Введение к работе
Актуальность
В современном экономически развитом государстве, в условиях рыночной экономики повышение эффективности производства является наиважнейшей задачей.
Одним то методов повышения экономической эффективности в нефтяной отрасли является уменьшение затрат- на эксплуатацию оборудования и повышение механической скорости бурения, которая достигается правильным выбором режимов работы бурового оборудования.
Механическая скорость бурения скважины может быть повышена на 25-30%, за счёт правильного выбора режима бурения.
Основными параметрами, влияющими на режим бурения, являются осевая нагрузка на долото, крутящий момент, передаваемый долоту и частота вращения долота.
Чрезмерное увеличение осевой нагрузки на долото может принести к поломке бурильных труб, выпадению зубьев шарошек и соответственно к разрушению шарошек и заклиниванию долота. Недозагрузка долота приводит к уменьшению скорости бурения. По крутящему моменту, передаваемого долоту можно судить о режущей (разрушающей) способности долота.
При бурении скважин, особенно глубоких, технологические параметры, определяющие процесс бурения, коїггролируются, как правите, на поверхности и существенно отличаются от реальных на забое скважины.
В связи с этим эффективное управление работой забойного двигателя и поро-доразрушающего инструмента при больших глубинах но информации, полученной с помощью наземных приборов, становится затруднительным, а иногда невозможным.
Существующие средства измерешія, применяемые в системах управления бурением скважины и располагаемые на забое, не удовлетворяют возросшим требованиям со стороны систем управления по надежности, точности, информативности. Поэтому одним из актуальных направлений научно-технического прогресса является совершенствование существуюпшх и создание новых элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в частности, измерительных преобразователе!! для систем управления процессами разработки месторождений.
С учётом изложенного диссерташюнная работа, посвященная созданию и исследованию преобразователей механических сил с улучшенными технико-экономическими показателями, является актуальной.
Работа проводилась:
в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Системы контроля и управления процессами разработки газовых месторождений» (М.Т.473), утверждённой приказаьш Мшшстерства общего и профессионального образования Российской Федерации от 03.11.97 № 2227, указанием Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации от 22.12.97 № 747-19;
в рамках единого заказ-наряда по тематическому плану НИР Уфимского государственного нефтяного технического университета (1997-1998 гг.) Мшшстерства общего и профессионального образования Российской Федерации.
Цель работы
Создание преобразователя механических сил с расширенными функциональными возможностями и высокой надежностью для системы управления режимом работы долота в процессе бурения.
Эта цель достигается в работе решением следующих задач:
структурный синтез однокомпонентных магнитоанизотропных преобразователей механических сил для создания новой конструкции - двухкомпонентного магнитоанизотропного преобразователя механических сил;
разработка математических моделей ДКМАПС, позволяющих получить функцию преобразования в аналитическом виде;
анализ влияния конструктивных, электрических и магнитоупругих параметров на статическую характеристику преобразования, чувствительность и погрешности;
анализ основных характеристик ДКМАПС и разработка методов их улучшения;
- разработка методики инженерного расчёта и программы расчёта на ЭВМ.
Методы исследований
Анализ мехащгческой прочности базировался на теории прочности механизмов и машин.
Математические модели получены на основе теории электромагнитного поля и магнитных цепей с сосредоточенными параметрами.
Теоретические исследования проводились методом математического моделирования с использованием элементов векторно-матричной алгебры, дифференциальных уравнений, теории пределов, рядов Фурье, преобразований Лапласа, методов теории вероятностей.
Экспериментальная проверка разработанных математических моделей проведена с применением теории планирования эксперимента.
При моделировании использованы пакеты для расчёта статических нагрузок -Cosmos/M; решение систем линейных уравнений первого порядка, дифференциальных уравнений, пределов, рядов Фурье и преобразований Лапласа осуществлялось с помощью математических пакетов - MathLab 5.0, MathCAD 8.0, Maple V-R4. Разработка прикладных программ проводилась с применением Borland Delphi версии 5.0.
На защиту выносятся
результаты синтеза двухкомпонентного магнитоанизотропного преобразователя механических сил;
математические модели, учитывающие пространственное положение вектора магнитной индукции и его поворот под воздействием измеряемых компонент механических сил и использующие схемы замещения с сосредоточенными параметрами;
результаты математического моделирования статических характеристик преобразования на ЭВМ.
Научная новизна
- произведён структурный синтез двухкомпонентного магнитоашзотропного
преобразователя механических сил, обеспечивший возможность одновременного
измерения двух независимых компонент - механических сил от осевой нагрузки на
долото и крутящего момента, передаваемого долоту в системах управления бурени
ем скважин; установлено, что для расширения функциональных возможностей маг-
нитоаяизотропных преобразователей механических сші необходимо обеспечить определённое пространственное расположение обмоток измерения во взаимно перпендикулярных плоскостях с поворотом на 45 относительно продольной измеряемой компоненты, а положение жестко скрепленной с ними обмотки возбуждения так. чтобы создаваемый ею вектор магнитной индукции лежат на линии пересечения плоскостей измерительных обмоток;
разработана математическая модель, основанная на повороте вектора магнитной" индукции, учитывающая пространственное положение вектора индукции магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, и позволяющая получить статическую характеристику преобразования в аналитическом виде;
разработана математическая моделі., основанная на схеме замещения маг-нишой цепи с сосредоточенными параметрами, состоящая из системы линейных уравнений первого порядка, более полно учитывающая геометрические размеры магиитопровода и поверхностный эффект,
на основе разработанных математических моделей проведены исследования, позволившие установить характер влияния конструктивных, электрических и мапштоупругих параметров на статическую характеристику преобразования, чувствительность, погрешности и позволившие дать рекомендации по методам: их улучшения.
Достоверность
Полученные в работе результаты и выводы подтверждены зксперимеїггаль-ными и теоретическими исследованиями. Из экспериментальных исследований ДКМАПС следует, что максимальное расхождение зксперимеїггальньгх данных от расчетных для статической характеристики преобразования ДКМАПС не превышает 16,4% при токе возбуждения 600 мЛ, частоте тока возбуждения 50 Гц, температуре окружающей среды 20 С.
Практическая ценность
Разработан и рекомендован к внедрению в промышленности двухкомлонепт-ный мапштоангаотропный преобразователь механических сил с расширеншлми функциональными возможностями, обладающий высокой надежностью к внезапным отказам. Разработана программа инженерного расчёта на ЭВМ статической характеристики преобразования, чувсівитсльности, погрешностей и надёжности ДКМАПС. Выявлены конструктивные пршщшты совершенствования ДКМАПС.
Апробация работы
Содержание и основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
47-й научно-технической конференции студентов и молодых \чёных (Уфа, 1996 г.);
научно-технической конференции «Современные технологии обучения в профессиональной подготовке студентов технического вуза» (Стерлитамак, 1997 г.);
международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1998 г.);
электронной научно-технической конференции «АИМ-2000» (Тула, 2000 г.);
юбилейной научной сессии, посвященной 70-летию Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина «Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы» (Москва, 2000 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, получено два реклам-
но-технических описания программы инженерного расчёта и макроса для ЭВМ.
Объём її структура диссертационной работы
Диссертация изложена на 157 страницах, содержит 58 рисунков, 36 таблиц, шесть приложений и список использованных источников, состоящий из 150 наименований.
