Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов

• Автор: Губарь, Николай Сергеевич
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Оглавление
Введение
Г ЛАВА 1 Краткий обзор состояния теории, практики и перспектив применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле
1.1 Конструкции известных зарубежных буровых снарядов на грузонесущем кабеле
1.2 Отечественный опьгг применения буровых снарядов на грузонесущем кабеле
1.3 Работы по бурению ледников за рубежом
1.4 Известные динамически уравновешенные буровые снаряды на грузонесущем кабеле
1.5 Погружные электродвигатели
1.6 Морское бурение
1.7 Донная устьевая платформа
1.8 Озеро Восток — крупнейший подледниковый водоём в Антарктиде
Выводы к первой главе
Цели и задачи исследования
ГЛАВА 2 Теоретические исследования электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным вентильным электроприводом
2.1 Предварительные замечания
2.2 Динамически уравновешенный буровой снаряд
2.3 Расчетная схема динамически уравновешенного бурового снаряда
2.4 Математическое описание электромеханической системы ДУБС
2.5 Формирование электромагнитного момента вентильного электродвигателя
2.6 Способ управления авторезонансными колебаниями
2.7 Датчик скорости возвратно — вращательного движения
2.8 Методика расчета и определение основных параметров ДУБС
2.9 Методика расчета и определение параметров упругого элемента
2.10 Грузонесущий кабель и его параметры
2.11 Структура и состав электротехнического комплекса для бурения донных пород озера
Восток
Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3 Имитационное моделирование динамически уравновешенного бурового снаряда на
грузонесущем кабеле с вентильньм электроприводом
Выводы к третьей главе:
ГЛАВА 4 Лабораторные исследования режимов физического макета динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с вентильным электроприводом.
4.1 Лабораторная установка
4.2 Экспериментальное определение электромагнитного момента электродвигателя с магнитным ротором и трехфазным статором при формировании электромагнитного момента тремя рабочими обмотками
4.3 Принципиальная схема лабораторного макета
4.4 Исследование разомкнутой системы управления
4.5 Исследование замкнутой системы управления
Выводы к четвертой главе:
Заключение
Список литературы

Введение
Электротехнические комплексы на основе электромеханических колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле широко применяются при бурении ледников в Арктике, Антарктиде, Гренландии и др. К достоинствам этих комплексов можно отнести отсутствие бурильных колонн, высокую мобильность, низкую металлоёмкость. Электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле, разработанным в «Национальном минерально - сырьевом университете «Горный» (НМСУ «Горный»), запатентованным в РФ и изготовленным в России, получены наивысшие мировые результаты при бурении скважины в Антарктиде на станции Восток: 5 февраля 2012 года на глубине
3769,3 метра было вскрыто крупнейшее подледниковое озеро Восток. При бурении слабосвязанных пород и интервалов с кавернами подобные снаряды становятся неработоспособными из-за потери возможности компенсировать реактивный момент, возникающий при работе буровой коронки на забое.
Динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки, разрабатываемые в НМСУ «Горный», не требуют применения редукторов и распорных устройств, могут применяться для вскрытия продуктивных пластов, очистки призабойных зон нефтяных и газовых добычных скважин. Кроме того, динамически уравновешенные буровые снаряды на грузонесущем кабеле могут использоваться для взятия донных проб рек, озер, морей и океанов, что является актуальным. Решение задачи бурения донных пород электромеханическими колонковыми буровыми снарядами на грузонесущем кабеле без применения распорных устройств стало особенно актуальным после вскрытия подледникового озера Восток. Поэтому обоснование структуры и основных параметров элементов электротехнического комплекса для бурения донных пород уникального подледникового озера Восток является актуальной. В научных литературных источниках работ по исследованию динамически уравновешенных буровых снарядов с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного

движения буровой коронки не обнаружено (кроме работ, выполненных по указанной тематике в НМСУ «Горный»).
Цель работы - обоснование структуры и основных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом возвратно - вращательного движения буровой коронки для бурения донных пород уникального подледникового водоёма - озера Восток в Антарктиде
Идея работы состоит в использовании в составе электротехнического комплекса на основе для бурения донных пород подледникового озера Восток в Антарктиде вентильного электродвигателя со схемой включения обмоток статора, обеспечивающей размах колебаний ротора 180 геом. градусов, что приводит к уменьшению количества токопроводящих жил для электропитания статорных обмоток до двух и исключению применения силовых диодов в буровом снаряде. Научная новизна:
1. Зависимость статического электромагнитного момента погружного вентильного ЭД со схемой включения статорных обмоток, обеспечивающей размах колебаний ротора 180 геом. градусов, от тока статора, угла поворота ротора относительно статора и параметров электродвигателя.
2. Структура источника питания вентильного электродвигателя в авторезонансном электроприводе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле
Защищаемые научные положения:
1. Математическая и имитационная модели вентильного авторезонансного электропривода возвратно - вращательного движения электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов.
2. Обоснование структуры и рациональных параметров элементов электротехнического комплекса на основе динамически уравновешенного бурового снаряд для бурения донных пород озера Восток в Антарктиде.

ледником. Позже возникло предположение, что это был сигнал отражения от границы льда с водой.
В 1989 исследователями совместной экспедиции российских, французских и американских учёных на базе станции Восток было начато бурение льда с целью палеоклиматических исследований. Начиная с глубины 3539 м, достигнутой к 1996, химический и изотопный состав льда и его кристаллографическая структура существенно изменились — оказалось, что этот лёд представляет собой замороженную воду подлёдного озера.
Бурение было проведено до глубины 3623 м. Образцы льда с этой глубины имели возраст около 420 тыс. лет, поэтому предполагается, что озеро было закупорено льдом не менее 500 тыс. лет назад. Бурение было приостановлено в 1999 приблизительно в 120 м от предполагаемой поверхности озера, чтобы не допустить загрязнения воды, которое может повредить уникальной экосистеме озера. В рамках 52-ой Российской антарктической экспедиции (2006—2007) в конце декабря 2006 было возобновлено бурение и получен первый ледяной керн с глубины 3650,43 метров.Всего за сезонные работы в 2006—2007 годах планировалось извлечь 75 метров ледового керна. Однако термобуровой снаряд из-за технической неисправности лебёдки и кабеля пришлось остановить на отметке 3 тыс. 665 метров — до поверхности озера осталось ещё около 85 метров. (Погрешность в расчетах плюс-минус 20 м). Забор проб воды из подледникового озера Восток планировалось провести в рамках Международного полярного года в сезоне 2008—2009 годов. В антарктическом сезоне 2008 года опять произошла авария — оборвался буровой снаряд. В январе 2009 года Российские буровики, выполнив все необходимые подготовительные работы по расширению диаметра ледяной скважины, приступили к операции по «захвату» бурового снаряда с целью его подъема на поверхность.
По информации 54-ой Российской антарктической экспедиции от 22 января 2009 года на станции Восток продолжаются гляцио-буровые работы. После расширения ствола скважины до 138 мм, в забойную зону доставлено 300 л этиленгликоля, подготовлено устройство для извлечения аварийного снаряда.