8. Силовые приводы буровых установок

8.1 Характеристики силового привода

Силовым приводом называется совокупность двигателей и регулирующих их работу устройств, преобразующих тепловую или электрическую энергию в механическую, управляющих преобразованной механической энергией и передающих ее к исполнительным механизмам буровой установки (насосу, ротору, лебедке и др.). При проектировании силовых приводов буровых установок прежде всего выбирают тип энергии (тепловой или электрический) и характеристику привода (мощность, момент, частоту вращения и др.), которые зависят от источника энергии, требований автономности и способа привода основных исполнительных механизмов [4].

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы делятся на автономные (не зависящие от системы энергоснабжения) и неавтономные (зависящие от системы энергоснабжения, т.е. с питанием от промышленных электрических сетей). К автономным приводам относятся установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и с газотурбинными двигателями. К неавтономным приводам относятся установки с электродвигателями, питаемыми от сети трехфазного переменного тока. В зависимости от способа привода исполнительных механизмов силовой привод буровой установки может быть одиночным или групповым.

Характеристики группового привода одновременно должны соответствовать характеристикам различных механизмов буровой установки, а характеристика одиночного привода—характеристике только одного механизма.

Повышение универсальности и гибкости привода обычно связано с увеличением его массы или понижением к. п. д. Потребителями энергии буровой установки являются исполнительные механизмы, обладающие различными характеристиками.

Исполнительные механизмы, обеспечивающие углубление скважины:

ротор, предназначенный для вращения бурильной колонны с долотом, требует ступенчатого регулирования частоты вращения от 20—ЗО до ЗОО об/мин; число ступеней три—шесть, при больших глубинах скважин лучше применять бесступенчатое регулирование; крутящий момент ротора изменяется в зависимости от диаметра долота, осевой нагрузки, длины и конструкции бурильной колонны; практика роторного бурения свидетельствует о том, что при 100 об/мин ротора на вращение долота и 114-мм бурильной колонны на каждые 1000 м ее длины достаточна мощность 100 кВт, наибольший крутящий момент на роторе обычно не превышает 13 кНм;

насосы — главные потребители мощности; необходимая полезная мощность для обеспечения циркуляции бурового раствора зависит от подачи насоса и давления; мощность насосной установки может быть определена из эмпирической зависимости N=(1,2 - 1,4)D², где D—диаметр скважин, см; подача насосной установки колеблется от 60—100 л/с в начале бурения до 10— 15 л/с в конце, когда диаметр скважины наименьший; применяется как ступенчатое изменение подачи за счет изменения числа одновременно работающих насосов и диаметров их поршней и цилиндров, так и бесступенчатое за счет изменения частоты вращения приводного вала.

Исполнительный механизм, осуществляющий спуско-подъем:

лебедка—частота вращения барабана лебедки при подъеме изменяется от 30—50 до 600 об/мин; для лучшего использования мощности требуется бесступенчатое или ступенчатое регулирование частот вращения; при подъеме бурильной колонны идеальным является использование всей мощности, т. е. N=

=Мω=соn, где М — крутятций момент, ω — угловая скорость барабана.

Устройства, обеспечивающие приготовление и очистку бурового раствора, и вспомогательные механизмы:

компрессоры, шламовый и водяной насоы, механизированные ключи и др.; мощность, потребляемая этими механизмами, составляет 10—15 % общей мощности. Основные требования, предъявляемые к силовому приводу: соответствие мощности и гибкости характеристики (т. е. изменение крутящего момента и частоты вращения в зависимости от условий работы исполнительных механизмов), достаточная надежность, долговечность, небольшая масса и экономическая эффективность.

Мощность силового привода — это номинальная установленная мощность всех двигателей N= , где N — номинальная мощность двигателя, кВт.

Гибкость характеристик — способность силового привода автоматически или при участии оператора в процессе работы быстро приспосабливаться к изменениям нагрузок и частот вращения исполнительных механизмов. Гибкость характеристики зависит от коэффициента приспособляемости, диапазона регулирования частоты вращения валов силового привода и приемистости двигателя. Коэффициент гибкости характеристики определяется отношением изменения частоты вращения к вызванному им отклонению момента нагрузки Он пропорционален передаточному отношению и21 и обратно пропорционален коэффициенту перегрузки , т. е. = . для гибких приводов = а для жестких = . Иногда применяют понятие коэффициент жесткости = , т. е. величина ‚ является обратной величине коэффициента гибкости.

Приемистостью называется интенсивность осуществления переходных процессов, т. е. время, в течение которого двигатель и силовой привод реагируют на изменение нагрузки и изменяют частоту вращения.

Приспособляемость — свойство силового привода изменять крутящий момент и частоту вращения в зависимости от момента сопротивления. Собственная приспособляемость — свойство двигателя приспособляться к внешней нагрузке. Искусственная приспособляемость — свойство трансмиссий приспосабливать характеристику двигателя к изменению внешней нагрузки.

Коэффициентом приспособляемости или перегрузки i называется отношение М / М, где М и — наибольший и номинальный крутящие моменты.

диапазон регулирования частоты вращения это отношение максимальной частоты вращения n номинальной n.

Если в силовой привод входят средства искусственной приспособляемости, то k_пд =k_пд k_пт , а диапазон регулирования частот вращения

R=R_д R_т где k_пд и R_д — соответственно коэффициент приспособляемости и диапазон собственного регулирования двигателя в пределах устойчивых режимов работы; k_пт и R_т — то же, для средств искусственной приспособляемости, входящих в силовой привод.

Коэффициент k_пд и R_д зависят от типа двигателя и вида используемой энергии. Если значения k_пд и R_д меньше требуемых по условиям эксплуатации приводного исполнительного механизма, то в кинематической цепи предусматривают средства искусственной приспособляемости, т. е. устанавливают между двигателями и исполнительным механизмом промежуточные гидравлические или электродинамические муфты скольжения, турботрансформаторы и коробки передач.

Ниже приведены значения к_д и R_д для различных двигателей.

к_д R_д

ДВС тихоходный (500-750 об/мин)………1,1-1,25 1,5-2

ДВС быстроходный (120 – 1700 об/мин)….1,1-1,2 1,3-1,8

Асинхронный двигатель……………………1,7-2,2 1,0-1,05

Синхронный электродвигатель…………….1,65-1,8 1,0

ГТУ с одновальной турбиной………………1,8-2,0 1,5-2,0

Относительная масса двигателя или масса, приходящаяся на 1 кВт, влияет на мобильность буровой установки. Относительная масса двигателей колеблется от 2 до 15 кг/кВт. Практикой бурения установлено, что для таежных и мощных буровых установок наиболее подходят двигатели с относительной массой 6—12 кг/кВт.

Экономическую эффективность силовых приводов буровых установок с двигателями различных типов определяют на основании данных эксплуатации или опыта промышленных испытаний установок. Экономическая эффективность зависит от расхода энергии, смазочных материалов, их стоимости, коэффициента использования мощности первичных двигателей, затрат на- уход и обслуживание, транспортировку, монтаж и демонтаж силовых приводов в буровой установке.

Режимы работы силовых приводов непостоянны. Различают три режима работы силового привода: пиковые с кратковременными нагрузками и использованием максимальной мощности двигателей (аварийньiе работы); повторно-кратковременные нагрузки в период СПО; пусковые и длительные режимы, используемые для привода ротора и насосов в процессе бурения.

Пригодность двигателя того или иного типа и необходимых средств искусственной приспособляемости для привода буровой установки определяется их характеристиками и технико-экономическими показателями. При выборе типа двигателя, способа передачи энергии к исполнительным механизмам и разработке схемы компоновки всего силового привода следует подбирать сочетание характеристик и этих показателей так, чтобы полнее удовлетворить требования бурения, монтажа и демонтажа оборудования. В зависимости от этих факторов выбирают схему и разрабатывают конструкцию всех передач, приводящих лебедку, насосы, ротор и другие агрегаты таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективное их использование. для решения этой задачи должны быть известны характеристики основных исполнительных механизмов, двигателей, трансмиссий и средств искусственной приспособляемости.