книги / Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

Поскольку буровая лебедка установки «Уралмаш-4Э» имеет двухдвигательный привод низкого напряжения, осуществляе­ мый двигателями на напряжение 500 В, в этой установке при­ менены понижающие трансформаторы, монтируемые на транс­ форматорной подстанции буровой установки вблизи от распре­ делительного устройства напряжением 6 кВ. Трансформаторы (табл. 7.2) подключают к ячейке № 6 распределительного уст­ ройства КРНБ-6У и к пусковому устройству ПБГ-6 вместо при­ водных двигателей лебедки.

Для бурения на море разработаны шкафы серии КРУБ, монтируемые в виде комплектного блока, с общей крышей и коридором обслуживания. Электрическая схема блока обеспе­ чивает ввод электроэнергии от двух ЛЭП-бкВ и взаимное ре­ зервирование ячеек. Исполнение блоков—'Ml. В связи с ро­ стом мощностей предполагается в новых районах бурения пи­ тать буровые установки по ЛЭП-10 кВ.

Двигатели и трансформаторы присоединяют к ячейкам рас­ пределительного устройства шланговыми кабелями или же выполняют соединения между остальными элементами электро­ оборудования.

rj § 36. Электропривод долота

Электропривод ротора

В зависимости от способа вращательного бурения меняются требования, предъявляемые к приводу ротора. Если при буре­ нии погружными двигателями ротор используется в основном для производства вспомогательных операций, то при роторном бурении через ротор передается вращение долоту.

Режим работы приводного двигателя ротора в процессе ро­ торного бурения продолжительный, а мощность Рр, которую он должен развивать в процессе бурения, можно выразить фор­ мулой

где Рб — мощность, затрачиваемая непосредственно на бурение (включая потери трения долота); Рп— мощность, необходимая для покрытия потерь в буровой установке (сумма потерь в по­ верхностном оборудовании и на трение колонны труб о стенки скважины и жидкость, а также на вибрацию колонны).

Мощность Рп, теряемая при роторном бурении, составляет значительную часть (до 80%) мощности, развиваемой привод­ ным двигателем. Для расчета потерь мощности в буровой уста­ новке пользуются формулами Б. М. Плюща или В. С. Федо­

241

рова [15]. Эти формулы получены в результате обработки экс­ периментальных данных и содержат множество эмпирических коэффициентов.

Значение мощности Рб может быть ориентировочно опреде­ лено по удельному расходу мощности на 1 см2 площади забоя, которую для роторного бурения шарошечными долотами можно принять 35—150 Вт/см2 [14].

В процессе бурения неоднородных пород момент сопротив­ ления на долоте непрерывно изменяется. Наибольшие колеба­ ния момента наблюдаются при долотах режущего типа, наи­ меньшие— при шарошечных долотах. Колебания момента со­ противления на долоте передаются по колонне 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 заклини­ ванием долота, напряжения кручения, пропорциональные ча­ стоте вращения труб, возрастают, что в конечном итоге может вызвать поломку труб. Поскольку при мягкой механической ха­ рактеристике приводного двигателя ротора частота его вра­ щения уменьшается, то и напряжения кручения в трубах через одно и то же время при мягкой механической 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 вра­ щаться, закручивая трубы, момент двигателя может достигнуть своего максимального значения. Чтобы ограничить возникаю­ щие при этом напряжения кручения в трубах, следует ограни­ чить момент, передаваемый от двигателя ротору. Это может быть достигнуто применением двигателей со сравнительно не­ большой кратностью максимального момента Я.^1,8—2, либо применением в приводе ротора средств ограничения момента.

С заклиниванием долота связан также процесс передачи колонне бурильных труб кинетической энергии, запасенной во вращающихся частях поверхностного оборудования привода ротора. С точки зрения уменьшения кинетической энергии, пе­ редаваемой трубам, целесообразно иметь привод ротора с ми­ нимальным моментом инерции вращающихся частей.

Следовательно, при роторном бурении привод ротора дол­ жен иметь мягкую механическую характеристику, по возмож­ ности минимальный момент инерции и ограниченный макси-

.мальный момент.

Увеличение частоты вращения ротора, т. е. долота, влечет за собой увеличение механической скорости бурения. Для основ­ ного типа долот, применяемых в бурении, — шарошечных

242

вследствие увеличения износа долота при высоких частотах вращения время работы долота в забое и проходка на долото тем больше, чем меньше частота вращения ротора. Наряду с сокращением срока службы долота при больших частотах вращения ротора повышается износ бурового оборудования вследствие увеличения вибрации. Поэтому оптимальные значе­ ния частоты вращения ротора (так же как и нагрузки на до­ лото) целесообразно определять экономическим расчетом, ис­ ходя из минимальной стоимости 1 м проходки.

Как показали расчеты, бесступенчатое регулирование ча­ стоты вращения ротора при бурении глубоких скважин может обеспечить увеличение механической скорости бурения до 30% и рейсовой скорости — до 20%. Диапазон регулирования ча­ стоты вращения, определенный технико-экономическим расче­ том, составляет 5 1—7 1. Регулировать частоту вращения це­ лесообразно при постоянном моменте.

Поскольку при помощи ротора выполняются аварийные и некоторые вспомогательные работы, привод ротора должен иметь оперативный реверс.

В отечественных буровых установках в основном применен групповой привод лебедки и ротора. Так как приводная мощ­ ность лебедки значительно больше приводной мощности ротора, приводные двигатели при роторном бурении оказываются недо­ груженными. В некоторых серийных и вновь разрабатываемых буровых установках предусмотрен индивидуальный привод ротора.

Схема индивидуального электропривода ротора по системе генератор-двигатель буровой установки «Уралмаш-5000Э» по­ казана на рис. 7.2,в. Генератор ротора ГР(П 142-6к, 400 кВт, 460 В) входит в состав трехмашинного преобразовательного аг­ регата, вращаемого синхронным двигателем СДА (СДЗ 13-34-6, 500 кВт, 6 кВ, 1000 об/мин).

Генератор ГР питает двигатель постоянного тока привода ротора ДР (П 127-8к, 250 кВт, 330 В). Обмотка возбуждения генератора ГР питается от реверсивного однофазного тиристор­ ного преобразователя, управляемого магнитным усилителем, а обмотка возбуждения двигателя ДР — от нереверсивного од­ нофазного тиристорного преобразователя, который управляется своим магнитным усилителем. В качестве датчика скорости ро­ тора используется тахогенератор постоянного тока.

Двигатель ДР вращает ротор через двухскоростную меха­ ническую передачу, что дает возможность обеспечить требуе­ мые скорости и моменты как в рабочем, так и в аварийном режимах. В схеме управления предусмотрены защиты и блоки­ ровки от превышения тока в якорной цепи машин ГР и ДР, от исчезновения поля двигателя ДР и отключения асинхронных двигателей вентиляторов, охлаждающих ДР и ГР. При указан­ ных нарушениях работы привода автоматически отключается

243

питание обмоток возбуждения генератора и двигателя, что де­ лает невозможной дальнейшую работу. Путем применения раз­ личных обратных связей в системе автоматического управле­

рис. 3.13.

Многие задачи привода ротора весьма просто решаются пу­ тем применения электромагнитных муфт, устанавливаемых ме­ жду приводными двигателями и ротором. Пуск и регулирование частоты вращения ротора связаны с потерями в электромаг­ нитных муфтах, которые нагревают последние. В случае необ­ ходимости большого и плавного диапазона изменения частоты вращения ротора электромагнитные муфты с водяным (жидко­ стным) охлаждением вполне могут обеспечить надежную ра­ боту. Однако, как указывалось ранее, для привода ротора в большинстве случаев необходим ограниченный -диапазон ре­ гулирования частоты вращения. При этом находят применение более простые электромагнитные муфты с воздушным охлаж­ дением в сочетании с многоскоростной коробкой перемены пере­ дач, вращаемой многоскоростными асинхронными двигателями. Возможность плавного регулирования частоты вращения в диа­ пазоне, определяемом допустимыми потерями в муфте, позво­ ляет в данном случае на каждой механической и электриче­ ской ступени иметь дополнительное плавное регулирование ча­ стоты вращения в ограниченном диапазоне. Это обеспечивает в целом довольно широкий диапазон регулирования частоты вра­ щения ротора.

Помимо регулирования частоты вращения ротора электро­ магнитные муфты ограничивают передаваемый момент, а также придают большую гибкость приводу ротора при производстве аварийных работ, связанных с освобождением из скважины упущенного бурового инструмента. Они обеспечивают плавное закручивание и раскручивание бурильных труб и возможность кратковременного получения высоких значений моментов на низких скоростях при ликвидации аварий. В зависимости от системы и рода привода лебедки и ротора могут быть осу­ ществлены различные схемы применения электромагнитных муфт.

Перспективно применение привода ротора по системе управ­ ляемый тиристорный выпрямитель — двигатель постоянного тока, которая широко распространена в плавучих буровых уста­ новках в СССР и за рубежом.

Требуемые механическая характеристика и диапазон регу­ лирования частоты вращения двигателя могут быть получены изменением выпрямленного напряжения, снимаемого с тири­ сторного выпрямителя.

244

Г"муфтой. В верхней части электробура имеется переводник для захвата его элеватором, а внизу наружу выходит вал шпинделя, на который навинчивается долото.

246

/следние устанавливаются для того, чтобы избежать шунтирова-

/ния магнитного потока через шарикоподшипники и уменьшить

потери от вихревых токов, возникающих в местах расположе­ ния промежуточных опор ротора. Обмотка статора располо- 1 жена в пазах. Ее выводные концы соединены кабелем с кон­ тактным стержнем, при помощи которого двигатель подклю­ чают к кабелю, расположенному в бурильных трубах. Ротор двигателя имеет полый вал с центральным каналом для про­ хода бурового раствора. На валу насажены секции ротора с алюминиевой «беличьей клеткой»; между ними расположены

промежуточные подшипники.

Лубрикаторная система для создания избыточного давления внутри двигателя, для компенсации утечки масла через уплот­ нения и изменения объема масла при нагревании обычно со­ стоит из трех труб, расположенных в верхней части двигателя. Две трубы заполнены трансформаторным маслом и сообща­ ются с внутренней полостью двигателя, третья, заполняемая более вязким маслом, соединяется с центральной частью верх­ него сальника.

Внутри трубы лубрикатора расположен поршень с пружи­ ной, вверху имеется крышка, а снизу — воронка. При заполне­ нии двигателя маслом поршень поднимается и сжимает пру­ жину. Верхняя часть поршня сообщается с окружающей сре­ дой. Таким образом, поршень каждого лубрикатора находится под давлением бурового раствора и пружины, поэтому неза­ висимо от давлений окружающей среды внутри двигателя всегда создается избыточное давление, под влиянием которого масло вытекает наружу, препятствуя этим проникновению бу­ рового раствора внутрь машины.

247

, поднимают на поверхность и, если необходимо, добавляют ма-

248

Рис. 7.6. Схема управления двигателем электробура

большой кратностью пускового тока. Однако опыт эксплуата­ ции показал, что, несмотря на снижение напряжения при пуске двигателя до (0,75—0,8) UH, время его разгона до номинальной частоты не превышает 0,2—0,3 с. Поэтому для электробуров необходимо применять двигатели нормального исполнения, имеющие высокие КПД и cos ф, а не двигатели с повышенными пусковым моментом и скольжением (табл. 7.3).

Электробур получает питание от сети через ячейку с вы­ ключателем распределительного устройства напряжением 6 кВ (схема этой ячейки аналогична схеме ячейки № 3 КРНБ-6У, см. рис. 7.2) и трансформатор СТ, понижающий напряжение до

249