Тема№15. Привод буровых установок.
15.1. Назначение, классификация и основные требования
Современные буровые установки оснащены различными по назначению и мощности машинами и механизмами, действие которых обеспечивается соответствующим приводом, состоящим из двигателя, силовой передачи (трансмиссии) и аппаратуры управления. Тип привода, его компоновка и конструкция значительно влияют на технико-экономические показатели буровой установки, различают основной и вспомогательный приводы.
Основным является привод буровой лебедки, насосов и ротора. Мощность его достигает 6 тыс. кВт и более.
Вспомогательный привод предназначен для привода компрессоров, вибросит и глиномешалки, автомата подачи долота, масляных и подпорных насосов, агрегатов для механизации спуско-подъемных операций и других механизмов буровой установки. Суммарная мощность его не превышает 400 кВт. Следует отметить, что в связи с механизацией трудоемких работ в бурении состав вспомогательных механизмов за последние годы значительно расширился. Число двигателей, используемых в приводе вспомогательных механизмов, увеличилось вдвое и достигает 15—20 единиц.
В зависимости от используемых двигателей различают дизельные, газотурбинные и электрические приводы буровых установок.
Дизельные и газотурбинные приводы — автономные (независимые от промышленных энергосистем) — в отечественной практике используются в буровых установках для разведочного и эксплуатационного бурения в районах, отдаленных от промышленных электрических сетей. Освоение новых крупных нефтегазодобывающих районов на необжитых территориях страны потребовало значительного увеличения производства буровых установок с дизельным приводом. В США и других капиталистических странах буровые установки с дизельным приводом используют из-за их экономичности по сравнению с электрическим приводом, обусловленной высокой стоимостью электроэнергии, вырабатываемой частными компаниями.
Электрические приводы относятся к неавтономным, и их выбор предопределяется наличием и стоимостью потребления электроэнергии в районе бурения. Электропривод впервые был использован в отечественных буровых установках. Начало внедрения этих установок относится к 20-м годам и совпадает с периодом восстановления и перевооружения нефтяной промышленности в Азербайджане и Грозном, которые располагали достаточными ресурсами электроэнергии. Дальнейшему распространению электропривода способствовало строительство крупных гидроэлектрических, тепловых и атомных станций, а также создание единой энергосистемы европейской части СССР.
В настоящее время около половины выпускаемых отечественными заводами буровых установок снабжаются электрическим приводом. На их долю приходится примерно 60% годового объема бурения скважины. Развитию электропривода способствовало также создание автономных дизель-электрических и газотурбинных электростанций, работающих на жидком топливе, природном и попутном газах, добываемых в районе бурения. На базе автономных электрических станций переменного и постоянного тока в СССР и за рубежом изготовляют дизель-электрические и турбоэлектрические буровые установки, эффективно используемые для бурения скважин на суше и особенно на море.
По характеру распределения энергии различают групповые, индивидуальные и смешанные приводы.
В групповом приводе лебедка, насосы и ротор буровой установки через соответствующие передачи приводятся от общих двигателей. При этом уменьшаются число и установленная мощность двигателей. К недостаткам группового привода относятся его громоздкость и низкий к.п.д. вследствие большого числа силовых передач, связывающих двигатели с лебедкой, насосами и ротором. С учетом очередности работы буровых насосов, ротора и лебедки необходимым условием применимости группового привода является:
NH+NP
NЛ
где NH, NP, Nл — мощность соответственно насосов, ротора и лебедки.
Опыт и расчеты показывают, что этому требованию отвечают буровые установки для бурения скважин глубиной до 5 тыс. м. Групповой привод широко используется в дизельных буровых установках и реже в электрических.
В индивидуальном приводе лебедка, ротор и буровые насосы имеют собственные двигатели с более простыми передачами. Индивидуальный привод позволяет работать при наиболее выгодной частоте вращения, проводить быстрый пуск и торможение. Простые по конструкции и кинематической схеме передачи обеспечивают компактность буровой установки и сравнительно высокие значения к.п.д. привода. Индивидуальный привод преимущественно используется в электрических буровых установках.
Смешанный привод применяется, когда мощность дизельного группового привода оказывается недостаточной для работы второго бурового насоса. В этом случае лебедка, ротор и один из буровых насосов имеют групповой привод, а второй насос снабжается индивидуальным приводом. В электрических буровых установках распространен смешанный привод, в котором лебедка и ротор имеют групповой привод, а буровые насосы снабжаются индивидуальным приводом.
По числу двигателей различают однодвигательные и многодвигательные приводы. Дизельный групповой привод содержит до четырех параллельно установленных дизелей. Электрический групповой привод имеет два либо один электродвигатель. В электрических буровых установках лебедки имеют двухдвигательный либо однодвигательный индивидуальный привод. Буровые насосы и роторы обычно снабжаются однодвигательным индивидуальным приводом.
Многодвигательные приводы имеют более сложную конструкцию силовых передач, но надежны в эксплуатации, так как в случае отказа одного из двигателей машина не останавливается и действует от остающихся в работе двигателей. Наряду с этим многодвигательный привод экономичнее в эксплуатации, так как позволяет отключить часть двигателей при холостом вращении и других технологических операциях, не требующих затраты всей установленной мощности.
Вспомогательные механизмы буровой установки в основном имеют индивидуальный электрический привод, состоящий из асинхронного двигателя и механической передачи. Двигатели вспомогательных механизмов получают электроэнергию от промышленных сетей либо автономных дизель-электрических агрегатов переменного тока.
Пневмопривод, в котором энергия вырабатываемого компрессором сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию, используется в механизмах, расположенных вблизи устья скважины, где по требованиям пожаробезопасности применение электродвигателей запрещается. Он применяется для автоматического бурового ключа, клиновых захватов ротора, раскрепителей бурильных замков и для механизмов системы пневматического управления. Объемный гидропривод, положительно зарекомендовавший себя при опытно-промышленных испытаниях буровых установок с гидроподъемником и в приводе ротора, широкого распространения не имеет.
Силовые передачи привода предназначены для соединения двигателя с рабочей машиной и согласования их скоростей и вращающих моментов. В приводе буровых установок используются механические, гидродинамические и электрические передачи, различающиеся по принципу действия и преобразующим свойствам. Механические передачи используются в сочетании с гидродинамическими (гидротрансформаторы и гидромуфты) и электрическими (электромагнитные муфты), образуя соответственно гидромеханические и электромеханические передачи. В зависимости от типа двигателей и силовых передач, используемых в основном приводе, различают следующие разновидности буровых установок:
дизельные с механическими силовыми передачами (Уралмаш ЗД-76; БУ3000БД);
дизельные с гидромеханическими силовыми передачами (БУ5000ДГУ-1; БУ75Бр-70; БУ80БрД; БУ2500ДГУ);
электрические переменного тока с механическими силовыми передачами (Уралмаш 4Э-76; БУ3000ЭУК; БУ75БрЭ-70; БУ80БрЭ-1);
электрические переменного тока с электромеханической силовой передачей (БУ5000ЭУ);
электрические постоянного тока с механическими силовыми передачами (БУ15000; БУ6000ПЭМ; БУ5000ЭР, БУ6500ЭР; БУ2500ЭП);
дизель-электрические постоянного тока с механической силовой передачей (БУ5000ДЭР; БУ6500ДЭР);
газотурбинные с механическими силовыми передачами.
Привод буровых установок должен быть надежным и экономичным, безопасным и удобным в управлении, компактным и сравнительно небольшой удельной массы, транспортабельным и приспособленным для монтажа, эксплуатации и ремонта в отдаленных от баз производственного обслуживания полевых условиях. Мощность, диапазоны регулирования частоты вращения и вращающего момента выводного вала привода определяются нагрузками и режимом работы приводимых машин и механизмов. Выбранный привод должен обеспечить сочетание высокой производительности буровой установки с минимальной стоимостью 1 м проходки.