Автоматизація процесу подачі долота при бурінні нафтових свердловин

Vп-швидкість подачі верхнього кінця колони бурильних труб;

L -довжина колони бурильних труб;

E-модуль пружності матеріалу бурильної колони;

S-еквівалентний переріз;

P-осьове навантаження на долото .

Коли бурова лебідка заторможена, то швидкість подачі Vп=0 і

Vб=-kdP/dt;

k=L/(ES);

maxVбmax(dP/dt) тобто , що при Vп=0 існує принципова можливість визначення екстремуму швидкості буріння по екстремуму похідної осьового навантаження на долото. Реалізувати цей спосіб можна як при проведенні активного експерименту, так і при імпульсній подачі бурильного інструменту, при якому долото навантажується максимально допустимим навантаженням, після чого барабан лебідки загальмовується ( Vп= 0).

В процесі зменшення осьового навантаження на долото аналізується похідна dP/dt і запам'ятовується значення, при якому похідна досягає максимуму. Такий процес пошуку екстремуму забезпечує завадостійкість і, як наслідок, високу точність встановлення раціонального режиму буріння. Додаткова фільтрація можливих завад, зв'язаних з визначенням похідної в процесі розвантаження долота.

Представивши dP/dt в кінцевих приростах dP/dt=?P/?t видно, що похідна буде пропорційна величині приросту осьового навантаження за фіксований інтервал часу ?t=const .

В свою чергу, величина приро ?P в інтервалі часу ?t визначимо згідно рівняння:

Де ?Pcp -приріст середніх значень тиску на долото в сусідніх інтервалах часу.

Рівняння (1,3) вказує на можливість заміни процедури диференціювання осьового навантаження двох інтегралів.

Швидкодію такого методу визначення похідної dP/dt і механічної швидкості можна збільшити стискуванням обчислень двох сусідніхприростів по приведених нижче рівняннях:

Швидкість буріння при оптимальному навантаженні може бути визначена при відомому значенні коефіцієнта k=L/(EF); Тому що колона бурильних труб, як правило, складається з частин, що можуть відрізнятися геометричними розмірами і виготовлені з різних матеріалів, то коефіціент К цих частин буде різним.Для складного бурильного інструменту його можна представити еквівалентним значенням і визначити експерементально для зібраної і опущеної в свердловину колони.

З рівняння (1.1) маємо, що при Vб =0

Vп=k dP/dt; Vпdt=kdP;

Ліва частина рівняння представляє собою переміщення верхнього кінця колони (величину подачі бурильного інструменту) в інтервалі часу t2-t1. Права частина пропорційна зміні осьового навантаження на долото Р або ваги на гаку Gk за цей же інтервал часу.

;

(1.4)

З рівняння (1.4) виходить, що еквівалентне значення коефіціенту пружності “К” визначається “посадкою” верхнього кінця колони, коли долото навантажується на вибої при нульовій швидкості його обертання, поділеною на відповідний їй приріст ваги на гаку.

Структурна схема оптимізатора турбінного буріння.

На основі викладеної методики в розд.1 розроблено структурну схему пристрою, рис.2.1.

Задатчиком режиму роботи ЗРР вручну встановлюється значення тиску на долото на рівні найменшого можливого навантаження, що може застосовуватись в даному довбанні, вище якого пристрій включається в режим пошуку. Крім цього , необхідною умовою є виконання опереції “ зважування інструменту “ потенціометром Р .Далі пристрій функціонує автоматично.

Під час встановлення бурильником заданого осьового ннавантаження на долото і в процесі його підтримання в заданих межах, можливі зміни цього режимного параметра. Ця особливість і використовується для пошуку оптимального значення в результаті проведення згаданого вище пасивного експерименту. Блоком БВОН з допомогою БУ здійснюється пошук оптимального навантаження на долото по критерію максимуму механічної швидкості.

VM max=-k(dP/dt)max

Це значення Ропт постійно виводиться для візуального спостереження на індикатор Нр.В результаті зміни умов буріння або режиму буріння ,які можуть привести механічної швидкості при іншому значенні Рд,пристроєм завжди фіксується найбільше значення ?Р/?t

При апріорно встановленому переході долота в іншу породу можливе ручне управління прристроєм,яке дозволить задати суб”єктивно новий цикл пошуку.

Одночасно з пошуком оптимальногго навантаження на долото блоком БВБН здійснюється визначення його біжучого значення,а також приведення контрольованого та оптимального значення параметрів до одного масштабу.

Вибір і остаточне встановлення оптимального осьового навантаження на долото проводиться бурильником з використанням даних цифрового індикатора Нр і найменшому відхиленню значень оптимального (рекомендованого ) ,висвітленого на індикаторі Нр і біжучого - на індикаторі Нб.

Автоматичні регулятори подачі долота

Електромашинні автоматичні регулятори подачі долота виконані за принципом слідкуючої системи із привідним двигуном і вимірювальною частиною, що живиться змінним струмом промислової частоти. Ці регулятори підтримують постійними навантаження на долото, механічну швидкість буріння і практично реалізовані в електричних регуляторах подачі долота на забій типу РПДЭ-3 при бурінні свердловин турбобуром і ротором .

Регулятор забезпечує такі режими роботи: автоматичну подачу долота на забій із заданою швидкістю і автоматичне підтримання навантаженням на долото; підйом з малою швидкістю бурової вишки при монтажі установки; підйом колони з максимальною вагою ( аварійний підйом ); короткочасне збільшення максимального навантаження при випробуваннях вишки і ліквідації прихватів .

Об'єктом регулювання є буровий інструмент ( бурильні труби + заглиблений двигун + долото ),що перебувають у зіткненні з породою. Вхідною величиною для об'єкта регулювання є швидкість подачі, а вихідною ( регульованим параметром ) - навантаження на долото, або інша залежна від нього величина, наприклад, сила струму бурового двигуна , частота обертання долота.

У встановленому режимі швидкість подачі долота повинна бути рівною швидкості проходки. Якщо швидкість подачі долота перевершує швидкість проходки, то навантаження на забій росте, що може спричинити за собою скривлення стовбура свердловини або поломку бурильних труб. Якщо ж швидкість подачі долота нижче швидкості проходки, то навантаження на забій зменшується, що призводить до зменшення швидкості проходки.

До недоліків регулятора цього типу відносяться низький коефіцієнт корисної дії,велика маса ( матеріалоємність ) і габарити цього агрегату, а також низька швидкість подачі долота.

Регулятор подачі долота РПДЭ (рис. 3) складається із силового вузла 7 ( привідний електродвигун 6 і редуктор), сполученого за допомогою ланцюгової передачі 8 із барабаном лебідки 9. В якості двигуна використаємо асинхронний двигун з короткозамкненим ротором,що,на відміну від двигуна постійного струму,є надійним та простим в експлуатації.Більш докладно схема монтажу регулятора подачі долота та використання на конкретній бурильній установці розглянута на стор.6534534

При бурінні колона бурильних труб 2 із долотом 1 через талеву систему 3 вишки 5 зв'язана з барабаном лебідки 9.

Електродвигун живиться від системи частотного керування АД,що більш докладно описана на стор.64654 і є побудованою за принципом підпорядкованого регулювання параметрів. Система включає замкнутий контур регулювання струму з регулятором РС і давачем струму якоря ДС, контур регулювання напруги з давачем напруги ДН та регулятором напруги РН та контур регулювання осьового навантаження з давачем ваги ДВ .

Для забезпечення режиму автоматичної подачі долота на забій із заданим навантаженням в систему регулювання включений замкнутий контур регулювання ваги з регулятором ваги РВ, вхід якого сполучений із виходом давача ваги UЗ.В. , а вхід зворотного зв'язку - із виходом давача ваги 4, встановленого на кінці талевого каната 3.

При бурінні режим автоматичної подачі долота на забій з підтримкою заданого навантаження на долото забезпечується регулятором ваги. Зміна зусилля на гаку при бурінні призводить до зміни сигналу на виході регулятора ваги, що являється задаючим сигналом для контуру регулювання частоти обертання. Завдяки цьому, змінюється швидкість подачі інструмента на забій, чим і забезпечується підтримка заданого навантаження на долото. При зіткненні долота з дуже міцною породою відбувається різке зменшення зусилля на гаку. Завдяки дії зворотного зв'язку від датчика ваги, сигнал на виході регулятора ваги змінюється таким чином, що електропривод піднімає інструмент до відновлення заданого навантаження на долото.

Таким чином, регулятор подачі долота типу РПДЭ, виконаний на основі системи частотно-керованого асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, зберігаючи основні експлуатаційні характеристики і принципи регулювання подачі долота на забій,що забезпечувались в системі тиристорний перетворювач-двигун постійного струму, забезпечує якісні статичні і динамічні характеристики, підвищує надійність, швидкодію системи, швидкість подачі, зменшує сумарну площу, що займає електроустаткування регулятора подачі, що особливо важливо для установок на окремих основах і на плаву.

Регулятор подачі долота типу РПДЭ можна використовувати і при бурінні свердловин електробуром при наявності спеціальної приставки активного струму й електричного пульта керування. У цьому випадку регулятор має шифр АВТ-2 (автомат ваги-струму) [12] і забезпечує такі режими роботи: режим підтримки заданого значення активної складової струму статора двигуна електробура / соs з обмеженням осьового навантаження на долото Gд ; режим підтримки заданого значення осьового навантаження на долото Gд з обмеженням активної складової струму / соs ; режим підтримки заданого значення активної складової струму двигуна електробура й осьового навантаження на долото; режим підтримки заданого значення швидкості подачі або підйому інструмента.

Активна складового струму статора двигуна, швидкість проходки, допустиме осьове навантаження на долото задаються бурильником із пульта керування.

Можливий і інший принцип вимірювання осьового навантаження на долото при бурінні електробуром - безпосередньо за допомогою пристрою вимірювання осьового навантаження .що розглянутий вище.

Рис.3. Функціональна схема регулятора подачі долота.

Регулятор подачі долота PПДЭ-3 та його кінематична схема монтажу на буровій установці БУ5000эУ

Регулятор подачі долота на забій - невід'ємний вузол бурової лебідки, що утворює разом із нею спуско-підйомний агрегат, що відповідно до технологічного процесу проводки свердловин , за завданням бурильника може автоматично підтримувати сталість навантаження на долото або сталість подачі долота на забій.

При бурінні електробуром регулятор забезпечує автоматичну підтримку сталості струму двигуна електробура, причому величина струму також задається бурильником.

Регулятор подачі можна використовувати у якості аварійного приводу для підйому бурильної колони (при виході з ладу головного приводу), а також для створення навантаження на талеву систему при випробуванню вишки статичним навантаженням. Регулятори подачі долота на забій, що застосовуються в спуско-підйомних агрегатах бурових установок Уралмашзаводу, мають однакову електричну схему керування привідним електродвигуном регулятора, але різну потужність цього електродвигуна і розвивають різний гальмівний момент на колодковому гальмі, мають різні габаритні розміри редуктора і деталей при однаковому конструктивному рішенні вузла в цілому.

Регулятори подачі долота на забій Уралмашзавод випускає двох типів: РПДЭ-3 і РПДЭ-3-300. Комплектність РПДЭ-3 із буровими установками Уралмашзаводу приведена в табл. 1.

Можливість використання одного типу регулятора подачі долота на забій у бурових установках різної вантажопідйомності визначається різним загальним передавальним числом від тихохідного вала редуктора регулятора подачі долота на забій до вала барабана.

Передавальні числа таких ланцюгових трансмісій вибрані таким чином, що забезпечують раціональне виконання технологічних операцій буріння: швидкості подачі долота на забій, швидкості підйому бурильної колони визначеної маси в необхідних межах.

Регулятор подачі долота на забій (рис. 1,а) складається з редуктора 1, привідний вал якого еластичною муфтою 3 з'єднується з електродвигуном 4 , а тихохідний - зубцевою муфтою 6 із валом, на якому посаджена зірочка 7 ланцюгової передачі, що з'єднує регулятор із трансмісійним валом бурової лебідки. В залежності від переданого зусилля застосовують зірочки для роботи з трьох і чотирирядними втулочно-роликовими ланцюгами. На приводному валі редуктора (на редукторну півмуфту) встановлене колодкове гальмо 2.

Усі вузли регулятора змонтовані на загальній рамі 8, що повинна надійно кріпитися на фундаменті або на металевій основі. Для охолодження електродвигуна застосовується вентилятор 5 (див. рис. 1,а). Регулятором управляють з електропульта, вмонтованого в пульт бурильника або встановленого поруч із ним.

На рис. 1, б показана установка регулятора подачі долота відносно лебідки. На рамі 5 змонтований редуктор 1, привідний електродвигун 3, вентилятор 4 і гальмо 2. Між рамою 6 лебідки і рамою 5 регулятора встановлюються гвинтові розтяжки 7, необхідні для натягу привідного ланцюга.

Після витяжки і натягу ланцюгової передачі регулятор подачі долота надійно кріплять до загальної рами .

На лебідках спуско-підйомних агрегатів ЛБУ-1100 і ЛБУ-1700 регулятор подачі долота змонтований на загальній рамі з коробкою швидкостей. Конструкція такого регулятора аналогічна розглянутому вище, відмінність полягає в тому, що зубчата муфта, що з'єднує тихохідний вал редуктора з зірочкою ланцюгової передачі, замінена спареними шинно-пневматичними муфтами (див. рис. 2).

Застосування шинно-пневматичних муфт для з'єднання вала регулятора подачі долота з валом барабана створює більш сприятливі умови у порівнянні з використанням кулачкових муфт, тому що робить підключення більш простим та зручним.

а)

б)

Рис. 1. Регулятор подачі долота на забій:

а) РПД; б) установка з лебідками У2-2-11, У2-300 і ЛБУ-15000

У процесі застосування регулятора подачі долота для випробування вишки між диском, на якому кріпляться шинно-пневматичні муфти, і ведучим шківом встановлюють захисний валик, що повинен сприйняти навантаження при порушенні роботи шинно-пневматичних муфт.

Кінематична схема спуско-підйомного агрегату лебідки ЛБУ-1100М1 (рис. 2) складається з кінематичних схем лебідки III, коробки швидкостей ІІ (що відноситься до лебідки і є змонтованою на окремій рамі ), регулятора подачі долота на забій І ( змонтованого на загальній рамі з коробкою швидкостей ) і трансмісії приводу ротора IV (змонтованого також на окремій рамі).

Потужність від приводу передається через шинно-пневматичні муфти 22 на трансмісійний вал 21. З трансмісійного вала потужність ланцюговими передачами 12, 16 і 17, а також через зубчате зачеплення 20-23 ( зворотне обертання ) передається на проміжний вал 24. З проміжного вала через кулачкову муфту 18-19 або кулачкову муфту 13, 14, 15, шинно-пневматичну муфту 9, вал 4, ланцюгову передачу 3 і шинно-пневматичну муфту 2 на вал барабана 25 передаються І, II і III швидкості, а через кулачкову муфту 18-19 або 13, 14, 15 через ланцюгову передачу 26 і шинно-пневматичну муфту 27 на вал барабана 25 передаються IV, V і VI швидкості.

Зворотне обертання вала барабана здійснюється також включенням зубчатої передачі 20-23.

Зворотне обертання валу барабана 25 може передаватися від проміжного вала 24 однієї швидкості через передачу 26 і шинно-пневматичну муфту 27 або другою - через шинно-пневматичну муфту 9, ланцюгову передачу 3 і шинно-пневматичну муфту 2.

Гальмування бурильної або обсадної колони здійснюється за допомогою електромагнітного гальма 29, вал якого з'єднується за допомогою кулачкової муфти 28 із валом барабана.

Включаючи шинно-пневматичну муфту 5, вал барабана 25 через ланцюгову передачу 3 і шинно-пневматичну муфту 2 з'єднується з тихохідним валом редуктора 6 регулятора подачі долота на забій. Швидкохідний вал редуктора з'єднується еластичною муфтою 7 із привідним електродвигуном постійного струму 8.

Рис. 2. Кінематична схема лебідки ЛБУ-1100М1

Ланцюговою передачею 30 через спарені шинно-пневматичні муфти 31 (ШПМ-500 ) потужність передається на нижній конічний редуктор 32 трансмісії приводу ротора IV. Від нижнього конічного редуктора потужність вертикальним карданним валом передається на верхній конічний редуктор і уже від нього також карданним валом ( горизонтальним ) до ротора. Вал барабана 25 однорядною ланцюговою передачею з'єднується з командоапаратом 1. Клинопасовою передачею 10 здійснюється привід масляного насоса. Шинно-пневматична муфта 11 служить гальмом, що фіксує вал у положенні, що забезпечує ввімкнення кулачкових муфт і зубчатого зачеплення. Всі ланцюги, що застосовуються в лебідці, трьохрядні, ролико-втулкові з кроком t=50,8 мм, за винятком привідного ланцюга ротора (дворядна). Шинно-пневматичні муфти 5, 9, 22 марки ШПМ-700, 31 - ШПМ-500, а муфти 2 і 27- ШПМ-1070.

Спуско-підйомний агрегат ЛБУ-1100М1 (рис. ) складається з двох агрегатів ( лебідочного Л і привідного П ), що з'єднані стяжками 6. Лебідочний агрегат складається з барабана 9, встановленого на підшипниках кочення і змонтованого на рамі 2. На валі барабана справа на підшипниках кочення змонтований блок ланцюгових коліс 23 та 24 і із шинно-пневматичною муфтою 17 і закріплена півмуфта кулачкової муфти 18, а зліва змонтований блок ланцюгового колеса 7 і закріплені спарені шинно-пневматичні муфти 5. На рамі 2 встановлена гальмівна машина 19, на валі якої посаджена друга півмуфта кулачкової муфти 18, за допомогою якої під час гальмування колони, що спускається, вал гальмівної машини з'єднується з валом барабана.

Ввімкнення кулачкової муфти здійснюється важільною системою 221 з пневмоприводом ,встановленим на рамі 2.З правої сторони на валу гальмівної машини встановлений пристрій 20 для підводу води для охолодження гальмівних шківів,а з торця закріплений вертлюг 21 для підведення стиснутого повітря до шинно-пневматичної муфти,що встановлена на валу барабану. Пристрій 20 встановлений тільки на лебідці ЛБУ-1100М2,в лебідці ЛБУ-1100М1 встановлений тільки вертлюг 21.

Водяне охолодження шківів не дає суттєвого збільшення довговічності,але створює додаткові проблеми:ускладнюється ремонт,виготовлення,експлуатація лебідки,особливо в холодний період.

З лівої сторони на торці валу барабана встановлена зірочка ланцюгової передачі для передачі обертання до тахогенератора 1,а на торці встановлений вертлюг для підводу повітря до муфт 5.

На рамі 38 привідного агрегату П встановлена ланцюгова коробка швидкостей, у якій на підшипниках кочення змонтовано трансмісійний вал 30 та проміжні вали 8 та 15. На трансмісійному валі 30 закріплено ланцюгові колеса 29 та 31, а на підшипниках кочення ланцюгове колесо 28,кулачкова муфта 27 і зубчате колесо 26. З правого торця на трансмісійний вал посаджена муфта зі закріпленими на ній шківами 25 для з”єднання з шинно-пневматичними муфтами приводу, з допомогою яких на трансмісійний вал передається потужність від приводу.

З лівої сторони на трансмісійному валі встановлений шків гальмівної шинно-пневматичної муфти 32, призначеної для швидкого гальмування валів і фіксації їх при перемиканні швидкостей за допомогою кулачкових муфт і зубчатого зачеплення. На проміжному валі 15 встановлена двостороння кулачкова муфта 12 із закріпленими на ній ланцюговими колесами 10 та 13. За допомогою ланцюгових передач, що з'єднуються з ланцюговими колесами, установленими на трансмісійному валі, передається пряме обертання барабана і ротору, а за допомогою зубчатих коліс 26 передається зворотне обертання.

На цьому валу закріплені нерухомо ланцюгові колеса 14 та 16.З торця валу 15 закріплений вертлюг для подачі стисненого повітря до шинно-пневматичних муфт.З лівої сторони проміжного валу встановлені спарені шинно-пневматичні муфти 34 для з”єднання з другим проміжним валом 8 ,що змонтований на рамі 38,на якому встановлено ланцюгове колесо 35 для передачі потужності перших трьох швидкостей від коробки швидкостей на вал барабана.З лівої сторони на цьому валу закріплені гальмівні диски для з”єднання з спареними шинно-пневматичними муфтами 4,встановленими на тихохідному валі редуктора 3 регулятора подачі долота .

Редуктор подачі долота, що складається з редуктора 3, що з'єднується з привідним електродвигуном 36 і колодковим гальмом 37, змонтований так само, як і трансмісійний вал 8, на рамі 38.

Переміщення півмуфт для ввімкнення потрібних швидкостей здійснюється важільними системами 11, що мають привід від пневмоциліндра. Керування пневмоциліндром, що включає зворотне обертання барабана лебідки й ротора, здійснюється краном А, встановленим на коробці швидкостей.(див рис. )

Для змащення підшипників ланцюгових передач коробки швидкостей встановлений шестерний масляний насос 33, що має клинопасовий привід від трансмісійного вала. Для здійснення оперативного гальмування барабана лебідки на рамі 2 змонтоване стрічкове гальмо. Керування шинно-пневматичними муфтами спуско-підйомного агрегату, у тому числі і з'єднання трансмісійного вала з приводом, а також включення і відключення гальмівної машини зосереджено на пульті бурильника.

Шинно-пневматичні муфти

Шинно-пневматичні муфти ШПМ (рис. ) - основний робочий елемент пневматичного керування буровими установками. Вони служать для з'єднання і роз'єднання обертових деталей, передають обертовий момент.

Шинно-пневматичні муфти мають наступні переваги в порівнянні з іншими типами гнучких та ланцюгових муфт:

1) можуть ввімкнути механізм у будь-який момент і створити гнучке з'єднання, що компенсуватиме неточності зборки та монтажу;

2) можливість осьового зсуву валів, що з'єднуються, у шинних муфт є більшою, ніж у фрикційних муфт та муфт інших конструкцій;
3) при поступовому зносі фрикційних колодок робота муфти не розстроюється, тому що шинні муфти мають властивість самопідтягування;

4) завдяки поступовому та плавному підвищенню або зниженню тиску повітря в балоні муфти, зм'якшуються поштовхи при ввімкненні та вимкненні передач;

5) шинні муфти гасять крутильні коливання та вібрації,а також мають звукоізоляційні властивості.

При обладнанні механізмів шинними муфтами легко здійснюється дистанційне керування.

Шинно-пневматична муфта є з'єднаною з диском, маточина якого посаджена на одному з валів, що з'єднуються. На другому валі встановлюють шків, що охоплюється колодками муфти.

До наповнення балона повітрям між фрикційними колодками і поверхнею шківа існує рівномірний проміжок, рівний 2--3 мм. При подачі стиснутого повітря через ніпель у порожнину балона шинно-пневматичної муфти балон розширюється і притискає колодки до поверхні шківа. Сила тертя, що виникає між двома поверхнями, перешкоджає провертанню шківа щодо муфти.

Керуючи подачею повітря, можна здійснити зчеплення валів, коли вони нерухомі чи коли обертається один з них чи обоє одночасно з різними чи однаковими швидкостями.

Робочий тиск повітря в муфтах 6...9 кГ/см2. Фізичні властивості гумового балона шинно-пневматичних муфт гарантують їхню нормальну роботу в інтервалі температур від --30° до +50°. При температурі від -500 до +70° муфти залишаються працездатними, але знижується їхня зносостійкість.

При переохолодженні муфт під час експлуатації (нижче --30°) можуть з'явитися тріщини в балонах.

Для роботи на півночі муфти повинні бути виготовлені зі спеціальних морозостійких гумових сумішей.

Вимоги до електропривода подачі долота в процесі буріння

До електродвигунів приводу подачі долота накладаються наступні вимоги: є необхідність у зміні напрямку обертання, потрібний великий пусковий момент.

Основні вимоги, запропоновані до електродвигунів приводу подачі долота, зводяться до наступного:

перевантажувальна здатність повинна бути обмежена з метою запобігання поломки механізму

електропривод повинний бути індивідуальним; двигун повинен установлюватися на одній рамі з регулятором подачі долота;

потужність електродвигуна близько 100 кВт;

напруга електродвигунів - 220 - 380 В;

швидкість обертання двигуна - 750-1000 об/хв.;

пусковий момент повинний забезпечувати запуск двигуна при моменті опору на валі 0,4 - 0,6 від номінального;

електродвигуни можуть бути постійного струму, асинхронні як з короткозамкненим, так і з фазним ротором.

Основні характеристики процесу регулювання:

регулювання швидкості при постійному навантаженні на валі;

відносно невисока перевантажувальна здатність;

неширокий діапазон робочих чисел обертів.

Розрахунок і вибір потужності двигуна для регулятора подачі долота, перевірка вибору

При підйомі інструмента електродвигун працює з повним навантаженням, причому коефіцієнт потужності складає 0,75-0,80. При допоміжних роботах двигун працює з неповним навантаженням, коефіцієнт потужності коливається в межах 0,4-0,5. Таким чином, велику частину часу електропривод бурильної лебідки працює з заниженим коефіцієнтом потужності.

Ця обставина ще раз підтверджує велике значення ретельного розрахунку потужності електродвигунів для приводу бурильної лебідки.

Розрахунок потужності і вибір електродвигуна для приводу лебідки проводиться в два етапи - спочатку по основних параметрах лебідки, користуючись наближеними формулами, визначають приблизне значення необхідної потужності, а потім, після вибору конкретного типу двигуна, роблять перевірочний розрахунок потужності методом середньоквадратичного струму.

В даний час для визначення потужності електродвигуна піднімальної лебідки з відомими технічними даними застосовують ряд формул. Найбільше простою, але в той же час і найменш точною, є загальновідома формула потужності, необхідна для підйому вантажу:

[кВт] (1)

?л - к.п. д. передач від вала двигуна до вала барабана; можна прийняти

? л = 0,77? 0,8;

?т - к.п. д. талевої системи; можна прийняти при оснастці:

5Х6 ... .. - ?т = 0,80

Так як середня швидкість тягової гілки каната Vcp і середня швидкість підйому вантажу V пов'язані співвідношенням , де m - число робочих струн оснастки талевої системи, то формула (1) може бути приведена до вигляду

[кВт] (2)

Максимальна вага вантажу:

Q = H · m + mн = 5000 · 34 + 32000 = 202000 кг

де Н = 5000 м - довжина свердловини;

m = 34 кг - маса 1 м бурильної труби;

mн = 32000 кг - маса “важкого низу”.

Середня швидкість намотки каната на барабан

м/с

де Dcp - середній діаметр намотки каната на барабан лебідки, м;

- число обертів барабана лебідки в хвилину.

Середній діаметр намотки каната на барабан дорівнює

м

де D1 - діаметр першого робочого ряду каната, м;

D2 - діаметр останнього робочого ряду каната, м.

Діаметр першого робочого ряду каната можна визначити по формулі

D1 = Dб + dк + 1,865 · dк = 0,75 + 0,032 + 1,865 · 0,032 = 0,84 [м]

(при розрахунках прийнято, що на бочці барабана постійно є один ряд каната, що у роботі не бере участь).

Діаметр останнього ряду каната

D2 = Dб + dк + 1,865 · dк ·i = 0,75 + 0,032 + 1,865 · 0,032 · 5 =1,08 [м]

де Dб = 0,75 - діаметр бочки барабана, м;

dк = 32мм - діаметр талевого каната;

і - число рядів каната, що намотуються.

Вибиремо асинхронний двигун з наступними номінальними даними:

З існуючих автоматичних систем регульованого електроприводу змінного струму найбільш перспективною є система частотного керування асинхронним двигуном із короткозамкненим ротором.

Найкраще вимогам частотного керування асинхронним двигуном відповідає перетворювач частоти з явно вираженою ланкою постійного струму,в склад якого входить статичний керований випрямляч КВ та автономний інвертор напруги АІН з синусоїдною широтно-імпульсною модуляцією напруги. Істотною перевагою АІН є незалежність вихідної напруги від частоти і моменту статичного навантаження. Вихідна напруга визначається лише напругою живлення інвертора. Це значно спрощує формування необхідного закону частотного керування,особливо,коли напруга регулюється тільки в залежності від зміни частоти. Формування механічних характеристик асинхронного двигуна при частотному керуванні підпорядковане задачі забезпечення необхідної перевантажувальної здатності і жорсткості характеристик в усьому діапазоні регулювання швидкості. Задана перевантажувальна здатність забезпечується вибором відповідного закону регулювання або співвідношення напруги й частоти автономного інвертора,які треба регулювати незалежно.

Тому силова частина перетворювача складається з керованого випрямляча КВ , який перетворює напругу живлення промислової частоти в постійну напругу керованого автономного інвертора,який перетворює постійну напругу у трифазну напругу регульованої частоти.

Система частотного керування АД реалізується за принципом підпорядкованого керування з першим внутрішнім контуром струму ,другим контуром напруги та частоти за зовнішнім контуром контролю ваги бурового інструменту.

Сигналами інформаційного забезпечення є: напруга завдання частоти обертання двигун ;напруга від'ємного зворотного зв'язку випрямленого струму перетворювача КВ; напруга від'ємного зворот нього зв'язку за вихідною напругою і напруга від'ємного зворот нього зв'язку, що відтворює осьове навантаження.

Регулювання випрямленого струму (струму статора) здійснюється з допомогою регулятора струму РС, який через систему імпульсно-фазового керування СІФКв діє на кут відкривання тиристорів КВ. Регулятор РС зібраний по схемі ПІ-регулятора. На його входи подаються сигнали зворотного зв'язку за струмом та сигнал завдання з регулятора напруги РН. Регулятор РС забезпечує в статичних режимах точну відповідність струму статора сигналу завдання незалежно від вихідної частоти АІН. На вході регулятора напруги РН відбувається додавання сигналів завдання регулятора напруги і від'ємного зворотного зв'язку за напругою. Вихідний сигнал РН є вхідним для регуляторів струму РС та частоти РЧ,чим забезпечується закон керування U/f=const .Таким чином регулятори РС та РЧ підпорядковані регулятору напруги РН.

Під час пуску двигуна регулятор РН знаходиться в насиченні ,а ПІ-регулятор РС підтримує стопорне значення струму .Регулятор частоти РЧ реалізований на перетворювачі частота-напруга. Вихідні імпульси з РЧ поступають на схему (лічильник), яка розподіляє їх на шість каналів комутації транзисторів АІН. Транзисторний АІН має суттєву перевагу перед тиристорним тим, що він є повністю керованим і виключається ланка примусової комутації,що покращує енергетичні показники установки.

Автоматичний пуск системи здійснюється шляхом подачі сигналу завдання на один із входів пропорційного регулятора осьового навантаження РОН. На другий вхід подається напруга від'ємного зворотного зв'язку з пристрою визначення осьового навантаження. Під час пуску та роботи регулятора подачі,коли Uон=0,швидкість двигуна буде визначатися установкою завдання Uзавд. При зміні осьового навантаження і появі напруги з приростом зменшиться вихідний сигнал регулятора РОН і,відповідно,сигналу завдання на регулятор ПРН,що приведе до сповільнення привідного двигуна і перехід його на меншу усталену швидкість. Подальша зміна швидкості відбудеться тільки при зміні значення напруги зворотного зв'язку. Захист:при зменшенні величини осьового навантаження на долото і відповідному збільшенні напруги до граничного значення, яке задається уставкою “Уст.ВИМК.”, відбудеться вимкнення двигуна.

Страницы: 1, 2