Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

запрещающие отключение разъединителя при включенном контакторе и включение контактора при отключенном разъеди­ нителе; электрические, запрещающие включать буровой транс­ форматор при открытых дверях высоковольтного шкафа и от­ ключающие буровой трансформатор при их открывании. Ком­ плектное устройство УЗЭБ-80 для управления и защиты элек­ тробуров (рис. 17) в высоковольтном отсеке содержит разъ­ единитель 1, предохранители 2, контактор 3, трансформаторы 4 напряжения, установленные на выходе силовой цепи к дви­ гателю 5 электробура, вращающего долото 6, трансформаторы

7 тока. Устройство 8 контроля сопротивления изоляции и от­ сутствия обрыва токоподвода и устройство 9 токовой защиты связаны с блоком 10 управления контактором 3. При отсутст­ вии нарушений токоподвода, фиксируемых по индикаторам 11, 12, перед включением электробура по сигналам аппаратов 13 ручного управления загорается лампа индикатора 14, раз­ решающего включение. Блок индикации также содержит ам­ перметры 15, вольтметр 16 и индикаторы 17, 18 и 19 сраба­ тывания токовой защиты при перегрузках, заклинках и корот­ ких замыканиях. Устройство контроля за режимом бурения по показаниям наземных приборов содержит датчик 20 напря­ жения на электробуре, измерительный преобразователь 21 мощ­ ности, задатчик 22 мощности холостого хода электробура, ин­ дикатор 23 мощности на долоте и регистрирующий прибор 24. Это устройство позволяет улучшить контроль режима и произ­ водительность при бурении электробуром. Особенность схемы комплектного устройства УЗЭБ-80 — наличие логического блока

51

управления AF, который управляет промежуточным реле. Кон­ такты последнего находятся в цепи катушки высоковольтного контактора, включающего и выключающего двигатель электро­ бура. Конструктивно блок управления AF представляет собой унифицированную кассету с набором сменных функциональных ячеек и субблоков (рис. 18). Ячейка ЗП, на вход которой пода­ ются напряжения, прямо пропорциональные силе тока в фазах А и С (1а и 1с), осуществляет функции выбора максимального тока фазы, формирования обратнозависимой времятоковой ха­ рактеристики, подачи сигналов на отключение контактора при перегрузке двигателя электробура и на сигнализацию о пере­ грузке двигателя либо заклинивания долота. Ячейка КЗ — за­ щиты от короткого замыкания — измеряет ток и подает сигнал на отключение высоковольтного контактора при повышении тока фазы на 120 % от пускового тока двигателя.

Ячейка УС — световой сигнализации — перерабатывает ин­ формацию, полученную от ячеек ЗП и КЗ, и управляет сиг­ нальными лампами «Перегрузка», «Заклинка», «Короткое за­ мыкание».

Ячейки УКА и УМ предназначены для логического оп­ ределения последовательности операций включения и отклю­ чения промежуточного реле К2, контакты которого находятся в цепи катушки высоковольтного контактора двигателя элек­ тробура. Субблок ИП предназначен для настройки уставок за­ щиты от перегрузки и короткого замыкания, а также содер­ жит источники стабилизированного питания ±15 В.

При бурении глубоких скважин электробуром для уменьше­ ния времени, затрачиваемого на спуско-подъемные операции, целесообразно стремиться к увеличению проходки на долото даже ценой некоторого снижения механической скорости бу­ рения. Экспериментами установлено, что понижение частоты вращения долота (вала двигателя электробура) с 680 до 375 об/мин при глубине бурения 4000 м дало повышение рейсо­ вой скорости на 40—50 %. Частоту вращения долота можно уменьшить, понижая частоту питающего тока, если на поверх­ ности земли установить преобразователь частоты.

В преобразователе (рис. 19) с пределами бесступенчатого регулирования частоты 20—50 Гц от сети 6 кВ через ячейку высокого напряжения подается питание на приводной двигатель ПД (630 кВт, 985 об/мин), вращающий генератор постоянного тока Г (685 кВт, 680 В, 1000 об/мин). Генератор Г питает по системе генератор — двигатель приводной двигатель постоянного тока Д (600 кВт, 680 В, 500/1000 об/мин) синхронного генера­ тора СГ (1100/330 кВ-А, 825/248 кВт, 3150/945 В, 1000/ 300 об/мин), от которого через станцию управления и токоподвод Т питается двигатель электробура ЭБ.

Система генератор— двигатель обеспечивает необходимые пределы регулирования частоты вращения синхронного гене­ ратора СГ, частоту тока которого устанавливают вручную ре-

52

режим автоматического поддержания напряжения на зажимах двигателя электробура ЭБ. Необходимое напряжение задается задатчиком напряжения ЗН. Сигнал обратной связи снимается с выхода датчика обратной связи ДОС, который измеряет на­ пряжение на зажимах двигателя электробура ЭБ. Датчик об­ ратной связи ДОС работает по наземным параметрам, вводи­ мым с трансформаторов тока ТТ и напряжения ТН. Сигналы ЗН и ДОС сравнивают на входе предварительного полупро­ водникового усилителя ППУ. Выходной магнитный усилитель

Рис. 19. Блок-схема электромашинного пре­

электробура

МУ питает обмотку возбуждения возбудителя синхронного ге­ нератора ВСГ (29 кВт, 84 В, 1460 об/мин).

Для регулирования частоты вращения электробуров при­ меняют и тиристорные преобразователи частоты с явно выра­ женным звеном постоянного тока.

Для повышения технико-экономических показателей элек­ тробурения проводятся работы по созданию промышленных электробуров, питаемых по схеме один провод — труба с од­ ножильным кабелем и одноконтактными соединениями, а также электробуров на шлангокабеле.

6. А В Т О М А Т И Ч Е С К И Е Р Е Г У Л Я Т О Р Ы П О Д А Ч И Д О Л О Т А

Под подачей долота понимают последовательное опуска­ ние верхней точки бурильной колонны при разрушении по­ роды. В установившемся режиме бурения скорость подачи до­ лота должна быть равна скорости разбуривания породы. Если скорость подачи долота будет превосходить скорость разбури-

5Я

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 ско­

гателя и индикатора веса, периодически растормаживает ба­ рабан лебедки. Таким способом весьма трудно осуществить плавную равномерную подачу долота. При использовании ав­ томатических регуляторов долото подается на забой автома­ тически в зависимости от параметров, характеризующих ре­ жим бурения, например давления на забой или тока бурового двигателя. Существуют различные конструкции автоматических регуляторов подачи долота. В зависимости от места распо­ ложения автоматические регуляторы подачи бывают назем­ ными или глубинными (погружными). Наземные автоматиче­ ские регуляторы подачи по конструктивному признаку силового узла можно разделить на электромашинные, гидравлические и фрикционные. Конструкция силового узла позволяет или опу­ скать бурильную колонну с различной скоростью (такие авто­ матические регуляторы называются пассивными), или не только опускать, но и приподнимать ее (такие регуляторы на­ зываются активными). Применение наземных автоматических регуляторов подачи долота обеспечивает увеличение механиче­ ской скорости бурения и проходки на долото на 5—15 % по сравнению с ручной подачей, что полностью окупает затраты на их изготовление и обслуживание.

Автоматический регулятор типа РПДЭ-3 предназначен для поддержания режимов бурения скважин турбобуром и рото­ ром. Этот регулятор входит в комплект всех серийных буро­ вых установок, а также вновь разрабатываемых установок. Ре­ гулятор РПДЭ-3 обеспечивает режим поддержания заданной нагрузки на долото (веса инструмента на крюке)— основной режим; режим поддержания заданного значения скорости по­ дачи или подъема инструмента — вспомогательный режим.

Регулятор (рис. 20) состоит из следующих основных частей: рессорного датчика веса типа ДВР-26, устанавливаемого на неподвижном конце талевого каната и служащего для из­ мерения веса на крюке; датчик состоит из рессор и сельсина

СД; узла уставки веса и скорости, состоящего из сельсина-при­

емника СП уставки веса и задающего сельсина СЗ уставки скорости; оба сельсина связаны через зубчатую передачу с об­ щей рукояткой управления, расположенной вместе с универ­ сальным переключателем УП на пульте управления регулято­ ром;

станции управления с реверсивным магнитным усилителем СМУ, состоящим из двух магнитных усилителей МУ1 и МУ2

54

и служащим для усиления сигнала (усилитель питает обмотки возбуждения генератора ОВГП), и с предварительным полу­ проводниковым фазочувствительным усилителем ППУ-1, слу­ жащим для усиления управляющего сигнала;

двигатель-генератора (двухмашинного агрегата), состоя­ щего из приводного асинхронного двигателя АДГ и генератора постоянного тока /77, который управляет двигателем ДП\

силового узла, состоящего из червячно-цилиндрического ре­ дуктора, двигателя постоянного тока ДП с пристроенными вентилятором и тахогенератором и электромагнитного коло­ дочного тормоза; редуктор соединяется цепной передачей с ле­ бедкой буровой установки.

л.■’tic.дне

Рис. 20. Упрощенная электрическая схема регулятора РПДЭ-3

В основном режиме работы при помощи "переключателя УП к источнику переменного тока присоединяются усилитель ППУ-1 и обмотка возбуждения сельсина-датчика СД, работа­ ющего в паре с сельсином-приемником СП в трансформатор­

СП зависит от угла рассогласования ротора сельсинов СД и СП. При согласованном положении роторов это напряжение равно нулю, вследствие чего токи на выходе ППУ-1 и СМУ и напряжение на якоре генератора ГП равны нулю и вал дви­ гателя ДП неподвижен. Под действием веса колонны буриль­ ных труб и неподвижного конца талевого каната ротор сель­ сина СД поворачивается на некоторый угол, зависящий от веса колонны.

Перед началом бурения, когда долото находится над за­ боем, с помощью рукоятки на пульте управления ротор сель-

55

тр узка н а д олото не д о стигне т значения, бли зкого к заданном у,

тве р д о сш породит, износа долота н п р . Н априм ер, при попада­

подъем инструм ента, предотвращ аю щ ий чрезм ерное увеличение

н и я ско ро сти подачи шли подъем а инструм ента переклю чателем

ж

щаться с частотой и направлением, зависящими от положения; рукоятки управления.

Вспомогательный режим используется при аварийном подъ­ еме в случае отказа главного привода лебедки, при прора­ ботке скважины, при подъеме или опускании вышки с по­ мощью силового узла РПДЭ-3, а также при бурении в слу­ чае выхода из строя датчика веса или ППУ-1.

Поскольку в этом режиме указанные элементы в работе H e - участвуют, их можно отключить от схемы для проведения ре­ монта.

Для стабилизации и увеличения быстродействия в схемеприменены отрицательные обратные связи по напряжению якоря генератора ГП и частоте вращения двигателя ДП. Ма­ шины ДП и ГП защищены от перегрузок в установившемся и переходном режимах, от коротких замыканий в цепи их яко­ рей и от обрыва тока в обмотке возбуждения ОВДП двига­ теля ДП. В зависимости от типа буровой установки в РПДЭ-3 применяются асинхронные двигатели мощностью 28—55 кВт, генераторы постоянного тока 27—50 кВт двигателя постоян­ ного тока 25—42 кВт.

Для автоматизации подачи долота при бурении электробу­ ром применяют регуляторы типов АВТ1 и АВТ2, представляю­ щие собой приставки к регулятору РПДЭ-3. В основу работы 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 подача долота регулируется в функции нагрузки на долото и тока статора двигателя элек­ тробура, причем бурильщик может устанавливать два задан­

ваться близким к заданному только один из параметров: в ма­ лоэнергоемких породах — нагрузка на долото, а в более энер­ гоемких — сила тока двигателя электробура. Второй параметр будет в этом случае всегда меньше заданного. Регулятор АВТ1 также может работать в режиме поддержания постоянной скорости подачи или подъема инструмента.

Параметры отдельных частей схемы подобраны таким об­ разом, что в установившемся режиме ошибка при поддержа­ нии силы тока электробура получается не более ±5 % от но­ минальной, а ошибка при поддержании веса — не более 20 кН. Основные узлы регулятора АВТ1 (датчик веса, силовой узел,, двигатель — генератор) те же, что и в автоматическом регуля­

торе РПДЭ-3.

При бурении малоэнергоемких пород наиболее целесооб­ разно использовать в качестве параметра активную составля­ ющую тока двигателя электробура. Поэтому в регуляторе АВТ2 (рис. 21) имеется узел, вводящий в схему сигнал, пропорцио­ нальный активной составляющей тока двигателя электробура.

57

В датчике 3 по току и напряжению, снимаемым с трансформа­ тора тока 1 и трансформатора напряжения 2, включенных в цепь питания электробура, вырабатывается сигнал Ui, про­ порциональный активной составляющей тока двигателя элек­ тробура. Сигнал U1 сравнивается с сигналом U2 задатчика 4. Разностный сигнал через ограничитель 5 поступает в модуля­ тор 6 и далее на сумматор 7 и вход ППУ регулятора РПДЭ-3.

В датчике 8 вырабатывается сигнал, отражающий изменение осевой нагрузки на долото. Этот сигнал сравнивается с сигналом задатчика 9. Разностный сигнал поступает на фазочувствитель­ ный усилитель 10 и далее на сумматор 7.

Если бурение ведется при больших значениях удельного момента и двигатель электро­ бура работает с нагрузкой, близ­ кой к номинальной, то напряже­ ние U3 будет иметь такую фазу, что сигнал Up будет равен нулю. В этих условиях сигнал от дат­ чика осевой нагрузки не посту­ пает на сумматор и подача до­ лота осуществляется в функции активной составляющей тока

Если процесс бурения харак­ теризуется небольшим удельным моментом, то значение активной составляющей невелико и регу­ лятор повысит осевую нагрузку на долото. При повышении ак­

тивной составляющей тока до уровня его ограничения напря­ жение на выходе ограничителя 5 и, следовательно, напряжение и л будет поддерживаться постоянным со знаком, соответству­ ющим подаче долота. Если осевая нагрузка достигнет установ­ ленного значения, на выходе фазочувствительного усилителя 10 появится сигнал Up, препятствующий дальнейшему повыше­ нию осевой нагрузки.

При переходе на бурение с большими значениями удельного момента регулятор вновь начнет поддерживать заданное значе­ ние активной составляющей тока статора, а контур осевой на­ грузки автоматически отключится.

В буровых установках, оборудованных электромагнитными порошковыми тормозами (ТЭП), последние используются при бурении в качестве пассивных регуляторов подачи долота. Тор­ мозной момент, развиваемый ТЭП, постоянен и не зависит от

58

частоты вращения вала, причем тормозной момент почти одно­ значно определяется током возбуждения тормоза и на рабочем участке характеристики связан с ним линейной зависимостью.

Если в процессе бурения установить некоторую осевую на­ грузку на долото и уравновесить момент от усилия на крюке тормозным моментом, то барабан лебедки будет неподвижен. Несколько уменьшив ток возбуждения тормоза,’ достигают мед­ ленного вращения барабана лебедки. Вследствие углубления долота в породу, нагрузка на долото уменьшается, а момент на валу барабана, увеличиваясь, стновится больше тормозного мо­ мента и барабан начинает вращаться, обеспечивая плавную по­ дачу инструмента. Если пренебречь трением труб о стенки скважины, то нагрузка на долото всегда будет равна разности между весом инструмента и тормозным усилием ТЭП.

Х арактеристики и мощ ность электропривода

Помимо главных операций — непосредственно подъема или опускания бурильных труб — при помощи буровой лебедки ча­ сто свинчивают и развинчивают трубы, переносят и устанавли­ вают их, поднимают и опускают незагруженный элеватор, по­ дают долото на забой и пр. Так как все эти операции требуют различной мощности и характеристик электропривода, в новей­ ших и проектируемых буровых установках для вспомогательных операций применяются отдельные механизмы с индивидуальным электроприводом. Буровая лебедка с ее электроприводом ис­ пользуется только для подъема и опускания бурильных труб,, причем для подъема труб служат приводные двигатели, а для торможения при опускании — вспомогательные тормоза или приводные двигатели.

Кинематические схемы привода подъемного вала буровой ле­ бедки (рис. 22) можно классифицировать по числу скоростей подъема, числу приводных электродвигателей, их номинальной частоте вращения и способу торможения. В традиционной кине­ матической схеме буровой лебедки предусмотрена обратная ско­ рость (реверс) с оперативным (при помощи шинно-пневматиче­ ской муфты) или неоперативным включением. На многих уста­ новках отбор мощности на ротор осуществляется от коробкипередач лебедки, поэтому реверс необходим. На отечественных буровых установках с асинхронным электроприводом перемен­ ного тока («Уралмаш-49», БУ-75БрЭ) предусмотрен оператив­ ный реверс электрическим путем. При синхронном электропри­ воде такой возможности нет и реверс осуществляют механиче­ ским путем. Однако наличие индивидуального электропривода ротора позволяет отказаться от электрического реверса привода буровой лебедки.

Подъем бурильных труб состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей: за время одного цикла происходит

59-

отвинчивания, переноса н устан овки тр уб , а та кж е спуска кр ю ка с незагруж енны м элеватором , реж им работы привода лебед ки — повторно-кратковрем енны й с относительной продолж итель­ ностью вклю чения 25— 40 % .

П р и наличии ум еньш аю щ егося м ом ента статистического со ­ противления па ва л у д вигателя некоторой м ощ ности Р наиболь­

вы полнено условие

Iff;