Дипломная (вкр): Монтаж буровых установок, строительство скважин (бурение), ремонт скважин и транспортное обеспечение

Электропривод оказался привлекательным, для буровой установки благодаря таким преимуществам, как упрощение механической трансмиссии, снижение затрат на её содержание и ремонт, низкая стоимость эксплуатации электродвигателей, простота подвода электроэнергии к буровой установке и её не высокая стоимость. Этими достоинствами отличались уже первые, самые простые нерегулируемые электроприводы переменного привода.

На территории бывшего СССР, электропривод применялся в основном в районах с широко развитыми сетями промышленного электроснабжения, (Азербайджан, Северный Кавказ, Татарстан, Западная Сибирь ). Однако с появлением транспортабельных дизельных электростанций для автономного электропитания буровых установок проблема была решена, и дизель - электрические установки стали альтернативой дизель - механическим.

Развитие электропривода привело к использованию в буровых установках регулируемых приводов на базе двигателей переменного тока. Глубокое регулирование этих двигателей и адаптация их характеристик к технологическим режимам работы лебёдки, ротора и буровых насосов заметно повысили скорости проходки, снизили аварийность при бурении скважин и положительно сказались на эффективности всего процесса буровых работ.

Исследование объёмов производства бурового оборудования и состояние парка буровых установок по видам привода как в бывшем СССР, так и в современной России и за рубежом (США) свидетельствуют о тенденции к повышению объёмов использования электропривода в бурении.

Объяснить этот процесс можно, сопоставив показатели механического и электрического приводов (см. табл. 1). Примечательно, что переход на рыночные формы хозяйствования в России, существенно повысив значимость экономических факторов, способствовал ещё большему спросу на буровое оборудование с электроприводом.

Таблица1 Относительная оценка показателей механических и электрических приводов.

Доля выпускаемых Уралмашзаводом буровых установок с электроприводом с начала освоения их производства в 1956г. с некоторыми колебаниями непрерывно нарастала. Если в начале она составляла 13,7% от общего количества установок (другую часть составляли установки с дизельным приводом ), то в 1985 - 1986 гг. доля буровых установок с электроприводом превысила 50%. В последние годы нефтяные компании России, обновляя парки бурового оборудования, всё больше ориентируются на установки с электрическим приводом. В результате доля буровых установок этого типа, заказанных нефтяными компаниями России, в общем объёме заказов в последнее время превысила 70%.

В США и других странах использованию электропривода в буровых установках препятствовало частное владение источниками централизованного энергоснабжения. Буровые подрядчики стремились к независимости от энергетических компаний и долгое время использовали только механические приводы. Однако с освоением в начале 60- х годов прошлого столетия производства буровых установок с электроприводом их число в общем парке стало быстро расти. Уже в 1970г. такие установки составляли заметную величину, а через 16 лет их доля существенно возросла. Так, число установок с электроприводом при бурении в диапазоне 4400 - 5500 метров выросло в 6,22 раза , свыше 5500 метров в 2,2 раза. Этот процесс коснулся и установок для не глубокого и среднего бурения (2600 - 3350 метров, 3350 - 4400 метров), где использование установок с электроприводом увеличилось также в 2 раза. В настоящее время результаты переписи парка буровых установок США свидетельствует о ежегодном росте числа буровых установок с электроприводом и уменьшении числа с механическим приводом.

Так, в 2000 году по с равнению с 1998 годом парк установок с электроприводом увеличился на 4,6 %, а с механическим уменьшился на 9,6 %. Общее число установок с электроприводом в 2000г. составило 520 единиц, или 31,8 %. Причём пополнение парка происходит не только за счёт приобретения новых установок, но и за счёт замены механического привода электрическим на имеющихся буровых.

Уже несколько десятилетий электропривод и связанные с ним системы управления и автоматизации представляют собой динамично развивающуюся область техники. Достижения в этой отрасли используются при создании различных видов техники, в том числе и буровых установок. Ведущие западные компании приступили к производству электроприводов на базе асинхронных двигателей переменного тока с частотным регулированием скорости. Об использовании таких приводов в буровом оборудовании уже заявили такие известные в нефтяной отрасли машиностроительные компании, как «Нэшнл - Ойлвелл» (США), «Дрико» (Канада) и другие. Совершенствуются системы автоматизации электропривода за счёт использования микропроцессорной техники. Аналогичные процессы происходят и в отечественном нефтяном машиностроении.

2. Схема электроснабжения буровой установки

.1 Описание существующей схемы электроснабжения

В конструкции буровой установка БУ 3Д-86 для привода основных механизмов (буровые насосы, буровая лебёдка, ротор) используются двигатели внутреннего сгорания. Система электроснабжения установки служит для подвода электрической энергии маломощным вспомогательным механизмам (вибросита, перемешиватели, дегазатор, вентилляторы и т.д.), освещения прилегающей территории, электроснабжения рабочего посёлка при буровой установке. В связи с необходимостью эксплуатации установки в труднодоступных местностях, удалённых от электрических сетей энергосистем, система электроснабжения буровой установки является автономной. В системе электроснабжения используется один уровень напряжения - 380 В.

Источником питания является дизельная электростанция, состоящая из трёх дизель-генераторов мощностью по 200 кВт каждый номинальным напряжением 380 В. Два дизель-генератора обеспечивают работу буровой установки и электроснабжение рабочего посёлка. Третий дизель-генератор - резервный, включается при ремонте или выходе из строя одного из основных дизель-генераторов.

Распределительная сеть выполнена кабелями марки …. Имеется 5 распределительных щитов, к которым подключена следующая нагрузка:

·   РЩ-1:

·        РЩ-2: Освещение МНО, вибросита, электротельфер, котельная, перемешиватели.

·        РЩ-3: БПР №2, насосы системы охлаждения, дегазаторы, вентиляторы, водонасосная, ФСМ №1, ФСМ №2, центрифуга №2, ВШН, ГШН.

·        РЩ-4: пескоотделитель «Халко», илоотделитель «Халко», перекачка «Халко», БПР «Халко», центрифуга.

·        РЩ-5: буровая вышка: освещение буровой, освещение пространства под буровой, освещение юбки, освещение трёхдизельной установки, сварочный трансформатор, каротажный пост, ВШН, компрессор.

Для защиты питающих кабелей и электроприёмников используются автоматические выключатели. Для электроприёмников применяются автоматические выключатели типов АЕ, для питающих кабелей - SGDA.

В случае реконструкции буровой установки, предусматривающей отказ от использования дизельных двигателей для привода буровых насосов, ротора и буровой лебёдки с установкой электропривода этих механизмов, существующая схема электроснабжения буровой установки не может быть использована. Причина заключается в отсутствии возможностей для подключения мощных электроприёмников, недостаточных сечениях питающих кабелей, недостаточной мощности дизельной электростанции. Так, существующая система электроснабжения обеспечивает максимальную мощность 500 кВт, из которых 200 кВт приходится на рабочий посёлок, 300 кВт - на буровую установку и сопутствующие механизмы. Мощность на приводном валу буровой лебёдки составляет 690 кВт, буровых насосов - по 600 кВт, ротора - 530 кВт.

3. Системы привода ротора, буровой лебёдки и бурового насоса

.1 Описание существующей системы привода

Привод ротора и буровой лебёдки осуществляется от трёх дизельных двигателей Wola-H мощностью 350 л/с каждый через коробку передач. Частота вращения вала двигателей составляет 800 - 1600 об/мин. Передаточные числа и частоты вращения выходного вала привода ротора приведены в таблице 3.1, буровой лебёдки - в таблице 3.2. Передача вращающего момента с выходного вала коробки передач на валы ротора и лебёдки осуществляется с помощью цепных передач 2Н-50,8.

В оборудовании буровой установки имеется два буровых насоса. Привод каждого из них осуществляется от двух дизельных двигателей Wola-H мощностью 350 л/с каждый через цилиндрическую косозубую передачу с передаточным числом 4,92 (123/25). Буровые насосы могут включаться как по одиночке (на начальном этапе бурения, при подъёме инструмента), так и совместно. Синхронизация буровых насосов при использовании такого типа привода представляет собой отдельную проблему: зачастую после пуска двигатели одного из насосов останавливаются, что приводит к невозможности дальнейшего бурения до повторного запуска насоса.

Применение привода буровых насосов, буровой лебёдки и ротора от ДВС значительно ухудшает эксплуатационные показатели буровой установки. По сравнению с установками, оборудованными электроприводом основных механизмов, установка БУ 3Д-86 обладает меньшей надёжностью, имеет гораздо более низкую степень автоматизации основных процессов. Наличие большого количества дизельных двигателей является причиной дополнительных эксплуатационных затрат, поскольку дизельные двигатели по сравнению с электродвигателями больше нуждаются в обслуживании.

3.2 Реконструкция привода основных механизмов буровой установки

Для того, чтобы справиться с недостатками, присущими используемой в настоящее время системе привода от дизельных двигателей, следует провести реконструкцию буровой установки с заменой системы привода буровой лебёдки, буровых насосов и ротора на частотно-управляемый асинхронный электропривод.

Условия работы электроприводов в нефтедобывающей отрасли характеризуются отраслевой спецификой [1]. Специфичность заключается в большой мощности электроприводов, их питании по временным линиям электропередачи либо от автономных источников, больших динамических нагрузках электроприводов и механизмов, частой работе механизмов на упор, необходимости обеспечения высокой надёжности и безопасности. Для буровых установок характерны наиболее сложные в нефтяной и газовой промышленности системы электропривода.

Электрооборудование буровой установки размещается на открытой площадке или в неотапливаемом помещении временного типа (климатическое исполнение - У, ХЛ; категории размещения - 1 и 2). Длительность использования основных механизмов в рабочих режимах составляет до 2500 ч в год. Переодически проводятся демонтаж, транспортировка и монтаж оборудования в составе крупных блоков или поагрегатно.

Переход на электропривод основного оборудования буровой установки позволит улучшить эксплуатационные показатели установки: повысить надёжность, снизить время простоя при ремонтах, упростить текущее обслуживание, а также станет основой внедрения автоматизированной системы управления процессом бурения.

3.3 Выбор системы привода ротора, буровых насосов и буровой лебёдки

Для буровых станков предпочтителен электропривод с асинхронных короткозамкнутым электродвигателем и частотным управлением с преобразователем типа инвертора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-инвертора)[1].

Главные электроприводы буровой установки работают не одновременно: в основных рабочих режимах действуют буровые насосы и ротор (режим бурения) или буровая лебёдка в режиме спускоподъёмных операций. Мощность, потребляемая электроприводами, в большей мере зависит от текущей глубины бурения. С учётом этого мощность главных электроприводов следует выбирать так, чтобы максимальные мощности в режиме бурения и режиме спуско-подъёмных операций были одного порядка и не превышали мощность источников энергии.

Необходимая мощность привода бурового насоса при разных методах бурения различна. Поскольку каждая буровая установка должна обеспечивать возможность бурения любым из указанных методов, мощность выбирают исходя из условий турбинного бурения, поскольку для роторного бурения требуется меньшая мощность. Мощность бурового насоса составляет 600 кВт, максимальная частота вращения вала привода - 1500 об/мин. Буровые насосы представляют собой насосы поршневого типа. Мощность двигателя определяется для основного расчётного режима, соответствующему наибольшему давлению насоса.

Буровой ротор предназначен для приведения во вращение колонны бурильных труб. При роторном бурении это необходимо для непосредственного вращения долота, при турбинном - для вспомогательных целей. Условия работы электропривода ротора буровой установки требуют использования взрывозащищённого электрооборудования [10]. Выбор вида привода и его характеристик выполняют с учётом следующих требований и технологических условий работы:

1.      Привод ротора должен быть реверсивным.

2.      В основных рабочих режимах ротор должен вращаться в одном (прямом) направлении, обратное направление необходимо только в некоторых вспомогательных режимах, поэтому допустим реверс с применением оперативных переключений с кратковременным перерывом питания.

.        Режим работы - длительный, момент нагрузки может быть постоянным или колебаться в некоторых пределах, вплоть до максимального.

.        При регулировании частоты вращения ниже номинальной привод должен привод должен обеспечивать возможность длительной работы при номинальном моменте нагрузки, при регулировании частоты выше номинальной - при постоянной номинальной мощности, однако привод ротора работает при меньших моменте и мощности, в связи с чем автоматическое обеспечение указанных условий не требуется.

.        Требуемый статизм механической характеристики в пределах номинальной нагрузки должен быть не более 5... 10 % номинальной частоты вращения;

.        Требования к плавности регулирования частоты вращения зависят от расчетной глубины бурения (плавное регулирование необходимо на установках глубокого бурения, а на прочих установках допустимо ступенчатое изменение частоты вращения);

.        Специфическим является требование ограничения момента инерции привода. Ротор приводит во вращение длинную упругую колонну труб. Для уменьшения динамических нагрузок в трубах при заклинивании долота привод должен иметь возможно меньший момент инерции.

В зависимости от класса буровой установки для привода ротора рекомендуется применять: для установок глубокого и сверхглубокого бурения - глубоко регулируемый электропривод ротора; для прочих буровых установок - нерегулируемый электропривод со ступенчатым изменением частоты вращения ротора с помощью механической коробки передач; возможно также применение группового привода ротора от трансмиссии буровой лебедки.

Буровая лебедка предназначена для подъема и спуска бурильной колонны, производимых периодически для замены породоразрушающего долота. Мощность на валу буровой лебёдки составляет 690 кВт. Вид привода и его характеристики должны выбираться с учетом следующих требований и технологических особенностей работы лебедки в режиме подъема:

Режим работы привода - повторно-кратковременный. При подъеме колонну делят на отдельные отрезки - свечи длиной 25 ... 37,5 м каждая, которые поднимают последовательно одну за другой с перерывами, необходимыми для выполнения вспомогательных операций. Относительная продолжительность включения составляет в среднем 30...40%, длительность одного цикла 1,5... 3 мин. Перегрузка двигателя по току в рабочем периоде принимается обычно равной 1,2... 1,3 номинального тока;