23. Электрооборудование буровых установок

Существуют следующие способы вращательного бурения: роторное, турбинное, электробурение.

При роторном бурении вращение долота (разрушающего инструмента) осуществляется с помощью колонны бурильных труб. Нагрузка на долото создается частью веса бурильных труб.

При турбинном способе бурения долото вращается с помощью турбины турбобура. При этом турбина вращается движением жидкости под давлением.

При использовании электробуров вращение долота осуществляется электродвигателем, опускаемым в скважину.

В комплект буровой установки (БУ) входят:

1. Буровая лебедка (БЛ) для подъема и опускания бурильных труб, а также осуществления вспомогательных операций.

2. Буровые насосы, которые служат для создания в скважине циркуляции промывочной жидкости, которая очищает забой и выносит выбуренную породу на поверхность, а при турбинном бурении передает энергию турбобуру.

3. Ротор, который передает вращение долоту при роторном бурении, поддерживает на весу колонну бурильных труб (КТБ) и воспринимает реактивный крутящий момент.

4. Автоматические регуляторы подачи долота, обеспечивающие плавную и равномерную подачу долота в процессе бурения.

Требования к электроприводам

Требования к электроприводу ротора буровой установки:

- должен иметь мягкую механическую характеристику,

- минимальный момент инерции вращающихся частей,

- малую кратность максимального момента,

- иметь реверс (изменение направления вращения).

Перечисленные требования позволяют избежать поломки долота в аварийных ситуациях.

К электроприводу буровой лебедки, работающему в режиме подъема колонны бурильных труб, предъявляются следующие требования:

- должен иметь возможность регулирования скорости двигателя в необходимом диапазоне в режиме постоянной мощности;

- достаточную перегрузочную способность для выполнения операций, связанных с ликвидацией аварий и расхаживанием колонны обсадных труб;

- обеспечивать работоспособность в повторно-кратковременном режиме с изменяющейся от цикла к циклу относительной продолжительностью включения.

Интенсивность ускорения в процессе разгона при подъеме колонны зависит от пусковой характеристики электропривода и определяется превышением момента, развиваемого двигателем в процессе пуска, над моментом сопротивления. Наибольшая величина превышения ограничивается максимальным моментом, который может развить двигатель. Для обеспечения быстрого с максимально допустимым ускорением разгона колонны двигатель БЛ должен обладать высоким пусковым моментом в процессе всего разгона и высокой перегрузочной способностью. Для асинхронных двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, кратность максимального момента должна быть не менее λ=2,5…2,8. Это может быть обеспечено включением реостатов в цепь фазного ротора.

При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления на валу двигателя лебедки наибольшая производительность лебедки и полная загрузка электропривода может быть достигнута, если по мере подъема труб скорость подъема увеличивается.

Спуск колонны бурильных труб (КТБ) и обсадных труб может осуществляться с помощью индивидуального приводного электродвигателя постоянного тока, используемого в режиме рекуперативного или динамического торможения, при постоянной мощности.

Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть осуществляется в случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода и его эдс больше приложенного напряжения. Ток меняет направление, и момент становится тормозным.

Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор (генераторный режим работы). При этом обмотка возбуждения подключена к сети. Энергия генератора выделяется на резисторе в виде тепла. Управление моментом и скоростью осуществляется регулированием тока возбуждения.

Кроме того, в процессе спуска могут быть использованы электромагнитные тормоза ферропорошкового типа (рис.23.1).

Основными параметрами, характеризующими работу бурового насоса, являются его подача (Q) и напор (p), развиваемый при заданной подаче. Мощность, требуемая для привода насоса, определяется произведением (Q∙p).

В буровых установках в основном применяются поршневые насосы со сменными цилиндровыми втулками, позволяющими в определенных пределах изменять подачу насоса.

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 (Q) насоса необходимо ограничивать. Оптимальный режим работы насоса характеризуется постоянством развиваемой мощности, равной номинальной: p∙Q=const.

Приблизиться к режиму постоянства мощности можно при нерегулируемом электроприводе за счет применения сменных втулок разного диаметра, а при регулируемом электроприводе можно, если плавно регулировать подачу насоса путем изменения скорости вращения электродвигателя.

Целесообразность использования регулируемого электропривода является одним из основных требований к приводу бурового насоса. Скорость следует регулировать не менее чем на 20% вниз от номинальной при бурении и до 50% при восстановлении циркуляции раствора. Следует также учитывать то, что электродвигатель насоса работает в длительном режиме без бросков нагрузки, но с частыми пусками и остановками. Поэтому между двигателем и насосом для оперативного управления целесообразно использовать электромагнитную муфту.

Электродвигатель бурового насоса должен иметь высокую перегрузочную способность, так как при бурении на выходе насоса может кратковременно создаваться повышенное давление. По пусковому моменту двигатель бурового насоса не проверяется, так как его запуск производится практически на холостом ходу.

Подача долота - это последовательное опускание верхней точки КБТ в процессе бурения, при этом скорость подачи долота должна быть равна скорости разбуривания. При ручной подаче бурильщик периодически растормаживает барабан лебедки по показаниям амперметра (току статора) и индикатору веса КБТ. Задача плавной и равномерной подачи долота решается применением автоматических регуляторов. При этом долото подается на забой автоматически в зависимости от параметров, характеризующих режим бурения, например, давления на забое или тока статора бурового двигателя.

В последние годы расширяются номенклатура и объемы производства буровых установок с дизель-электрическим приводом. Это позволяет решить проблему энергоснабжения удаленных от базы буровых установок, решить проблему повышения установленной мощности главных и вспомогательных приводов на буровых установках и др. вопросы. У дизель-электрического привода в качестве первичных двигателей для вращения генераторов используются двигатели внутреннего сгорания (дизели).

Электроприводы с электромагнитными муфтами и тормозами

Электромагнитные муфты предназначены для передачи вращающего момента от ведущего вала к ведомому. Существуют следующие виды электромагнитных муфт: электромагнитные муфты скольжения, индукционные электромагнитные муфты и электропорошковые муфты.

В приводе буровых установок электромагнитные муфты применяются в качестве электротормоза буровой лебедки, для оперативного соединения приводного вала лебедки с двигателем, в качестве пусковой муфты в приводе лебедки от постоянно вращающихся двигателей (синхронных или асинхронных с короткозамкнутым ротором), для оперативного соединения бурового насоса с приводом, ограничения момента, передаваемого на ротор, регулирования частоты вращения ротора, регулирования подачи бурового насоса, для автоматизации подачи долота в процессе бурения.

Электромагнитные муфты в электроприводе буровой лебедки, устраняя скачкообразное изменение момента, обеспечивают плавный и интенсивный разгон привода. Кроме того, электромагнитные муфты позволяют в наибольшей степени осуществить унификацию буровых установок с дизельным и электрическим приводами.

В электроприводе лебедки электромагнитные муфты устанавливаются между приводными двигателями и трансмиссией. Во время спуско-подъемных операций приводной двигатель работает в режиме постоянного вращения. Привод лебедки пускают включением электромагнитной муфты путем подачи тока в обмотку возбуждения. Привод с электромагнитными муфтами обеспечивает непрерывный переход от натяжения талевой системы к подъему долота, остановку колонны бурильных труб на заданной высоте.

Основное преимущество электромагнитных тормозов в приводе буровой лебедки заключается в возможности плавного регулирования в широких пределах тормозного момента.

В воздушном зазоре между двумя вращающимися частями порошковой (ЭПМ) муфты (ведущей 1 и ведомой 2) помещен железный ферромагнитный зернистый порошок 3, смешанный с сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторное масло) наполнителем (рис. 23.1а).

Сердечник индуктора 4 с обмоткой возбуждения 5 неподвижен и отделен от ведущей части воздушным зазором 6. Из-за того, что ни на ведущей, ни на ведомой частях ЭПМ нет обмоток, повышается надежность муфты из-за отсутствия скользящих контактов.

Когда в обмотку возбуждения 5 индуктора 4 подается ток возбуждения I_в, то образуется магнитное поле, силовые линии которого замыкаются через сердечники частей 1,2 муфты, и зазор 3 с наполнителем между ними. Под действием магнитного поля ферромагнитные зерна располагаются вдоль силовых линий, т.е. поперек воздушного зазора. Вязкость среды между ведущей и ведомой частями возрастает. Появляется сила, обеспечивающая сдвиг ведомой части муфты относительно ведущей и создание вращающего момента. Чем больше ток возбуждения, тем больший момент может передать муфта ведомому валу (рис.23.1,б).

а) б)

ведомый вал

ведущий вал

ведущий вал

Р

п, об/мин

ис. 23.1 Электромагнитная порошковая муфта:

а) конструкция; б) зависимость момента М муфты от тока возбуждения I_в

Если момент сопротивления на ведомом валу превысит максимальный момент, развиваемый муфтой, то начнется проскальзывание ведомой части муфты относительно ведущей, что приведет к нагреву порошка. При температуре около 300ºС объем порошка сильно увеличится и может произойти заклинивание муфты.

Для получения тормозных свойств достаточно закрепить неподвижно одну из частей ЭПМ, а другую связать с валом, который необходимо тормозить. В момент начала торможения включается обмотка возбуждения, что вызывает затягивание ферромагнитной смеси в зазор и появление силы, тормозящей вал. Энергия торможения выделяется в виде тепла, поэтому электропорошковый тормоз и электромагнитные муфты необходимо интенсивно охлаждать.

Современные электроприводы буровых установок

С начала 90-х годов прошлого столетия на БУ преобладающее применение находит регулируемый электропривод постоянного тока системы «тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока» (ТП-ДПТ), который заменил другие, морально устаревшие системы. Возможность регулирования скорости и момента обеспечивает оптимальное ведение технологических процессов бурения. Регулирование скорости привода осуществляется изменением напряжения на выходе тиристорного преобразователя.

Диапазон мощностей главных электродвигателей БУ для бурения скважин на глубины 3000-6500 м находится в пределах 500-1000 кВт. Для торможения лебедки при спуске бурильной колонны в скважину применяются специально созданные для этой цели мощные электромагнитные тормоза. При использовании для торможения электродвигателей лебёдки электропривод лебёдки выполняется реверсивным.

Принципиально новым шагом в развитии электропривода БУ является применение усовершенствованных силовых модулей тиристорных преобразователей и цифровых устройств управления. Цифровые системы управления обеспечивают достаточно высокое качество регулирования и переходных процессов, большую гибкость в настройке и управлении приводами.

В ближайшие годы сохраняется целесообразность применения на буровых установках данного вида электропривода.

В последние годы активизируются работы по применению на БУ частотно-регулируемого электропривода переменного тока. Цель проводимых работ состоит в том, что частотно-регулируемый электропривод по техническим характеристикам должен достигнуть показателей электропривода постоянного тока при конкурентоспособных стоимостных показателях. Основным преимуществом такого электропривода является применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели значительно надежнее двигателей постоянного тока благодаря отсутствию щеточно-коллекторного аппарата и меньшему влиянию окружающей среды на сопротивление изоляции (в связи с отсутствием открытых токоведущих частей). Однако для регулируемых электроприводов переменного тока требуется применение двигателей специальной конструкции, рассчитанных на питание от преобразователей частоты.

Список литературы

1. Электротехника: учебник для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-11-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 544 с.

2. Электротехника: учебник для неэлектротехнических спец. вузов / Зайдель Х.Э., Коген-Далин В.В., Крымов В.В. и др. / под ред. В.Г. Герасимова. - 3 изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985.- 480 с.

3. Общая электротехника и электроника: учеб. пособие /Лопатин В.П. – Уфа: Издательство УГНТУ, 2003.−70с.

4. Кацман М.М. Электрические машины: учебник для учащихся электротехн. спец. техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 463с.

5. Титаны электротехники : Очерки жизни и творчества / Я.А. Шнейберг. – М.: Издательство МЭИ, 2004.

6. Методические указания по разделу «Асинхронные двигатели» дисциплины «Электротехника и электроника» (Мировоззренческий аспект) / Шнейберг Я.А., Морозов Д.Н. – М.: Моск. энерг. ин-т, 1988. – 20 с.

7. Электротехника: учеб. пособие для вузов/ Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников. – М.: Энергоатомиздат, 1987.- 528 с.

8. Сборник задач с решениями по общей электротехнике: учеб. пособие для студентов неэлектрических специальностей вузов/ под. ред. В.К.Пономаренко. – М.: «Высшая школа», 1972.

9. Основы промышленной электроники: учебник для неэлектротехнических спец. вузов/ В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков/ под ред. В.Г. Герасимова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986.- 336 с.

10. Электротехника: учеб. пособие/ Ф. Г. Китунович, С. Д. Зинчук. –Мн.:ЗАО «Техноперспектива», 2004. – 357 с.

11. Шабанов В.А. Проектирование электроснабжения установок и предприятий нефтяной отрасли: учеб. пособие. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009.-224с.

12. Электроизмерительные приборы и их применение: учеб. пособие / В. Г. Сергеев. – М.: Высш. шк., 1989.

13. Энергосберегающий асинхронный привод: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/ И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 256с.

14. Основы электроники: курс лекций/ Л.Н.Латышев. – Уфа: Изд-во «Реактив», 2008. – 384 с.

15. Абрамов Б.И., Парфёнов Б.М., Кожаков О.И. и др. Современный электропривод постоянного тока для буровых установок // Электротехника. – 2009. – №1. – С. 3-8.

16. Абрамов Б.И., Коган А.И., Бреслав Б.М. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ-4200 / 250 // Электротехника. – 2009. – №1. – С. 8.

17. Шабанов В.А. Основы регулируемого электропривода основных механизмов бурения, добычи и транспорта нефти: учеб. пособие. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – 156 с.

18. Недолугий С.В. О преимуществах применения частотно-регулируемых электроприводов// Энергетик. – 2010. – №9. – С. 21.

19. Ершов М.С., Яризов А.Д. Электрооборудование и станции управления технологических установок механизированной добычи нефти: учеб. пособие для вузов. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. – 124 с.

20. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности: учебник для вузов/Б.Г. Меньшов, М.С. Ершов, А.Д. Яризов. – М.: Недра, 2000. – 487 с.: ил.

21. Шабанов В.А., Кочинашвили В.А. Электропривод, электрооборудование и электроснабжение промысловых насосных установок добычи нефти. – Уфа: Изд. Уфим. нефт. ин-та, 1993. -80с.

22. Электрооборудование и электропривод установок бурения: учеб. пособие / В.А.Шабанов. – Уфа: Уфим. нефт. ин-т, 1992. -75с.

23. Меньшов Б.Г., Суд И.И., Яризов А.Д. Электрооборудование нефтяной промышленности: учеб. для техникумов. –М.: Недра, 1990.-365 с.: ил.

СОДЕРЖАНИЕ

		С.
	ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ………………	3
1	ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ……………	4
2	ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ……………………………………………………….	9
3	ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА……………………………………	11
4	ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА……	31
5	ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ……………………………………...	50
6	ТРАНСФОРМАТОРЫ……………………………………...	56
7	МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА……………………...	63
8	АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ……………………………..	69
9	СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ……………………………….	78
10	ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ………………………………..	82
11	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ………....	95
12	ЭЛЕКТРОПРИВОД МАШИН И МЕХАНИЗМОВ……….	107
13	ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ……………...	110
14	МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА…………………………………………………	112
15	НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ……………...	117
16	ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ………………………………………………………....	119
17	ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОНАХ В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (НГП)…………………………….	123
18	РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА……………………………………………………	129
19	ЧАСТОТНО – РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ …	132
20	ЭЛЕКТРОПРИВОД ГЛУБИННОНАСОСНЫХ ШТАНГОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ (СТАНКОВ – КАЧАЛОК)…………………………………….	134
21 22 23	ЭЛЕКТРОПРИВОД БЕСШТАНГОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ (ЭЦН)…………………………………………. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ……………………... ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ БУРОВЫХ УСТАНОВОК …. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………	141 143 148 154

Учебное издание

Лопатин Виталий Прокопьевич

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

Подписано в печать ________ . Бумага офсетная №2. Формат 60х84 1/16.

Гарнитура «Таймс». Печать трафаретная. Усл.печ. л. 9,94. Уч.-изд. л. 8,83.

Тираж 300 экз. Заказ ___ .

Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: