Электрооборудование нефтяной промышленности

При проектировании двигателей электробуров стремятся добиться максимальной мощности при наименьших габаритных ^размерах, определяемых диаметром долота и технологией буре­ ния. Синхронную частоту вращения двигателя можно опреде­ лить исходя из максимально допустимой частоты 1вращения до­ лота, которая по нормам не должна превышать 1000 об/мин. Конструктивно трудно изготовить погружной двигатель промыш­ ленной частоты с синхронной частотой вращения менее 500 об/ /мин. Следовательно, синхронная частота вращения двигателей электробуров может быть 500, 600, 750 или 1000 об/мин. Опыт бурения глубоких скважин электробурами свидетельствует о целесообразности снижения частоты вращения вала электробу­ ра в сочетании с увеличением его момента. Это достигается

равна 1500 об/мин.

Если при роторном бурении желательно иметь мягкую ха­ рактеристику и минимальный момент инерции приводного дви­ гателя для предотвращения поломки труб, то при бурении по­ гружными двигателями этой опасности нет. С точки зрения улучшения отработки долот, целесообразно, чтобы их частота вращения при толчках нагрузки мало изменялась. Толчки на­ грузки должны преодолеваться благодаря высокой перегрузоч­ ной способности двигателя. Диаметр погружных двигателей невелик, поэтому момент инерции их роторов незначителен. -Вследствие этого двигатели электробуров должны иметь жест­ кую механическую характеристику и значительную кратность максимального момента.

Особенность двигателей электробуров заключается в повы­ шенном скольжении в режиме номинальной нагрузки и значи­ тельный пусковой момент, достигающий (1,2— 1,7) AfH0мВыбор такой характеристики обусловлен стремлением обеспечить мак­ симально возможный пусковой момент, сопровождаемый неболь­ шой кратностью пускового тока. Однако опыт эксплуатации показал, что, несмотря на снижение напряжения при пуске дви­ гателя до (0,75—0,8) Uном, время его разгона до номинальной частоты не превышает 0,2—0,3 с. Поэтому для электробуров необходимо применять двигатели нормального исполнения, име­ ющие высокие к. п.д. и cosqp, а не двигатели с повышенным пусковым моментом и повышенным скольжением (табл. 7.4).

Электробур получает питание от сети 6 кВ через ячейку с выключателем распределительного устройства высокого напря­ жения (схема этой ячейки аналогична схеме ячейки № 3 КРНБ6м на рис. 7.3) и трансформатор, понижающий напряжение до необходимой величины, которая зависит от длины токоподвода к двигателю электробура. Поэтому у применяемых для этой це­ ли трансформаторов имеются отводы на первичной и вторичной

210

Т а б л и ц а 7.4

Обозначения в типе электробуров: Э — электробур; трехзначное число — диаметр электробура, мм; цифра после тире — число полюсов двигателя; буква М — модернизи­ рованный.

обмотках; необходимое напряжение устанавливают при помощи переключателей, смонтированных внутри трансформатора.

Вторичную обмотку трансформатора присоединяют кабелем к неподвижным контактам разъединителя 1 отсека высокого напряжения комплектного устройства УЗЭБ-80 (рис. 7.10).

Комплектное устройство УЗ КБ-80 климатического исполне­ ния У категории размещения 2 имеет габаритные размеры 2100X2100X900 мм, массу 1100 кг, номинальное напряжение си­ ловой цепи 3 кВ, 50 Гц, номинальную силу тока силовой цепи 160 А, напряжение питания цепей управления 220 В перемен­ ного тока и 220 В постоянного тока.

Рис. 7.10. Структурная схема комплектного устройства УЗЭБ-80

Комплектное устройство УЗЭБ-80 обеспечивает: включение

двухфазного и трехфазного короткого замыкания; защиту дви­ гателя электробура с выдержкой времени при его перегрузке по току и при заклинивании долота, отключение электробура при обрыве в цепях системы «токопровод — электробур»; руч­ ную блокировку защит от коротких замыканий, обрывов в це­ пях системы «токопровод — электробур», перегрузки и заклини­ вании электробура; контроль цепи и сопротивления изоляции

в каждой фазе и мощности при бурении по вольтметрам, ам­ перметрам и ваттметрам; переключение пределов измерения токов и мощности двигателя электробура; возможность регист­ рации мощности электробура в процессе эксплуатации; запрет повторного включения при аварийных отключениях; сигнализа­ цию о готовности схемы к включению электробура, о перегруз­

212

Н9

Рис. 7.11. Функциональная схема блока управления

Ячейка ЗП, на вход которой подаются напряжения прямо пропорциональные силе тока в фазах Л и С осуществляет функ­ ции выбора максимального тока фазы, формирования обратно зависимой время-токовой характеристики, подачи сигналов на отключение контактора при перегрузке двигателя электробура и на сигнализацию о перегрузке двигателя либо заклинке до­ лота. Ячейка КЗ — защиты от короткого замыкания — осуще­ ствляет функции измерения тока и подачи сигнала на отклю­ чение высоковольтного контактора при превышении тока фазы 120% пускового тока двигателя.

Ячейка УС световой сигнализации перерабатывает инфор­ мацию, полученную от ячеек ЗП и КЗ, и управляет сигнальны­ ми лампами «Перегрузка», «Заклинка», «Короткое замыкание».

Ячейки УКА и УМ предназначены для логического опреде­ ления последовательности операций включения и отключения промежуточного реле К2, контакты которого находятся в цепи катушки высоковольтного контактора двигателя электробура. Субблок ИП предназначен для настройки установок защиты от перегрузки и короткого замыкания, а также содержит источ­ ники стабилизированного питания 15 В.

При бурении глубоких скважин электробуром, когда время, затрачиваемое на спуско-подъемные операции, велико, целесо­ образно стремиться к увеличению проходки на долото даже ценой некоторого снижения механической скорости бурения. Экспериментами установлено, что понижение частоты враще­ ния долота (вала двигателя электробура) с 680 до 375 об/мин при глубине бурения 4000 м дало повышение рейсовой ско­ рости на 40—50%. Понижение частоты вращения долота мо­ жет быть получено путем понижения частоты питающего тока*

214

для чего на поверхности земли устанавливают преобразователь частоты.

С целью повышения технико-экономических показателей электробурения предусмотрено создание электробуров, питае­ мых по схеме один провод — труба с одножильным кабелем и однокоитактными соединениями; простейших по конструкции электробуров, а также электробуров на шлангокабеле.

7.2.3. Электропривод механизма подачи

Под подачей долота понимают последовательное опускание верхней точки бурильной колонны в процессе разрушения по­ роды. В установившемся режиме бурения скорость подачи доло­ та должна быть равна скорости разбуривания породы. Если скорость подачи долота будет превосходить скорость разбури­ вания породы, то нагрузка на забой будет расти, что может повлечь за собой искривление ствола скважины или поломку бурильных труб. Если скорость подачи долота будет ниже скорости разбуривания, нагрузка на забой будет уменьшаться,

лебедки, что приводит к подаче долота. Таким способом весьма трудно осуществить плавную и равномерную подачу долота. Автоматизация во многом устраняет эти недостатки.

При использовании автоматических регуляторов долото по­ дается на забой автоматически в зависимости от параметров, характеризующих режим бурения, например, давления на за ­ бой или тока бурового двигателя. В настоящее время сущест­ вует несколько десятков различных конструкций автоматичес­ ких регуляторов подачи долота. В зависимости от места рас­ положения автоматические регуляторы подачи бывают назем­ ными или глубинными (погружными). Наземные автоматичес­ кие регуляторы подачи по конструктивному признаку силового узла можно разделить на электромашинные, гидравлические и фрикционные. Конструкция силового узла позволяет только опускать бурильную колонну с различной скоростью (такие ав­ томатические регуляторы называются пассивными) или не только опускать, но и приподнимать колонну (такие регулято­ ры называются активными). Применение наземных автомати­ ческих регуляторов подачи долота по сравнению с ручной по­ дачей обеспечивает увеличение механической скорости бурения и проходки на долото на 5—15%, что полностью окупает зат­ раты на их изготовление и обслуживание.

Автоматический регулятор РПДЭ-3 (и его более поздние модификации РПДЭ-7 и РПДЭ-8) предназначен для поддержа-

215

Рис. 7.12. Упрощенная электрическая схема регулятора РПДЭ-3

ния режимов бурения скважин турбобуром и ротором. Этот ре­ гулятор входит в комплект всех серийных буровых установок. Он обеспечивает режим поддержания заданного значения на­ грузки на долото (веса инструмента на крюке) — основной ре­ жим; режим поддержания заданного значения скорости пода­ чи или подъема инструмента — вспомогательный режим.

Упрощенная электрическая схема регулятора РПДЭ-3 пока­ зана на рис. 7.12. Регулятор состоит из следующих основных частей:

а) рессорного датчика веса, устанавливаемого на неподвиж­

тавки скорости; оба сельсина связаны через зубчатую передачу с общей рукояткой управления, расположенной вместе с уни­ версальным переключателем 5Л на пульте управления регуля­ тором;

в) станции управления с реверсивным магнитным усилите­ лем AL, состоящим из двух магнитных усилителей и служащим для усиления сигнала (усилитель питает обмотки возбуждения LG генератора) и с предварительным полупроводниковым фа­ зо-чувствительным усилителем AVT, служащим для усиления управляющего сигнала;

г) двигатель-генератора (двухмашинного агрегата), состо­ ящего из приводного асинхронного двигателя Ml и генератора постоянного тока G, который управляет двигателем М2\

216

вентилятором и тахогенератором и электромагнитного колодоч­ ного тормоза; редуктор соединяется цепной передачей с лебед­ кой буровой установки.

В основном режиме работы при помощи переключателя 5Л

кисточнику переменного тока присоединяются усилитель AVT

иобмотка возбуждения сельсина-датчика ВС1, работающего в паре с сельсином-приемником BE в трансформаторном режиме. Питание обмотки возбуждения сельсина ВС2 в этом случае отключено.

Напряжение на зажимах обмотки возбуждения сельсина BE зависит от угла рассогласования ротора сельсинов BCJ и BE. При согласованном положении роторов это напряжение равно нулю, вследствие чего токи на выходе AVT и AL и на­ пряжение на якоре генератора G равно нулю и вал двигателя М2 неподвижен. Под действием веса колонны бурильных труб и неподвижного конца талевого каната ротор сельсина ВС1 поворачивается на некоторый угол, зависящий от веса колонны.

Перед началом бурения, когда долото находится над забо­ ем, с помощью рукоятки на пульте управления ротор сельсина BE устанавливают в согласованное положение с ротором сель­ сина ВС1, в результате чего вал двигателя М2 будет неподвиж­ ным. Эта операция называется «взвешиванием» инструмента. Далее с помощью рукоятки устанавливают по шкале, находя­ щейся на пульте управления, требуемое значение нагрузки на долото (веса на крюке), т. е. ротор сельсина BE поворачива­ ют на определенный угол. На зажимах обмотки возбуждения сельсина BE возникает напряжение такой величины и фазы, что вал двигателя М2 начинает вращаться в сторону подачи инструмента с частотой, зависящей от угла рассогласования роторов сельсина ВС1 и BE. Как только долото коснется забоя, осевая нагрузка на долото начинает увеличиваться, а вес на крюке — уменьшаться. При этом ротор сельсина — датчика бу­ дет поворачиваться в сторону уменьшения угла рассогласова­ ния роторов ВС1 и BE. В результате управляющий сигнал (на­ пряжение на зажимах обмотки возбуждения сельсина BE) и частота вращения двигателя М2 будут уменьшаться до тех пор, пока нагрузка на долото не достигнет значения, близкого к заданному, и установится режим, при котором скорость подачи долота будет равна скорости бурения.

В дальнейшем заданная нагрузка на долото поддерживает­ ся автоматически (с определенной точностью), независимо от твердости породы, износа долота и пр. Например, при попада­ нии долота из твердой в более мягкую породу в первый мо­ мент времени нагрузка на долото несколько уменьшается, ро­ тор сельсина ВС1 повернется в направлении увеличения угла

217

рассогласования роторов сельсинов ВС1 и BE, управляющий сигнал увеличится и скорость подачи долота возрастает до такой величины, при которой установится режим бурения с большой скоростью при нагрузке на долото, близкой к задан­ ной. При резком увеличении твердости породы может даже произойти кратковременный приподъем инструмента, предот­ вращающий чрезмерное увеличение нагрузки на долото. При бурении в породах с резко изменяющейся буримостью регуля­ тор РПДЭ-3 обеспечивает автоматическое поддержание задан­ ной нагрузки на долото с точностью ±20 кН.

Во вспомогательном режиме поддержания заданного значе­ ния скорости подачи или подъема инструмента переключате­ лем SA питание подается на обмотку возбуждения сельсина ВС2 уставки скорости, а питание AVT и датчика веса отключа­ ется. Напряжение с обмоток синхронизации сельсина ВС2 по­ ступает непосредственно на обмотки управления магнитных усилителей AL, минуя AVT. В среднем (нулевом) положении рукоятки управления задающий сигнал на входе AL равен ну­ лю и вал двигателя М2 неподвижен. При повороте рукоятки Bt направлении «подъем» или «подача» на входе AL (в обмотках возбуждения LG генератора G) появляется ток той или иной полярности, на зажимах якоря G возникает напряжение, а двигатель М2 начинает вращаться с частотой и направлени­ ем, зависящими от положения рукоятки управления.

Вспомогательный режим используется при аварийном подъ­ еме труб в случае отказа главного привода лебедки, при про­ работке скважины, при подъеме или опускании вышки с по­ мощью силового узла РПДЭ-3, а также при бурении в случае выхода из строя датчика веса или AVT. Поскольку в этом ре­ жиме указанные элементы в работе не участвуют, их можно отключить от схемы для проведения ремонта.

Для стабилизации и увеличения быстродействия в схеме применены отрицательные обратные связи по напряжению яко­ ря генератора G и частоте вращения двигателя М2. Машины М2 и G защищены от перегрузок в установившемся и переход­ ном режимах, от коротких замыканий в цепи их якорей и от обрыва тока в обмотке возбуждения LM2 двигателя М2. В за­ висимости от типа буровой установки в РПДЭ-3 применяют асинхронные двигатели мощностью 28—55 кВт, генераторы по­ стоянного тока 27—50 кВт и двигатели постоянного тока 25— 45 кВт. В регуляторах РПДЭ-7 и РПДЭ-8 вместо двухмашин­ ного агрегата (двигатель Ml и генератор G) применен ревер­

сивный тиристорный выпрямитель, а также изменена конструк­ ция датчика веса.

Для автоматизации подачи долота при бурении электробу­ ром применяют регуляторы АВТ1 и АВТ2. В основу работы

218

этих регуляторов, так же как и регулятора РПДЭ-3, положена система генератор — двигатель с регулированием частоты вра­ щения двигателя постоянного тока в широких пределах.

В схеме регулятора АВТ1, регулирование подачи долота осуществляется в функции нагрузки на долото и тока статора двигателя электробура, причем бурильщик может устанавли­ вать два заданных значения уставки — осевой нагрузки на до­ лото и силы тока электробура. При этом всегда будет поддер­ живаться близким к заданному только один из параметров: в

метр будет в этом случае всегда меньше заданного. Регулятор АВТ1 также может работать в режиме поддержания постоян­ ной скорости подачи или подъема инструмента.

Параметры отдельных частей схемы подобраны таким обра­ зом, что в установившемся режиме ошибка при поддержании силы тока электробура получается не более +5% от номи­ нальной, а ошибка при поддержании веса не более 20 кН. Ос­ новные узлы регулятора АВТ1 (датчик веса, силовой узел, двигатель — генератор) те же, что и в автоматическом регу­ ляторе РПДЭ-3.

При бурении малоэнергоемких пород целесообразно исполь­ зовать в качестве параметра активную составляющую тока дви­ гателя электробура. Поэтому в регуляторе АВТ2 имеется узел,

219