Анализ основных элементов буровой установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Буровая установка представляет собой комплекс сооружений, агрегатов, механизмов, обеспечивающих систем и инструмента, предназначенных, для выполнения различных функций в цикле строительства скважины. Процесс строительства можно разделить на три этапа: строительство наземных сооружений и монтаж бурового оборудования; бурение и крепление скважины; испытание продуктивных пластов. Основным этапом строительства является бурение и заканчивание скважины; при этом установка выполняет ряд технологических процессов, состоящих, в свою очередь, из многочисленных производственных операций. Наибольшая эффективность использования установки зависит от рациональною выбора параметров, а также характеристик машин и агрегатов, входящих в состав буровой установки, а соответственно и набора средств, объединенных понятием электротехнический комплекс (ЭТК), в значительной степени определяющим производительность установки.

Основные (ротор, буровые насосы и спускоподъемный агрегат) и вспомогательные механизмы буровой установки приводятся в действие силовым приводом, который может быть автономным (независимым от энергосистемы) и неавтономным (с питанием от сетей энергосистем). При автономном приводе основных механизмов (дизельный, дизель-электрический) вспомогательные механизмы оснащаются индивидуальными электроприводами. Основой для классификации является привод основных механизмов. Если ранее понятия "автономное" или "неавтономное (централизованное) энергоснабжение" относились соответственно к установкам для неэлектрифицированных или электрифицированных районов и однозначно определяли вид привода основных, механизмов (дизельный или электрический), то в настоящее время в связи с широким распространением дизель-электрического автономного привода эта взаимосвязь утрачена, а унификация ЭТК на установках одного класса с автономным и неавтономным энергоснабжением свидетельствует о целесообразности классификации установок по виду привода основных механизмов (дизельный или электрический) независимо от наличия или отсутствия источит централизованного энергоснабжения. В дальнейшем "буровая установка с электрическим приводом" распространяется как на установки с питанием от сетей энергосистем так и на установки с питанием от собственных дизель-генераторов.

Анализ структуры производства буровых установок эксплуатационного и разведочного бурения показывает, что число буровых установок с электроприводом неуклонно увеличивается; только за 1975-1990 гг. доля таких установок в объеме производства возросла более чем вдвое; еще значительнее в парке действующих буровых установок. В дальнейшем электрифицированных районах будут все шире применены установки с дизель-электрическим приводом, что приведет к преимущественному распространению буровых установок с электроприводом. Кроме того, набор электротехнических средств используемых на установках с дизельным приводом, полностью входит в комплекс соответствующих установок с электроприводом. Электротехнический комплекс современной буровой установки представляет собой совокупность подсистем, обеспечивающих выработку, распределение, преобразование и использование электрической энергии, а также управление всеми указанными подсистемами для механизации и автоматического управления технологическим процессом проводки скважины.

1. Фрикционные буровые автоматические регуляторы подачи инструмента

В качестве силового узла фрикционных БАР используется тормоз непосредственно лебедки (1-го типа БАР) или приставного устройства (2-го типа БАР). Дополнительная нагрузка на тормозные колодки лебедки в БАР 1-го типа быстро приводит их к износу; кроме того, работа тормозной пары нестабильна (не стабилен коэффициент трения колодок о шкив тормоза). Но они имеют небольшой вес и габариты, просты в исполнении и монтаже. БАР 2-го типа закрытые, подключаются только на время бурения, работа их более стабильна.

Фрикционные БАР пассивного типа. Подача инструмента может быть непрерывной (скорость подачи верха буровой колонны изменяется от 0 до +VВ МAX) или ступенчатой. В фрикционных БАР для регулирования подачи используются сигналы обратной связи по осевой нагрузке (через усилие на крюк GКР) и по скорости подачи VВ.

На рис. 1 приведена схема бурового автоматического регулятора АТЛ-1 (автоматический тормоз лебедки). АТЛ-1 относится к БАР 1-го типа и предназначен поддерживать заданную осевую нагрузку.

Ленточный тормоз Т лебедки 1 с помощью рычажной системы связан с пневмоцилиндром 2 (ПЦ). Натяжение тормозной ленты определяется давлением воздуха p в цилиндре, которое регулируется двумя быстродействующими электропневматическими вентилями: В1 - впускным и В2- выпускным. В впускной вентиль поступает сжатый воздух под давлением p1=(0,6-0,8)МПа. Выпускной вентиль в открытом положении соединяет полость пневмоцилиндра с атмосферой p0.

Обмотки вентилей питаются от усилителя У, на вход которого поступает сигнал, равный разности сигналов уставки и датчика ДGос, установленного на неподвижном конце каната талевой системы (отрицательная обратная связь: UЗАД - UОС2).

При осевой нагрузке, меньше заданной, срабатывает вентиль В2, барабан лебедки растормаживается, производится приспуск верха буровой колонны, и это приводит к восстановлению заданной осевой нагрузки.

При увеличении осевой нагрузки свыше заданной срабатывает вентиль В1, и повышение давления в пневмоцилиндре приводит к натяжению тормозной ленты и торможению барабана лебедки.

Для улучшения качества переходного процесса (сглаживания пульсаций осевой нагрузки) в схему АТЛ-1 введены отрицательные обратные связи.

Рис. 1. Структурная схема регулятора АТЛ-1

По скорости UОС1 (датчик ДV -микроэлектродвигатель типа СЛ) и ускорению подачи UОС3 (датчик Да - сельсин). Датчики скорости и ускорения связаны с валом лебедки. Срабатывание того или иного вентиля зависит от знака ?U.

2. Гидравлические регуляторы подачи инструмента

Силовой узел гидравлических регуляторов представляет собой гидронасос, конструктивно выполненный часто в виде гидроцилиндров, штоки которых через талевую систему, лебедку и дополнительные устройства воспринимают усилие на крюке GКР, которое является приводом регулятора.

На рис. 2, а представлен гидравлический регулятор Грицая-Оловянова. Под воздействием усилия на крюк с помощью коленчатого вала 3 перемещаются штоки и поршни гидроцилиндров, вытесняя масло, например, из верхней полости гидроцилиндра 2 через кран 4 в левую полость гидроцилиндра 1. Гидроцилиндры расположены под углом 900 друг к другу; их цапфы 5 закреплены на общей раме. При углубке гидроцилиндры совершают маятниковые движения относительно осей цапф.

Скорость перемещения верха буровой колонны (следовательно, и механическая скорость бурения) определяется усилием на крюк и гидравлическими сопротивлениями отверстий крана, которые определяют скорость протекания масла. Таким образом, меняя положение крана (вплоть до полного закрытия), можно регулировать скорость подачи инструмента и осевую нагрузку от нуля до необходимого значения. Осевая нагрузка при этом определяется с помощью ГИВ-6. Свойство гидравлической системы позволяет без изменения положения крана управления изменять осевую нагрузку и механическую скорость бурения при смене горных пород. Например, при переходе в более мягкие породы усилие на крюк возрастает (осевая нагрузка падает), возрастают усилия на штоки гидроцилиндров, и под бомльшим давлением увеличивается скорость протекания масла, что ведет к увеличению скорости подачи верха колонны, т.е. и механической скорости бурения.

Как видно из принципа работы и конструкции, регулятор Грицая-Оловянова не может осуществлять реверс в подаче верха буровой колонны для снятия силовой загрузки долота или приводного двигателя, поэтому относится к регуляторам пассивного типа.

Рис. 2. Принципиальная схема гидравлического регулятора подачи долота пассивного типа (а); электромагнитный двухпроходной кран (б): 2 -цилиндры; 3 - коленчатый вал; 4 - однопробочный двухпроходной кран управления; 5 - качающиеся цапфы; 6 - масляные трубки; 7 - корпус крана; 8 - двухпроходной плунжерный кран; 9 - соленоид (тяговый электромагнит)

гидравлический буровой долот лебедка

Управление работой регулятора Грицая-Оловянова производится бурильщиком вручную. Некоторое усовершенствование регулятора предста-вляет собой замена ручного крана управления на электромагнитный двухпроходной кран (рис. 2, б). Регулятор предназначен для поддержания заданного значения тока бурового двигателя. Обмотка соленоида 9 включается в одну из фаз ротора бурового двигателя. Тяговое усилие соленоида и степень перекрытия крана определяются загрузкой бурового двигателя. Таким образом обеспечивается регулирование скорости подачи верха буровой колонны (от нуля до определенного значения) при стабилизации загрузки бурового двигателя. Усовершенствованный регулятор Грицая-Оловянова может быть отнесен к автоматическим буровым регуляторам. Он также является пассивным.

3. Автомат подачи инструмента (долота) АПД-1

Автоматы подачи долота могут быть подразделены на три группы: АПД, работающие в функции двух параметров, АПД экстремального типа и информационные полуавтоматические устройства. Ниже рассматривается АПД из первой группы- АПД-1, работающий в функции двух параметров- осевой нагрузки GОС и механической скорости бурения VМ.

Несколько теоретических предпосылок, аналогичных как и для определения алгоритма работы регуляторов БР-1 и АРП-1. На рис. 3 показано семейство кривых VМ=f(GОС) для пород различной крепости - известная зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки. Выделив на каждой кривой оптимальные точки и соединив их, получим рабочую характеристику автомата подачи долота VВ=ц(G?ОС), где VВ- скорость подачи верха буровой колонны, G?ОС - значение осевой нагрузки, определяемой как разность между полным весом бурового снаряда (буровой колонны) GСН и усилием на крюк GКР в процессе бурения в переходном режиме. В установившемся режиме G?ОС = GОС. Для получения рабочей характеристики VВ=ц(G?ОС) точки на кривых VМ=f (GОС) принимаются несколько ниже максимального значения VМ (в сторону уменьшения осевой нагрузки) для однозначности “принятия решения автоматом” о необходимости повышения осевой нагрузки в случае уменьшения механической скорости бурения. Автомат реализует алгоритм П = f (GОС, VМ), при этом при смене горных пород и изменении механической скорости бурения изменяется и осевая нагрузка: G?ОС =ц1 (VВ) - для переходного режима и GОС = ц2 (VМ)- для установившегося режима работы системы. В частном случае для переходного режима зависимость имеет вид (аналогичный рабочей характеристике БР-1, АРП-1):

С = К1 G?ОС + К2 VВ,

где К1 и К2 - заданные коэффициенты;

С - задающее значение осевой нагрузки.

Автомат АПД-1 реализует данное уравнение.

На рис. 3 представлена схема автомата подачи долота АПД-1.

Основной контур регулирования автомата включает сумматоры С1 и С2, электронно-пневматическое устройство 15, пневматический тормоз 14, ускоряющий редуктор 2, лебедку 3, талевую систему ТС, бурильный вал БВ. Буровой двигатель 13 нагружен на бурильный вал БВ.

Контроль осевой нагрузки G?ОС ведется по линии отрицательной обратной связи UОС1 - с датчика усилий 7 и потенциометр 9. Сигнал поступает на сумматор С1.

На сумматор С1 поступает и сигнал отрицательной обратной связи UОС2, пропорциональный скорости подачи верха буровой колонны VВ. Датчиком скорости подачи верха буровой колонны является тахогенератор 1, связанный через ускоряющий редуктор 2 и цепную передачу с валом лебедки 3.

Выпрямленный сигнал (выпрямитель 4) поступает на потенциометр 5 и далее- на потенциометр 6 контура сумматора С1. Движок потенциометра 5 через конический редуктор КР механически связан с валом лебедки и при углубке перемещается вниз (по схеме), тем самым учитываются переходы на нижние слои навива каната на барабан лебедки, когда при неизменной скорости подачи VВрастет вырабатываемое тахогенератором напряжение.

Сумма напряжений (U1-UОС1-UC2) с сумматора С1 подается на резистор 16 сумматора С2 и далее на усилитель устройства 15, регулирующего скорость подачи верха буровой колонны VВ. Наличие сигналов отрицательной обратной связи на резисторах 18 и 23 сумматора описано ниже.

В схему регулирования вводится сигнал отрицательной обратной связи, пропорциональный току бурового двигателя 13 UОС3?IБД по следующей схеме. Контролируется загрузка бурового двигателя с помощью трансформатора тока 12, к вторичной обмотке которого подключен трансформатор напряжения 11. Выпрямленный (выпрямитель 10) сигнал поступает на резистор 20 контура сумматора С3 (потенциометр 19, резистор 20, задающий потенциометр 21, диод 22). При загрузке бурового двигателя меньше заданной напряжением U3 диод 22 заперт, и в контуре не протекает ток.

Рис. 3. Структурная схема АПД-1

При загрузке бурового двигателя свыше заданной напряжение на резисторе 20 превысит напряжение U3, диод 22 открывается, в контуре протекает ток, и только теперь с потенциометра 19 в контур сумматора С2 (на резистор 18) будет поступать сигнал отрицательной обратной связи по загрузке бурового двигателя.

Система АПД-1 включает подсистему защиты от перегрузки бурового двигателя. Если потребляемый ток IБД превысит допустимый, срабатывает максимальное токовое реле 1Р (показано на рис.4.54) и своим контактом 8 подключает напряжение отрицательной обратной связи U2 (напряжение подается на резистор 23 сумматора С2), что приводит к резкому уменьшению скорости подачи верха буровой колонны VВ и к снятию перегрузки бурового двигателя.

Заключение

Под подачей долота понимают последовательное опускание верхней точки КБТ, осуществляемое в процессе разрушения породы. В установившемся режиме бурения скорость подачи долота должна быть равна скорости разбуривания породы. Если скорость подачи долота превосходит скорость разбуривания породы, то нагрузка на забой растет, что может повлечь за собой искривление ствола скважины или поломку бурильных труб. Если скорость подачи долота меньше скорости разбуривания, то нагрузка на забой уменьшается, что приводит к уменьшению скорости бурения.

При ручной подаче по показаниям приборов (амперметра в цепи статора бурового двигателя и индикатора веса) периодически растормаживают барабан лебедки, что приводит к подаче долота. Ручным способом весьма трудно получить плавную и равномерную подачу долота. Эта задача решается применением автоматических регуляторов подачи долота.

При использовании автоматических регуляторов долото подается на забой автоматически в зависимости от параметров, характеризующих режим бурения, например, давления на забой или тока статора бурового двигателя.

Литература

1. Коршак А.А. Шаммазов А.М. / Основы нефтегазового дела.

2. Нефтепромысловое оборудование. Справочник.

3. Ильский А.Л. Шмидт А.П. / Буровые машины и механизмы.

4. Попов А.Н. Спивак А.И. / Технология бурения нефтяных и газовых скважин.

Размещено на Allbest.ru