Электропривод Буровой Лебедки 0200 000000 023ПЗ

1 Электроприводы буровых установок

1.1 Электропривод буровых насосов

Технологические функции буровых  насосов в случае роторного бурения  состоят в создании потока промывочной жидкости (бурового раствора)  
через бурильные трубы к забою скважины и через затрубное пространство  
от забоя к устью скважины, что необходимо для выноса от забоя  
на поверхность частиц разбуренной породы. В случае турбинного бурения промывочная жидкость, кроме того, приводит во вращение турбобур с долотом на конце, т. е. служит рабочим агентом для турбины турбобура.

Необходимая мощность привода насоса при разных методах бурения различна. Однако, поскольку каждая буровая  установка должна обеспечивать возможность  бурения любым из указанных методов, мощность выбирается  
из условий турбинного бурения (так как для роторного бурения требуется меньшая мощность) и составляет на установках различных классов от 300  
до 1200 кВт на один насос. Номинальная частота вращения двигателя насоса составляет обычно 78,5–104,7 рад/с. Буровые насосы представляют собой насосы поршневого типа. Мощность двигателя определяется для основного расчетного режима, соответствующего наибольшему давлению насоса,  
т.е. наименьшему диаметру поршня. При других диаметрах поршня режимы работы насоса рассчитываются таким образом, чтобы мощность привода оставалась неизменной.

Выбор вида привода и его характеристик  должен производиться с учетом следующих  требований и технологических особенностей работы. Привод насоса нереверсивный; режим работы длительный с относительно спокойной нагрузкой; при регулировании частоты вращения вниз от номинальной привод должен обеспечивать длительную работу. При постоянном номинальном статическом моменте (момент остается неизменным при любом диаметре поршня). Жесткость механической характеристики привода должна быть такой, чтобы статизм на участке от холостого хода до номинальной нагрузки был порядка 5% номинальной частоты вращения двигателя. Пусковой момент привода должен быть сравнительно небольшим, желательно иметь возможность плавного, затянутого пуска насоса (до 60 с); максимальный момент должен превышать номинальный не более чем на 15-20%; скорость привода насоса в режиме бурения необходимо регулировать не менее  
чем на 20% вниз от номинальной с целью наиболее полного использования мощности насоса при изменении гидравлического сопротивления в скважине. Во вспомогательных режимах (восстановление циркуляции раствора, промывка скважины) желательна работа привода на скорости 20–50% номинальной. Эффективность, достигаемая регулированием скорости, резко возрастает 
с увеличением глубины скважины и усложнением условий бурения. Таким образом, требуемый диапазон регулирования скорости насоса тем шире,  
чем больше расчетная глубина бурения для данной буровой установки.

Диапазон  регулирования частоты вращения обусловлен следующими технологическими требованиями:

• возможность плавного пуска бурового насоса как при отсутствии давления в нагнетательном трубопроводе, так и при противодавлении, создаваемом другим работающим насосом;
• возможность работы в большей части интервала скважины в режиме максимального давления, соответствующем наиболее целесообразному технологическому процессу проводки скважины;
• целесообразность облегчения процесса восстановления циркуляции  
  и операций по ликвидации аварий и осложнений;
• возможность снижения уровня пульсаций давления в нагнетательном трубопроводе.

В начале бурения скважины давление, создаваемое насосом, невелико. Однако по мере углубления скважины вследствие увеличения гидравлического сопротивления труб возрастает и давление на выходе насоса, которое ограничено прочностью деталей насоса. Поэтому, начиная с определенной глубины скважины, подачу насоса необходимо ограничивать. Оптимальный режим работы насосной установки характеризуется постоянством развиваемой насосами мощности, равной номинальной: pQ = const.

где p – давление на выходе;

Q – подача.

Приблизиться к режиму постоянства  мощности можно следующим образом:

• при нерегулируемом приводе – путем применения цилиндрических втулок разного диаметра. Этот режим работы характеризуется зависимостью подачи Q насоса от давления р на выходе и диаметра втулки D (рисунок 1.1). На графике точки 2, 4, 6, 8, 10 определяют предельное давление, допустимое  
  из условия прочности деталей насоса при различных диаметрах втулок,  
  и соответствуют наиболее полному использованию мощности привода.

Предположим, что бурение начинается в точке 1 при давлении  
на нагнетательном патрубке р < р₅ втулкой диаметром D₅. Продолжать работу втулкой диаметром D₅ выше точки 2 нельзя, так как давление поднимается выше p₅ (что недопустимо) и, кроме того, будет перегружен привод. Поэтому  
в точке 2 необходимо заменить втулку диаметром D₅ на втулку диаметром D₄. Тогда уменьшится подача насоса и пропорционально квадрату подачи снизится давление насоса. При замене втулки в точке 2 давление снизится скачком  
до давления, соответствующего точке 3.

Если продолжать бурение с втулкой  диаметром D₄ то по мере углубления скважины давление в точке 4 достигнет р₄, т.е. предельного значения,  
при котором необходимо заменить втулку диаметром D₄ на втулку диаметром D₃ и т. д.

Следовательно, в случае нерегулируемого  привода насосов  
и периодической замены втулок процесс протекает по отрезкам вертикальных прямых 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10. Увеличивая число типоразмеров втулок, можно только приблизиться к кривой pQ = const, но мощность привода будет использована не полностью.

• при регулируемом приводе использованием в начале бурения втулки малого диаметра при частоте вращения приводного вала больше номинальной, а затем по мере повышения давления путем снижения частоты вращения привода сохранить равенство pQ = const.

Рисунок 1.1 – Режим работы бурового насоса

Однако увеличение частоты вращения приводного вала насоса не всегда повышает его подачу, так как при этом уменьшается коэффициент подачи насоса. Практически невозможно обеспечить работу насосной установки  
в режиме постоянной мощности путем изменения угловой скорости привода  
в широком диапазоне без принятия специальных мер. Для получения наибольшей гидравлической мощности потока нужно всегда стремиться прокачивать через трубы максимальное количество жидкости, которое позволяет номинальная мощность приводных двигателей и механическая прочность насоса.

Усилие, действующее на шток бурового насоса, прямо пропорционально произведению давления на площадь сечения втулки. Давление на выходе насосов повышается по мере углубления скважины и увеличения количества прокачиваемой жидкости. Поэтому, чтобы не превысить при заданном диаметре втулки допустимое усилие на шток, необходимо работать  
с постоянным давлением, равным предельно допустимому. Так как усилие  
на шток определяет значение необходимого вращающего момента для привода насоса, то регулировать подачу насосной установки следует при постоянном моменте.

Режим работы регулируемого привода буровых  насосов с постоянным моментом на валу можно проследить по графику на рисунке 1.2. Предположим, что бурение началось в точке 1 при давлении на выходе насоса p < p₅ втулкой диаметром D₅ с номинальной скоростью привода; По мере углубления скважины давление повышается и достигает в точке 2 значения p₅. Продолжать работу с втулкой диаметром D₅ и номинальной скоростью привода нельзя,  
так как при этом давление поднимается выше p₅.

Рисунок 1.2 - Изменение давления на выходе бурового насоса и скорости привода при регулируемом и нерегулируемом приводах:

I – давление при регулируемом приводе; II – частота вращения при регулируемом приводе; III – давление при нерегулируемом приводе; IV – частота вращения при нерегулируемом приводе.

Как указывалось ранее, при нерегулируемом приводе по достижении давления р₅ (точка 2) втулку заменяли. При регулируемом приводе менять втулку в точке 2 нет необходимости, так как с этого момента привод по мере углубления скважины начинает работать с постепенно уменьшающейся частотой вращения при номинальном моменте на валу. Вследствие этого подача насоса будет уменьшаться, а давление останется неизменным, равным допустимому для данной втулки. Такой режим продолжается до точки 3'. Дальнейшее снижение скорости, т.е. подачи насосов, нерационально, и в точке 3' целесообразно заменить втулку D₅ на втулку D₄. Установив втулку D₄ можно увеличить угловую скорость привода до номинальной. По мере углубления скважины давление будет повышаться и в точке 4 достигнет p₄, которое  
для втулки D₄ является предельным. В точке 4 привод работает с номинальной скоростью, однако по мере углубления скважины угловую скорость привода уменьшают до достижения точки 5', после чего втулку заменяют. В дальнейшем процесс повторяется. Следовательно, изменение подачи насоса и давления  
при регулируемом приводе происходит по графику 1-2-3'-4-5'-6-7'-8-9'-10.

Более полное использование мощности насосов  при регулируемом приводе практически  выражается в том, то при том же максимальном значении допустимого  давления и нагнетательной системе подача насосов в абсолютном большинстве рейсов может быть выше, чем при нерегулируемом приводе. Благодаря этому при всех видах бурения улучшается очистка забоя, что ведет непосредственно к увеличению механической скорости бурения, а также создается возможность дальнейшего повышения скорости бурения вследствие применения более высокой нагрузки на долото. Одновременно возрастает проходка на долото, так как уменьшается степень повторного разрушения породы. В результате увеличения проходки на долото сокращается время спуска-подъема и ряда вспомогательных и подготовительно-заключительных операций. При турбинном бурении, кроме того, механическая скорость растет вследствие увеличения частоты вращения долота и средней мощности, подводимой к долоту.

1.2 Электропривод роторного стола

Буровой ротор предназначен для  приведения во вращение колонны бурильных  труб. При роторном бурении это  необходимо непосредственно  
для вращения долота, при турбинном бурении – для вспомогательных целей. Необходимая мощность привода ротора на установках различных классов составляет от 75 до 400 кВт. Выбор вида привода и его характеристик должен производиться с учетом следующих требований и технологических особенностей работы: привод ротора необходим реверсивный, в основных рабочих режимах ротор должен вращаться в одном (прямом) направлении, обратное направление вращения необходимо только в некоторых вспомогательных режимах, поэтому допустим реверс путем оперативных переключений с кратковременным перерывом питания; режим работы длительный, причем момент нагрузки может быть постоянным или колебаться в некоторых пределах (вплоть до максимального); при регулировании частоты вращения вниз от номинальной привод должен обеспечивать возможность длительной работы при номинальном моменте нагрузки, вверх от номинальной -при постоянной номинальной мощности, однако практически привод ротора работает при меньших моменте и мощности, в связи с чем автоматическое обеспечение указанных законов регулирования не требуется; пусковые характеристики привода не регламентируются, необходимо лишь, чтобы момент на роторе не превышал максимального, который составляет обычно 1,5–1,6 номинального; требуемый статизм механической характеристики  
в пределах номинальной нагрузки должен быть не более 5–10% номинальной частоты вращения; требования к плавности регулирования частоты вращения зависят от расчетной глубины бурения – плавное регулирование необходимо  
на установках глубокого бурения, а на прочих установках допустимо ступенчатое изменение частоты вращения; специфическим является требование ограничения момента инерции привода. Ротор приводит во вращение длинную упругую колонну труб. Для уменьшения динамических нагрузок в трубах  
при заклинивании долота привод должен иметь, возможно, меньший момент инерции.

В результате отражения волн кручения, вызванных заклиниванием долота, напряжения кручения могут вызвать поломку труб. Напряжения кручения в трубах при мягкой механической характеристике привода будут меньше, чем при жесткой. Таким образом, с точки зрения ограничения напряжения в трубах и защиты их от поломок следует отдать предпочтение приводу с мягкой механической характеристикой.

При заклинивании долота, когда низ  колонны бурильных труб неподвижен, а ротор продолжает вращаться, закручивая трубы, момент двигателя может достигать максимального значения. Чтобы ограничить возникающие при этом напряжения кручения в трубах, следует ограничить момент, передаваемый от двигателя ротору. Этого можно достигнуть, применяя двигатели со сравнительно небольшой кратностью максимального момента X < 1,8 – 2,0 или используя в приводе ротора средства ограничения момента.

С заклиниванием долота связан также  процесс передачи колонне бурильных  труб кинетической энергии, запасенной во вращающихся частях поверхностного оборудования привода ротора. Для уменьшения кинетической энергии, передаваемой трубам, целесообразно иметь привод ротора  
с минимальным моментом инерции вращающихся частей.

Следовательно, при роторном бурении  привод ротора должен иметь мягкую механическую характеристику, ограниченный максимальный момент  
и минимальное значение момента инерции вращающихся частей.

Увеличение частоты вращения ротора, т.е. долота, влечет за собой рост механической скорости бурения. Для основного  типа долот, применяемых  
в бурении, – шарошечных – вследствие увеличения износа долота при высоких частотах вращения время работы долота на забое и проходка на долото  
тем больше, чем меньше частота вращения ротора. Наряду с сокращением срока службы долота при больших частотах вращения ротора возрастает износ бурового оборудования вследствие увеличения вибрации.

Поэтому оптимальные значения частоты  вращения ротора (так же как  
и нагрузки на долото) целесообразно определять экономическим расчетом исходя из минимальной стоимости 1 м проходки.

Как показали расчеты и опыт эксплуатации буровых установок, бесступенчатое регулирование частоты вращения ротора при бурении глубоких скважин может обеспечить увеличение механической скорости бурения до 30% и рейсовой скорости до 20%. Диапазон регулирования частоты вращения, определенный технико-экономическим расчетом, составляет 5:1–7:1. Регулировать частоту вращения целесообразно при постоянном моменте.  
Так как с помощью ротора выполняются аварийные и некоторые вспомогательные работы, его привод должен иметь оперативный реверс. Режим работы электропривода ротора продолжительный.