Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин

ï1 – коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 1,15 для труб диаметром до 168 мм и 1,3 для труб диаметром 168 мм и более; α0 – интенсивность пространственного искривления, градус на 10 м; Dñ – средний диаметр сечения в основной плоскости резьбы, м; l – длина резьбы с полным профилем, м.

Во всех случаях n1′ не должен быть меньше значений ïç, приведенных в табл. 22.14 для каждой группы размеров колонн.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА КОЛОНН

На основании исходных данных определяют избыточные наружные и внутренние давления на устье скважины и на глубинах H, h, L, а также для интервалов, рассчитываемых по пластовому или горному давлению. Распределение давлений на этих интервалах принимается линейным.

Для удобства расчетов избыточные давления по глубине скважины представляют в виде эпюр (см. рис. 22.8).

Задаются коэффициентом запаса прочности ï1 на наружное давление для первой снизу секции колонны, вычисляют ï1ðí.è L и подбирают трубы. Длину первой секции l1 определяют по мощности эксплуатационного объекта. Затем рассчитывают коэффициент запаса прочности по внутреннему избыточному давлению для верхней трубы секций на глубине L1.

Определяют наружное избыточное давление на верхнем конце 1-й секции, по которому подбирают трубы для 2-й секции. При подсчете длины 2-й секции l2 выбирают трубы для 3-й секции, определяют глубину их установки L2, тогда l2 = L1 – L2. Далее выполняют расчет на внутреннее давление для верхней трубы 2-й секции и т.д.

При этом одновременно определяют общий вес Q всех подобранных секций, который должен быть меньше или равен допускаемой нагрузке. Если растягивающее напряжение больше 0,5Q, то коэффициент запаса прочности ï увеличивают на 10 %.

Если длину секции определяют исходя из осевой нагрузки, то дальнейший расчет на наружное давление не проводят. Промежуточные колонны рассчитываются по аналогичной методике.

На участках колонны, где возможен наибольший износ, допускается увеличение толщины стенки труб на 10–20 %.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СВАРНЫХ КОЛОНН

Сварную обсадную колонну рассчитывают на прочность с уче- том воздействия на нее растягивающих нагрузок, наружного и внутреннего давлений. В отдельных случаях проверка на прочность учитывает также и действие на колонну изгибающих усилий.

Изложенная далее методика расчета сварных обсадных колонн распространяется на конструкции обсадных труб с проточкой под хомут. Рас-

827

Ò à á ë è ö à 22.15

Коэффициенты запаса прочности n, K

чет на растяжение сварной обсадной колонны сводится к проверке проч- ности сварного шва, сечений под хомут

Прочность сварного шва на растяжение проверяют по формуле

ãäå ð1 – допускаемая растягивающая нагрузка, кН; F1 – наименьшая площадь сечения по сварному шву, м2; σâ – временное сопротивление материала труб, МПа; K – коэффициент запаса прочности сварного шва.

Значение K вычисляют по формуле

ãäå n – коэффициент запаса прочности для тела трубы.

Значения коэффициентов запаса прочности n è K для труб из углеродистой стали группы прочности Д даны в табл. 22.15.

Прочность на растяжение в сечении трубы, ослабленном проточкой под шарнирный хомут, характеризует растягивающая нагрузка, кН,

ãäå F2 – площадь сечения по проточке, м2.

Обсадные колонны на внутренне давление (МПа) рассчитывают по формуле

ãäå s – номинальная толщина стенки, мм; n2 = 1,15ч1,52 – коэффициент запаса прочности; D – наружный диаметр трубы, мм.

Сварные колонны на наружное давление рассчитывают согласно приведенной выше методике, уменьшая значения критического давления на 5 % вследствие ослабления сечения трубы проточкой под хомут.

828

23.1. ТИПЫ ПРИВОДОВ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Силовым приводом бурового комплекса называют совокупность двигателей и регулирующих их работу устройств, осуществляющих преобразование топливной или электрической энергии в механическую, управление преобразованной механической энергией и передачу ее к исполнительным органам буровой установки (насосу, ротору, лебедке и др.).

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы подразделяют на автономные (не зависящие от системы энергоснабжения) и неавтономные (зависящие от системы энергоснабжения, т.е. с питанием от промышленных электрических сетей). К автономным приводам буровых установок относят установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а также с газотурбинными установками. К неавтономным приводам относят установки с электродвигателями трехфазного переменного тока.

В зависимости от способа привода исполнительных органов силовой привод буровой установки может быть одиночным èëè групповым. В силовых приводах можно использовать разные средства искусственной приспособляемости; передаточные механизмы, блокирующие несколько двигателей для передачи энергии на один вал и также входящие в состав силового привода. Характеристики группового привода одновременно должны соответствовать характеристикам нескольких механизмов буровой установки, а характеристика одиночного привода – характеристике только одного механизма.

Потребителями энергии буровой установки являются исполнительные механизмы, обладающие различными характеристиками:

исполнительные механизмы для углубления скважины (буровые и подпорные насосы, роторный стол, вращающий бурильную колонну и долото при роторном бурении); устройства для приготовления бурового раствора и очистки его от выбуренной породы и газа;

исполнительные механизмы для спускоподъемных операций (лебедки главная и вспомогательная); частота вращения барабана главной лебедки при подъеме изменяется от 50 до 600 мин–1; для лучшего использования мощности требуется бесступенчатое или ступенчатое регулирование частот вращения; при подъеме бурильных колонн идеальна характеристика постоянного использования всей мощности, т.е. N = ωM = const, ω – угловая скорость барабана; M – крутящий момент;

вспомогательные исполнительные механизмы (компрессоры, водяной насос, механизированные ключи и др.); мощность, потребляемая этими механизмами, составляет 10–15 % мощности, потребляемой главными механизмами.

Основные требования, предъявляемые к силовому приводу: соответствие мощности и гибкости характеристики условиям работы исполнительных механизмов, достаточная надежность, долговечность, небольшая масса и экономическая эффективность.

829

Ïîä мощностью силового привода подразумевают номинальную установленную мощность всех двигателей N = ∑Ni; ãäå Ni – номинальная мощность двигателя, кВт.

Ïîä гибкостью характеристики понимают способность силового привода автоматически или при участии оператора быстро приспосабливаться в процессе работы к изменениям нагрузок и частот вращения исполнительных механизмов. Гибкость характеристики определяется коэффициентом приспособляемости, диапазоном собственного регулирования, частотой вращения валов силового привода и приемистостью двигателей.

Приемистостью называют интенсивность протекания переходных процессов, т.е. время, в течение которого двигатель и силовой привод реагируют на изменение нагрузки.

Коэффициент приспособляемости (или перегрузочная способность) –

это отношение kï =Mmax/Mí, ãäå Mmax è Mí – наибольший и номинальный крутящие моменты.

Диапазон регулирования частоты вращения – отношение максимальной частоты вращения nmax к номинальной ní.

Если в силовой привод входят и средства искусственной приспособляемости, то его коэффициент приспособляемости kï = kï.ä kï.ò, а диапазон регулирования R = RäRò, ãäå kï.ä è Rä – коэффициент перегрузки и диапазон собственного регулирования двигателя в пределах устойчивых режимов работы; kï.ò è Rò – то же, для средств искусственной приспособляемости, входящих в силовой привод.

Коэффициенты kï.ä è Rä зависят от типа двигателя и вида используемой энергии (табл. 23.1). Если значения kï.ä è Rä недостаточны, то применяют средства искусственной приспособляемости, т.е. между двигателями и исполнительным механизмом включают промежуточные гидравлические или электромашинные передачи.

Относительная масса двигателя, или масса, приходящаяся на 1 кВт, влияет на мобильность буровой установки. Относительная масса для двигателей, применяемых в буровых установках, колеблется от 2 до 15 кг на 1 кВт. Практикой бурения установлено, что для тяжелых и мощных буровых установок наиболее подходят двигатели с относительной массой 6–12 кг на 1 кВт.

Экономическую эффективность силовых приводов буровых установок с двигателями разных типов определяют на основании данных эксплуатации или опыта промышленных испытаний установок; экономическая эф-

830

фективностъ зависит от расхода топлива или энергии, смазочных материалов, их стоимости, коэффициента использования мощности первичных двигателей, затрат на уход и обслуживание, транспортирование, монтаж и демонтаж силовых приводов в буровой установке.

В силовых приводах широко используют асинхронные и синхронные электродвигатели трехфазного переменного тока. Преимущество этого вида привода по сравнению с ДВС в том, что обслуживание гораздо проще, и что при снабжении буровых электроэнергией отпадает необходимость в систематическом подвозе топлива, а это особенно затруднительно в районах с суровым климатом и при большой отдаленности буровых.

Недостатки этих двигателей – жесткость характеристики и необходимость применять средства искусственной приспособляемости. В районах, где нет электросетей большой мощности, применяют буровые установки с ДВС. В последнее время для бурения глубоких скважин шире используют приводы с электродвигателями постоянного тока, применяя системы выпрямителей и питание от сетей трехфазного тока.

Выбор мощности, типа и числа двигателей, способа передачи энергии и схемы компоновки всего силового привода зависит от характера изменения рабочих нагрузок. Использование мощности исполнительными механизмами в процессе проводки скважины, характеристики двигателей и средств искусственной приспособляемости при совместной работе с двигателями обусловлено способом и технологией бурения.

В процессе проводки скважины необходимая мощность, частота вращения и крутящие моменты изменяются на всех исполнительных механизмах в широких пределах. Потребляемая мощность и энергия зависят от глубины и диаметра скважины, способа бурения, типа буровой установки, режима работы, климатических условий и др. По мере углубления скважины возрастает расход энергии, затрачиваемой на каждый пробуренный метр скважины, в результате уменьшения скорости механического бурения, увеличения гидравлического сопротивления прокачиванию жидкости и увеличения веса бурильной колонны и объема спускоподъемных операций.

Режимы работы двигателей непостоянны. Различают три режима работы силового привода: пиковых кратковременных нагрузок с использованием максимальной мощности двигателей (аварийные работы); повторнократковременных нагрузок в период спускоподъемных операций бурильных колонн; длительный, который используют для привода ротора и насосов в процессе бурения.

Пригодность двигателя того или иного типа и необходимых средств искусственной приспособляемости для привода буровой установки определяется их характеристиками и технико-экономическими показателями. При выборе типа двигателей, способа передачи энергии к исполнительным органам и при разработке схемы компоновки всего силового привода следует подбирать сочетание характеристик и этих показателей так, чтобы возможно полнее удовлетворить требованиям бурения, монтажа и демонтажа оборудования. В зависимости от этих факторов выбирают схему и конструкцию всех передач, приводящих лебедку, насосы, ротор и другие агрегаты, чтобы обеспечить их наиболее эффективное использование. Для решения этой задачи должны быть известны характеристики основных исполнительных органов, двигателей и трансмиссий.

831

23.2. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЕЙ СИЛОВЫХ ПРИВОДОВ

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В буровых установках применяют ДВС, эксплуатируемые на тяжелом топливе или газе. Двигатели, работающие на легком топливе (бензине или керосине), не применяют из-за их неэкономичности.

Соответствие ДВС заданным условиям работы определяется его внешней характеристикой и конструкцией. Внешней, или механической, характеристикой ДВС называют изменение мощности, крутящего момента и расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

ДВС могут работать при изменении массового соотношения количеств воздуха и топлива в сравнительно небольшом диапазоне – от 15:1 («бедная» смесь) до 11:1 («богатая» смесь); этим и объясняется, что крутящий момент, развиваемый этими двигателями, почти постоянен. Работу ДВС регулируют изменением подачи топлива. Если подача топлива ограничена и применяется «бедная» смесь, то частота вращения уменьшается и двигатель не развивает полной мощности; такую характеристику называют частичной.

Приемистость и приспособляемость ДВС определяются конструкцией системы подвода топлива и воздуха, а также моментом инерции вращающихся частей шатунно-поршневой группы. Эту группу быстроходных двигателей облегчают, благодаря чему рассматриваемые двигатели имеют большую приемистость, чем тихоходные. С увеличением коэффициента собственной приспособляемости двигателя возрастает устойчивость его работы при переменных режимах нагрузки, что особенно важно для двигателей, приводящих в движение буровые лебедки.

Обычно в заводской характеристике ДВС указывают его номинальную мощность. Номинальной мощностью ДВС называют мощность нового двигателя, полученную во время заводских стендовых испытаний при определенной (номинальной) частоте вращения ní (точка Â на рис. 23.1); при этом двигатель развивает номинальный момент (точка Â′) при номинальном расходе топлива (точка Â′′) и нормальных окружающих условиях (атмосферное давление 760 мм рт. ст., температура воздуха +20 °С, влажность 70 %).

Согласно нормам для подъемной части буровых установок следует использовать режим работы ДВС при котором он развивает 80 % номинальной мощности (точка Ñ) при меньшем расходе топлива (точка Ñ′′ ).

При длительных режимах работы ДВС на приводе насосов и ротора рекомендуют использовать только 60 % номинальной мощности (точка D), что достигается уменьшением подачи топлива, обеспечивающим наиболее экономичный режим работы (точка D′′). При форсировании ДВС может развить и большую мощность (точка À). Однако этот режим связан с повышенным расходом топлива (точка À′′) и снижением момента (точка À′) вследствие увеличения внутренних потерь в двигателе. При таком режиме срок службы ДВС резко уменьшается и использование его неэкономично. Недостатком ДВС является то, что их нельзя запускать под нагрузкой – необходимо устанавливать в трансмиссиях муфты, позволяющие включать их на ходу; кроме того, мощность двигателя зависит от давления, температуры и влажности окружающего воздуха.

Тепловая энергия, потребляемая ДВС на буровых, составляет 40–

832

Рис. 23.1. Внешние характеристики ДВС:

1 – мощность; 1′, 1″ – мощность при работе на частных характеристиках; 2 – крутящий момент; 3 – удельный расход топлива

(N/Nн, М/Мн, n/nн, γ/γн – соответ-

ственно относительные мощность, крутящий момент, частота вращения и расход топлива)

60 МДж/ч при КПД, равном 0,25–0,35 (в зависимости от конструкции и состояния двигателя), а часовой расход топлива составляет 250– 350 г/(кВт ч).

Наиболее широко распространены дизели с наддувом, однако не любой их тип можно использовать в буровой установке. ДВС должен быть приспособлен к работе на переменных режимах и длительной работе на холостом ходу.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Ïîä внешней, или механической, характеристикой электродвигателя подразумевают зависимость крутящего момента от частоты вращения, напряжения, частоты тока и магнитного потока в якоре.

В каталогах указывают номинальные пусковые и рабочие характеристики, т.е. мощность, крутящий момент, скольжение и КПД двигателя при номинальных напряжениях и частоте переменного тока на клеймах двигателя и температуре окружающей среды 20 °С. Так как мощность двигателя определяется температурой нагрева его обмотки, то в зависимости от температуры окружающей среды и условий охлаждения электродвигатель может развивать мощность, отличающуюся от указанной в каталоге.

В буровых установках для привода главных и вспомогательных исполнительных механизмов применяют электродвигатели следующих типов:

асинхронные трехфазного переменного тока с короткозамкнутым или фазным ротором; синхронные трехфазного переменного тока; постоянного тока с разными схемами возбуждения.

Различают три типа внешних характеристик электродвигателей (рис. 23.2):

833

Рис. 23.2. Внешние характеристики электродвигателей:

1 – синхронного; 2 – асинхронного; 3 – постоянного тока (À, À′ – номинальный момент)

абсолютно жесткая (линия 1) – частота вращения при изменении момента постоянна; такую характеристику имеют синхронные электродвигатели;

жесткая (кривая 2) – с увели- чением момента частота вращения уменьшается незначительно; такой характеристикой обладают асинхронные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока параллельного и независимого возбуждения;

гибкая (кривая 3) – при небольшом изменении момента значительно изменяется частота вращения; такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения.

Частота вращения электродвигателя и развиваемый им момент могут изменяться автоматически без воздействия каких-либо внешних регуляторов; в этом случае автоматическим регулятором является противоэлектродвижущая сила самого двигателя.

Естественные характеристики электрических двигателей можно изменять с помощью регулирующих устройств, на которые воздействует оператор; такие характеристики называют искусственными.

При выборе двигателя для силового привода важно знать, как будут изменяться его основные параметры, т.е. крутящий момент M, частота вращения n и мощность N в зависимости от изменения напряжения и частоты тока в питающей сети.

В асинхронных электродвигателях переменного трехфазного тока параметры изменяются по следующим зависимостям.

Скольжение номинальное

S = (nc − ní )/ nc,

ãäå – nc = 60f / z – синхронная частота вращения, мин–1; f – частота то-

ка (для промышленных сетей f = 50 Ãö); z – число пар полюсов. Крутящий момент M пропорционален квадрату питающего напряже-

ния, поэтому рассматриваемый привод весьма чувствителен к колебаниям напряжения. Максимальный крутящий момент обратно пропорционален квадрату частоты тока сети.

Для силовых приводов буровых установок с питанием от общепромышленных сетей переменного тока при допускаемом колебании напряжения от +5 до – 10 % максимальный момент может уменьшаться до 0,8 номинального, указанного в каталогах. При пуске электродвигателей сила тока увеличивается, а напряжение в сети падает ниже допустимых пределов. В связи с этим асинхронные двигатели должны обладать высокой перегрузочной способностью даже в период падения напряжений и возрас-

834

Рис. 23.3. Внешние характеристики асинхронных двигателей переменного трехфазного тока:

1, 2 – сила тока и крутящий момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; 3, 3′, 3″, 3′″ – относительный момент асинхронного двигателя с фазным ротором; 4 – относительный момент асинхронного электродвигателя с повышенным скольжением (I/Ií – относительная сила тока)

тания пусковых моментов даже в период падения напряжений и возрастания пусковых моментов сопротивления при относительно небольшой силе пускового тока, при этом они должны развивать необходимый вращающий момент.

На рис. 23.3. приведены внешние номинальные характеристики электродвигателей переменно-

го трехфазного тока. Кривая 1 соответствует изменению силы потребляемого тока, кривая 2 – естественному изменению крутящего момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Пуск такого двигателя производят непосредственно при включении в сеть без промежуточных пусковых устройств. Такие электродвигатели можно применять для привода насосов; для привода лебедки и ротора их используют только с турботрансформаторами или электромагнитными муфтами скольжения и с коробками передач.

Электродвигатель с фазным ротором имеет контактные кольца, что позволяет при пуске вводить ступенчато в цепь ротора добавочные сопротивления, определяющие искусственные характеристики (кривые 3, 3′, 3′′, 3′′′. Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, благодаря чему снижаются пусковой момент и критическое скольжение. Максимальные моменты остаются неизменными (точки Â, Â1 è Â2). Активное сопротивление в роторной цепи регулируют так, что переключение с одной реостатной характеристики на другую происходило при расчетных значениях моментов переключения. По окончании пуска сопротивление в цепи ротора уменьшают, и двигатель далее работает при параметрах, соответствующих двигателю с короткозамкнутым ротором (кривая 2).

При использовании индуктивного сопротивления в цепи ротора, несмотря на некоторое уменьшение максимального момента, получают луч- шие результаты. Индуктивное сопротивление выполняет функцию автоматического регулятора силы тока ротора. В начале разгона двигателя, когда частота тока ротора близка к частоте сети, сопротивление дросселя велико и ограничивает силу пускового тока. По мере разгона частота тока в рото-

835

ре снижается, сопротивление дросселя уменьшается и сила тока в течение всего периода пуска остается примерно постоянной.

Âэлектродвигателях с фазным ротором можно применять системы управления, в которых дроссель насыщения с внутренней обратной связью

âсочетании с активными сопротивлениями симметрично включен в цепь ротора.

Âпроцессе пуска индуктивное сопротивление изменяется под влиянием силы и частоты тока ротора, а при автоматическом управлении – еще и под действием силы результативного тока управления. Активные сопротив-

ления в процессе пуска не изменяются. Кривая 4 изменения момента такого двигателя с повышенным скольжением показана на рис. 23.3; точка À характеризует номинальный крутящий момент Mí двигателя с короткозамкнутым ротором, а точка A1 – двигателя с повышенным скольжением. В двигателях с повышенным скольжением ротор короткозамкнутый, что упрощает пусковую аппаратуру; однако КПД такого двигателя значительно ниже, чем некороткозамкнутого.

Синхронный электродвигатель отличается от асинхронного тем, что он снабжен генератором постоянного тока, служащим для намагничивания ротора; благодаря этому ротор вращается синхронно с частотой вращения, пропорциональной частоте тока и обратно пропорциональной числу пар полюсов. Частоту вращения можно регулировать только изменением частоты питающего напряжения; момент, развиваемый двигателем, пропорционален первой степени напряжения; перегрузочную способность двигателя можно повысить увеличением возбуждения. В двигателях станционарного исполнения Mmax = 1,65 Mí (точка Ñ íà ðèñ. 23.3).

Ротор синхронного двигателя снабжен также короткозамкнутой обмоткой, и его пусковые характеристики определяются пусковой характеристикой этой обмотки ротора, которая придает синхронному двигателю в режиме пуска свойства асинхронного короткозамкнутого двигателя. Эксплуатационные преимущества синхронного двигателя определяются его способностью отдавать в сеть реактивную мощность, необходимую для повышения cos ϕ. Однако абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя и невозможность пуска под нагрузкой ограничивают его использование. К недостаткам асинхронных двигателей следует отнести также большую силу пускового тока, однако при достаточно мощных промысловых сетях и подстанциях осуществляют прямой пуск этих двигателей. Пусковые характеристики синхронных и асинхронных двигателей аналогичны.

Электродвигатели постоянного тока следует применять в буровых установках для бурения скважин большой глубины, когда к приводу предъявляют требования глубокого и плавного регулирования частоты вращения, точной остановки, повышенной плавности разгона и торможения и других режимов со сложным изменением механической характеристики.

Âбуровых установках электродвигатели постоянного тока применяют

ñавтономным приводом в сочетании с генераторами постоянного тока,

вращаемыми ДВС (электромашинная передача постоянного тока) либо двигатели постоянного тока получают питание через выпрямители от сетей переменного тока.

Частоту вращения двигателей постоянного тока регулируют изменением напряжения в якоре или силы тока возбуждения двигателя. Поскольку для изменения напряжения на зажимах якоря в электромашинной переда- че необходимо изменять силу тока возбуждения генератора, управление

836