Подчиненного управления

Выполнение указанных требований в полном объеме возможно при использовании привода ротора с плавным регулированием частоты вращения в широком диапазоне.

На современных отечественных буровых установках для ротора применяется электропривод по системе ТП — Д, который в полной мере отвечает указанным требованиям.

Функциональная схема электропривода ротора изображена на рис. 8.1. Она аналогична схеме управления электроприводом бурового насоса (см. рис. 6.4, I). Отличие состоит в наличии управляемого ограничителя УОТ уровня выходного напряжения регулятора ЭДС и узла управления УО, автоматически изменяющего этот уровень, т.е. сигнал U_зт задания тока (момента) двигателя ротора. Благодаря узлу УО в рабочем диапазоне достигается мягкая механическая характеристика электропривода (рис. 8.1). Точке А характеристики соответствует максимальное, а точке C — минимальное значения U_зт, B — одна из рабочих точек механической характеристики.

Весьма перспективным для ротора является электропривод по системе ПЧ — АД, обеспечивающий значительное снижение динамических нагрузок в КБТ по сравнению с электроприводом по системе ТП — Д, так как момент инерции асинхронного короткозамкнутого двигателя значительно меньше, чем у двигателя постоянного тока.

Увеличение производительности роторного бурения при применении регулируемого электропривода можно достигнуть как за счет изменения (от рейса к рейсу в функции глубины скважины) начальной частоты вращения долота, так и регулирования (в функции износа долота, времени рейса или мощности на забое) частоты вращения долота в течение одного рейса (последняя возможность эффективно реализуется в автоматизированных системах).

Исследованиями установлено, что долевое увеличение механической скорости за счет регулирования от рейса к рейсу составляет 1,13, а в процессе одного рейса 1,1 — 1,18, увеличение рейсовой скорости — соответственно 1,09 в первом случае и 1,07—1,13 — во втором.

На буровых установках класса 1 —4 с электроприводом по системе ТП — Д для ротора применяется электродвигатель сравнительно небольшой мощности (160 — 250 кВт). На установках выше 4-го класса электродвигатель ротора в целях унификации обычно принимается того же типа, как и для буровых насосов, со значительным запасом по мощности.

Электробур

Идея переноса электродвигателя на забой скважины была впервые реализована в СССР в 1937—1940 гг. В дальнейшем оборудование для бурения погружными электродвигателями (электробурами) совершенствовалось, и в настоящее время объем бурения электробурами составляет 2,5—5% от общего объема бурения скважин. Схема установки для бурения электробуром показана на рис.8.2. Долото 1 с электробуром 2 опускается в скважину на бурильных трубах 3. Внутри каждой трубы вмонтирована кабельная секция, состоящая из отрезка кабеля 4, контактного стержня и муфты. Муфта и стержень закреплены в замковом соединении трубы.

Электроэнергия от распределительного устройства 14 через трансформатор 15 и станцию управления 16 с помощью наружного кабеля 9 через токоприемник 5, кабельную секцию в ведущей трубе 7 и двухжильный шланговый резиновый кабель с гибкими медными жилами площадью сечения 2x35 или 2x50 мм² подводится к электробуру. В качестве третьего провода в системе питания двигателя электробура используются бурильные трубы. Шланговый кабель выполняется из отдельных отрезков (секций), которые автоматически соединяются в электрическую цепь при свинчивании бурильных труб. Для этой цели каждый отрезок кабеля, снабженный на одном конце контактным стержнем, а на другом — контактной муфтой, закрепляется внутри труб на опорах, установленных в замковом соединении бурильных труб (рис. 8. 3).

По сравнению с трехпроводным токоподвод по системе два провода — труба обладает повышенной надежностью (вследствие уменьшенного числа контактов) представляет собой меньшее гидравлическое сопротивление (вследствие уменьшенного диаметра кабеля).

Буровой раствор, прокачиваемый через буровой шланг 10, вертлюг 11, ведущую трубу 7 (см. рис. 8.2), бурильные трубы, полый вал электробура, долото, выходит в затрубное пространство.

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

Рис. 8.3. Контактное соединение в замке бурильных

труб:

1 — муфта замка; 2 - ниппель замка; 3 — места вулкани-

зации; 4 — контактная муфта; 5 — контактный стержень;

6 — контакты

Рис. 8.4. Схема конструкции электробура с маслонаполненным шпинделем:

1— контактный стержень кабельного ввода; 2 — лубрикаторы двигателя; 3 -верхнее сальниковое уплотнение вала двигателя; 4 — пакеты магнитопроводной стали статора двигателя; 5 — немагнитные пакеты статора; 6 — обмотка статора; 7 — нижнее сальниковое уплотнение вала двигателя; 8 — упорный шариковый подшипник шпинделя; 9 —сальниковое уплотнение вала шпинделя; 10 — вал шпинделя

Электробур (рис. 8.4) состоит из двух основных частей: погружного двигателя и шпинделя с пятами для передачи нагрузки на долото. Вал двигателя соединяется с валом шпинделя зубчатой соединительной муфтой. В верхней части электробура имеется переводник для захвата его элеватором, а внизу наружу выходит вал шпинделя, на который навинчивается долото.

Двигатель работает в скважине на большой глубине в среде бурового раствора, давление которого может достигать 40—50 МПа. Для предохранения двигателя электробура от проникновения бурового раствора, которое может вызвать пробой изоляции обмоток и преждевременный 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 давление окружающей среды. Герметизация внутренней полости двигателя электробура обеспечивается торцовыми уплотнениями вращающихся валов и резиновыми кольцами в неподвижных соединениях (резьб корпусов и т. д.).

При проектировании двигателей электробуров стремятся добиться максимальной мощности при наименьших размерах, определяемых диаметром долота и технологией бурения. Синхронную частоту вращения двигателя можно определить, исходя из максимально допустимой частоты вращения долота, которая по нормам не должна превышать 1 ООО об/мин. Конструктивно трудно изготовить погружной двигатель промышленной 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 электробура в сочетании с увеличением его момента. Это достигается применением электробура с зубчатым редукторов-вставкой. У двигателей редукторных электробуров синхронная частота вращения равна 1500 об/мин.

Рис. 8.5. Схема управления двигателем электробура

Если при роторном бурении желательно иметь мягкую характеристику и минимальный момент инерции приводного двигателя для предотвращения поломки труб, то при бурении погружными двигателями этой опасности нет. С точки зрения улучшения отработки долот целесообразно, чтобы их частота вращения при толчках нагрузки мало изменялась. Толчки нагрузки должны преодолеваться за счет высокой перегрузочной способности двигателя. Диаметр погружных двигателей невелик, поэтому момент инерции их роторов незначителен. Вследствие этого двигатели электробуров должны иметь жесткую механическую характеристику и значительную кратность максимального момента.

Особенностями двигателей электробуров являются повышенное скольжение в режиме номинальной нагрузки и значительный пусковой момент, достигающий (1,2—1,7)М_Н. Выбор такой характеристики обусловлен стремлением обеспечить максимально возможный пусковой момент, сопровождаемый небольшой кратностью пускового тока. Однако опыт эксплуатации показал, что, несмотря на снижение напряжения при пуске

двигателя до (0,75—0,8) U_н, 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 соs φ, а не двигатели с повышенными пусковым моментом и скольжением.