Забезпечення надійності електробурового обладнання при бурінні свердловин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 621.317.791: 622.243.923-192

Забезпечення надійності електробурового обладнання при бурінні свердловин

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Гладь Іван Васильович

Вінниця 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 2 ” липня 2005 р. о 9.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.05 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “30” 05 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Зелінський В.Ц.

Анотація

Іван Васильович Гладь. Забезпечення надійності електробурового обладнання при бурінні свердловин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - “Електротехнічні комплекси та системи”. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2005.

Дисертацію присвячено розробці методів і засобів для збільшення рівня надійності та ефективності електрообладнання установок для буріння свердловин електробуром. Досліджені експлуатаційна надійність та причини відмов електробурового обладнання, визначені шляхи її підвищення. Обгрунтовано необхідність стабілізації напруги на затискачах електробура та обмеження комутаційних перенапруг.

Розроблено комплекс засобів для підвищення надійності та ефективності електробурового обладнання під час буріння свердловин електробуром: два нові методи визначення напруги на затискачах електробура; метод визначення опорів жил струмопідводу; дослідну систему збирання даних; систему контролю енергетичних параметрів електробурів (СКЕП). Розраховано економічний ефект від впровадження СКЕП, її випробувано і впроваджено у Прикарпатському управлінні бурових робіт.

Ключові слова: надійність, ефективність, буріння свердловин, електробур, регулювання, симетрування, збирання даних, контроль.

Аннотация

Иван Васильевич Гладь. Обеспечение надежности электробурового оборудования при бурении скважин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - “Электротехнические комплексы и системы”. - Винницкий национальный технический университет, Винница, 2005.

Диссертация посвящена разработке методов и средств повышения уровня надежности и эффективности электрооборудования установок для бурения скважин электробуром. В работе на основании статистических данных об отказах элементов электробурового оборудования (ЭБО) исследованы эксплуатационная надежность ЭБО и причины отказов его элементов.

Идентифицированы наименее надежные элементы ЭБО, которыми являются обмотка статора погружного двигателя электробура и кабельные секции токоподвода, наработка на отказ которых менее 150 часов. Установлено, что наиболее вероятными причинами отказов обмотки статора погружного двигателя являются несимметрия напряжения на его зажимах и отклонения напряжения от номинального значения, обусловливающие перегрев изоляции обмотки статора. Наиболее вероятными причинами отказов кабельных секций являются коммутационные перенапряжения (КП), обусловленные значительной распределенной емкостью кабеля токоподвода и индуктивностью обмотки статора погружного двигателя электробура.

Синтезирована математическая модель системы электроснабжения электробура, дающая возможность определения энергетических параметров электробура в зависимости от глубины бурения, температуры бурового раствора и напряжения питания, а также возможность определения оптимального напряжения питания двигателя по условию перегрева На основании математического моделирования обоснована необходимость стабилизации напряжения на зажимах электробура путем пофазного регулирования его напряжения питания, обусловливающая снижение несимметрии токов и уменьшение перегрева погружного двигателя, возрастание критического вращающего момента и производительности бурения скважины.

Произведен рассчет величины КП в системе электроснабжения электробура, кратность которых по отношению к номинальному напряжению электробура колеблется в пределах 1,5…7 и возрастает с увеличением глубины бурения, вызывая пробой изоляции кабеля. Для эффективного ограничения КП предложено размещение погружного ограничителя перенапряжений в конце токоподвода непосредственно над электробуром и поверхностного ограничителя в начале токоподвода.

Обосновано применение в качестве регулятора напряжения питания электробура вольтодобавочного трансформатора с магнитной коммутацией поперечным подмагничиванием, который не искажает форму кривой выходного напряжения, обладает хорошими регулирующими свойствами и высокой эксплуатационной надежностью.

Показано, что в связи с повышенной температурой забоя скважины (до 150єС), действием обусловленных работой долота значительных вибраций и наличием агрессивной токопроводящей среды предпочтительно косвенное определение напряжения на зажимах электробура с целью его стабилизации. Предложены два новых метода определения напряжения на зажимах электробура: метод трех фаз и метод двух фаз, которые легко реализуются на базе микропроцессорной техники.

Суть метода трех фаз сводится к определению действующих значений фазных напряжений на зажимах электробура путем векторного суммирования действующих значений фазных напряжений питания с потерями напряжения в жилах токоподвода.

Суть метода двух фаз сводится к определению действующих значений фазных напряжений на зажимах электробура путем векторного суммирования действующих значений линейных напряжений питания с потерями напряжения в жилах токоподвода. Преимуществом метода двух фаз является наличие четырех измерительных каналов вместо шести, что упрощает и удешевляет его аппаратную реализацию.

С целью повышения точности определения напряжения на зажимах электробура до значения максимальной относительной погрешности менее ± 5 % предложен метод определения сопротивлений жил токоподвода, не требующий дополнительных спуско-подъемных операций и учитывающий основные факторы влияния на токоподвод.

Для экспериментальных исследований режимов функционирования ЭБО создана исследовательская система сбора данных, состоящая из персональной ЭВМ, 16-разрядного шестиканального аналого-цифрового преобразователя, сенсоров напряжения и тока. В результате записи мгновенных значений напряжения и тока в начале токоподвода с последующей их обработкой в постреальном времени получены графики динамики энергетических параметров электробура при бурении нефтяной скважины № 829-“Долина” на разных глубинах, подтверждающие необходимость стабилизации напряжения на зажимах электробура и ограничения КП.

Путем модернизации исследовательской системы сбора данных создана система контроля энергетических параметров электробуров (СКЭП), которая в реальном времени индицирует ток и напряжение на зажимах электробура, активную мощность потребления, вращающий момент на долоте и архивирует их в электронном виде.

Рассчитан экономический эффект от внедрения СКЭП и регулятора напряжения питания электробура, который выражается в экономии на бурении скважины около 76800 грн с периодом окупаемости, не превышающем 2 лет. СКЭП испытана при электробурении скважины № 829-"Долина" Прикарпатского управления буровых работ, где и внедрена в эксплуатацию.

Ключевые слова: надежность, эффективность, бурение скважин, электробур, регулирование, симметрирование, сбор данных, контроль.

Abstract

Glad I. V. Ensuring of reliability of electrodrilling equipment for drilling of wells. - Manuscript.

The dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.09.03 - Electric Engineering Plans and Systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsіa, 2005.

The dissertation is devoted to working out of the methods and means for raising of the level of reliability and effectiveness of electrical equipment of the plants for drilling of wells with the electrical drill. Operational reliability of the electrodrilling equipment and reasons of breakage are researched, the ways to raise operational reliability are defined. Necessity of stabilisation of voltage on the clamps of an electricall drill and limitation of commutational overvoltages are grounded.

The complex of means for raising of the level of reliability and effectiveness of electrodrilling equipment for drilling of wells with an electric drill is elaborated: two new methods of definition of voltage on the clamps of an electrical drill; the method of definition of resistance of the cable of current admission; the experimental system of data aсquisition; the system of control of energetic parameters of electrical drills (SCEP). The economic effect of the introduction of the SCEP is calculated, it is tested and introduced at the Precarpatian department of drilling of wells.

Key words: reliability, effectiveness, drilling of wells, electrical drill, regulation, symmetrical, data aсquisition, control.

електробуровий обладнання затискач

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ефективним шляхом інтенсифікації видобутку рідких і газоподібних енергоносіїв в Україні є буріння нових свердловин та додаткових відгалужень у діючих свердловинах. Головними перевагами електробура є висока енергоефективність і можливість керувати траекторією свердловини під час буріння, використовуючи струмопідвід як канал електрозв'язку. Напрацювання на відмову електробурів приблизно 150 год. Відмова вибійного двигуна призводить до зупинки процесу буріння, існує імовірність прихоплення низу бурильної колони і необхідності починати буріння нової свердловини поряд з аварійною, що потребує значних коштів. Це підвищує вимоги до рівня надійності електробурового обладнання (ЕБО).

Вирішення завдання підвищення експлуатаційної надійності електробурового обладнання постає в аспекті виявлення імовірних причин відмов його елементів та розробці методів і засобів для підвищення експлуатаційної надійності та ефективності буріння свердловин електробуром.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є частиною планових науково-дослідних програм за темою Д-4-01Ф "Розробка методики та засобів по оцінці, прогнозуванні та екологічному моніторингу електрообладнання бурових установок і забезпечення його надійності", номер державної реєстрації 0101U001664.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційного дослідження є підвищення експлуатаційної надійності та ефективності електробурового обладнання під час буріння свердловин електробуром шляхом розробки методів і засобів для збільшення рівня надійності та зменшення собівартості буріння.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі основні завдання:

провести аналіз сучасного рівня експлуатаційної надійності ЕБО, ідентифікувати найменш надійні елементи, імовірні причини їх відмов та шляхи підвищення рівня надійності ЕБО;

розробити математичну модель для дослідження енергетичних параметрів електробура, проаналізувати шляхи оптимізації параметрів елементів системи електропостачання електробура (СЕЕ);

дослідити відомі методи, способи і засоби контролю напруги на затискачах електробура, при необхідності здійснити розробку ефективних методів визначення напруги на затискачах електробура під час буріння свердловин;

дослідити регулювальні джерела змінної напруги на придатність до регулювання напруги живлення електробура за умови їх високої експлуатаційної надійності та низької вартості;

розробити методичне, технічне та програмне забезпечення для експериментального дослідження енергетичних параметрів електробура та кратності комутаційних перенапруг (КП) під час буріння свердловин;

розробити експериментальний зразок системи контролю енергетичних параметрів електробура, здійснити її промислові випробування і впровадження.

Об'єктом дослідження є електрообладнання бурових установок для буріння свердловин електробуром.

Предметом дослідження є методи і засоби для підвищення експлуатаційної надійності та ефективності ЕБО під час буріння нафтових і газових свердловин.

Методи дослідження. Для вирішення і аналізу поставлених завдань використані такі методи дослідження: методи теорії надійності і електричних кіл, чисельні методи математичного аналізу, методи системо- і схемотехніки, методи цифрової обробки сигналів, методи математичного та імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

Вперше одержано аналітичні залежності для розрахунку фазних напруг на виході регулятора напруги живлення електробура, що спрощує її пофазне регулювання.

Запропоновано два нові методи визначення фазних напруг на затискачах електробура під час буріння свердловин, що підвищує його експлуатаційну надійність та ефективність.

Вперше запропоновано метод визначення опорів жил струмопідводу, який не потребує додаткових спуско-підйомних операцій і враховує основні свердловинні фактори впливу на струмопідвід, чим підвищує точність контролю фазних напруг на затискачах електробура.

Обгрунтовано застосування вольтододатного трансформатора з магнітною комутацією поперечним підмагнічуванням для плавного пофазного регулювання напруги живлення електробура.

Практичне значення одержаних результатів. Синтезована в дисертації математична модель СЕЕ може використовуватися для дослідження впливу конструктивних змін елементів ЕБО на режим роботи електробура при різній глибині буріння, зокрема для розрахунку його напруги живлення.

Розроблена дослідна система збирання даних (СЗД) може використовуватися з метою досліджень функціонування різноманітних електротехнічних комплексів, а при її оснащенні перетворювачами неелектричних величин в електричні - в інших галузях техніки і медицини.

Розроблений експериментальний зразок системи контролю енергетичних параметрів електробурів СКЕП-2, яка в реальному часі надає бурильнику інформацію про значення фазних струмів електробура, фазних напруг на його затискачах, споживаної активної потужності, обертового моменту на долоті та здійснює їх архівацію на жорсткому диску ЕОМ, полегшує як керування процесом активного буріння свердловини, так і оптимізацію основних параметрів буріння. Випробування і впровадження СКЕП-2 здійснено у Прикарпатському управлінні бурових робіт, що призвело до зростання ефективності та експлуатаційної надійності ЕБО.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використано в навчальному процесі під час проведення занять з таких дисциплін: математичне моделювання систем електропостачання, електрифікація підприємств нафтогазової промисловості, перехідні процеси в електричних системах, типовий електропривід підприємств нафтогазової промисловості для студентів спеціальності 7.090603 - "Електротехнічні системи електроспоживання".

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. Вони опубліковані в шести роботах [3, 5, 6, 11, 14, 15].

В роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належить: у статті [1] - одержано аналітичні вирази для розрахунку фазних напруг на виході регулятора напруги живлення електробура; у статті [2] - запропоновано спосіб підвищення експлуатаційної надійності та ефективності електробура шляхом пофазного регулювання його напруги живлення; у статті [4] - розроблено електричну принципову схему синхронізованого за струмом силового кола керування тиристорами регулятора напруги живлення електробура; у [7] - проаналізовано надійність роботи елементів СЕЕ на основі статистичних даних про їх відмови; у [8] - визначено основні шляхи підвищення експлуатаційної надійності ЕБО Прикарпаття; у [9] - розроблено програмне забезпечення математичної моделі для дослідження режимів роботи електробура; у [10] - обгрунтовано необхідність контролю напруги на затискачах занурювального двигуна електробура; у [12] - проведено експериментальні дослідження комутаційних перенапруг на початку струмопідводу до електробура; у [13] - запропоновано використання вольтододатного трансформатора з магнітною комутацією для плавного пофазного регулювання напруги живлення електробура; у [16] - запропоновано використання відомого програмного продукту за новим призначенням в якості програми збирання експериментальних даних; у [17] - обгрунтовано застосування мультимедійних плат введення-виведення аналогових сигналів в ЕОМ як плат збирання даних.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на IV міжнародній науковій конференції "Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств" (м. Маріуполь, 2000 р.); III і IV міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми економії енергії" (м. Львів, 2001, 2003 рр.); ІІ і ІІІ науково-технічних конференціях "Приладобудування: стан і перспективи" (Київ, 2003, 2004 рр.); ІІ міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка наукових досліджень '2003" (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); І міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів, молодих вчених "Інформаційно-керуючі системи і комплекси" (м. Миколаїв, 2004 р.); наукових семінарах кафедри електропостачання і електрообладнання промислових підприємств (2001-2004 рр.).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 17 робіт, серед яких 6 - статті у наукових фахових виданнях (3 статті без співавторів), 10 - матеріали і тези конференцій, 1 - депонована стаття.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (137 найменувань), семи додатків. Основний зміст викладений на 134 сторінках друкованого тексту, містить 34 рисунки, 9 таблиць. Загальний обсяг роботи 181 сторінка.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, викладено наукову новизну, практичну цінність і реалізацію результатів роботи, наведено відомості про апробацію та публікації.

У першому розділі виконано аналіз інформаційних джерел з прогнозування надійності технічних систем і шляхів їх підвищення, а також конструктивних особливостей установок для буріння свердловин електробуром взагалі та їх електрообладнання зокрема.

Аналіз наукових праць засвідчив недостатню кількість, а в деяких випадках відсутність наукових праць і розробок, спрямованих на підвищення надійності ЕБО.

Джерелами інформації про експлуатаційну надійність ЕБО є акти аварійних пошкоджень, ремонтно-технічна документація, результати технічної діагностики, а також дефектаційні відомості, складені при проведенні поточних і капітальних ремонтів.

ЕБО за умовами функціонування можна класифікувати як поверхневе і занурювальне. Занурювальне ЕБО функціонує в хімічно агресивній електропровідній і наповненій абразивом промивній рідині з температурою до 120° С і тиском до 500 МПа та отримує негативний вплив від осьової вібрації з амплітудою близько 5 мм.

До поверхневого ЕБО відносяться: високовольтна повітряна лінія електропередачі напругою 6000 В, високовольтний комплектний розподільний пристрій, знижувальний трансформатор, станція керування і захисту електробура. До занурювального ЕБО відносяться: струмоприймач, кабельні секції (КС), пристрій контролю опору ізоляції, телеметрична система, електробур.

Первинні статистичні дані отримані в результаті аналізу експлуатаційної документації Прикарпатського управління бурових робіт (табл. 1, 2).

Таблиця 1 Кількість ремонтів ЕБО

Обладнання	Роки
	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000	2001
Е240	49	45	31	71	39	31	23	32	69	48
Е164	59	58	65	39	72	37	25	29	40	47
СТЕ215	10	10	9	11	6	8	4	6	7	9
СТЕ164	14	14	12	8	19	7	5	8	11	8
ПКІ215	25	22	19	14	12	10	6	10	4	4
ПКІ164	12	17	10	8	11	7	5	2	4	5
ТЕ2	10	6	11	12	11	8	6	4	5	6
УЗЕБ	7	5	4	6	3	5	4	7	6	8
ТМТБ	4	3	3	2	3	3	1	3	2	4
КСТ-1	273	268	274	271	275	279	289	604	588	800

Таблиця 2 Міжремонтний період ЕБО, год

Обладнання	Роки
	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000	2001
Е240	87,6	77,8	77,6	46,8	58,6	66,6	95,7	82,7	67	52,8
Е164	47,4	44,6	57,6	38,3	26,2	35,4	40	29,1	46	40,6
СТЕ215	250	132,8	156	109,7	140	131,6	385,5	286	540	179
СТЕ164	91,6	78,1	84	95,5	68	116,6	158	125	114	235
ПКІ215	171,8	159	175	233,7	197,6	212	372,3	226	1158	634
ПКІ164	233	152	181	187	172,4	186	200,4	131	376	382
ТЕ2	709	1015	654	397,3	388	428,6	539,3	684	1228	741
УЗЕБ	1013	1218	1152	1026	1056	1015	1078	1051	1125	1086
ТМТБ	1773	2030	1967	2100	2150	2032	2086	1984	1995	1924
КСТ-1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Міжремонтний період КС під час збирання статистичної інформації не зафіксований, оскільки їх неможливо ідентифікувати через відсутність маркування. Найменший міжремонтний період зафіксований у електробурів, але відмови струмопідводу внаслідок пробою ізоляції КС спостерігалися частіше. Якщо вважати ремонтом струмопідводу заміну бурильної труби (БТ) з пошкодженою КС, проведену під час спуско-підйомних операцій, то міжремонтний період струмопідводу буде значно менший від міжремонтного періоду електробура.

Капітальний ремонт КС і електробурів здійснюється в умовах спеціалізованої ремонтної майстерні. Тривалість і вартість ремонту електробура значно більші, ніж при ремонті КС - близько 90 год при вартості приблизно 23000 грн.

У результаті аналізу статистичних даних про відмови елементів ЕБО ідентифіковано як малонадійні елементи КС і обмотку статора двигуна електробура, напрацювання на відмову яких не перевищує 150 год. Зроблені висновки про негативний вплив асиметрії струмів, відхилення напруги на затискачах електробура та КП на ізоляцію двигуна і КС. Показано доцільність математичного моделювання функціонування електробура під час буріня свердловин з метою розрахунку оптимальної напруги живлення та визначення впливу параметрів СЕЕ на енергетичні параметри електробура. Обгрунтовано необхідність проведення комплексу експериментів на діючій буровій установці.

Таким чином, в результаті аналізу були обгрунтовані основні завдання досліджень.

У другому розділі проаналізовані конструктивні особливості СЕЕ і струмопідводу типу "два провідники-труба", який є електрично асиметричним внаслідок різних опорів жил кабеля і БТ. Неоднакові втрати напруг у жилах струмопідводу спричинюють асиметрію струмів і напруги на затискачах електробура. Для розрахунку лінійних напруг живлення електробура застосовано розрахункову схему СЕЕ із зосередженими параметрами (рис. 1) в припущенні, що струми і напруги в СЕЕ синусоїдні, а навантаження електробура усталене. Занурювальний асинхронний двигун врахований в схемі трьома комплексними опорами , які розраховуються за паспортними даними, а струмопідвід представлений комплексними опорами колони БТ і жил КС . Під час розрахунку опорів жил струмопідводу враховані температура промивної рідини і нелінійна залежність опору БТ від струму.

Запропоновано живити електробур на початку струмопідводу трифазною асиметричною системою напруг, яка компенсує втрати напруги у жилах струмопідводу і обумовить наявність симетричної системи номінальних напруг на затискачах електробура і симетричної системи струмів у його фазах (рис. 2).

Застосовуючи теорію комплексного числення, з врахуванням номінальних значень напруги, струму і cos ц електробура при його роботі з номінальним навантаженням, глибини буріння та опорів жил струмопідводу, за другим законом Кірхгофа обчислюємо лінійні напруги живлення електробура на початку струмопідводу . Ці напруги утворюємо з фазних напруг мережі живлення електробура при значенні кута зсуву між ними 120? (рис. 3).

Переходимо від комплексних лінійних напруг до діючого значення фазних напруг живлення електробура:

(1)

(2)

(3)

де - кут при одноіменній вершині трикутника АВС лінійних напруг живлення електробура; і - проміжні величини, що визначаються так:

; (4)

(5)

де - напівпериметр трикутника АВС лінійних напруг на початку струмопідводу.

При математичному моделюванні функціонування електробура на різних глибинах буріння і при різній напрузі живлення наведена на рис. 2 розрахункова схема СЕЕ доповнена внутрішнім опором понижувального трансформатора, а асинхронний двигун електробура представлено Т-подібною розрахунковою схемою.

У результаті математичного моделювання функціонування електробура одержані залежності енергетичних параметрів при симетричній (за інструкцією виробника) і асиметричній (пропозиція дисертанта) системах напруг живлення від ковзання (рис. 4, 5).

З наведених вище графіків випливає, що при живленні електробура прикладеною до початку струмопідводу асиметричною напругою і його функціонуванні в області номінального ковзання спостерігається значне зменшення асиметрії струмів і зростання номінального та критичного обертових моментів асинхронного двигуна. Зроблено висновок про доцільність стабілізації напруги на затискачах електробура при його функціонуванні з механічним навантаженням на валі, яке змінюється у діапазоні ковзання від s = 0 до s = sKP. Підтримувати номінальну напругу на затискачах електробура під час пуску не обов'язково, оскільки пуск відбувається при незначному моменті опору, коли електробур опускається у вибій, але долото ще не контактує з породою.

На підставі огляду інформаційних джерел надійних і ефективних засобів, які призначені для пофазного регулювання напруги живлення електробура в залежності від його механічного навантаження, не виявлено. Тому актуальною є розробка методу визначення напруги на затискачах електробура і регулятора його напруги живлення, які забезпечать наявність трифазної симетричної системи номінальних напруг на затискачах електробура при різному ковзанні.

З метою оцінки впливу КП на ізоляцію двигуна електробура розраховано їх кратність на початку струмопідводу. КП виникають внаслідок наявності ємності кабеля струмопідводу та зосередженої індуктивності обмотки двигуна при неодночасному і швидкому розходженні контактів K (рис. 6).

Кратність КП на початку струмопідводу до електробура

(6)

де - максимальне значення перенапруги; - амплітудне значення номінальної напруги живлення електробура на початку струмопідводу; - резонансна кутова частота коливального контуру, утвореного ємністю кабеля та індуктивністю обмотки в момент вимкнення; - кутова частота напруги мережі.

У результаті розрахунків параметрів імпульсів КП при різних кутах зрізу струму, глибині буріння та потужності двигуна випливає, що найбільша кратність КП виникає при вимкненні електробура в момент максимальної амплітуди струму. Зріз струму вакуумними вимикачами призводить до появи значних перенапруг, які недопустимі для ізоляції кабеля і ЗЕД: . При вимкненні пускових струмів, які виникають внаслідок зупинки електробура через заклинювання долота, кратність КП має найбільше значення: .

Частота власних коливань напруги в імпульсі КП зменшується при зростанні глибини буріння і знаходиться в діапазоні від 500 Гц до 8000 Гц. Тому запропоновано обмежувати КП у струмопідводі за допомогою поверхневого і розташованого над електробуром занурювального варисторного обмежувача КП.

У третьому розділі наведені розроблені засоби для забезпечення високої надійності та ефективності функціонування ЕБО. Розроблені два методи визначення напруги на затискачах електробура, які грунтуються на методі топологічних діаграм і методі цифрової обробки сигналів: метод трьох фаз (рис. 7) і метод двох фаз (рис. 8).

Суть методу трьох фаз полягає в одержанні діючих значень фазних напруг на затискачах електробура векторним відніманням від фазних напруг живлення значення втрат напруги у струмопідводі.

Перевагою методу трьох фаз є можливість визначення повної потужності на початку струмопідводу S та відповідного їй коефіцієнту потужності cos ц.

Оскільки СЕЕ є трифазною системою з ізольованою нейтраллю та заземленою однією фазою (БТ), акуальним є вимірювання миттєвих значень лінійних напруг між кожною жилою кабеля і БТ та струмів у жилах кабеля, а саме , , , , що зменшить кількість вимірювальних каналів з 6 до 4. Тоді миттєві значення напруги між жилами кабеля та струму в БТ

(7)

Ці залежності чинні при наявності вищих гармонік, оскільки нейтраль CEE ізольована.

Суть методу двох фаз полягає в одержанні діючих значень фазних напруг на затискачах електробура векторним відніманням від лінійних напруг живлення значення втрат напруги у жилах струмопідводу (рис. 8).

Перевагою методу двох фаз є на третину менша кількість сенсорів та каналів вимірювання, що здешевлює його технічну реалізацію.

З метою підвищення точності контролю і регулювання напруги на затискачах електробура розроблено метод визначення опорів жил струмопідводу в промислових умовах, який враховує основні фактори впливу на струмопідвід (температура, наявність обважених БТ, перехідний опір контактних з'єднань КС) і не потребує додаткових спуско-підйомних операцій.

Суть методу визначення опорів жил струмопідводу полягає в опосередкованому вимірюванні за показами під'єднаних на початку струмопідводу амперметра, вольтметра і ватметра активного RM та індуктивного XM опорів кола обмотки статора електробура, який розташований на поверхні (рис. 9а); опорів RBC, XBC кола, утвореного двома жилами КС і обмоткою статора опущеного у вибій електробура (рис. 9б); опорів RAB, XAB кола, утвореного першою жилою КС, обмоткою статора опущеного у вибій електробура і колоною БТ (рис. 9в); опорів RAC, XAC кола, утвореного другою жилою КС, обмоткою статора опущеного у вибій електробура і колоною БТ (рис. 9г) та розрахунку опорів жил струмопідводу за одержаними автором формулами (8) - (10).

(8)

(9)

(10)

Методи трьох і двох фаз уможливлюють визначення обертового моменту на долоті методом енергетичних діаграм, оскільки, як проміжна величина, визначається активна потужність споживання на початку струмопідводу.

Вищі гармоніки напруг і струмів СЕЕ враховано, оскільки у методах трьох і двох фаз та у методі визначення опорів жил струмопідводу використовуються діючі значення струмів, напруг і середні значення активної потужності. Методи трьох і двох фаз та метод визначення опорів жил струмопідводу придатні для використання в автоматизованих системах контролю і регулювання напруги живлення електробура.

Для плавного пофазного регулювання напруги живлення електробура запропоновано застосування надійного вольтододатного трансформатора з магнітною комутацією поперечним підмагнічуванням, вторинна обмотка якого послідовно увімкнена в коло живлення електробура.

У четвертому розділі розроблені технічні засоби і програмне забезпечення для проведення експериментальних досліджень функціонування ЕБО під час буріння свердловин, наведено опис експериментального зразка системи контролю енергетичних параметрів електробурів СКЕП-2.

Розроблена на базі ЕОМ дослідна СЗД уможливлює дослідження енергетичних параметрів електробура методом двох фаз і КП на початку струмопідводу в постреальному часі. Аналого-цифрове перетворення миттєвих значень напруг і струмів здійснюється трьома двоканальними 16-розрядними мультимедійними пристроями введення аналогового сигналу в ЕОМ в діапазоні частот дискретизації 6…48 кГц з РСІ-інтерфейсом, які синхронізовані між собою шляхом застосування спільного кварцевого резонатора. На підставі комплектної повірки каналів вимірювання напруги і струму дослідної СЗД методом взірцевих приладів визначено коефіцієнти передачі кожного каналу вимірювання. Найбільші відносні похибки вимірювання енергетичних параметрів електробура не перевищують ± 5 %.

Для записування миттєвих значень напруг і струмів на початку струмопідводу використано відомий програмний продукт звуковий редактор Adobe Audition, який уможливлює багатоканальне синхронне записування біполярних сигналів у форматі ASCII (рис. 10). Експериментально одержані миттєві значення напруг і струмів на початку струмопідводу обробляються авторською програмою, написаною в середовищі Mathcad-2001. В результаті одержуються значення енергетичних параметрів електробура.

Експериментальні дослідження енергетичних параметрів електробура і КП на початку струмопідводу показали, що під час буріння свердловин наявні як асиметрія струмів електробура в межах 5 %, так і небезпечні за умовою стійкості двигуна провали напруги на його затискачах кратністю 0,87 (рис. 11). Найбільша кратність КП на початку струмопідводу .

У результаті подальших досліджень на базі дослідної СЗД створено експериментальний зразок системи контролю енергетичних параметрів електробура СКЕП-2. Апаратну частину СЗД залишено без змін, а як програмне забезпечення застосовано інструментарій Data Aсquisition, який входить у комплект Matlab-R13 і призначений для дослідження аналогових і цифрових сигналів у реальному часі. Засобами середовища Matlab створено віртуальний прилад, який вимірює енергетичні параметри електробура з частотою обновлення показів екрану 1 Гц (рис. 12) та архівує їх значення у компактному бінарному форматі.

Застосування СКЕП-2 дозволяє бурильнику оперативніше реагувати на відхилення параметрів буріння, а технологу - ефективніше визначати режими буріння свердловин. У результаті збільшується період безвідмовної роботи електробура, зменшується ризик прихоплення колони БТ і руйнування долота.

Прогнозування рівня надійності електробура показало підвищення середнього напрацювання на відмову електробура на 15 % за рахунок наближення режиму роботи його двигуна до режиму з симетричною номінальною напругою на затискачах.

Техніко-економічний розрахунок показав, що термін окупності СКЕП з регулятором напруги живлення не перевищує 2 роки і дає економію близько 76 000 грн на одну пробурену свердловину. Система СКЕП-2 випробувана і впроваджена під час буріння свердловини № 829-"Долина" Прикарпатського УБР.

Основні результати та висновки

У дисертаційній роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання підвищення експлуатаційної надійності та ефективності ЕБО під час буріння свердловин електробурами. Обгрунтовано доцільність стабілізації напруги на затискачах електробура під час буріння нижніх інтервалів свердловин і обмеження КП в СЕЕ.

Основні наукові результати дисертації полягають в наступному.

1. У результаті аналізу оновленого статистичного матеріалу про відмови елементів ЕБО ідентифіковано як малонадійні елементи обмотку статора двигуна електробура і КС, визначено найбільш імовірні причини їх низької експлуатаційної надійності.

2. Синтезовано математичну модель СЕЕ, яка уможливлює дослідження режимів функціонування електробура та визначення фазних напруг на виході регулятора напруги живлення електробура. Обгрунтовано доцільність стабілізації напруги на затискачах електробура, визначено кратність КП в СЕЕ, показано необхідність їх обмеження занурювальним і поверхневим обмежувачем КП.

3. Запропоновано два нові методи визначення фазних напруг на затискачах електробура: метод трьох фаз і метод двох фаз, які придатні для застосування в автоматичних системах контролю енергетичних параметрів електробура. Перевагою методу двох фаз є на третину менша кількість сенсорів напруги і струму та каналів вимірювання, що спрощує і здешевлює технічну реалізацію.

4. Вперше запропоновано метод визначення опорів жил струмопідводу в промислових умовах, який не потребує додаткових спуско-підйомних операцій і враховує основні свердловинні фактори впливу на струмопідвід, чим забезпечується висока точність контролю напруги на затискачах електробура.

5. З метою плавного пофазного регулювання напруги живлення електробура обгрунтовано застосування вольтододатного трансформатора з магнітною комутацією поперечним підмагнічуванням, який відрізняється високою експлуатаційною надійністю та відсутністю генерації вищих гармонік при достатній для регулювання напруги швидкодії.

6. Розроблено дослідну СЗД для дослідження енергетичних параметрів електробура та КП з найбільшою відносною похибкою в межах ± 5 %, одержано експериментальні дані про процес буріння нафтової свердловини № 829_“Долина” електробурами Е240-8М і Е164-8МР, які підтверджують необхідність стабілізації напруги на затискачах електробура та обмеження КП.

7. Розроблено, випробувано і впроваджено в експлуатацію у Прикарпатському управлінні бурових робіт експериментальний зразок системи контролю енергетичних параметрів електробурів СКЕП-2, яка відображає та архівує значення фазних струмів електробура, фазних напруг на його затискачах, споживаної активної потужності та обертового моменту на долоті. Впровадження СКЕП-2 підвищило надійність та ефективність ЕБО.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гладь І. В., Федорів М. Й. Розрахунок напруги живлення електробура // Нафтова і газова промисловість. - 2001. - № 5. - С. 23-24.

2. Гладь І. В., Федорів М. Й. Підвищення надійності та ефективності електробура // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2003. - № 6 (64). - С. 69-75.

3. Гладь І. В. Аналіз методів та засобів контролю напруги на затискачах занурюваних електродвигунів // Методи та прилади контролю якості. - 2003. - № 11. - С. 85-90.

4. Тимків Д. Ф., Гладь І. В., Федорів М. Й., Михайлів М. І. Тиристорний регулятор напруги живлення електробура // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2003. - № 1 (6). - С. 20-23.

5. Гладь І. В. Система контролю енергетичних параметрів занурюваних електродвигунів // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. - 2004. - № 1 (10). - С. 96-99.

6. Гладь І. В. Підвищення достовірності контролю напруги на затискачах занурюваного електродвигуна електробура в промислових умовах // Методи та прилади контролю якості. - 2004. - № 12. - С. 104-107.

7. Федорів М. Й., Гладь І. В. Аналіз надійності роботи електрообладнання системи електропостачання електробурів // Матеріали Міжнар. науково-практичної конф. “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств”. - Маріуполь, 2000.- С. 199-201.

8. Гладь І. В., Федорів М. Й. Шляхи підвищення експлуатаційної надійності електробурового обладнання Прикарпаття // Івано-Франківський національний техн. ун-т нафти і газу. - Івано-Франківськ, 2001. - 8 с. - Деп. в ДРНТІ України 9.04.2001, № 5247 - 63-У.

9. Гладь І. В., Федорів М. Й., Галущак І. Д. Модернізація системи електропостачання електробура на основі її математичної моделі // Тези ІІІ Міжнар. науково-практ. конф. “Проблеми економії енергії”. - Львів, 2001.

10. Гладь І. В., Федорів М. Й., Галущак І. Д. Система контролю напруги електробура // Тези науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу Івано-Франківського національного ун-ту нафти і газу. - Івано-Франківськ, 2002. - С. 115-116.

11. Гладь І. В. Контроль та регулювання напруги на затискачах електродвигуна електробура // Матеріали IV Міжнар. науково-практ. конф. “Проблеми економії енергії”.- Львів, 2003.- С. 149-150.

12. Гладь І. В., Федорів М. Й., Галущак І. Д. Зменшення комутаційних перенапруг в системах електропостачання електробура // Матеріали IV Міжнар. науково-практ. конф. “Проблеми економії енергії”.- Львів, 2003.- С. 55-56.

13. Гладь І. В., Федорів М. Й. Контроль та регулювання напруги живлення електробура // Матеріали ІІ Міжнар. науково-практ. конф. “Динаміка наукових досліджень `2003”.- Дніпропетровськ, 2003. - С. 31-32.

14. Гладь І. В. Система контролю параметрів електроспоживання промислових споживачів // Зб. наук. пр. за результатами Міжнар. науково-практ. конф. “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів”.- Хмельницький, 2003. - С 54-58.

15. Гладь І. В. Система контролю параметрів електроспоживання електробура // Матеріали ІІ науково-техн. конф. "Приладобудування 2003: стан і перспективи". - К.: ПБФ НТУУ “КПІ”.- 2003.- С. 176-177.

16. Гладь І. В., Федорів М. Й. Дослідження енергетичних параметрів електробура // Матеріали І Міжнар. науково-практ. конф. студентів, аспірантів, молодих вчених "Інформаційно-керуючі системи і комплекси". - Миколаїв, 2004. - С. 19-20.

17. Гладь І. В., Федорів М. Й. Віртуальні прилади, їх переваги та перспективи // Матеріали ІІІ науково-техн. конф. “Приладобудування 2004: стан і перспективи”.- Київ, ПБФ НТУУ "КПІ".- 2004.- С. 211-212.

Размещено на Allbest.ru

...