Тюменский индустриальный

 
ГЕЙМУР В.О., УСТИНОВ С.О., ХАСАНОВ Р.М.
 
СТРУКТУРА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО ПРИВОДА ДЛЯ 
ПРОГРАММНОЙ СИМУЛЯЦИИ РАБОТЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ 
Геймур В.О., магистрант, [e-mail] 
Устинов С.О., магистрант, [e-mail] 
Хасанов Р.М., магистрант, [e-mail] 
г. Тюмень, Тюменский индустриальный университет 
Аннотация. 
В настоящее время буровые установки становятся все более
автоматизированными, следовательно, оборудование, используемое при строительстве 
скважин, постоянно совершенствуется и усложняется. Одним из самых современных 
механизмов буровой установки является система верхнего привода, которая 
обеспечивает выполнение целого ряда первоочередных функций и сложных 
технологических операций в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Так как 
данное оборудование является достаточно сложным, для облегчения работы с ним 
предлагается создание обучающего режима в рамках штатного интерфейса АРМ 
персонала буровой установки. Для решения этой задачи в первую очередь необходимо 
разработать структуру модели системы верхнего привода.
 
Ключевые слова:
буровая установка, система верхнего привода, модель, программная 
симуляция 
Оптимизация процесса строительства скважин, в частности бурения, 
требует рационального, комплексного подхода, позволяющего снизить 
капитальные затраты на строительство скважин. Необходимо обеспечить 
выбор лучших типов долот и оптимальных режимных параметров бурения, 
оптимизировать конструкцию шарошек, обеспечить надежную передачу 
информации с забоя на устье скважины, примененить принципы 
адаптивных систем управления, модернизировать буровое оборудование. 
Успешное решение данных задач возможно путем организации 
автоматического или автоматизированного управления подсистем 
идентификации, оптимизации и адаптации, а также при выявлении 
закономерностей в процессе бурения на основе уточнения его моделей. 
Вариантом применения таких моделей может быть обучающая программа 
для буровой бригады, симулирующая процесс бурения [1]. Актуальность 
создания данного симулятора работы буровой установки была рассмотрена 
в статье «Программная симуляция работы буровой установки». Целью же 
данной статьи является определение структуры модели системы верхнего 
привода как части модели буровой установки. 
Буровая установка - это технически сложный производственный 
объект, включающий в себя множество механизмов и технологических 
установок. Одним из самых крупных узлов современной буровой 
установки является система верхнего привода. 
25 

---

В настоящее время системы верхнего привода буровых установок 
получают повсеместное распространение в общемировой практике. Данная 
система по своей сути представляет собой подвижную разновидность 
вращателя, совмещающую функции вертлюга и ротора. Это означает, что в 
первую очередь система верхнего привода способствует непрерывному 
вращению бурильной колонны в ходе процесса бурения скважин. Система 
также оснащена комплексом средств для работы с бурильными трубами 
при выполнении спуско-подъёмных операций. 
Для построения модели системы верхнего привода необходимо 
разбить эту систему на компоненты (Рис.1). Такими компонентами 
являются преобразователь частоты главного двигателя, главный двигатель, 
редуктор и вспомогательные гидравлические механизмы. 
Рис. 1. Структурная схема системы верхнего привода 
Почти все гидравлические механизмы системы верхнего привода 
действуют по принципу «включено/выключено» или «открыт/закрыт», 
например, гидравлический тормоз, шаровый кран, трубный зажим. 
Поэтому данные механизмы в модели будут иметь только 2 состояния. И 
только отклонитель штроп и трубный манипулятор в качестве своей 
модели будут иметь уравнения равномерного движения, так как они 
просто двигаются с определенной скоростью в определенном диапазоне.
Механический редуктор представляет собой устройство, которое 
способно преобразовывать крутящий момент между двигателем и 
исполнительным механизмом. Существует несколько видов механических 
редукторов: одноступенчатый и многоступенчатый [2]. В системе верхнего 
привода редуктор преобразует высокую скорость вращения главного 
двигателя в более низкую и пропорционально увеличивает крутящий 
момент на выходном валу. Используется двухступенчатый редуктор с 
косыми зубьями и передаточным числом 14:1. Это означает, что крутящий 
26 

---

момент, создаваемый главным двигателем, при помощи редктора 
увеличивается в 14 раз. 
В качестве главного двигателя используется асинхронный двигатель 
с короткозамкнутым ротором. Данный тип двигателя отличается простотой 
конструкции, 
простотой 
эксплуатации, 
высокой 
надежностью, 
способностью к перегрузкам. В отличие от двигателей постоянного тока, у 
асинхронного двигателя отсутствует щеточно-коллекторный узел, 
имеющий ограниченный срок службы и требующий постоянной замены 
щеток. Он также лишен недостатков синхронных двигателей, к которым 
относятся выпадение из синхронизма при перегрузке и сложность системы 
управления [3].
К недостаткам асинхронных двигателей с короткозамкнутым 
ротором можно отнести большой пусковой ток при сравнительно 
небольшом пусковом моменте, а также ступенчатый диапазон 
регулирования частоты вращения (изменением числа пар полюсов). 
Однако эти недостатки можно исключить путем использования частотных 
преобразователей, которые в последнее время становятся все более 
доступными благодаря развитию полупроводниковых технологий. 
Полупроводниковые преобразователи частоты состоят из силовой 
части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления 
на базе микроконтроллеров. Различают преобразователи частоты с 
непосредственной связью с питающей сетью и устройства с 
промежуточным звеном постоянного тока [4]. В системе верхнего привода 
используются последние, так как непосредственные преобразователи 
частоты не способны давать на выходе частоту, большую, чем в сети, что 
делает ограниченным их применение. 
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного 
тока состоят из следующих основных блоков: 
– 
Выпрямителя, который может быть построен на диодах и на 
тиристорах. В рассматриваемой системе используется диодный 
выпрямитель, так как он отличается высоким качеством постоянного 
напряжения с практически полным отсутствием пульсации, низкой 
стоимостью и надежностью.
– 
Фильтра (в данном случае емкостного) для сглаживания пульсаций 
напряжения. 
– 
Инвертора, состоящего из шести IGBT-транзисторов и 
микроконтроллера, управляющего их открытием и закрытием для 
формирования выходной синусоиды с требуемыми для управления 
двигателем значениями частоты и напряжения. 
Так как существуют разнообразные математические модели 
рассмотренных элементов, дальнейшим направлением работы является 
выбор оптимальных, наиболее полным образом описывающих физику 
работы системы верхнего привода. 
27 

---

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
1.
 
Программная симуляция работы буровой установки / В. О. Геймур 
[
и др.] // Новые технологии – нефтегазовому региону: материалы 
Международной научно-практической конференции. – Тюмень, 2018. – С. 
165-167.
 
2. Механический редуктор [Электронный ресурс] // Промышленный 
каталог статей МФЗ. – Режим доступа: https://www.12821-
80.ru/articles/a5622. 
3. 
Ягопольский, А. Г. Особенности применения современных 
электроприводов в оборудовании прокатных комплексов [Электронный 
ресурс] / А. Г. Ягопольский // Современные проблемы науки и 
образования. – 2015. – № 2. – Режим доступа: https://www.science-
education.ru/article/view?id=20309. 
4. 
Преобразователи частоты [Электронный ресурс] // Danfoss Drives. 
– 
Режим доступа: http://drives.ru/stati/chastotnye-preobrazovateli/. 
Научный руководитель: Козлов В.В., канд. техн. наук, доцент 
УДК 681.5