Буровая установка.

1. Краткая технологическая характеристика объекта и требования к системе электроснабжения.

Процесс проводки скважин представляет собой совокупность следующих основных взаимосвязанных операций: спуска бурового инструмента в скважину (колонна бурильных труб и долото) с забойным двигателем или без него, работы долота на забое (собственно процесса разрушения породы, вращения и углубле­ния долота при циркуляции жидкости); наращивания инструмента по мере углубления скважины; подъема и спуска колонны бурильных труб для смены изношенного долота; вспомогательных или аварийных работ (промывка скважины, очистка и приготов­ление раствора, ликвидации осложнений, аварий и т.д.).

Подземное оборудование буровой установки включает в себя бурильные трубы с замковыми соединениями, утяжеленные бу­рильные трубы, забойный двигатель (в зависимости от способа бурения) и породоразрушающий инструмент (долото).

К наземному оборудованию буровой установки относятся подъемная часть (вышка, талевая система и буровая лебедка с приводом), вертлюг, ротор, насосная часть (буровые насосы с приводом), механизмы для свинчивания и развинчивания бу­рильных свечей, механизмы для приготовления и очистки гли­нистого раствора, другие вспомогательные машины, механизмы и сооружения.

В зависимости от характера выполняемой работы исполни­тельные машины и механизмы подразделяются на главные и вспомогательные. К главным исполнительным машинам буровой установки относятся лебедка, ротор (при роторном бурении) и буровые насосы, к вспомогательным машинам и механизмам - гидромешалки, гидро­циклоны, вибрационные и другие сита, сепараторы, компрессоры высокого и низкого давления, механические ключи и клиновые захваты, механизмы подъема, переноса и установки свечей, вспомогательные лебедки и др.

Одним из основных механизмов буровой установки является буровая лебедка, обеспечивающая спуск и подъем колонны бурильных труб (КБТ).

Спуск и подъем КБТ состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей. За один цикл происходит подъем или спуск на высоту одной свечи. Т.о., вес КБТ дискретно изменяется, и изменяется момент сопротивления на валу приводного двигателя лебедки. Диапазон изменения момента сопротивления может составлять от 141 до 201. Поскольку время работы привода при подъеме КБТ перемежается паузами, то режим работы привода – повторно-кратковременный с ПВ 25-40%.

При уменьшении момента сопротивления на валу двигателя наибольшая производительность может быть достигнута, если по мере подъема скорость будет увеличиваться: Р=М_с_б/_n , где М_с – момент на валу барабана лебедки, _б – частота вращения барабана, _n – КПД передачи от двигателя к барабану.

Насосы бу

Для прокачивания глинистого раствора с целью выноса породы на поверхность на буровых установках применяются буровые насосы (БН).

В качестве БН используются поршневые насосы, подающие постоянное количество жидкости при заданном числе ходов насоса независимо от давления в напорной системе. Величина развиваемого давления БН до 700 кг/см2, подача до 60 л/с, мощность до 1250 кВт. На БУ обычно применяется 2 насоса, потребляющих 60-70% электроэнергии буровых установок при электроприводе.

В начальный период бурения гидравлическое сопротивление скважины невелико. По мере углубления оно растет, а давление, развиваемое насосом, повышается. Следовательно, на определенной глубине необходимо ограничивать подачу насоса. Это можно осуществить изменением диаметра втулки насоса или скорости приводного двигателя при постоянной мощности, т.е. регулирование должно производиться при Р=М_сω=соnst.

Для повышения производительности работы изменять подачу необходимо из условия Р=НQ=const.

Выбор типа электропривода и мощности приводного электродвигателя объекта (или основного механизма объекта).

Требования к приводу буровой лебедки обусловлены ее функциональным назначением и технологическими особенностями работы в составе спускоподъемного агрегата (СПА). Из последовательности элементов операций подъема или спуска одной свечи следует, что одну часть времени цикла барабан лебедки вращается под нагрузкой в направлении подъема или спуска, обусловленной массой инструмента, а остальной время барабан заторможен и электропривод разгружен, что позволяет охарактеризовать режим его работы как повторно-кратковременный. Относительная продолжительность включения (ПВ) составляет в среднем 25-40%, длительность одного цикла 1,5-3 мин. Перегрузка двигателя по току в рабочем периоде принимается обычно равной 2-2,5 от номинального тока.

Требования, предъявляемые к эл.приводу БЛ:

1.Работа при повторно-продолжительном режиме работы ПВ%=25-40% ;

2.Привод должен быть реверсивным.

3.Постоянные ускорения dω/dt при переходных процессах (пуск, торможение);

4.Большой максимальный момент (2,2-2,5) для получения больших ускорений при разгоне КБТ на высших скоростях;

5.Наличие «ползучей» скорости для обеспечения точной остановки двигателя.

6.Наличие системы автоматического управления.

Исходя из технологических требований, привод буровой лебедки должен быть регулируемым. По мере развития элементной базы применялись следующие способы регулирования:

- изменением передаточного числа редуктора с помощью 3-6-ти скоростной КПП;

- реостатное регулирование асинхронного двигателя с фазным ротором;

- двухзонное регулирование скорости двигателя постоянного тока, где до номинальной скорости изменение ее производится путем регулирования напряжения питания, а выше - путем регулирования магнитного потока: система тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока. В настоящее время эта система наиболее распространена. Схема ее приведена на рисунке.

В последние годы стала применяться тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока (ПЧ-АД). Т.к. привод должен быть реверсивным, применяются ПЧ с автономным инвертором тока. Схема приведена на рисунке.

Точное определение мощности двигателя Рд лебедки затруднено, поскольку двигатель работает в повторно-кратковременном режиме с переменной продолжительностью цикла и переменным моментом сопротивления. Поэтому сначала по приближенным формулам определяют Рд, а затем, выбрав двигатель и расчитав его нагрузочную диаграмму, производят его проверку методом эквивалентного тока (при двухзонном регулировании) или момента (при однозонном регулировании или применении системы ПЧ-АД).

Предварительно выбрать мощность ЭД можно по фомуле , где Q_н – номинальная грузоподъемность на крюке кН, , _кр – установившаяся скорость подъема крюка с номинальной нагрузкой при номинальной мощности (0,4-0,5м/с); _у – КПД подъемной установки (0,7-0,8) от вала двигателя до крюка; =1,2-1,3 – коэффициент перегрузки.

Выбор двигателя осуществляется по найденной мощности Рд, частоте вращения, определяемой по заданной скорости подъема и передаточному числу трансмиссии, а также по напряжению питания. Двигатель мощностью до 250 кВт целесообразно выбирать на напряжение 380, 500, 660В. При Рд > 250кВт двигатель выбирается на напряжение 6 кВ.

Выбрав двигатель, необходимо построить его нагрузочную диаграмму и тахограмму и вычислить эквивалентный ток или момент на всех скоростях лебедки:

Где к=1,12 – коэффициент, учитывающий изменение диаметра навивки каната на барабан;

М₁, М₂ – моменты на валу двигателя при наибольшей и наименьшей нагрузках на крюке;

М₃ – момент на валу двигателя, создаваемый одной свечой;

n – число поднимаемых свечей;

М_вм – момент машинных вспомогательных операций;

t_i – время работы за цикл подъема;

t_вм, t_вр – время машинных и ручных операций за цикл подъема;

=0,5 – коэф-т, учитывающий ухудшение охлаждения двигателя при его остановке.

Если БЛ не используется для выполнения вспомогательных операций, то: , где

t_в – время вспомогательных операций за цикл подъема.

Если Мэ≤Мн, то двигатель удовлетворяет условиям нагрева, иначе, выбирается и проверяется двигатель большей мощности.

Затем проводится проверка двигателя по перегрузочной способности, а именно максимальный за рабочий цикл момент Ммн нагрузки не должен превышать допустимого момента Мдоп, указанного в каталоге. Если

Ммн  Мдоп, то выбранный двигатель удовлетворяет условиям перегрузки.