Источники электроэнергии и особенности её распределения на предприятиях нефтяной и газовой промышленности

При бурении глубоких скважин электробуром, когда время, затрачиваемое на  спуско-подъемные операции, велико, целесообразно стремиться к увеличению проходки на долото даже ценой некоторого снижения механической скорости бурения. Экспериментами установлено, что понижение частоты вращения долота (вала двигателя электробура) с 680 до 375 об/мин при глубине бурения 4 000 м дало повышение рейсовой скорости на 40—50%. Частоту вращения долота можно уменьшить, понижая частоту питающего тока, для чего на поверхности земли устанавливается преобразователь частоты.

Блок-схема электромашинного преобразователя с пределами бесступенчатого регулирования частоты 20—50 Гц показана на рис. 38. От сети 6 кВ подается питание на приводной двигатель ПД (630 кВт, 985 об/мин), вращающий генератор постоянного тока Г (685 кВт, 680 В, 1000 об/мин). Генератор Г питает по системе генератор — приводной двигатель постоянного тока Д (600 кВт, 680 В, 500/1000 об/мин) синхронного генератора С Г (1100/330 кВ-А, 825/248 кВт, 3150/945 В,     1000/300    об/мин), от которого через станцию управления и токоподвод Т питается двигатель электробура ЭБ.

 

 

 

 

Рис. 38. Блок-схема преобразователя  частоты для питания двигателя  электробура

 

Системой генератор—двигатель  обеспечиваются необходимые пределы регулирования частоты вращения синхронного генератора СГ, частота тока которого устанавливается вручную регулятором РЧ цепей возбуждения двигателя Д и генератора Г системы генератор — двигатель.

Система автоматического  регулирования предусматривает  режим автоматического поддержания  напряжения на зажимах двигателя  электробура ЭБ. Необходимое напряжение задается задатчиком напряжения ЗН. Сигнал обратной связи снимается с выхода датчика обратной связи ДОС, который измеряет напряжение на зажимах двигателя электробура ЭБ. Датчик обратной связи ДОС работает по наземным параметрам, вводимым с трансформаторв тока ТТ и напряжения ТН. Сравнение сигналов  ЗН  и  ДОС  происходит  на   входе  предварительного полупроводникового усилителя ППУ. Выходной магнитный усилитель МУ питает обмотку возбуждения возбудителя синхронного генератора ВСГ (29 кВт, 84 В, 1460 об/мин).

Для регулирования частоты  вращения электробуров можно применять  тиристорные преобразователи частоты.

С целью повышения  технико-экономических показателей  электробурения предусматривается  создание электробуров, питаемых по схеме один провод — труба с одножильным кабелем и одноконтактными соединениями, простейших по конструкции электровибробуров, а также электробуров на шлангокабеле.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автоматические  регуляторы подачи долота

 

Под подачей долота понимают последовательное опускание верхней точки бурильной колонны в процессе разрушения породы. В установившемся режиме бурения скорость подачи долота должна быть равна скорости разбуривания породы. Если скорость подачи долота будет превосходить скорость разбуривания породы, то нагрузка на забой будет расти, что может повлечь за собой искривление ствола скважины или поломку бурильных труб. Если скорость подачи долота будет ниже скорости разбуривания, нагрузка на забой будет уменьшаться, что приведет   к   уменьшению   скорости   бурения.

При ручной подаче бурильщик, руководствуясь показаниями приборов (амперметра в цепи статора бурового двигателя и индикатора веса), периодически растормаживает барабан лебедки, что приводит к подаче долота. Таким способом весьма трудно осуществить плавную и равномерную подачу долота. Автоматизация во многом устраняет эти недостатки.

При использовании автоматических регуляторов долото подается на забой автоматически, в зависимости от параметров, характеризующих режим бурения, например давления на забой или тока бурового двигателя. В настоящее время существует несколько десятков различных конструкций автоматических регуляторов подачи долота. В зависимости от места расположения автоматические регуляторы подачи бывают наземными или глубинными (погружными). Наземные автоматические регуляторы подачи по конструктивному признаку силового узла можно разделить на электромашинные, гидравлические и фрикционные. Конструкция силового узла позволяет только опускать бурильную колонну с различной скоростью (такие автоматические регуляторы называются пассивными) или не только опускать, но и приподнимать колонну (такие регуляторы называются активными). Применение наземных автоматических регуляторов подачи долота по сравнению с ручной подачей обеспечивает увеличение механической скорости бурения и проходки на долото на 5—15%, что полностью окупает затраты на их изготовление и обслуживание.

Автоматический регулятор  РПДЭ-3 (рис. 39) предназначен для поддержания режимов бурения скважин турбобуром и ротором. Этот регулятор входит в комплект всех серийных буровых, а также вновь разрабатываемых установок. Регулятор РПДЭ-3 обеспечивает режим поддержания заданного значения нагрузки на долото (веса инструмента на крюке) — основной режим; режим поддержания заданного значения скорости подачи или подъема инструмента — вспомогательный режим.

 

Рис. 39. Упрощенная электрическая  схема регулятора РПДЭ-3

 

 

 

Регулятор состоит из следующих основных частей:

рессорного датчика  веса ДВР-26, устанавливаемого на неподвижном конце талевого каната и служащего для измерения веса на крюке; датчик состоит из рессор и сельсина СД;

узла уставки веса и скорости, состоящего из сельсина-приемника СП уставки веса и задающего сельсина СЗ уставки скорости; оба сельсина связаны через зубчатую передачу с общей рукояткой управления, расположенной вместе с универсальным переключателем УП на пульте управления регулятором;

станции управления с  реверсивным магнитным усилителем СМУ, состоящим из двух магнитных усилителей МУ1 и МУ2, для усиления сигнала (усилитель питает обмотки возбуждения генератора ОВГП) и с предварительным полупроводниковым фазочувствительным усилителем ППУ-1, служащим для усиления управляющего сигнала;

двигатель-генератора (двухмашинного  агрегата), состоящего из приводного асинхронного двигателя АДГ и генератора постоянного тока ГП, который управляет двигателем ДП;

силового узла, состоящего из червячно-цилипдрического редуктора, двигателя постоянного тока ДП с пристроенными вентилятором и тахогенератором и электромагнитного колодочного тормоза; редуктор соединяется цепной передачей с лебедкой буровой установки.

В основном режиме работы при помощи переключателя УП к источнику переменного тока присоединяется усилитель ППУ-1 и обмотка возбуждения сельсина-датчика СД, работающего в паре с сельсином-приемником СП в трансформаторном режиме. Питание обмотки возбуждения сельсина СЗ в этом случае   отключено.

Напряжение на зажимах  обмотки возбуждения сельсина СП зависит от угла рассогласования роторов сельсинов СД и СП. При согласованном положении роторов это напряжение равно нулю, вследствие чего токи на выходе ППУ-1 и СМУ и напряжение на якоре генератора ГП равны нулю, а вал двигателя ДП неподвижен. Под действием веса колонны бурильных труб и неподвижного конца талевого каната ротор сельсина СД поворачивается на некоторый угол, зависящий от веса  колонны.

Перед началом бурения, когда долото находится над забоем, с помощью рукоятки на пульте управления ротор сельсина СП ставят в согласованное с ротором сельсина СД положение, в результате чего вал двигателя ДП будет неподвижным. Эта операция называется «взвешиванием» инструмента. Далее с помощью рукоятки устанавливают по шкале, находящейся на пульте управления, требуемое значение нагрузки на долото (веса на крюке), т. е. ротор сельсина СП поворачивают на определенный угол. На зажимах обмотки возбуждения сельсина СП возникает такое напряжение, что вал двигателя ДП начинает вращаться в сторону подачи инструмента с частотой, зависящей от угла рассогласования роторов сельсинов СД и СП. Как только долото коснется забоя, осевая нагрузка на долото начнет увеличиваться, а вес на крюке — уменьшаться. При этом ротор сельсина-датчика будет поворачиваться в сторону уменьшения угла рассогласования роторов СД и СП. В результате управляющий сигнал (напряжение на зажимах обмотки возбуждения сельсина СП) и частота вращения двигателя ДП будут уменьшаться до тех пор, пока нагрузка па долото не достигнет значения, близкого к заданному, и пока установится режим, при котором скорость подачи долота будет равна   скорости   бурения.

В дальнейшем заданная нагрузка на долото поддерживается автоматически (с определенной точностью), независимо от твердости породы, износа долота и пр. Например, при попадании долота из твердой в более мягкую породу в первый момент нагрузка на долото несколько уменьшится, ротор сельсина СД повернется в направлении увеличения угла рассогласования роторов сельсинов СД и СП, управляющий сигнал увеличится и скорость подачи долота возрастет до такого значения, при котором установится режим бурения с большей скоростью при нагрузке на долото, близкой к заданной. При резком увеличении твердости породы может даже произойти кратковременный приподъем инструмента, предотвращающим чрезмерное увеличение нагрузки на долото. При бурении в породах с резко изменяющейся буримостыо регулятор РПДЭ-3 обеспечивает автоматическое поддержание заданной нагрузки на долото с точностью ±20 кН.

Во вспомогательном  режиме поддержания заданного значения скорости подачи или подъема инструмента переключателем УП питание подается на обмотку возбуждения сельсина СЗ уставки скорости, а питание ППУ-1 и датчика веса отключается. Напряжение с обмоток синхронизации сельсина СЗ поступает непосредственно на обмотки управления магнитных усилителей МУ1 и МУ2, минуя ППУ-1. В среднем (нулевом) положении рукоятки управления задающий сигнал на входе СМУ равен нулю и вал двигателя ДП неподвижен. При повороте рукоятки в направлении «подъем» или «подача» на выходе СМУ (в обмотках возбуждения ОВГП генератора ГП) появляется ток той или иной полярности, на зажимах якоря ГП возникает напряжение, а двигатель ДП начинает вращаться с частотой и направлением, зависящими от положения рукоятки управления.

Вспомогательный режим  используется при аварийном подъеме в случае отказа главного привода лебедки, при проработке скважины, подъеме или опускании вышки с помощью силового узла РПДЭ-3, а также при бурении в случае выхода из строя датчика веса или ППУ-1. Поскольку в этом режиме указанные элементы в работе не участвуют, их можно отключить от схемы для проведения ремонта.

Для стабилизации и увеличения быстродействия в схеме применены  отрицательные обратные связи по напряжению якоря генератора ГП и частоте вращения двигателя ДП. Машины ДП и ГП защищены от перегрузок в установившемся и переходном режимах, от коротких замыканий в цепи их якорей и от разрыва цепи обмотки возбуждения ОВДП двигателя ДП. В зависимости от типа буровой установки в РПДЭ-3 применяются асинхронные двигатели мощностью 28—55 кВт, генераторы постепенного тока 27—50 кВт и двигатели постоянного тока 25—42 кВт.

Для автоматизации подачи долота при бурении электробуром применяют регуляторы АВТ1 и АВТ2. В основу работы этих регуляторов, так же как и регулятора РПДЭ-3, положена система генератор — двигатель с регулированием частоты вращения двигателя постоянного тока  в широких пределах.

В схеме регулятора АВТ1 регулирование подачи долота осуществляется в функции нагрузки на долото и тока статора двигателя электробура, причем бурильщик может устанавливать два заданных значения уставки — осевой нагрузки на долото и тока электробура. Однако при этом всегда будет поддерживаться близким к заданному только один  из параметров: в малоэнергоемких породах — нагрузка на долото, а в более энергоемких — ток двигателя электробура. Второй параметр будет в этом случае всегда меньше заданного. Регулятор АВТ1 также может работать в режиме поддержания постоянной скорости подачи или подъема инструмента.

Параметры отдельных  частей схемы подобраны так, что  в установившемся режиме отклонение силы тока электробура не превышает +5% номинальной, а отклонение усилия, действующего на забой, — не более 20 кН. Основные узлы регулятора АВТ1   (датчик веса, силовой узел, двигатель — генератор) такие  же,   как  и   в   автоматическом регуляторе РПДЭ-3.

При бурении малоэнергоемких  пород целесообразнее использовать в качестве параметра регулирования активную составляющую тока двигателя электробура. Поэтому в регуляторе ЛВТ2 имеется узел, вводящий в схему сигнал, пропорциональный активной составляющей тока двигателя электробура. Принципиальная схема регулятора АВТ2 показана на рис. 40. В датчике 3 по току и напряжению, снимаемым с трансформатора тока 1 и с трансформатора напряжения 2, включенных в цепь питания электробура, вырабатывается сигнал U₁ пропорциональный активной составляющей тока двигателя электробура. Сигнал U₁ сравнивается с сигналом U₂ задатчика 4. Разностный сигнал через ограничитель 5 поступает в модулятор 6 и далее на сумматор 7 и вход ППУ-1 регулятора РПДЭ-3. В датчике 8 вырабатывается сигнал, отражающий изменение осевой нагрузки на долото. Этот сигнал сравнивается с сигналом задатчика 9. Разностный сигнал поступает на фазочувствительный   усилитель   10   и   далее   на   сумматор   7.

 

 

На  предварительный усилитель регулятора

рпдз-з

Рис.  40.  Схема   автоматического  регулятора   подачи  долота АВТ2

 

 

Если бурение ведется  при больших значениях удельного  момента и двигатель электробура работает с нагрузкой, близкой к номинальной, то напряжение U₃ будет иметь такую фазу, что сигнал Up будет равен нулю. В этих условиях сигнал от датчика осевой нагрузки не поступает на сумматор, и подача долота осуществляется в функции активной составляющей тока статора.

Если процесс бурения  характеризуется небольшим удельным моментом, то значение активной составляющей невелико — и регулятор повысит осевую нагрузку на долото. При повышении активной составляющей тока до уровня его ограничения напряжение на выходе ограничителя 5 и, следовательно, напряжение U_a будет поддерживаться постоянным со знаком, соответствующим подаче долота. Если осевая нагрузка достигнет установленного значения, на выходе фазочувствительного усилителя 10 появится сигнал Up, препятствующий дальнейшему повышению осевой нагрузки.