Аналіз методів та засобів контролю напруги на затискачах занурюваних електродвигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.323

Аналіз методів та засобів контролю напруги на затискачах занурюваних електродвигунів

Гладь І. В.,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Проаналізовано методи та засоби контролю напруги на затискачах занурюваних електродвигунів. Запропоновано спосіб аналітичного розрахунку фазних напруг на їх затискачах

Проблема збільшення власного видобутку енергоносіїв та економії електроенергії з метою зменшення залежності від зовнішніх джерел енергопостачання - важлива народногосподарська задача для України. Основними шляхами її вирішення є зменшення часу і фінансових витрат на буріння нових свердловин та збільшення видобутку нафти і газу з діючих свердловин за рахунок утворення горизонтальних розгалужень у малопродуктивних пластах. напруга електродвигун затискач

Перспективним способом проводки вертикальних, похило спрямованих та горизонтально розгалужених свердловин є буріння з використанням вибійних двигунів, з яких найкращим є електробур. Перевагами буріння свердловин електробуром є його нечутливість до витрати промивної рідини, відсутність втрат потужності на обертання колони бурильних труб (КБТ) та її мале механічне зношування, можливість неперервного отримання ін формації про кривизну і кут нахилу свердловини від телеметричної системи електробура [1]. Недоліком електробура є низька експлуатаційна надійність його приводу [2].

Приводом електробура є занурюваний маслонаповнений високовольтний трифазний асинхронний електродвигун вертикального виконання з короткозамкненим ротором (ЗЕД). Довжина ЗЕД значно більша від зовнішнього діаметра. Наприклад, діаметр ЗЕД при довжині електробура Е215-8М 13.93 м складає всього 0.215 м при потужності 175 кВт і номінальній напрузі живлення обмотки статора 1550 В. Електроенергія до ЗЕД надходить за схемою з ізольованою нейтраллю від понижувального трансформатора із ручним ступінчастим регулюванням по системі підведення струму (СПС) типу “два провідники-труба”. СПС електробура складається з відрізків гнучкого двожильного кабелю з мідними жилами перерізом 35 мм2 та гумовою газостійкою ізоляцією, вмонтованих в КБТ, яка є третьою жилою, і з'єднаних роз'ємними двоконтактними кабельними муфтами типу КСТ. Для контролю опору ізоляції кабелю та ЗЕД наявний пристрій контролю ізоляції ПКІ, який розміщений безносередньо над електробуром. У вибої ЗЕД функціонує при важких умовах: наявність електропровідної промивної рідини з абразивними частинками, осьова вібрація з амплітудою до 5 мм, високі температура і тиск (до 150 єС та 500 МПа) [3].

Конструкція СПС типу “два провідники-труба” обумовлює її електричну асиметрію, оскільки опір КБТ нелінійний і відрізняється від опору жил кабелю. Тому при глибокому бурінні з будь-яким осьовим навантаженням на долото за наявності трифазної симетричної системи напруг на початку СПС до ЗЕД по її жилах протікає асиметрична система струмів, яка спричинює появу на його затискачах асиметричної системи фазних напруг [2]. Обертовий момент на валі ЗЕД квадратично залежить від величини напруги на його затискачах. Тому незначне збільшення втрат напруги у жилах СПС, спричинене збільшенням струму статора внаслідок короткочасного зростання моменту опору долота, призводить до суттєвого зменшення обертового моменту ЗЕД. В критичних випадках, особливо при наявності періодичного прихоплення КБТ, спостерігається втрата стійкості та зупинка ЗЕД. Періодичне прихоплення КБТ виникає при бурінні глибоких похило спрямованих свердловин переважно при ручному керуванні подачею бурової лебідки. Воно спричинене пружністю КБТ та її тертям об обсадну колону в місцях набору кривини. В процесі буріння при плавно зростаючій подачі бурової лебідки частина КБТ над місцем прихопилення стискується, а частина під місцем прихопилення розширюється. Так триває до моменту самоліквідації прихоплення під дією ваги КБТ. Тому спостерігаються періодичні коливання навантаження електробура від режиму, наближеного до неробочого ходу, і до значення, що перевищує номінальне. Це змушує бурильника або встановлювати завищену напругу на початку СПС, або зменшувати осьове навантаження на долото. В першому випадку напруга на затискачах ЗЕД при його стійкій роботі часто є завищеною, що спричинює зростання струмів у фазах обмотки статора і, як наслідок, тривалого перегріву фази з найбільшим значенням струму. Це обумовлює прискорене старіння і відмову ізоляції обмотки статора ЗЕД. В другому випадку недовантаження долота призводить до зменшення його ресурсу і механічної швидкості буріння [4].

Метою даної статті є аналіз відомих методів та засобів контролю напруги електровигунів, придатних для її контролю на затискачах ЗЕД. Інформація про значення фазних напруг на його затискачах уможливить як оптимізацію режиму буріння при ручному регулюванні напруги, так і реалізацію автоматичного пофазного регулювання напруги живлення електробура. Це призведе до роботи ЗЕД при наявності на його затискачах симетричної системи номінальних фазних напруг, отже до зростання стійкості його роботи, збільшення міжремонтного періоду, механічної швидкості буріння і величини проходки на долото. Наслідком буде зменшення вартості пробуреної свердловини.

Контроль напруги на затискачах ЗЕД означає її вимірювання з метою регулювання.

Серед різноманітних видів вимірювань напруги електродвигунів можна виділити прямі і опосередковані вимірювання [5, 6].

Пряме вимірювання - це вимірювання напруги, значення якої знаходять безпосередньо без перетворення її роду та використання відомих залежностей. Прямим вимірюванням визначають напругу при наявності вільного доступу до затискачів електродвигунів.

Опосередкованим є непряме вимірювання напруги електродвигунів способом обчислень за результатами вимірювань інших величин, з якими вона пов'язана явною функціональною залежністю. Характерним для опосередкованих вимірювань є функціональне вимірювальне перетворення, яке здійснюється або шляхом фізичного вимірювального перетворення, або шляхом числового вимірювального перетворення. Наприклад, визначення напруги двигуна постійного струму за методом ватметра - амперметра (U = P / I).

Метод контролю - це сукупність різних прийомів використання принципів і засобів вимірювань [6].

Основні методи контролю напруги електродвигунів приведені на рис. 1.

При контролі прямим методом безпосередньої оцінки значення напруги визначають безпосередньо по шкалі засобу контролю.

Непрямі методи контролю напруги електродвигуна полягають в моделюванні системи електропостачання та електродвигуна за тим чи іншим принципом. В результаті обробки первинної ін формації у відповідності з прийнятою моделлю отримують інформацію про величину напруги на затискачах електродвигуна.

Непрямий метод перетворення полягає у використанні перетворення напруги в іншу фізичну величину, для якої створені засоби вимірювання. Цей метод ефективно використовується при проведенні як технічних, так і лабораторних вимірювань.

Для контролю напруги на затискачах ЗЕД прямим методом безпосередньої оцінки необхідним є розміщення давачів напруги та пристроїв зв'язку у герметичних і віброзахищених контейнерах та їх частого періодичного технічного обслуговування. Таке виконання заглибного електрообладнання обумовлює його низьку експлуатаційну надійність, зважаючи на важкі умови функціонування ЗЕД, так як засоби мікропроцесорної техніки ненадійно функціонують при високій температурі [8-10].

З приведеного вище випливає, що для контролю фазних напруг на затискачах ЗЕД, незважаючи на наявність каналу зв'язку з поверхнею по жилі кабелю СПС через приєднувальні фільтри, використовувати метод безпосередньої оцінки буде неефективно. Їх значення найбільш доцільно отримати використанням непрямих методів контролю, а саме методу перетворення.

Відомі наступні засоби контролю напруги на затискачах ЗЕД.

Система автоконтролю за глибинними параметрами САКГП-64, яка, крім осьового навантаження на долото, напрямку відхилювача і кута нахилу свердловини, вимірює діюче значення напруги на затискачах ЗЕД в діапазоні 940-1600 В з максимальною похибкою від верхньої межі 2.5%. Як лінія зв'язку застосовується одна жила кабелю СПС до ЗЕД, по якій передається частотно модульований сигнал, що відповідає напрузі на затискачах ЗЕД [4]. Конструктивно САКГП-64 складається з глибинного вимірювального і наземного перетворювального блоків. Глибинний блок розташований у герметичному віброзахищеному контейнері безпосередньо над ЗЕД. Перетворення напруги на затискачах ЗЕД в частоту здійснюється керованим напругою мультивібратором, який зібраний на вібростійких радіоелементах. Вихідний сигнал з мультивібратора через фільтр верхніх частот надходить у СПС, а потім через приєднувальний фільтр у наземний блок, в якому обробляється і відображається показуючим приладом. Недоліками САКГП_64 є неможливість пофазного вимірювання напруги на затискачах ЗЕД, а також низька експлуатаційна надійність глибинного блоку.

Система автоматичного підтримання напруги ЗЕД електробура при бурінні глибоких свердловин приведена в [11]. За фактичною величиною напруги і струму на початку СПС до ЗЕД виробляється сигнал, пропорційний величині напруги на затискачах ЗЕД, що надходить на регулюючий орган (синхронний генератор або тиристорний регулятор напруги). Недоліком даної системи є відсутність пофазного регулювання напруги на затискачах ЗЕД.

Пристрій для контролю енергетичних параметрів електробурів призначений для вимірювання струму, напруги, потужності і моменту на валу ЗЕД електробура [12]. Він складається з перетворювачів напруги, струму, активної потужності і моменту. Результатами вимірювання є струм, середнє значення діючої напруги на затискачах ЗЕД, його обертовий момент або активна потужність (вибираються перемикачем). Недоліками пристрою є відсутність пофазного вимірювання напруги на затискачах ЗЕД, залежність показів від частоти струму мережі та низька відтворюваність параметрів перетворювачів, які побудовані на магнітних підсилювачах.

Інформаційно-вимірювальна система (ІВС), яка приведена в [10], дає змогу записувати миттєві значення фазних струмів і напруг на початку СПС до ЗЕД безпосередньо в ЕОМ. Це зручно для подальшої обробки результатів вимірювань з метою отримання енергетичних параметрів ЗЕД для діагностування його технічного стану. ІВС складається з шести первинних перетворювачів (ПП), двоканального аналого-цифрового перетворювача (АЦП), комутатора каналів і портативної ЕОМ. Як ПП застосовано трансформатори струму і напруги. Сигнали з ПП, пропорційні фазним напругам ЗЕД UA, UB, UC та фазним струмам ІА, ІВ, ІС, надходять на комутатор, який попарно подає їх на канали АЦП в такому порядку: (UA; ІА), (UВ; ІВ), (UС; ІС). Це забезпечує мінімальну похибку визначення енергетичних параметрів ЗЕД при використанні двоканального АЦП.

Перевагою ІВС у порівнянні з приведеними вище розробками є фіксація результатів вимірювань на жорсткому диску ЕОМ та можливість подальшого дослідження режимів роботи ЗЕД. Зокрема, в постреальному часі можна визначити фазні напруги на затискачах ЗЕД після модернізації математичної моделі та програмного забезпечення. Однак дана ІВС непридатна для функціонування в реальному часі та для формування керуючого впливу з метою пофазного регулювання напруги живлення електробура.

Автором пропонується спосіб аналітичного розрахунку фазних напруг на затискачах ЗЕД, який базується на використанні виміряних на поверхні таких величин [10, 13]:

діючі значення фазних струмів ІА, ІВ, ІС;

діючі значення фазних напруг UA, UB, UC;

значення фазних активних потужностей РA, РB, РC .

Активний та індуктивний опори жил кабелю RК, ХК та КБТ RТ, ХТ отримуються в результаті допоміжних вимірювань за методикою, приведеною в [14]. B результаті приведеного нижче аналітичного розрахунку отримують діючі значення фазних напруг на затискачах ЗЕД Uа, Ub, Uс . Суть і послідовність цього розрахунку полягає в наступному:

1) визначають уявні потужності відповідних фаз:

(1)

2) визначають уявні опори фаз СПС і ЗЕД:

(2)

3) визначають уявні опори КБТ і жили кабелю:

(3)

4) визначають втрати напруги у фазах СПС:

(4)

5) визначають кути зсуву між векторами напруги і струму у фазах на початку СПС та кути між векторами активного і уявного опорів фаз СПС:

(5)

(6)

6) визначають кути між векторами уявних опорів фаз СПС і фазними напругами на початку СПС:

(7)

7) визначають фазні напруги ЗЕД відносно точки О штучної нейтралі на початку СПС:

(8)

8) визначають кути між векторами фазних напруг на початку СПС та фазних напруг ЗЕД відносно точки штучної нейтралі О:

(9)

9) визначають кути між векторами фазних напруг на початку СПС:

(10)

10) визначають кути між векторами фазних напруг на затискачах ЗЕД відносно точки О штучної нейтралі на початку СПС:

(11)

11) визначають лінійні напруги на затискачах ЗЕД:

(12)

12) визначають косинуси кутів при вершинах трикутника, утвореного лінійними напругами на затискачах ЗЕД:

(13)

13) визначають діючі значення фазних напруг на затискачах ЗЕД:

(14)

Векторна діаграма, що ілюструє спосіб аналітичного розрахунку, приведена на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В результаті аналізу методів та засобів контролю напруги електродвигунів виявлено відсутність спеціальних засобів вимірювання, які б дали можливість здійснювати контроль діючого значення фазних напруг на затискачах ЗЕД в реальному часі. З цією метою доцільно використати непрямий метод перетворення та запропонований автором спосіб їх аналітичного розрахунку.

Перевагами запропонованої методики є врахування електричних параметрів конкретних СПС, отриманих в результаті допоміжних вимірювань та можливість технічної реалізації на сучасній елементній базі електронної та мікропроцесорної техніки. Розробка і впровадження пристрою контролю фазних напруг на затискачах ЗЕД електробура та їх регулювання підвищить експлуатаційну надійність та ефективність буріння свердловин електробуром, що здешевить їх вартість.

Литература

1. Яремійчук Р. С., Байдюк Б. В. Напрямки створення української технології буріння свердловин, конкурентоспроможної на світовому рівні // Нафтова і газова промисловість.? 1997.? № 4. С. 17-18.

2. Галущак И. Д. Разработка рекомендаций по повышению надежности двигателей редукторных электробуров // Автореферат дис. На соиск. Уч. Степ. Канд. Техн. Наук, спец. 05.09.03 - Электрические комплексы и системы, включая их управление и регулирование, ИФИНГ. - 1990 г.

3. Гельфгат А. Я., Фоменко Ф. Н., Дубаев А. К., Курепин В. И., Блиох И. А., Джалалов Э. Р. Инструкция по технологии бурения электробурами нефтяных и газовых скважин. - Вып. 72. - М., 1974.

4. Фоменко Ф. Н. Бурение скважин электробуром. М., «Недра», 1974. - 272 с.

5. Шаповаленко О. Г., Бондар В. М. Основи електричних вимірювань: Підручник.- К.: Либідь, 2002. - 320 с.

6. Володарський Є. Т., Кухарчук В. В., Поджаренко В. О., Сердюк Г. Б. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю. Навчальний посібник. - Вінниця, Велес, 2001. - 219 с.

7. Котеленец Н. Ф., Кузнецов Н. Л. Испытания и надежность электрических машин: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Электромеханика». - М.: Высш. Шк., 1988. - 232 с.: ил. - 232 с.

8. Кісіль І. С. Метрологія, точність і надійність засобів вимірювання. Навчальний посібник. - Івано-Франківськ, 2002. - 400 с.

9. Федорив М. И. Разработка методов расчета и прогнозирования надежности электроснабжения электробуров // Автореферат дис. На соиск. Уч. Степ. Канд. Техн. Наук, спец. 05.09.03 - Электрические комплексы и системы, включая их управление и регулирование, М., - 1989 г.

10. Зікратий. С. В. Розробка методу діагностування заглибних електроустановок для видобутку нафти // Автореферат дис. На здобуття вч. зван. канд. техн. наук., спец. 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин, ІФНТУНГ. - 2002 р.

11. Шварц Д. Л. Система автоматического поддержания напряжения электробуров при бурении глубоких скважин. - В кн.: «Энергетика и электрооборудование установок нефтяной и газовой промышленности». М., ВНИИОЭНГ, 1971, вып. III (VI).

12. Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Шаповал А. А. Разработка и изготовление устройства для контроля энергетических параметров электробуров. - Вано по научно-исследовательской работе № 388а. - Вано-Франковск, 1976. - 62 с.

13. Герлейн А. Д., Майер В. Я., Калмыков Ю. В. Расчетные методы определения напряжений на электродах руднотермических печей // Энергетика, № 5. - 1980. - С. 33-37.

14. Гинзбург И. И. Исследование электрических параметров токоподвода «два провода _ труба». - Электробурение // труды ВНИИБТ, Вып. 11.- М.: Гостоптехиздат, 1964. - С. 102_105.

Размещено на Allbest.ru