книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Силовые приводы машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов

УДК 622.24 (075) Р 93

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Н.И. Крысин (ОАО «ПермНИПИнефть», г. Пермь); канд. техн. наук М.С. Озорнин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Рыбин, А.А.

Р93 Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов: учеб. пособие:

вIII ч. / А.А. Рыбин, Д.И. Шишлянников, С.В. Воробель. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018.

ISBN 978-5-398-01960-5

Ч. II: Силовые приводы машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. – 183 с. ISBN 978-5-398-02001-4

Приведены конструкции, описан порядок работы оборудования, применяемого для бурения и освоения нефтяных и газовых скважин. Во второй части учебного пособия рассмотрены функциональные схемы, классификация и состав силовых приводов машин и агрегатов, используемых для бурения нефтяных и газовых скважин, приведена информация о системах управления буровыми установками. Изложены сведения о конструкции и типах буровых насосов, описано оборудование для приготовления, циркуляции и очистки буровых и цементных растворов. Приведены основные сведения о надежности буровых машин и оборудования, рассмотрены общие вопросы проектирования буровых установок и их отдельных агрегатов.

Пособие предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.02. «Технологические машины и оборудование», по профилю «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов», а также инженерно-технических работников нефтегазодобывающих и буровых предприятий, научно-исследовательских, проектных, экспертных и ремонтных организаций.

4

1. СИЛОВЫЕ ПРИВОДЫ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

1.1. Общие сведения

Приводом буровой установки называется совокупность двигателей и регулирующих их работу трансмиссий и устройств, преобразующих тепловую или электрическую энергию в механическую, управляющих механической энергией и передающих ее исполнительному оборудованию — насосам, ротору, лебедке и др. Мощность привода (на входе в трансмиссию) характеризует основные его потребительские и технические свойства и является классификационным (главным) параметром.

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы делятся на автономные, не зависящие от системы энергоснабжения, и неавтономные, зависящие от системы энергоснабжения, с питанием от промышленных электрических сетей. К автономным приводам относятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с механической, гидравлической или электропередачей. К неавтономным приводам относятся электродвигатели постоянного тока, питаемые от промышленных сетей переменного тока через тиристорные выпрямительные станции управления; электродвигатели переменного тока с гидравлической либо электродинамической трансмиссией или регулируемые тиристорными системами.

В соответствии с кинематикой установки привод может иметь три основных исполнения: индивидуальный, групповой и комбинированный, или смешанный.

Индивидуальный привод – каждый исполнительный механизм (лебедка, насос или ротор) приводится от электродвигателей или ДВС независимо друг от друга. Более широко этот вид привода распространен с электродвигателями. При его использовании достигается высокая маневренность в компоновке и размещении бурового оборудования на основаниях при монтаже.

Групповой привод – несколько двигателей соединены суммирующей трансмиссией и приводят несколько исполнительных механизмов. Его применяют при двигателях внутреннего сгорания,

Комбинированный привод – использование индивидуального и группового приводов в одной установке. Например, насосы приводятся от индивидуальных двигателей, а лебедка и ротор от общего двигателя. Во всех случаях характеристики привода должны наиболее полно удовлетворять требуемым характеристикам исполнительных механизмов.

Потребителями энергии буровой установки являются:

–в процессе бурения – буровые насосы, ротор (при роторном бурении), устройства для приготовления и очистки бурового раствора от выбуренной породы, компрессор, водяной насос и др.;

–при спуске и подъеме колонны труб – лебедка, компрессор, водяной насос и механизированный ключ.

Приводы также делятся на главные (приводы лебедки, насосов и ротора) и вспомогательные (приводы остальных устройств и механизмов установки). Мощность, потребляемая вспомогательными устройствами, не превышает 10–15 % мощности, потребляемой главным оборудованием.

Гибкость характеристики – способность силового привода автоматически или при участии оператора в процессе работы быстро приспосабливаться к изменениям нагрузок

ичастот вращения исполнительных механизмов. Гибкость характеристики зависит от коэффициента приспособляемости, диапазона регулирования частоты вращения валов силового привода и приемистости двигателя.

Коэффициент гибкости характеристики определяется отношением изменения частоты вращения к вызванному им отклонению момента нагрузки:

5

Для гибких приводов kг = 2…4, а для жестких kг = 1…2. Иногда применяют понятие коэффициент жесткости kж = 1/kг, т.е. величина kж является обратной величине коэффициента гибкости.

Приемистостью называется интенсивность осуществления переходных процессов, т.е. время, в течение которого двигатель и силовой привод реагируют на изменение нагрузки и изменяют частоту вращения.

Приспособляемость – свойство силового привода изменять крутящий момент и частоту вращения в зависимости от момента сопротивления. Собственная приспособляемость – свойство двигателя приспособляться к внешней нагрузке. Искусственная приспособляемость – свойство трансмиссий приспосабливать характеристику двигателя к изменению внешней нагрузки [6, 8].

1.2.Требования к приводам буровых установок

Сучетом технологии бурения нефтяных и газовых скважин и условий, в которых эксплуатируются буровые установки, можно сформулировать основные требования, которым должны отвечать современные силовые приводы.

В период непосредственного бурения привод насосов осуществляется от двигателей с постоянной нагрузкой в пределах 60–100 % их суммарной номинальной мощности. Время непрерывной работы двигателей при таком режиме колеблется от 45 мин до 8–10 ч и более. В процессе роторного бурения на вращение бурильных труб затрачивается мощность от 200 до 600 кВт. Во время спуско-подъемных операций двигатели имеют резко переменную нагрузку – от холостого хода до максимальной величины, причем нагрузки от минимума до максимума изменяются через 2–3 мин, а в отдельных случаях и чаще. При таком режиме двигатель непрерывно работает 10–12 ч. Во время вспомогательных работ (промывка скважины, наращивание колонны, смена долота и др.) двигатели, как правило, загружены не полностью.

Наилучшие результаты при бурении скважин могут быть достигнуты, когда привод имеет широкий диапазон регулирования от нуля до максимальной частоты вращения, требуемой условиями бурения. Особенно это необходимо для насосов при включении их в параллельную работу и при восстановлении циркуляции после наращивания или после прихватов и осложнений в скважине, а также для ротора при вращении колонны труб. Привод насосов и ротора должен обеспечивать длительную работу с высоким КПД при частоте вращения, составляющей 20–50 %, а иногда и менее своей номинальной величины.

Наиболее тяжелые условия создаются при ликвидации аварий в скважинах. В этих случаях привод эксплуатируется с резко переменными нагрузками, часто требуются реверс и передача мощности, превышающей расчетную.

Во избежание воспламенения газа или нефти при газопроявлениях в скважине двигатели должны быть оборудованы искрогасителями, позволяющими в отдельных случаях работать при фонтанных проявлениях в данной скважине или вблизи фонтанирующей скважины. Силовые приводы на буровых в районах с умеренным климатом устанавливают в легких щитовых помещениях, которые не утепляют. В районах Севера и Сибири зимой при низких значениях температуры воздуха применяют утепленные помещения, так как в легких и неотапливаемых помещениях при длительных остановках ДВС температура в помещении опускается ниже нуля, а в районах с жарким климатом, наоборот, температура летом поднимается иногда до +60 °С. Как в том, так и в другом случае ухудшаются условия эксплуатации ДВС.

6

Приводы должны быть рассчитаны на полную длительную нагрузку при бурении и должны обеспечивать проведение СПО на высоких скоростях. Следует иметь в виду, что широкий диапазон регулирования привода всегда способствует улучшению технико-экономических показателей бурения на всех глубинах. Двигатели должны легко запускаться, допускать осмотр и замену быстроизнашивающихся деталей и сборок; двигающиеся части их необходимо предохранять от попадания пыли, песка. В процессе их работы надо обеспечивать нормальный тепловой режим при колебаниях температуры наружного воздуха в широких пределах [6].

Силовым приводом называют двигатели и передаточные устройства, приводящие в движение исполнительные механизмы буровой установки. К силовому приводу предъявляют следующие требования: гибкость характеристики, экономическая эффективность, надежность и долговечность, небольшая удельная масса, простота и удобство управления.

Гибкостью характеристики называют способность силового привода изменять в автоматическом или ручном режиме скорость движения исполнительного механизма при изменении крутящего момента на его валу. Гибкость характеристики оценивают диапазоном регулирования частоты вращения Rп и коэффициентом перегрузочной способности λп:

где nmах и nmin – наибольшая и наименьшая частоты вращения вала привода при устойчивом режиме работы.

Коэффициентом перегрузочной способности λп называют отношение максимального момента Мmах на выходном валу к моменту Мном, развиваемому при

основных потребителей энергии буровых установок. Применительно к вращательному бурению такими потребителями являются лебедки, вращатели, буровые насосы.

соответственно коэффициент приспособляемости и диапазон собственного регулирования двигателя в пределах устойчивых режимов работы; λпт и Rт – то же для средств искусственной приспособляемости (трансмиссий), входящих в силовой привод.

Коэффициенты λпд и Rд зависят от типа двигателя и вида используемой энергии. Если значения λпд и Rд меньше требуемых по условиям эксплуатации приводного исполнительного механизма, то в кинематической цепи должны быть применены средства искусственной приспособляемости, т.е. между двигателями и исполнительным механизмом устанавливают промежуточные гидравлические или электродинамические муфты скольжения, турботрансформаторы и коробки перемены передач.

Процесс подъема инструмента характеризуется непрерывным уменьшением нагрузки на крюк и крутящего момента на барабане лебедки. Для более полного использования мощности двигателя и уменьшения времени на подъем инструмента необходимо по мере снижения нагрузки на крюк увеличивать скорость его подъема. Диапазон значений скорости подъема и крутящих моментов для буровых установок различных классов изменяется от 2:1 до 10:1. Наибольший выигрыш времени может быть получен при непрерывном увеличении скорости движения крюка, т.е. при полном использовании мощности двигателя в процессе подъема инструмента. Исходя из этого привод лебедки должен обеспечивать следующее:

7

–требуемый диапазон изменения значений скорости подъема и крутящих моментов;

–плавное (в худшем варианте ступенчатое) увеличение скорости подъема по мере уменьшения нагрузки на крюк.

Процесс разрушения горных пород отличается тем, что для каждого сочетания горная порода–типоразмер породоразрушающего инструмента существует, наряду с другими параметрами технологического режима, вполне определенное значение частоты вращения породоразрушающего инструмента, любое отклонение от которого снижает показатели бурения. При изменении свойств горных пород, типа или диаметра породоразрушающего инструмента частота вращения может варьировать в широком диапазоне, достигая значений 20 : 1. Наиболее полно требованиям технологии бурения отвечает бесступенчатое регулирование.

Частота вращения должна определяться только технологическими требованиями. Для обеспечения независимого от частоты вращения регулирования осевой нагрузки и сохранения постоянными параметров режима при углублении скважин заданная частота вращения не должна самопроизвольно изменяться при изменении крутящего момента на вращателе. Исходя из этого в общем случае к приводу вращателя не следует предъявлять требование полного использования мощности двигателя в любой момент бурения. Вместе с тем, если требуемая частота вращения не может быть реализована вследствие недостаточной мощности двигателя, процесс бурения целесообразно вести при возможно большем ее значении, т.е. при плавном уменьшении частоты вращения по мере увеличения глубины скважины и возрастания крутящего момента. Таким образом, привод вращателя должен обеспечивать следующее:

–требуемый диапазон регулирования частоты вращения предпочтительно с плавным изменением ее внутри диапазона;

–стабильность заданной частоты вращения, если мощность двигателя достаточна для ее реализации;

–автоматическое уменьшение частоты вращения по мере роста крутящего момента, когда мощность двигателя недостаточна для реализации требуемой частоты вращения.

Режим работы бурового насоса характеризуется непостоянством подачи и развиваемого напора в процессе бурения скважины.

Необходимость изменения количества подаваемой жидкости обусловлена ступенчатостью конструкции скважин, применением породоразрушающих инструментов различных типов, специальных снарядов при бурении по полезному ископаемому, гидравлических забойных двигателей и другими специфическими особенностями технологии бурения. Диапазон изменения количества подаваемой жидкости может достигать значения 10 : 1. Требованиям технологии бурения наиболее полно удовлетворяет бесступенчатое регулирование подачи в пределах заданного диапазона. Подача жидкости должна быть стабильной при изменении сопротивления гидравлического тракта, пока развиваемое насосом давление не достигнет предельно допустимого значения. Следовательно, привод насоса должен обеспечивать следующее:

–заданный диапазон регулирования подачи жидкости предпочтительно с плавным изменением ее внутри диапазона;

–стабильность подачи при изменении крутящего момента на валу насоса в допустимых пределах.

Из сказанного следует, что к диапазону регулирования и характеру изменения частоты вращения вала предъявляются различные требования в зависимости от величины передаваемого крутящего момента.

Независимо от способа бурения, типа и класса буровой установки для буровых лебедок наиболее целесообразен привод с автоматическим изменением скорости подъема крюка при изменении крутящего момента на барабане.

8

Для механизмов и машин (вращателей, ударных механизмов, насосов), режим работы которых определяется требованиями технологии бурения, привод должен обеспечивать плавное изменение частоты вращения в заданном диапазоне и ее стабильность при изменении крутящего момента в пределах, определяемых мощностью двигателя или допустимым давлением в нагнетательной линии насоса.

Все приводы делятся на автономные и неавтономные. Автономными называют приводы, имеющие собственные теплосиловые установки, главным образом двигатели внутреннего сгорания. Неавтономными являются приводы, двигатели которых используют подведенную энергию. Это приводы с электрическими или пневматическими двигателями. Неавтономный привод имеют около 60 % установок геологоразведочного бурения.

Силовой привод может быть групповым, индивидуальным (однодвигательным) и многодвигательным.

В групповом приводе один двигатель приводит в движение через трансмиссии все рабочие машины установки. При применении одного двигателя уменьшаются масса, габаритные размеры и стоимость силового оборудования, однако требуется сложная трансмиссия, затрудняется блочное конструирование установки, понижается ее эксплуатационная надежность. В групповом приводе тяжелых буровых установок практикуется применение нескольких сблокированных двигателей одинаковой мощности, благодаря чему облегчается транспортировка оборудования и повышается эксплуатационная надежность установок. Групповым выполняют только автономный привод.

Индивидуальным или однодвигательным называют привод, в котором каждая рабочая машина имеет отдельный двигатель. Этот вид привода широко распространен при геологоразведочном бурении: буровые станки и насосы установок с неавтономным приводом, как правило, имеют отдельные двигатели. Применение индивидуального привода облегчает и упрощает трансмиссию, обеспечивает возможность блочного конструирования оборудования, улучшает его ремонтопригодность.

Многодвигательным называют привод, в котором двигателями снабжены отдельные рабочие органы машины. Он имеет преимущества индивидуального привода и, кроме того, обеспечивает возможность выбора двигателей в соответствии с нагрузочными характеристиками рабочих органов машин. К недостаткам этого привода относятся высокая стоимость двигателей, их большая масса, значительная площадь силовой группы в плане [8].

1.3. Мощность двигателей привода бурового оборудования

При выборе мощности привода буровой установки прежде всего следует определить мощность, необходимую для привода насосов Nспн, а затем мощность для привода лебедки и ротора с учетом технологически необходимых вариантов одновременной эксплуатации этих механизмов.

При роторном бурении оптимальную мощность насосов и их параметры определяют исходя из мощности привода каждого насоса Nдн и числа используемых насосов z:

случаях в зависимости от геологических условий и глубин скважин дополнительно монтируют один-два насоса с индивидуальным приводом.

При определении мощности привода лебедки следует исходить из следующих положений. Подъем колонны максимального веса, на который рассчитан привод с тремя двигателями, должен быть обеспечен двумя двигателями на первой скорости. Следовательно, мощность двигателя силового привода лебедки

9

где zд – число двигателей в приводе лебедки; Nд – номинальная мощность одного двигателя, кВт.

Мощность на выходном валу суммирующего редуктора силового привода лебедки

где ηтт – КПД трансформатора, ηтт = 0,7…0,85; ηтр – КПД трансмиссий, ηтр = ηвηпηм; ηв – КПД валов на опорах качения, ηв = 0,99; ηп – КПД цепных или клиноременных передач, ηп = 0,94…0,97; ηм – КПД шинно-пневматических муфт; ηкп – КПД коробки перемены передач, ηкп = 0,85…0,95.

Для приближенной оценки мощности силового привода (в кВт) могут быть использованы средние показатели удельной мощности и веса бурильной колонны:

Nуд.н = 6…8 кВт на 10 кН веса колонны. Таким образом, в буровых установках мощность, требующаяся для привода насосов, почти всегда больше мощности, потребляемой лебедкой. Ввиду этого, если установка имеет общий групповой привод, его номинальная мощность должна определяться по мощности, требующейся насосному комплексу.

При оценке установленной мощности привода необходимо учитывать также дополнительную мощность, которая при бурении затрачивается на поворот или подъем колонны на некоторую высоту (турбинное бурение) либо вращение ротора (роторное

1.4.Классификация двигателей привода буровых установок

Вкачестве двигателей в приводах бурового оборудования используют электродвигатели переменного и постоянного тока, двигатели внутреннего сгорания, пневматические и газотурбинные. Тип двигателя определяется назначением и условиями эксплуатации буровой установки. Электродвигатели применяют при централизованном энергоснабжении. Основными преимуществами их являются экономичность, высокая перегрузочная способность, небольшая удельная масса, надежность и удобство обслуживания.

Асинхронные электродвигатели трехфазного тока широко используются в приводах установок геологоразведочного бурения. Основным типом является электродвигатель с короткозамкнутым ротором, имеющий наименьшую стоимость и наибольшую надежность. Двигатели с фазным ротором применяют при необходимости уменьшения пусковых токов или обеспечения плавного пуска. Синхронные электродвигатели в приводах небольшой мощности не используют по экономическим соображениям.

Асинхронные нерегулируемые электродвигатели имеют жесткую характеристику: диапазон регулирования R = 1,0…1,05, кратковременная (мгновенная) перегрузочная

10