параметры скорости вращения и усилия подачи бурового става, при которых уменьшается его кривизна и повышается вероятность прямолинейного бурения.
Разработан метод аналитического синтеза апериодически устойчивых САР, позволяющий определить параметры регулятора нагрузки буровой машины для срыва резонансных, в частности, параметрических резонансных явлений.
Разработаны способы управления буровой машиной, реализующие ее автоматический перевод из режима холостого хода в рабочий и наоборот, выход САР на границу устойчивости, коррекцию уставки тока для повышения производительности, снижение скорости подачи при появлении второй вариации нагрузки, связанной с изменением условий бурения и искривлением скважины.
Разработаны устройства автоматического управления горной машиной, реализующие указанные способы. Новизна способов и устройств подтверждена авторскими свидетельствами № 972092, 999012 и реше- - ІЗ - ниєм о выдаче авт.свид. по заявке № 357578 0/22-3 от 25.10.83.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные результаты диссертационной работы были использованы при разработке регулятора нагрузки ПРИЗ-М. Три опытных образца регулятора нагрузки ПРИЗ-М были установлены на буровых машинах БГА-4 и испытаны на шахте им. Калинина ПО "Прокопьевскуголь", четвертый опытный образец регулятора ПРИЗ-М был испытан на буровой машине "Стрела-77" на шахтах ПО "Укрзападуголь".
За время испытаний машинами БГА-4 пробурено 55 скважин средней длиной 45-55 м, а машиной "Стрела-77" пройдено 351 м скважин. Все скважины проведены в заданном направлении с высокими показателями производительности бурения, что отражено в протоколах и актах МВК. По результатам испытаний межведомственные комиссии рекомендовали регулятор ПРИЗ-М к серийному производству и аттестации его на высшую категорию качества.
Серийное производство регулятора ПРИЗ-И начато в 1984 году. Годовая потребность составляет 300 шт. в год. Утвержденный экономический эффект на одну буровую машину, оснащенную регулятором нагрузки ПРИЗ-М, составляет 2266 руб. для машины "Стрела-7711 и 2652 руб. для-машины БГА-4.
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в постановке и решении задач исследования статических и динамических характеристик бурового става в различных режимах его нагружения, в том числе при искривлении скважины, в обосновании на базе этих результатов возможности использования параметров крутящего момента привода для определения начала, развития и модуля искривления скважины и разработки способов автоматического управления буровой машиной для увеличения механической скорости и повышения вероятности прямолинейного бурения.
Автор участвовал в разработке стенда и проведении на нем экспериментальных исследований. В качестве ответственного исполнителя, а затем руководителя темы № 4776 "Модернизация регулятора ПРИЗ", автор принимал участие в разработке и обосновании основных узлов опытного образца регулятора ИРИЗ-М и проведении его испытаний в лабораторных и шахтных условиях, а также в определении и обосновании оптимальных параметров регулятора нагрузки ПРИЗ-М для достижения поставленной цели.
Автор выражает благодарность своему руководителю проф.д.т.н. Петрову Н.Г. за научно-методические рекомендации, имеющие существенное значение в решении рассматриваемой проблемы, благодарит сотрудников лаборатории бурения ИГД им. А.А.Окочинского, критические замечания и предложения которых во многом способствовали постановке и решению основных задач диссертационной работы, а также благодарит сотрудников института Автоматгормаш, совместно с которыми был разработан, испытан и доведен до серийного производства регулятор нагрузки ПРИЗ-М.
