Электропривод буровых насосов

Буровые насосы (БН) в случае роторного бурения служат для создания потока промывочной жидкости (бурового раствора) через вертлюг, бурильные трубы к забою скважины и через затрубное пространство к устью скважины. При этом поток жидкости способствует разрушению породы на забое и обеспечивает вынос на поверхность частиц разбуренной породы. При применении гидравлических забойных двигателей (турбобур, винтовой двигатель) промывочная жидкость служит рабочим агентом для вращения забойного двигателя.

Основными параметрами, определяющими режим работы БН, являются давление на его выходе и подача — количество жидкости, подаваемое в единицу времени. Давление на выходе БН при работе на некоторую гидравлическую систему определяется по формуле

р = кQ², (8.2)

 

где Q — подача (производительность, расход); к — коэффициент, характеризующий общее сопротивление гидравлической системы.

Подача раствора Q выбирается технологическими службами с учетом конкретных условий. Для нормальной очистки забоя и подъема частиц разбуренной породы на поверхность величина подачи должна быть тем большей, чем больше площадь забоя.

Гидравлическую Р_г и приведенную Р_п мощность бурового насоса определяют по формулам

 

Рг = рQ; Рп = рQ/ή, (8.3)

 

где ή = 0,9+0,92 — КПД, учитывающий гидравлические и механические потери в БН.

Сопоставив выражения (8.2) и (8.3) нетрудно убедиться, что при постоянных параметрах гидравлической системы и переменной подаче жидкости, гидравлическая мощность пропорциональна подаче в третьей степени, т.е. возрастает весьма интенсивно.

Требуемая мощность БН при различных условиях в скважине и методах бурения различна. Поскольку каждая установка должна обеспечивать бурение как роторным, так и турбинным способом, мощность БН выбирается из условий турбинного бурения, где требуется наибольшая мощность. На серийных буровых установках различных классов номинальная приводная мощность одного БН составляет от 300 до 950 кВт, а на уникальных установках до 1180 кВт и более.

Номинальная частота вращения привода выбирается в пределах от 500 до 1 000 об/мин. На серийных установках устаналивается как правило два, а на уникальных и морских установках — три насоса.

В отечественной практике для БН, как правило, используют однодвигательный электропривод, за рубежом — двухдвигательный (известны также случаи использования трехдвигательного привода). Целесообразность решения в данном случае зависит от условий унификации приводных электродвигателей всех основных исполнительных механизмов буровой

установки.

Буровой насос целесообразно оснащать регулируемым электроприводом, причем регулирование следует осуществлять в режиме постоянного момента, определяемого допустимым давлением в гидравлической системе буровой установки.

Так как отношение диаметров соседних типоразмеров поршней составляет 0,85 — 0,9 между их двумя заменами, то регулирование частоты вращения приводного двигателя должно быть не менее 20 — 30 % в сторону уменьшения от номинальной.

На основании изложенного электропривод БН должен отвечать следующим требованиям:

возможность плавного, затянутого во времени пуска (до 60 с);

пусковой момент не должен превышать номинальный более чем на 1 0 %;

возможность регулирования скорости привода в режиме бурения до 50 %, а в режимах восстановления циркуляции до 80 % и более вниз от номинального значения;

при регулировании скорости вниз от номинальной привод должен обеспечивать постоянство давления БН, что соответствует постоянству момента на его валу;

привод должен иметь жесткую механическую характеристику с относительным падением скорости от холостого хода до номинальной нагрузки порядка 5 %;

привод нереверсивный, режим работы — продолжительный с относительно спокойной нагрузкой.

Регулируемый электропривод БН по системе тиристорный преобразователь — двигатель (ТП — Д) в настоящее время широко используется на отечественных буровых установках, оснащенных индивидуальными электроприводами основных механизмов.

Система управления электроприводом БН (рис. 8.8, а) построена по принципу подчиненного управления и включает в себя контур регулирования ЭДС электродвигателя и подчиненный ему контур регулирования тока.

 

 

 

Рис. 8.8 Функциональная схема (а) и механическая характеристика (б) электропривода бурового насоса, управляемого по системе подчиненного управления:

U_зэ, U_зт — сигналы задания соответственно ЭВС и тока якоря двигателя; U_{ос т}, U_{ос н} — сигналы обратных связей соответственно по току и напряжению якоря двигателя; U_уя — выходной сигнал регулятора тока; U_я, I_Я — соответственно напряжение и ток якоря двигателя

Управление электроприводом осуществляется с пульта управления насосом сельсинным командоаппаратом СК. Воздействуя на систему управления тиристорным преобразователем ТП, плавно регулируют скорость двигателя М. В некоторых электроприводах БН регулирование скорости осуществляется ослаблением магнитного потока двигателя. В этом случае в цепь обмотки возбуждения двигателя LМ включается устройство регулирования тока возбуждения.

Механическая характеристика электропривода БН по системе ТП — Д, соответствующая максимальной частоте вращения двигателя, приведена на рис. 8.8, б.

Регулирование предельного момента осуществляется изменением установки узла ограничения УО регулятора ЭДС РЭ.

Перспективным для электропривода БН является регулируемый электропривод по системе преобразователь частоты —асинхронный короткозамкнутый двигатель (ПЧ — АД), который по сравнению с электроприводом по системе ТП — Д имеет меньшие массо-габаритные показатели и более высокий КПД.

 

 

Дизель-электрический привод

 

Дизельный привод главных механизмов буровых установок имеет существенные недостатки. Стремление улучшить характеристики дизельного привода, упростить кинематику и повысить производительность буровых установок, увеличить срок службы дизеля и улучшить условия труда буровых бригад привело к созданию гидравлических и электромашинных передач от дизеля к исполнительным механизмам.

Введение гидравлических передач (турботрансформаторов) увеличивает перегрузочную способность привода по моменту, исключает ряд нежелательных явлений при совместной работе дизелей на общую трансмиссию, улучшает условия работы дизелей и в ряде случаев увеличивает скорости подъема инструмента.

Электромашинные передачи постоянного тока дают почти те же результаты и, кроме того, позволяют упростить кинематическую схему установки и улучшить условия труда буровой бригады.

Применение электромашинных передач переменного тока имеет те же цели, а также дает возможность упразднить вспомогательные дизель-электростанции, поскольку двигатели вспомогательных механизмов получают питание от генераторов электромашинной передачи. При наличии электромашинных передач переменного тока наиболее благоприятны условия для унификации буровых установок, предназначенных для работы в электрифицированных и неэлектрифицироваппых районах.

Однако во всех случаях применение электромашинных и в особенности гидравлических передач связано с потерями мощности. Кроме того, в ряде случаев может оказаться, что электромашинные передачи усложняют обслуживание привода, увеличивают его массу или снижают надежность.

Применение дизель-электрического или дизель-гидравлического привода вместо чисто дизельного не всегда целесообразно, так как в каждом отдельном случае нужно сделать соответствующий технико-экономический сопоставительный анализ с учетом конкретных условий работы установки: способа и времени проходки скважин; расстояния, на которое нужно перевозить установку; геологических условий проходки скважин; квалификации обслуживающего персонала; наличия в УРБ электроремонтной базы и пр.