1. Электротехнический комплекс буровых установок с электроприводом переменного тока.

Буровая установка представляет собой комплекс сооружений, агрегатов, механизмов, обеспечивающих систем и инструмента, предназначенных для выполнения различных функций в цикле строительства скважины. Процесс строи­тельства можно разделить на три этапа: строительство назем­ных сооружений и монтаж бурового оборудования; бурение и крепление скважины; испытание продуктивных пластов. Ос­новным этапом строительства является бурение и заканчивание скважины; при этом установка выполняет ряд технологи­ческих процессов, состоящих, в свою очередь, из многочислен­ных производственных операций.

Основные (ротор, буровые насосы и спуско-подъемный агре­гат) и вспомогательные механизмы буровой установки приво­дятся в действие силовым приводом, который может быть авто­номным (независимым от энергосистемы) и неавтономным (с питанием от сетей энергосистем). При автономном приводе основных механизмов (дизельный, дизель-электрический) вспомогательные механизмы оснащаются индивидуальными электроприводами. Основой для классификации является при­вод основных механизмов.

Электротехнический комплекс современной буровой уста­новки представляет собой совокупность подсистем, обеспечи­вающих выработку (при отсутствии центра изованного энер­госнабжения), распределение, преобразование и использова­ние электрической энергии, а также управление всеми указан­ными подсистемами для механизации и автоматического управ­ления технологическим процессом проводки скважин.

2. Режимы работы, требования, предъявляемые к электроприводу буровых насосов.

Буровой насос служит для создания циркуляции промывочной жидкости, очищающей забой и передающей энергию турбине при турбинном способе бурения.

Оптималь­ный режим работы насосной установки характеризуется посто­янством развиваемой насосами мощности, равной номинальной: pQ = const.

Приблизиться к режиму постоянства мощности можно сле­дующим образом: 1)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; 2)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

Регулирование подачи насоса необходимо в осложненных условиях бурения, а также при восстановлении циркуляции. Таким образом, для бурового насоса целесообразно применять регулируемый электропривод, причем регулирование следует выполнять при постоянном моменте, определяемом допустимым давлением в гидравлической системе буровой установки.

Таким образом, требуемый диапазон регулирования частоты вращения бурового насоса обусловлен следующими технологи­ческими требованиями: 1)возможностью плавного пуска бурового насоса как при от­сутствии давления в нагнетательном трубопроводе, так и при противодавлении, создаваемом другим работающим насосом; 2)возможностью работы в большей части интервала скважины в режиме максимального давления, соответствующем наиболее целесообразному технологическому процессу проводки скважи­ны; 3)целесообразностью облегчения процесса восстановления циркуляции и операций по ликвидации аварий и осложнений; 4)возможностью снижения уровня пульсаций давления в на­гнетательном трубопроводе.

Мощность приводного двигателя насоса определяют по формуле

(7.1)

где Q_T - максимальная теоретическая подача, м³/с; р - полное давление нагнетания при максимальной подаче, Па; φ_п – ко­эффициент подачи; η_н – полный КПД насоса; η_пн – КПД передачи между двигателем и насосом; а – коэффициент, учиты­вающий возможность длительной перегрузки насоса.

Поскольку режим работы насоса продолжительный, двига­тель насоса выбирают так, чтобы его номинальная мощность была несколько больше мощности, вычисленной по формуле (7.1).

В отечественной практике для буровых насосов, как прави­ло, используют однодвигательный привод.

3. Режимы работы, требования к электроприводу спуско-подъемного агрегата.

Кроме подъема или опускания колонны бурильных труб (КБТ) с помощью буровой лебедки часто осуществляют свинчивание и развинчивание труб, их перенос и установку, подъем и опус­кание незагруженного элеватора, подачу долота на забой и др. Так как все эти операции требуют различных мощности и ха­рактеристик электропривода, то в современных буровых уста­новках для вспомогательных операций применяются отдельные механизмы с индивидуальным электроприводом. В этом случае буровая лебедка с электроприводом используется только для подъема и опускания КБТ, причем для подъема КБТ служат приводные двигатели, а для торможения при опускании -вспомогательные тормоза или приводные двигатели.

Кинематические схемы привода буровой лебедки можно классифицировать по числу скоростей подъема, числу привод­ных двигателей, их номинальной частоте вращения и способу торможения.

В традиционной кинематической схеме буровой лебедки предусмотрена обратная скорость (реверс) с оперативным (с помощью шинно-пневматической муфты) или неоперативным включением. На многих установках отбор мощности на ротор осуществляется от коробки перемены передач лебедки. Поэтому реверс необходим. На отечественных буровых установках с асинхронным электроприводом предусмотрен оперативный электрический реверс.

Подъем КБТ состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей; за время одного цикла происходит подъем на высоту одной свечи (25-37 м), затем ее отвинчивают, пере­носят и устанавливают, после чего цикл повторяется. Таким образом, по мере подъема вес КБТ дискретно уменьшается и, следовательно, уменьшается момент статического сопротивле­ния на валу приводного двигателя. Диапазон изменения мо­мента статического сопротивления определяется отношением веса максимального груза к весу крюка с незагруженным эле­ватором и составляет от 14:1 до 20:1, причем больший диапазон относится к буровым лебедкам большей грузоподъемности. Так как время работы привода лебедки при подъеме КБТ переме­жается паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, а также спуска крюка с незагруженным элеватором, режим работы привода лебедки - повторно-кратковременный с отно­сительной продолжительностью включения 25-40 %.

При наличии уменьшающегося момента статического сопро­тивления на валу двигателя некоторой мощности ё наибольшая производительность лебедки (без учета времени переходных процессов) может быть достигнута, если по мере подъема труб скорость подъема увеличивается, т.е. если выполняется усло­вие

(6.7) ,

где - момент сопротивления на валу барабана лебедки; - угловая скорость барабана лебедки; - КПД передач от двигателя к барабану лебедки.

Передаточные числа, число передач и диапазон регулирова­ния частоты вращения электродвигателя выбирают обычно та­ким образом, чтобы механическая характеристика привода бы­ла близка к кривой постоянной мощности.

Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для выполнения условия (6.7) можно ступенча­то с помощью многоскоростных трансмиссий или бесступенча­то с помощью электропривода с широким диапазоном регули­рования частоты вращения. Возможно также уменьшение числа ступеней механической передачи до 2 при наличии электро­привода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения.

При бесступенчатом изменении скорости подъема упроща­ется конструкция и, следовательно, снижается стоимость ле­бедки, однако ее привод становится сложнее и дороже; при ступенчатом изменении повышаются сложность и стоимость лебедки, но уменьшается сложность и стоимость привода. Тех­нико-экономическими расчетами установлено, что чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода.

Число приводных электродвигателей определяется многими причинами (унификация применяемых электрических машин, удобство компоновки на ограниченной площади и др.), поэтому встречаются одно-, двух-, трех- и даже четырехдвигательные схемы. Появление трех- и четырехдвигательных схем объясня­ется стремлением к унификации применяемого на установках большой мощности электрооборудования. В отечественной и зарубежной практике широкое применение нашел двухдвига-тельный привод.

Такой привод обеспечивает работу с пониженной произво- дительностью в случае выхода из строя одного из двигателей, а также позволяет отключить один из двигателей при сниже­нии нагрузки, что дает экономию электрической энергии. Од­нако два двигателя половинной мощности в 1,2 раза тяжелее и дороже, чем один двигатель большей мощности; требуется уст-ройство для равномерного распределения нагрузки между дву­мя двигателями, работающими на один вал и др.

Поэтому у современных буровых лебедок основанием для применения многодвигательного электропривода могут служить конструктивные причины (необходимость транспортировки самолетом или вертолетом мелких блоков, исключение парал­лельной работы генераторов переменного тока, слишком боль­шая масса одного двигателя). Для большей части буровых ус­тановок с электроприводом не существует конструктивных ог­раничений, исключающих однодвигательный вариант. Реали­зация основных преимуществ однодвигательного электроприво-да перед двухдвигательным (меньшие капитальные затраты, масса оборудования и занимаемая площадь, более высокий КПД, отсутствие необходимости в выравнивании нагрузки) обеспечивает значительный экономический эффект.

В вьшускавшихся ранее буровых установках электропривод лебедки осуществлялся асинхронными двигателями с фазным ротором. Применение асинхронных короткозамкнутых к син­хронных двигателей для привода лебедок ограничивается тем, что эти двигатели не допускают большой частоты включений, необходимой для выполнения главных и вспомогательных опе­раций при спуске и подъеме труб, а системы их управления не позволяют получать простыми и надежными средствами плавный разгон, реверсирование и снижение частоты враще­ния привода. Использование индивидуальных механизмов для вспомогательных операций при спуске и подъеме инструмента значительно упрощает требования, предъявляемые к приводу лебедки (сокращение частоты включений, устранение необхо­димости снижения частоты вращения и реверсирования двига-телей). Поэтому в ряде буровых установок для привода лебед­ки оказалось возможным использовать в сочетании с электро­магнитными муфтами синхронные двигатели, работающие в режиме постоянного вращения.

Двигатели лебедки мощностью до 200-250 кВт целесообраз­но выбирать на напряжение 380 или 660 В, так как для управ­ления цепями статора этих двигателей можно применять кон-такторную аппаратуру напряжением ниже 1 кВ. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на на­пряжение 6 кВ, что позволяет исключить промежуточную трансформацию напряжения. В дальнейшем можно ожидать повышения рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ.

Для электропривода буровой лебедки в отечественных буровых установках находят применение асинхронные двигатели с разным ротором серий АКБ и АКСБ.

В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки наиболее целесообразным может оказаться электропривод постоянного тока. Такой электропривод можно выполнить безредукторным. Его применение позволяет существенно упростить конструкцию лебедки и ис­ключить ряд звеньев (цепные передачи, подшипники, шинно-пневматические муфты), наиболее сильно подверженных изно­су. Благодаря связи приводного двигателя непосредственно с барабаном лебедки двигатель можно использовать и в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока для лебедок буровых установок весьма перспективен при использовании надежных и дешевых мощных тиристорных преобразователей, отвечающих требованиям электропривода буровых установок.

Электропривод спуско-подъемного агрегата при спуске КБТ и обсадных труб может осуществляться:

от приводного электродвигателя спуско-подъемного агрегата используемого в режиме рекуперативного или динамического торможения;

от индивидуального электромагнитного тормоза индукционного или ферропорошкового типа, установленного на подъемном валу лебедки (в зарубежной практике для легких установок электромагнитный тормоз применяют с ускоряющей передачей).

В случае применения электродвигателя постоянного тока можно получить вполне удовлетворительные характеристики системы торможения при условии полного использования его регулировочных свойств и допустимых перегрузок. Поскольку потери на трение в талевой системе и подшипниках подъемно го вала составляют значительную величину, мощность, необходимая для торможения КБТ при сопоставимой скорости пере метцения, значительно меньше мощности, расходуемой на подъем.

К основным параметрам привода относятся максимальная и минимальная частоты вращения при спуске. Однако, полагая что электродвигатель выбран из условия подъема КБТ, эти параметры также не могут быть независимыми.

Расчетные значения минимальной и максимальной скоростей используют для проверки возможности применения электродвигателя в тормозных режимах: если предельная частота вращения меньше заданной, следует либо увеличить мощность двигателя, либо принять меньшую по сравнению с заданной скорость спуска.

Выбор скорости v спуска колонны номинального веса Q_H и закона регулирования v = ДО) зависит от ряда условий. Для о6еспечения наибольшей производительности при спуске частоту вращения нужно принимать близкой к предельной из соображений номинального нагрева двигателя. Для системы динамического торможения следует также учитывать, что выбор скорости спуска определяют мощность и габариты сборки резисторов. Для реализации предельных возможностей двигателя необходимо использовать кратковременное увеличение не только тока, но и ЭДС в допустимых пределах.

Применение электродвигателя переменного тока в качестве электротормоза в серийных буровых установках не реализуется вследствие значительного усложнения схемы и необходимости торможения через цепную передачу.

При использовании в составе спуско-подъемного агрегата индивидуального электромагнитного тормоза комплекс его па­раметров (высшая скорость спуска, основные точки механичес­кой характеристики и номинальная мощность) выбирается не­зависимо от параметров привода в режиме подъема.

Основными расчетными режимами электромагнитного тор­моза являются:

1) при номинальном токе возбуждения ( ) с определенной относительной продолжительностью включения - соответст­вующий режиму спуска КБТ номинального веса;

2) при максимальном (форсированном) токе возбуждения (кратковременно) - соответствующий интенсивному замедле­нию колонны номинального веса до посадочной скорости;

3) при промежуточном значении тока возбуждения - соот­ветствующий режиму спуска обсадной колонны номинального веса.

Основным расчетным является режим, соответствующий режиму спуска колонны номинального веса (при ) с но­минальной заданной скоростью . По этому режиму и от­носительной продолжительности включения ПВ (%) опреде­ляют эквивалентную мощность тормоза в длительном ре­жиме:

_,

где - номинальная частота вращения вала тормоза, мин-¹; - номинальный момент на валу тормоза, кН-м.

Для различных типов буровых установок значения скорость спуска КБТ составляют 2,5+3 м/с. В осложненных условиях бурения и при спуске обсадной колонны значение скорости спуска может составлять 0,2+0,5 м/с.

Для интенсивного замедления КБТ желательно обеспечить . При этом обязательным является следу ющее требование: момент, создаваемый тормозом, должен был больше момента, обусловленного максимальным весом колоннь обсадных труб.

В процессе спуска инструмента нередко возникает необхо димость экстренного торможения. Путь торможения обычно задается, и электромагнитные тормоза должны обеспечить на­дежное торможение на этом участке. Высокая кратность мак симального момента электромагнитных тормозов при форсиро­вании возбуждения позволяет производить экстренное тормо­жение до полной остановки при порошковых тормозах и до ползучих скоростей при индукционных.

Выбор параметров электромагнитного тормоза завершается проверочным расчетом его теплового режима и оценкой габа­ритной мощности. Учитывая повторно-кратковременный режим использования тормоза, за основу расчета принимают метол определения эквивалентного значения рассеиваемой мощности.