Силовой привод буровой установки

Дизельный привод

Дизельный привод обеспечивает буровой установке автономное энергоснабжение, т.к. необходимая для ее работы механическая энергия вырабатывается дизелями, работающими на жидком топливе. Кроме дизелей для привода буровой установки могут использоваться другие типы двигателей внутреннего сгорания: работающие по газо-дизельному циклу или газовые. Однако эти типы двигателей в отечественной практике широкого использования пока не получили.

Дизельный привод позволяет вести буровые работы в самых отдаленных и необжитых районах вдали от линий централизованного электроснабжения. Он обеспечивает независимость владельцев буровой установки от поставщиков электроэнергии. Он также более надежен, т.к. на него не влияют аварийные отключения электроэнергии, происходящие в промысловых энергосетях и вызывающие простои буровых установок с электроприводом.

Дизельный привод обычно выполняется групповым, т.е. он является общим для группы потребителей. В буровой установке к ним обычно относятся лебедка, ротор и буровые насосы или один из буровых насосов. Возможен вариант, когда к приводу подключены только лебедка и ротор. Если к приводу подключается только один потребитель, например буровой насос, то такой привод называется индивидуальным.

В состав группового привода обычно входят 3 или 4 силовых дизельных агрегата. В буровых установках небольшой грузоподъемности, особенно передвижных, могут применяться два дизельных агрегата. В этих случаях число потребителей группового привода ограничивается только лебедкой и ротором, а насос приводится от других двигателей. Иногда групповой привод лебедки, ротора и одного бурового насоса дополняется индивидуальным приводом второго бурового насоса.

Особенностью дизельных приводов буровых установок является их многомоторность, т.е. в них устанавливается несколько двигателей, суммарная мощность которых удовлетворяет потребностям работы лебедки, ротора и буровых насосов.

Многомоторность позволяет обеспечить надежность привода и его "живучесть" при отказе одного или двух двигателей, удобно разделить привод на отдельные транспортабельные части и легко маневрировать установленной мощностью, направляя ее отдельными потоками на ротор и на каждый из буровых насосов, или на лебедку и буровой насос, что повышает эффективность бурения.

Для бурения на меньшие глубины предпочтительны мобильные и передвижные буровые установки. Дизельный привод таких установок имеет свои особенности, т.к. он полностью подчинен требованиям компактного размещения на транспортной платформе или транспортном модуле с соблюдением условий перевозки по автомобильным дорогам общего пользования. Эти условия требуют, чтобы оборудование имело ширину не более 3300 мм и размещалось на платформе длиной не более 12м. Кроме того, действуют ограничения по общей массе перевозимого оборудования, исходя из допустимой нагрузки на ось транспортного средства и дорожного покрытия. Естественно, что конструктивные и компоновочные решения с буровых установок "тяжелых" классов здесь не подходят. Поэтому при создании мобильных буровых установок в основу закладываются новые компоновочные решения и используются легкие быстроходные дизельные двигатели в комбинации с компактными видами трансмиссий и передач.

Важнейшей частью привода являются дизельные двигатели и выполненные на их базе силовые агрегаты. От их технического уровня (надежности, экономичности и др.) зависит успешная работа буровой установки и всего процесса проводки скважины

Таблица – Техническая характеристика дизельных двигателей

Параметр	6ЧН 21/21	B2-450 WOLA-5Va	ЯМЗ-850.10	TAD1344VE	TAD1641VE
Число и расположение цилиндров	L6	V12	V12	R6	R6
Диаметр цилиндра / ход поршня, мм	210/210	150/180	140/140	131/158	144/165
Рабочий объем двигателя, л	43,6	38,80	25,86	12,78	16,12
Номинальная мощность, кВт	648,5	330	380	352	420
Номинальная частота вращения, об/мин	1160	1600	1600	1600	1600
Удельный расход топлива на номинальном режиме, г/кВт∙ч	215	238	207	198	199
Назначенный ресурс до первого капитального ремонта, часов	40.000	3.000	15.000	30.000	30.000

Таблица – Технические характеристики силовых агрегатов

Силовой агрегат	Мощность, кВт	Частота вращения вала, об/мин	Расход топлива, г/кВт∙ч	Габариты, мм	Масса, кг
СА10-1	375	1200	198	4635 х 1500 х 2855	9000
СА20	662	1400	197	4375 х 1615 х 2210	7800
СА25	600	784 или 1000	197	4375 х 1615 х 2210	8600
СА30	442	1000	198	3740 х 1508 х 2210	7300

Электропривод буровых установок

Опыт эксплуатации показал, что производительность буровых установок с электрическим приводом выше, чем установок с дизельным приводом. Повышение производительности происходит в основном за счет большей эксплуатационной надежности, за счет исключения малонадежных тяжелых и громоздких передач, лучшей управляемости, более эффективного использования приводных электродвигателей, улучшения условий труда буровой бригады, другими повышающими экономическую эффективность БУ. Важным фактором является исключение потребления дефицитного топлива и расходов на его доставку.

В зависимости от вида привода главных механизмов (буровой лебедки, буровых насосов и ротора), а также от вида электроснабжения, буровые установки подразделяются на:

- установки с электрическим приводом (при питании буровой установки от централизованных электрических сетей);

- установки с дизель-электрическим приводом, в которых механизмы приводятся от электродвигателей, а электроэнергия для их питания вырабатывается дизель-генераторами постоянного или переменного тока.

Дизель-электрические буровые установки или подобные им установки, в которых привод механизмов выполнен от электрических двигателей, питаемых от автономной электростанции, сохраняют многие преимущества электрических установок с централизованным питанием и рассматриваются нами как буровые установки с электроприводом.

На буровых установках применяются различные виды электроприводов, которые подразделяются:

1) по виду двигателя - электропривод постоянного и электропривод переменного тока;

2) по возможности регулирования скорости - нерегулируемые и регулируемые электроприводы.

В каждой из этих групп электроприводы различаются по ряду признаков (параметров). Так, на буровых применяются приводы постоянного тока с двигателями с независимым возбуждением и приводы постоянного тока с двигателями последовательного возбуждения (последние применяются на зарубежных буровых установках). Электроприводы переменного тока подразделяются на электроприводы с асинхронными двигателями и электроприводы с синхронными двигателями. Может применяться классификация приводов по другим признакам, например, электроприводы с аналоговой системой управления и электроприводы с цифровой системой управления.

Электропривод буровых механизмов должен обеспечивать наиболее благоприятное протекание как статических (установившихся), так и переходных режимов пуска, приема и сброса нагрузки и торможение исполнительного механизма.

Таблица – Технические характеристики электродвигателей

Тип двигателя	Мощность, кВт	Напряжение, В	Частота вращения (номинальная / максимальная), об/мин	Масса, кг
4ПП-450-28 ОМ2	1000	800	1000/1250	4960
4ПС-450-750 УХЛ2	750		1000/1500	4700
4ПС-450-1000 УХЛ2	1000			5150
4ПМ-450-710 ОМ2	710			5170
4ПМ-450-1000 ОМ2	1000			5790

Газотурбинные двигатели

Газотурбинные двигатели (ГТУ) обладают хорошей приемистостью, большой надежностью и высокой естественной приспособляемостью. Газотурбинные двигатели бывают двухвальные, одновальные и комбинированные.

В двухвальном газотурбинном двигателе турбина высокого давления приводит во вращение центробежный компрессор; в силовую турбину низкого давления, находящуюся на отдельном валу, поступает газ из турбины высокого давления. Независимость питания газом этих турбин позволяет изменять характеристику двигателя в широких пределах.

В одновальнsх газовых турбинах компрессор и турбину располагают на одном валу. При увеличении внешней нагрузки снижаются частота вращения и количество газа, питающего турбину, в результате уменьшаются мощность и крутящий момент.

Комбинированный газотурбинный двигатель состоит из генератора газа со свободно движущимися поршнями и одновальной газовой турбины. Генератор газа имеет поршневой компрессор, поршни которого непосредственно соединены с поршнями двухтактного дизеля. Сжимаемый в поршневом компрессоре воздух через всасывающие окна подается в цилиндр дизеля, куда подводится топливо. Отработанные газы дизеля при большом давлении подаются через продувочные окна в газовую турбину, передающую мощность на исполнительный механизм.

Двухвальная ГТУ обладает большим коэффициентом естественной приспособляемости, чем одновальная, и имеет большую приемистость. Одновальные ГТУ обладают меньшим диапазоном естественного регулирования. Наибольший диапазон регулирования и высокий коэффициент естественной приспособляемости имеют комбинированные газотурбинные двигатели со свободно движущимися поршнями генератора газа, так как в них питание газом турбины не зависит от ее частоты вращения.

Приемистость газотурбинных двигателей зависит от схемы, конструктивного исполнения и программы регулирования подачи топлива.

Недостаток ГТУ - их низкий КПД. Одно- и двухвальные ГТУ характеризуются эффективным КПД, имеющим более низкое значение (0,12 - 0,27), чем КПД двигателей внутреннего сгорания (0,36 - 0,38). Комбинированные ГТУ имеют более высокий КПД, чем одно- и двухвальные, и близкий к КПД дизелей (0,35 - 0,38). На холостом ходу и при незначительных нагрузках КПД одно- и двухвальных установок очень низкий, что служит препятствием для широкого применения их в буровых установках.

Механические характеристики механизмов

Моменты сопротивления механизмов делятся на две категории:

1) реактивные моменты;

2) активные или потенциальные моменты.

Реактивные моменты возникают только при наличии движения и всегда направлены против движения.

Потенциальные или активные - это моменты от силы тяжести (буровая лебедка) и моменты от растяжения, сжатия и скручивания упругих тел. Например, в моменте нагрузки привода ротора имеется активная составляющая от скручивания колонны труб. Потенциальные моменты всегда направлены в одну сторону.

По виду механических характеристик механизмы можно ориентировочно разделить на следующие категории:

1. Не зависящие от скорости. Такой характеристикой обладают грузоподъемные механизмы, в том числе и буровая лебедка.

2. С линейно возрастающей механической характеристикой. Такой характеристикой обладает двигатель постоянного тока с независимым возбуждением в режиме динамического торможения;

3. С нелинейно возрастающей (параболической) механической характеристикой. Момент сопротивления этих механизмов зависит от квадрата скорости. Механизмы, обладающие такой характеристикой, называют механизмами с вентиляторным моментом. К ним относятся вентиляторы, центробежные насосы и др.

Методика расчета

При групповом приводе мощность двигателя определяется по мощности одновременно проводимых машин и механизмов:

;

для многодвигательных:

,

где N₁ ,…, N_i - мощность одновременно приводимых машин;

η – общий КПД;

z – число двигателей.

Мощность привода лебедки:

,

где Q_кр.доп – допускаемая нагрузка на крюке;

G_тс – вес узлов талевой системы;

v_р. – рабочая скорость подъема крюка;

η_тp, η_тс – КПД трансмиссии лебедки и талевой системы соответственно.

Мощность привода бурового насоса:

;

,

где N_пер – приводная мощность бурового насоса;

η_пеp, η_н – КПД трансмиссии бурового насоса и насаса соответственно;

Q – подача насоса;

p – давление развиваемое насосом.

Мощность привода ротора:

;

,

где N_р – допускаемая нагрузка на крюке;

N_х.в. – мощность на холостое вращение;

N_дол – мощность на вращение долота;

η_тp.р, η_р – КПД трансмиссии ротора и ротора соответственно.

В буровых установках мощность для привода насосов почти всегда больше мощности потребляемой лебедкой.

Мощность потребляемая приводом лебедкой:

N_дв.л ≈ N_дв.р. + N_дв.н..

Мощность двигателей (для индивидуального привода)

N_дв = N_дв.л + N_дв.р. + N_дв.н..