1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Характеристики буровой установки БУ-2500ЭУ
Производство буровых установок БУ-2500 было начато в 1967г. БУ-2500 необходима, для бурения скважин роторным и турбинным способом при температуре от –40 до +50°С. Согласно ГОСТ 16293-70 название буровой расшифровывается, как Б – буровая; У – установка 2500 – глубина бурения.
В качестве главного привода используются три дизельных двигателя, либо электромотора по 350 кВт каждый. Крутящий момент от двигателей передается через редукторы или турботрансформаторы к цепному редуктору. Включение и отключение двигателей от цепного редуктора осуществляется посредством шинно-пневматических муфт. С цепного редуктора мощность может сниматься на буровую лебедку, ротор, воздушный компрессор, буровые насосы.
Вышка имеет А-образную конструкцию. Грузоподъемность – 160 т. Высота вышки – 44 м. номинальная длина свечи – 27 м.
Оборудование может использоваться разных модификаций, но как правило используется следующее:
– лебедка ЛБУ-750;
– буровые насосы УНБ-600;
– ротор Р-560;
– буровой ключ АКБ-ЗМ;
– компрессоры КТ-6;
– двигатели В2-450.
Транспортировка буровой установки осуществляется блоками, с помощью гусеничных тягачей. Буровая делится на следующие блоки: трансмиссионный, вышечный, силовой, энергетический и два насосных.
Рисунок 1. Буровая установка БУ-2500ЭУ
Буровая установка БУ-2500ЭУ предназначена для бурения эксплуатационных и разведочных скважин глубиной 2500 м при Весе 1 м бурильной трубы 300 Н
Установка состоит из вышечного, насосного, компрессорного блоков и циркуляционной системы. Основание вышечного блока предназначено для установки на нем вышки, буровой лебедки, ротора, коробки передач, электропривода лебедки и ротора, вспомогательной лебедки, ключа АКБ-ЗМ2, приспособления для крепления и перепуска неподвижного конца талевого каната. Масса блока 120 т.
Насосный блок включает в себя два насоса с электродвигателями МПЭ-500-500 3УХЛ3-М для привода насосов, станции управления электродвигателями и высоковольтное распределительное устройство всей буровой установки.
В компрессорный блок входят две компрессорные станции, пульт управления, воздухоосушитель и два воздухосборника.
Компрессорная установка предназначена для получения сжатого воздуха, осушки и очистки его и передачи по трубопроводам в систему пневматического управления буровой установки блока.
Таким образом, основное и вспомогательное оборудование буровой установки расположено на металлических основаниях и перевозится с точки на точку в собранном виде на специальных гусеничных тяжеловозах, что в значительной степени сокращает сроки монтажа установки. Крепления блоков между собой, элементов манифольда, трубопроводов на блоках и в местах стыковки имеют быстроразъемные соединения и компенсаторы длины. В отдельных случаях установка может разбираться и перевозиться универсальным транспортом.
Кинематическая схема установки обеспечивает простоту конструкции и быстрое управление механизмами. В соответствии с принятой схемой лебедка и ротор могут приводиться в движение от одного электродвигателя мощностью 550 кВт, через электромагнитную муфту ЭМС-750, цепную передачу и коробку передач. При отключении электроэнергии бурильные трубы на безопасную высоту можно поднимать при помощи аварийного вспомогательного привода, работающего от резервной дизельной электростанции (в условиях крайнего севера две ДЭС).
Лебедка и ротор имеют четыре прямые скорости от основного привода и по четыре прямые и обратные скорости от вспомогательного привода. Изменение скоростей лебедки производится путем переключения муфт ШПМ-700 и кулачковой муфты коробки перемены передач. Барабан лебедки включается с помощью муфты ШПМ-1070, расположенной у пульта бурильщика.
Буровые насосы, компрессоры, вибросита, вспомогательная лебедка, имеют самостоятельные индивидуальные приводы.
На данной буровой установке источником питания является дизельная электростанция.
Вторым (резервным) независимым источником является тоже дизельная электростанция, имеющая достаточную мощность для проведения аварийных работ (аварийный подъем бурильной колонны и т.п.).
Для производства работ в ночное время на буровой установке предусматривается электрическое освещение светильниками. Осветительная сеть – на напряжение 220 В переменного тока.
Светильники оборудованы специальными амортизаторами для предотвращения повреждения нити при вибрации светильников.
Питание линии освещения осуществляется от автоматических выключателей, установленных в шкафу управления вспомогательными механизмами. Для непосредственного подключения светильников на металлоконструкции устанавливаются соединительные коробки.
1.2. Описание существующей системы буровой лебедки буровой установки БУ-2500ЭУ, их недостатки, предпосылки к модернизации
Буровая лебедка — основной механизм подъёмной системы буровой установки. Она предназначена для проведения следующих операций:
1. Спуска и подъёма бурильных и обсадных труб;
2. Удержания колонны труб на весу в процессе бурения или промывки скважины;
3. При подъёме бурильной колонны и труб при наращивании;
4. Передачи вращения ротору; свинчивания и развинчивания труб;
5. Вспомогательных работ по подтаскиванию в буровую инструмента, оборудования, труб и др;
6. Подъёма собранной вышки в вертикальное положение.
Буровая лебедка состоит из сварной рамы, где установлены:
1. Подъёмный и трансмиссионный вал. На подъёмном валу устанавливается барабан, где закреплён и хранится талевый канат;
2. Мотор;
3. Коробка передач;
4. Кабельный барабан;
5. Тормозная система, состоящая из основного (ленточного) тормоза и вспомогательного (регулирующего) тормоза;
6. Пульт управления.
Отечественные буровые лебёдки можно разделить на два типа:
- Лебёдка со всеми компонентами монтируется на одной раме. Один главный вал лебёдки приводится в движение цепной трансмиссией от коробки передач.
- Лебёдка двухвальная или трёхвальная. Лебёдка и коробка передач совмещены в один узел. Этот тип лебёдок встречается редко.
Схема буровой установки БУ-2500ЭУ с лебедкой изображена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема буровой установки БУ-2500ЭУ с лебедкой
Условные обозначения: 1 – долото; 2 – турбобур; 3 – бурильная труба; 4 – бурильный замок; 5 – лебедка; 6 – двигатели лебедки и ротора; 7 – вертлюг; 8 – талевый канат; 9 – талевый блок; 10 – крюк; 11 – буровой шланг; 12 – ведущая труба; 13 – ротор; 14 – вышка; 15 – желоба; 16 – обвязка насоса; 17 – буровой насос; 18 – двигатель насоса; 19 – приемный резервуар.
В буровых технологических установках применяются электродвигатели постоянного тока ДПТ (буровые установки), синхронные двигатели (СД) и асинхронные двигатели (АД) (насосные и компрессорные установки, буровые установки, станки-качалки, установки с электроцентробежными насосами (ЭЦН)).
Выбор ЭД по принципу действия (АД или СД) выполняют, учитывая пусковые и нагрузочные режимы, условия обслуживания, требования к стабильности частоты вращения и режим потребления реактивной мощности на предприятии. По первым двум факторам преимущество имеют АД, по двум другим – СД.
Сравнительные характеристики АД и СД.
По сравнению с АД СД имеют следующие преимущества:
1. Возможность регулирования значения и изменения знака реактивной мощности.
2. СД может работать с коэффициентом мощности равным единице. КПД СД на 1…3 % выше, чем у АД той же мощности. Это объясняется тем, что электрические потери в стали и в обмотке статора у СД меньше, чем у АД.
3. Наличие относительно большого воздушного зазора (в 2-4 раза больше, чем у АД) повышает надежность эксплуатации при перегрузках двигателя.
4. Частота вращения СД на 2…5 % выше, чем у АД, что обеспечивает более высокую производительность механизма.
5. Момент, развиваемый СД, прямо пропорционален напряжению сети (M~U).
Уменьшение максимального момента СД из-за понижения напряжения сети может быть компенсировано форсированием его тока возбуждения.
6. СД могут быть изготовлены на низкую номинальную частоту вращения, что устраняет дополнительные механические передачи.
К преимуществам АД по сравнению с СД относятся:
1. Простота конструкции и процедуры пуска, менее квалифицированное обслуживание.
2. Лучшая управляемость в аварийных режимах, связанных с провалами напряжения в сети электроснабжения, не требуется средств для обеспечения гашения поля.
3. Приспособлены для работы во взрывоопасных и сырых помещениях.
4. Более простая система самозапуска.
5. СД подпитывает место КЗ более продолжительное время.
Преимущества АД в наибольшей степени проявляются в электроприводах малой и средней мощности. Преимущества СД в наибольшей степени проявляются при больших мощностях электропривода. В электроприводах большой мощности АД эффективны на производстве со сложными непрерывными технологиями, где возможны частые возмущения в системе электроснабжения.
В нефтяной и газовой промышленности в качестве привода лебедок буровых установок применяются АД с фазным ротором АКЗ, АКБ, АЗ, АКСБ (К – крановый; З – защищенный от влаги и пыли; Б – имеют повышенную механическую прочность).
На промысловых газовых компрессорных станциях с поршневыми компрессорами используются АД с КЗ ротором серии ВАО (ВАО2) во взрывонепроницаемом исполнении, а также синхронные двигатели серии СДКП, продуваемые (П) под избыточным давлением.
Асинхронные двигатели серии 4А, 5А, АИР (с короткозамкнутым ротором с повышенным пусковым моментом) используются на станках-качалках.
Погружные ЭД с короткозамкнутым ротором (ПЭД) используются на установках добычи нефти с электроцентробежными насосами.
На буровых установках применяются также синхронные двигатели: СДЗ, СДБ, СДЗБ, СДБО. Буква О означает бесщеточную систему возбуждения.
Бесщеточная система возбуждения заключается в том, что возбудитель представляет собой генератор переменного тока, обмотка возбуждения которого укреплена на статоре и запитана постоянным током. Трехфазная обмотка возбудителя расположена на роторе. При вращении двигателя в обмотке ротора возбудителя наводится трехфазная ЭДС, которая с помощью выпрямителя выпрямляется и подается на обмотку возбуждения СД, расположенную на роторе.
Для привода центробежных газовых компрессоров применяются СД на 6 и 10 кВ серии СТДП во взрывозащищенном исполнении с принудительной системой вентиляции.
Взрывозащищенные синхронные трехфазные двигатели СТДП также применяются на нефтеперекачивающих станциях и компрессорных станциях магистральных газопроводов. Используются и синхронные двигатели СТД без взрывозащиты, которые устанавливаются за пределами насосных и компрессорных станций.
Для электроприводов буровых насосов, лебедки и ротора на постоянном токе разработаны электродвигатели в буровом исполнении:
- серии МПЭ мощностью 500 и 560 кВт (для установок БУ-2500 и БУ-2900);
- серии 4ПС мощностью 750 кВт и 1000 кВт (для установок БУ-5000 и БУ-6500);
- серии 4ПМ (750 кВт и 1000 кВт) в морском взрывозащищенном исполнении с двухконтурным воздушно-водяным охлаждением для морских буровых установок.
При проектировании электроприводов технологических установок решаются вопросы выбора электродвигателей по виду, типу и мощности. При эксплуатации приводов замена малозагруженных электродвигателей на двигатели меньшей мощности целесообразна по энергосбережению при средней нагрузке двигателя менее 40 % номинальной мощности, а при загрузке более 70 % замена двигателя экономически нецелесообразна.
Так же стоит отметить, что в буровых установках, рассчитанных на небольшие глубины бурения и ранних лет выпуска, применяется групповой электропривод лебедки и ротора. При этом приводные двигатели при роторном бурении оказываются недогруженными, так как приводная мощность лебедки больше приводной мощности ротора.
2. РАСЧЕТЫ НЕЗАВИСИМЫХ СИСТЕМ
2.1. Расчет механической системы лебедки
Буровые лебедки предназначены для спуска, наращивания и подъема бурильного инструмента и спуска обсадных труб. При использовании буровых установок с роторным вращателем их применяют для регулирования подачи бурового инструмента на забой, передачи вращения ротору, свинчивания и развинчивания труб; вспомогательных работ по подтаскиванию в буровую инструмента, труб и др., а также подъема собранной вышки в вертикальное положение.
