книги / Электрооборудование нефтяной промышленности

то к а (н и зковольтн ы й в а р и а н т ). О бозн ачен и я см. н а рис. 7.5

Оригинальная схема электроснабжения предложена для ус­ тановок класса БУ2500: питание всех тиристорных преобразова­ телей главных электроприводов осуществляется от четырех вторичных обмоток пятиобмоточного трансформатора ТСЗП2500. Для подключения схемы к промышленной сети требуется всего одна вводная ячейка КРУ.

Промышленностью освоены новые следующие электротехни­ ческие комплексы:

морская буровая установка (6500 м) с десятью двигателями постоянного тока (МПП1000-1000МЗ, 1000 кВт, 600 В), син­ хронным генератором МСК 1250—750 (1250 кВт, 400 В) и ком­ плектным устройством управления главными приводами;

автоматизированная наземная буровая установка для буре­ ния до 8000 м с тиристорным электроприводом;

электробуровое электрооборудование, в которые входят электробур Э127 — 4В (31,5 кВт, 1000 В), комплектное устрой­ ство управления и защиты электробуров, буровой трансформа­ тор ТМТБ-630/10У1 (630 кВА, 6,3/1,14-2,3/5,2 кВ), телеметри­ ческая система и механизм искривления;

200

установки для кустового бурения в районах Западной Сиби­ ри, которые содержат синхронный двигатель СДБО-99/49-8ХЛ2, (главные приводы), тормоз ТЭП45У1, станцию управления с ти­ ристорным регулятором скольжения привода лебедки и комп­ лектное устройство управления главными и вспомогательными приводами.

На буровых установках, эксплуатируемых в неэлектрифицированных районах, в качестве источника питания трехфазным переменным током электроприводов вспомогательных механиз­ мов, систем освещения и электрообогрева применяют дизельэлектрические агрегаты мощностью 50—200 кВт. Такие же агрегаты устанавливают и на буровых установках в электри­ фицированных районах в качестве аварийного источника элек­ троснабжения.

Дизель-электрический агрегат состоит из дизеля, синхрон­ ного генератора со статической системой возбуждения и регу­ лирования напряжения, водяного и масляного радиаторов, топ­ ливного и масляного баков, воздухоочистителя, аккумуляторной батареи, систем выхлопа, охлаждения, топливной и масляной, смонтированных на общей сварной раме. Генератор укомплек­ тован распределительным щитом с коммутационной, защитной и измерительной аппаратурой. Технические данные дизель-элек- трических агрегатов, применяемых на буровых установках, представлены в табл. 7.3. В агрегатах применены трехфазные синхронные генераторы переменного тока 50 Гц, 400/230В с номинальной частотой вращения 1500 об/мин. Обмотка статора генератора соединена в звезду с выведенной нулевой точкой.

201

7.2. Электроприводы долота и механизма подачи

7.2./. Электропривод ротора

Взависимости от способа вращательного бурения изменя­ ются требования» предъявляемые к приводу ротора. Если при бурении погружными двигателями ротор используется в основ­ ном для производства вспомогательных операций, то при ротор­ ном бурении через ротор передается вращение долоту.

Режим бурения и его основные параметры — осевая нагруз­ ка на долото, частота «вращения долота и расход промывочной

жидкости, определяемые глубиной и конструкцией скважины, а также характером и крепостью разбуриваемых пород, сущест­ венно влияют на энергетику бурения. Энергия, затрачиваемая непосредственно на бурение, слагается из механической энер­ гии, передаваемой долоту н гидравлической энергии бурового раствора, расходуемой на разрушение породы на забое и на вынос выбуренной породы с забоя на поверхность.

Режим работы приводного двигателя ротора в процессе ро­ торного бурения продолжительный, а мощность, которую он

привода, установленных на поверхности; Рх — мощность, необ­ ходимая для холостого вращения колонны бурильных труб в скважине; Р*®* — мощность на долоте.

Значения мощностей Рв, Р * н Рдоа могут быть определены из эмпирических формул. Мощность Рж зависит от типа, со­ стояния оборудования и частоты вращения. На практике для

Мощность Рж зависит в основном от частоты вращения, дли­ ны и диаметра бурильных труб, качества промывочной жидко­ сти, диаметра и кривизны скважины. Можно считать, что

рщдьиых труб; ш— угловая скорость труб; а в щ — показатели

Ш

степени, определяемые опытным путем; f — плотность промы­ вочной жидкости.

Среднее значение Р лол зависит от осевой нагрузки на доло­ то, угловой скорости инструмента, количества и качества про­ мывочной жидкости, типа, размера и состояния долота, а также от свойств разбуриваемых пород.

При бурении шарошечными долотами для определения мощ­ ности на долоте можно пользоваться формулой, предложенной

где а — коэффициент, характеризующий степень очистки забоя;

расходу мощности на единицу площади забоя, которая для ро­ торного бурения принимается равной 35— 150 Вт/ом2. При оп­ ределении мощности привода ротора можно пользоваться также опытными данными.

По опытным данным при проводке скважины глубиной до 2000 м с частотой вращения долота /г= 300 об/мин и нагрузках на долото 10— 15 т (100— 150 кН), мощностью Р АОЛ изменяется в пределах от 80 до 170 кВт. В среднем РДО =90—110 кВт. При

значительные потери мощности и сильно снижает к.п. д. всего процесса бурения, особенно когда глубина скважин достигает 4—5 тыс. м.

В процессе бурения неоднородных пород момент сопротив­ ления >на долоте непрерывно изменяется. Наибольшие колеба­ ния момента наблюдаются при долотах режущего типа наимень­ шие — при шарошечных долотах. Колебания момента сопротив­ ления на долоте передаются по колонке бурильных труб приводному двигателю ротора в виде упругих волн кручения, продольных колебаний и других возмущений, распространяю­ щихся в стальных трубах со скоростью около 3 км/с.

В результате отражения волн кручения, вызванных закли­ ниванием долота, напряжения кручения, пропорциональные час­ тоте вращения труб, возрастают, что в конечном итоге может вызвать поломку труб. Поскольку при мягкой механической характеристике приводного двигателя ротора частота его вра­ щения с ростом нагрузки уменьшается, то и напряжения круче­ ния в трубах через одно и то же время при мягкой механиче-

203

ской характеристике привода будут меньше, чем при жесткой. Таким образом, и с точки зрения ограничения напряжений в трубах и защиты их от поломок, следует отдавать предпочтение приводу с мягкой механической характеристикой.

При заклинивании долота, когда низ колонны бурильных труб оказывается неподвижным, а ротор продолжает вращаться, закручивая трубы, момент двигателя может достигнуть своей максимальной величины. Чтобы ограничить возникающие при этом напряжения кручения в трубах, следует ограничить момент, передаваемый от двигателя ротору. Это может быть достигнуто применением двигателей со сравнительно небольшой кратно­ стью максимального момента (А,^1,8—2), либо применением

вприводе ротора средств ограничения момента.

Сзаклиниванием долота связан также 'процесс передачи колонне бурильных труб кинетической энергии, запасенной во вращающихся частях поверхностного оборудования привода ро­ тора. С точки зрения уменьшения кинетической энергии, пере­ даваемой трубам, целесообразно иметь привод ротора с мини­ мальным моментом инерции вращающихся частей. Следова­

тельно, при роторном бурении привод ротора должен иметь мягкую механическую характеристику, по возможности мини­ мальный момент инерции и ограниченный максимальный момент.

Увеличение частоты вращения ротора, т. е. долота, влечет за собой увеличение механической скорости бурения. Для ос­

вращения время работы долота на забое и проходка на долото тем больше, чем меньше частота вращения ротора. Наряду с сокращением срока службы долота при больших частотах вра­ щения ротора увеличивается износ бурового оборудования вследствие вибрации. Поэтому оптимальные значения частоты вращения ротора, так же как и нагрузки на долото, целесооб­ разно определять экономическим расчетом, исходя из минималь­ ной стоимости 1 м проходки.

Как показали расчеты, бесступенчатое регулирование часто­ ты вращения ротора при бурении глубоких скважин может обеспечить увеличение механической скорости бурения до 30 и рейсовой — до 20%. Диапазон регулирования частоты враще­ ния, определенный технико-экономическим расчетом, составля­ ет 5 :1 — 7 :1 . Регулировать частоту вращения целесообразно при постоянном моменте.

Поскольку при помощи ротора выполняют аварийные и не­ которые вспомогательные работы, привод ротора должен иметь оперативный реверс.

В большей части отечественных буровых установок приме­ нен групповой привод лебедки и ротора. Так как приводная

204

мощность лебедки значительно больше приводной мощности ротора, приводные двигатели при роторном бурении оказывают­ ся недогруженными. В некоторых буровых установках (БУ-6500, монтируемые на море, и БУ-2500 для суши) предусмотрен ин­ дивидуальный привод ротора, осуществляемый двигателем по­ стоянного тока, питаемым от тиристорного выпрямителя.

Требуемые механическая характеристика и диапазон регу­ лирования скорости двигателя получают изменением выпрям­ ленного напряжения, снимаемого с тиристорного выпрямителя.

Всхеме управления двигателем ротора предусмотрены защиты

иблокировки от превышения тока в якорной цепи, исчезновения поля двигателя, от отключения асинхронных двигателей венти­ ляторов, охлаждающих двигатель ротора и тиристорный выпря­ митель. Путем применения различных обратных связей в систе­ ме автоматического управления формируются требуемые ста­ тические и динамические характеристики привода.

В случае привода ротора с двигателем постоянного тока все рабочие режимы обеспечиваются при неизменном переда­ точном числе от двигателя к ротору. Передаточное число выби­ рают исходя из условия минимума приведенного момента инер­ ции при приемлемых значениях массы и габаритов привода. Обычно номинальная частота вращения приводного двигателя ротора равна 1000 об/мин, а передаточное число редуктора, встроенного в ротор, равно 3—4. Тогда для обеспечения верх­ него предела частоты вращения ротора необходимо иметь пере­ дачу от двигателя к ротору с передаточным числом 1— 1,5. Это­ му значению передаточного числа соответствует минимум при­ веденного момента инерции привода.

Иногда перегрузочная способность двигателя недостаточна для обеспечения аварийных режимов. В этом случае коробка передач содержит еще одну передачу (низшую), передаточное число которой выбирают таким образом, чтобы момент сопро­ тивления на валу двигателя при аварийном режиме не превы­ шал допустимый момент двигателя.

Многие задачи привода ротора просто решаются путем при­ менения электромагнитных муфт, устанавливаемых между при­ водными двигателями и ротором. Пуск и регулирование часто­ ты вращения ротора связаны с потерями в электромагнитных муфтах, вызывая их нагрев. В случае необходимости большого и плавного диапазона изменения частоты вращения ротора электромагнитные муфты с водяным охлаждением вполне могут обеспечить надежную работу. Однако, как указывалось ранее, для привода ротора в большинстве случаев необходим ограни­ ченный диапазон регулирования частоты вращения. При этом находят применение более простые электромагнитные муфты с воздушным охлаждением в сочетании с многоскоростной короб­ кой перемены передач, вращаемой многоскоростными асин­

205

Рис. 7.7. Схема установки для бурения электробуром

Рис. 7.8. Контактное соедине­ ние в замке бурильных труб:

I — ыуфта замка; 2 — ниппель зам­ ка; 3 — места вулканизации; 4 — контактная ыуфта; 5 — контактный стержень

на опорах, установленных в замковом соединении бурильных труб (рис. 7.8).

По сравнению с трехпроводным токоподводом, токоподвод по системе два привода — труба обладает повышенной надеж­ ностью (вследствие уменьшенного числа контактов) и представ­ ляет собой меньшее гидравлическое сопротивление (вследствие уменьшенного диаметра кабеля).

Буровой раствор, прокачиваемый через буровой шланг 10, вертлюг И, ведущую трубу 7 (см. рис. 7.7), бурильные трубы,

207

Рис. 7.9. Схема конструкции7электробура с масло­ наполненным шпинделем: /

полый вал электробура, долото выходит в затрубное пространство.

Вращение бурильных труб для про­ изводства вспомогательных операций осуществляется при помощи ротора 5. Нагрузка на долото создается силой тя­ жести бурильных труб. Для подачи до­ лота на забой служит автоматический регулятор подачи долота 13, связанный цепной передачей с буровой лебедкой 12. Для управления электробуром служит пульт 6, установленный у рабочего места бурильщика.

Электробур (рис. 7.9) состоит из двух основных частей: погружного двигателя и шпинделя с пятами для передачи на­ грузки на долото. Вал двигателя соеди­ нен с валом шпинделя зубчатой соеди­ нительной муфтой. Верхняя часть элект­ робура имеет переводник для захвата его элеватором, а внизу наружу выходит вал шпинделя, на который навинчивают до­ лото.

Двигатель работает в скважине на большой глубине в среде бурового раст­ вора, давление которого может достигать 40—50 МПа. Для предохранения двига­ теля электробура от проникновения бу­ рового раствора, который может вызвать повреждение изоляции обмоток и преж­ девременный абразивный износ его узлов

и деталей, применяют систему масляной защиты. Внутреннюю полость двигателя электробура заполняют трансформаторным маслом, давление которого превышает на 0,05—0,25 МПа дав­ ление окружающей среды. Герметизацию внутренней полости двигателя электробура обеспечивают торцовые уплотнения вра­ щающихся валов и резиновые кольца в неподвижных соедине­ ниях (резьб корпусов и т. д.).

Современный серийный двигатель электробура — асинхрон­ ный двигатель высокого напряжения с короткозамкнутым сек-

208

ционированным ротором. Статор двигателя размещен в цилинд­

установлены для того, чтобы избежать шунтирования магнит­ ного потока через шарикоподшипники и уменьшить потери от вихревых токов, возникающих в местах расположения промежу­ точных опор ротора. Обмотка статора расположена в пазах. Ее выводные концы соединены кабелем с контактным стержнем,, при помощи которого двигатель подключен к кабелю, располо­ женному в бурильных трубах. Ротор двигателя имеет полый,

клеткой», между ними расположены промежуточные под­ шипники.

Лубрикаторная система, которая служит для создания внут­ ри двигателя избыточного давления, компенсации утечки масла через уплотнения и изменения объема масла при нагревании, обычно состоит из трех труб, расположенных в верхней части двигателя. Д.ве трубы заполнены трансформаторным маслом и сообщаются с внутренней полостью двигателя, третья, запол­ няемая более вязким маслом, соединена с центральной частью верхнего сальника.

Внутри трубы лубрикатора расположен поршень с пружи­ ной, вверху имеется крышка и снизу воронка. При заполнении двигателя маслом поршень поднимается и сжимает пружину. Верхняя часть поршня сообщается с окружающей средой. Таким, образом, поршень каждого лубрикатора находится под давле­ нием бурового раствора и пружины, поэтому независимо от давления окружающей среды внутри двигателя всегда сущест­ вует избыточное давление, под влиянием которого масло выте­ кает наружу, препятствуя этим проникновению бурового раст­ вора внутрь машины.

На коническую резьбу нижнего соединительного корпуса двигателя навинчен корпус шпинделя, в котором установлены, радиальные и упорные подшипники. Шпиндель служит для вос­ приятия и передачи механических нагрузок, а также для пере­ дачи вращающего момента от двигателя к долоту. Нагрузка, создаваемая силой веса сжатой части бурильной колонны, пе­ редается на долото через корпус электробура, пяту и вал. шпинделя. Удары и вибрация, возникающие при бурении, пере­ даются таким же путем на колонну бурильных труб, минуя вал двигателя. Шпиндель, имеющий свою лубрикаторную систему, заполняют вязким маслом. У электробура имеется запас масла для нормальной работы в течение 15—20 ч. За этот промежуток времени для смены долота электробур поднимают на поверх­ ность и, если необходимо, добавляют масло в лубрикаторы.