Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ ПОГРЖЮГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК 14
1.1. Состояние и пути повышения эффективности бурения скважин погружными приводами электрооуров 14
1.2. Режимы бурения и энергетические показатели погружного электропривода 17
1.3. Средства получения информации о работе погружного электропривода 20
1.4. Управление погружным приводом электробуров 33
1.5. Цель и задачи исследования 43
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 47
2.1. Общая характеристика методики исследования 47
2.2. Объекты экспериментального исследования 49
2.3. Контроль технологических показателей бурения 57
2.4. Контроль энергетических показателей бурения . 63
2.5. Выводы 65
3. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОГРУЖНОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОБУРОВ 68
3.1. Передаточные функции погружного электропривода и скважинного токоподвода 68
3.2. Контроль напряжения на зажимах погружных двигателей электробуров 82
3.3. Контроль мощности, потребляемой погружным двигателем электробуров 96
3.4. Контроль крутящего момента и частоты вращения вала погружного двигателя электробура 108
3.5. Промысловые испытания устройств и системы контроля 126
3.6. Выводы 137
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ЭНЕРГЕТИКА ПОГРЖЮГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОБУРОВ 140
4.1. Износ шарошечного долота . 140
4.2. Влияние износа шарошечного долота на удельный расход электроэнергии и потребляемую мощность . 146
4.3. Взаимосвязь крутящего момента на валу погружного двигателя электробура с износом опор долота 159
4.4. Зависимость энергетических показателей погружного электропривода от осевой нагрузки на долото 163
4.5. Зависимость эффективности бурения от величины мощности на долоте в
4.6. Стабилизация мощности, подводимой к забою скважины 183
4.7. Выводы 196
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 198
ЛИТЕРАТУРА 201
ПРИЛОЖЕНИЯ 216
- Состояние и пути повышения эффективности бурения скважин погружными приводами электрооуров
- Объекты экспериментального исследования
- Передаточные функции погружного электропривода и скважинного токоподвода
- Влияние износа шарошечного долота на удельный расход электроэнергии и потребляемую мощность .
Введение к работе
Важной задачей одиннадцатой и последующих пятилеток является улучшение структуры топливно-энергетического баланса страны на основе добычи экономичных видов топлива, в частности,нефти и газа. Решение её связано не только с поисками и освоением новых месторождений, но и техническим перевооружением и эффективным использованием электрооборудования существующих, совершенствованием техники и технологии бурения скважин.
Руководствуясь решениями ХХУІ сьезда КПСС о повышении эффективности буровых работ [I], Центральный Комитет КПСС и Совет Министров постановлением от 12 марта 1981 года № 261 " 0 мерах по техническому перевооружению и улучшению организации буровых работ на нефть и газ" предусматривает в І98І-І985 годах и до 1990 года изготовление и расширение применения электробуров и комплектующего оборудования для бурения скважин, оснащение буровых предприятий совершенными техническими средствами, соответствующими лучшим отечественным и зарубежным образцам, внедрение прогрессивной технологии, обеспечивающей высокоэффективное использование современных видов оборудования, новых типов долот.
Наша страна занимает ведующее место в мире по использованию электрооборудования на буровых установках. Установленная мощность двигателей на современных буровых установках достигает 2000 кВт, а на установках для бурения сверхглубоких скважин 4000 4- 5000 кВт [54] . К числу важнейших видов электрооборудования относятся погружные приводы электробуров.
Применение электробуров позволяет осуществить более совершенную технологию бурению с полной автоматизацией процесса [115]. В последнее время большой интерес к электробурению проявляется во Франции, США, ФРГ, Японии и других странах, расширяется область применения электробуров в этих странах [62,115, 132,138] .
Наибольший экономический эффект дает применение электробуров при проводке наклонно направленных, разветвлённо горизонтальных скважин, глубоких и опорно-технологических скважин с использованием утяжеленных растворов и очисткой забоя газом или аэрированной жидкостью, а также при бурении алмазными долотами.
Известно, что срок службы погружных двигателей электробуров довольно низкий. Так для условий буровых Долинского управления буровых работ ПО "Укрнефть" оценка математического ожидания времени безотказной работы электробуров составляет 180 часов [106] . Малый срок службы двигателей электробуров обусловлен, наряду с другими факторами, характером их нагрузки, которая изменяется случайным образом, и, при ручном управлении,колеблется в широких пределах. Разница между значениями нагрузки на долото, измеренными на забое скважины и на поверхности, может достигнуть 50%, а иногда 350%[133]. Это приводит к частым "опрокидываниям" двигателя, а такой режим работы способствует ухудшению энергетических показателей электропривода, ускоренному старению изоляции обмоток, снижает производительность бурения, требует больших затрат средств на ремонт и значительного резерва электробуров.
Кроме того, на режим работы погружного электропривода при бурении скважин существенное влияние оказывает износ породораз-рушающего инструмента. Существующие средства управления электробурами не предусматривают коррекцию задания регулятору пода- чи долота, связанную с износом вооружения шарошечного долота, что приводит к недоиспользованию мощности погружного электродвигателя, к снижению эффективности бурения. В связи с этим дальнейшие исследования влияния износа шарошечного долота на энергетические показатели режима бурения электробурами, такие как ток нагрузки, активную мощность, момент на валу, а также взаимосвязей последних с параметрами режима являются важными. Малоизученность вышеизложенного объясняется отсутствием средств контроля износа долота в процессе бурения, мощности и момента на валу погружного электродвигателя, напряжения на его зажимах, частоты вращения вала. Существующие средства обладают значительной погрешностью и не пригодны для целей управления. Поэтому разработка новых и совершенствование существующих средств контроля является актуальной задачей, а их внедрение позволит в процессе бурения определять режим, при котором более полно будет использована мощность погружного электродвигателя[I15].
Вследствие случайного характера изменения буримости и аб-разивности пород и других причин, аналитическое описание процесса разрушения породы затруднительно, поэтому для оценки режимов работы электробуров при бурении скважин и выбора оптимальных, требуется экспериментальное получение непрерывной достоверной информации о быстро изменяющихся условиях проводки скважины. Применение в этом случае глубинных устройств связано с экономическими трудностями и сложностью передачи информации на поверхность. Наиболее приемлемы могут быть косвенные измерения режимных параметров и показателей, которые находят все большее использование у нас в стране [2, 55] и за рубежом [65, 79].
Опубликованные в литературе данные свидетельствуют об ин- - 7 -тенсивных поисках методов и средств контроля параметров и показателей режима бурения, энергетических показателей, об исследованиях влияния параметров режима бурения на показатели процесса и использовании мощности погружного электродвигателя [2, 3, 83, 115].
К настоящему времени наиболее полно исследовано влияние колебаний напряжения сети, осевой нагрузки на долото, частоты вращения вала погружного электродвигателя на показатели режима бурения, то есть тех величин, которые доступны для измерения наземными средствами [115].
Трудность получения информации о состоянии энергетики погружного электропривода при бурении скважины объясняется сложными условиями его работы. Уникальная конструкция двигателя электробура предопределена этими условиями, которые характеризуются: небольшим диаметром скважины; работой в потоке промывочной жидкости под высоким гидростатическим давлением; высокой температурой окружающей среды; передачей через электробур на долото значительной части веса колонны бурильных труб; сильными вибрациями с соответствующей динамикой осевой нагрузки; значительным удалением источника питания от двигателя [115].
Специфические условия работы погружных электродвигателей,-жесткие требования к конструкции и ограниченность их мощностей позволяют считать, что задача повышения эффективности бурения скважин электробурами за счет более полного использования мощности электродвигателя в научном и практическом отношении является важной и актуальной.
Одним из путей решения этой задачи может быть разработка научно обоснованной системы, стабилизирующей мощность на валу погружного электродвигателя, которая позволит в процессе буре- ния скважины определять уровень корректирующих сигналов задания регулятору подачи долота, и, в конечном итоге, будет способствовать увеличению мощности, доводимой до забоя, и снижению стоимости метра проходки скважины.
Совместным приказом Министерства геологии УССР, Министерства высшего и среднего специального образования УССР, Всесоюзного производственного объединения "Укргазпром" Министерства газовой промышленности СССР и производственного объединения "Укр-нефть" Министерства нефтяной промышленности СССР за Ш 238/251/ 145/290 от 14 июня 1978 года утвержден план основных направлений научно-исследовательских работ на 1978-1982 годы, в который включена тема: "Разработка, промышленные испытания и внедрение средств автоматического контроля относительного износа вооружения долота, абразивности горных пород, механической скорости проходки и момента на валу буровых механизмов". Данная диссертация выполнена в соответствии с этим планом и республиканской комплексной целевой научно-технической программой по решению научно-технической проблемы на 1980-1985 годы: "Разработать автоматизированные системы научных исследований и испытаний сложных объектов (АСНИ)" разделы: 0 3.03.03; И 2а; 01.02.01 /приказ Минвуза УССР № 189 от 28 апреля 198I года/.
Работа посвящена повышению эффективности бурения скважин электробуром посредством полного использования мощности погружного электрического привода. В связи с этим в ней решаются следующие основные задачи:
Разработка и внедрение методов и устройств контроля энергетических и технологических показателей при бурении скважин электробурами, анализ их метрологических характеристик.
Исследование взаимосвязей энергетических и технологи- ческих показателей бурения скважин с использованием погружного электропривода.
3. Разработка научно обоснованных рекомендаций по стабилизации мощности, подводимой к забою скважины.
В соответствии с поставленными задачами в диссертации установлена закономерность изменения во времени площади затупления шарошечного долота и характер влияния износа на энергетические показатели погружного привода электробура; впервые,на основе полученных экспериментальных данных, установлены корреляционные зависимости энергетических показателей с важнейшими технологическими параметрами режима бурения; исследовано влияние динамических свойств погружного электродвигателя и токо-подвода при бурении наклонно направленных скважин на точность контроля энергетических показателей наземными устройствами; подтверждена возможность автоматического контроля энергетических показателей режима путём обработки информации о потоке энергии, поступающей от силового трансформатора, установленного на поверхности, к скважинному электродвигателю; обоснованы методы контроля энергетических показателей при бурении электробурами; разработаны новые устройства контроля мощности и крутящего момента на валу погружного электродвигателя, частоты вращения вала, новизна и полезность которых подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения; обоснована необходимость автоматической стабилизации мощности на валу по мере износа вооружения шарошечного долота; установлена зависимость между количественной оценкой эффективности бурения и величиной мощности, доводомой до забоя скважины; предложена система стабилизации, имеющая более высокую статическую точность.
Автор на основании критического анализа современного сое- тояния энергетики погружного привода и выполненных исследований по использованию мощности двигателя электробура при бурении скважин представляет к защите:
Способ повышения эффективности бурения скважин электробурами, основанный на более полном использовании мощности погружного двигателя, за счет её стабилизации, путем изменения осевой нагрузки на долото по мере увеличения площади затупления шарошечного долота.
Метод и устройства для контроля энергетических показателей при бурении электробурами наклонно направленных скважин, обеспечивающих более высокую точность измерения, за счет коррекции погрешностей методом вспомогательных измерений.
Математические модели связей энергетических показателей погружного привода с износом шарошечного долота и осевой нагрузки на долото, адекватные исследуемому процессу.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении охарактеризовано современное состояние энергетики электробурения, дана оценка полноты использования мощности погружного двигателя при бурении наклонно направленных скважин, поставлена цель исследования, показана актуальность и научная новизна работы, обоснована необходимость её проведения.
Состояние и пути повышения эффективности бурения скважин погружными приводами электрооуров
Бурение скважин с использованием погружных электродвигателей обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими способами. Непосредственная связь электродвигателя с долотом улучшает технологию бурения и позволяет использовать рациональные режимы работы привода. При бурении скважин электробурами отсутствуют значительные механические усилия в колонне бурильных труб, которые при роторном способе порой достигают опасных значений. По мере роста глубины скважин увеличивается стоимость их проводки, поэтому становится все более желательным осуществить подвод энергии для разрушения породы непосредственно к долоту[139]. Использование забойного двигателя для вращения долота впервые предложено в 1873 году в США, где был выдан патент на забойный гидродвигатель[139, 140]. Забойный электрический аппарат для ударного бурения был впервые предложен В.И.Деловым в 1897 году [115, 57] . В дальнейшем, в результате плодотворных исследований советских и зарубежных учёных /И.Ф.Мухартов, Г.З. Налбандов, Н.К. Архангельский, А. Арутюнов / США /, Т.Я.Евсюков, С.И.Бедняков, М.М.Скворцов, Б.М.Плющ, А.М.Минин, К.А.Чефранов, А.А.Погарский, А.П.Островский, Н.В.Александров, Н.Г.Григорян, А.П.Ильский, Ф.Н.Фоменко, Форестер /США/ и др.[115, 17, 48, 59, 72, 127, 132] были созданы современные электробуры.
В отличие от турбобуров, работа электробуров непосредственно не зависит от качества и количества промывочной жидкости, что значительно расширяет возможности их применения при бурении с промывкой забоя скважины утяжеленными растворами. Для очистки забоя при бурении скважин электробурами количество промывочного агента в основном определяется условиями, необходимыми для выноса породы на поверхность. При этом требуемое количество промывочной жидкости значительно меньше, чем при турбинном способе, что существенно облегчает вес буровых установок, их транспортировку и монтаж, увеличивает срок службы бурильных труб, уменьшает расход металла.
Особенно очевидны преимущества бурения электробурами в сложных геологических условиях, при проводке наклонно направленных, разветвленно горизонтальных, опорно-технологических скважин с применением алмазных долот, продувкой забоя воздухом и промывкой аэрированной жидкостью. Технология бурения наклонно направленных скважин электробурами отработана и внедрена на промыслах Башкирии, Тюмени, Азербайджана, Туркмении, Куйбышевской области, Украины. Доказано [115], что такой способ бурения позволяет увеличить приток нефти в 10 раз, сократить общее число скважин и стоимость разработки месторождения.
При бурении скважин электробурами создаются благоприятные условия для автоматизации процесса и осуществления непрерывного контроля за режимами работы погружного электропривода. Сравнительно просто контролируется искривление скважины.
Объекты экспериментального исследования
По мере увеличения глубины скважин техника и технология бурения развивается преимущественно на основе использования погружных электродвигателей. Поэтому в качестве объекта исследования принят наиболее перспективный вид забойного агрегата -электробур, состоящий из маслонаполненного асинхронного корот-козамкнутого электродвигателя, шпинделя и непосредственно с ним соединенного долота. При электробурении применяются обычные буровые установки, дополненные электробурами, токоподводом, смонтированным внутри бурильных труб, силовым трансформатором, погружным электромагнитным контактором, токоприемником, станцией и пультом управления, регулятором подачи долота, а при необходимости - механизмом искривления, телеметрической системой, редуктором-вставкой, устройствами контроля изоляции и для отборки керна [42] . Диаметры современных электробуров 164 + 290 мм, длина 12,305 -г- 14,02 м, номинальная мощность 75-240 кВт, частота вращения 455 685 мин" . Буровой раствор пропускается через центральное отверстие в валах двигателя и шпинделя. Подвод электроэнергии к двигателю электробура осуществляется от силового трехобмоточного трансформатора ЖЕБ-630/6 (или от автономной дизель-электрической установки) через кольцевой токоприемник по системе "два провода-труба" (ДПТ).
Включение двигателя электробура производится погружным контактором, установленным в маслонаполненном контейнере над двигателем. Для управления двигателем электробура и защиты его аварийных режимов используется комплектное устройство УЭЗБ-65, позволяющее осуществлять пуск и остановку электробура, защиту от коротких замыканий в цепях двигателя и токоподвода, измерения тока, напряжения, мощности, подводимой к системе "токопод-вод-двигатель", сопротивления изоляции.
Подача долота возможна вручную или автоматически с помощью регулятора подачи АВТ-2, который стабилизирует либо активную составляющую тока статора электробура, либо осевую нагрузку на долото, или оба параметра одновременно.
Экспериментальные исследования свойств погружного привода электробура,влияния износа шарошечного долота и осевой нагрузки на энергетические показатели проводились на буровых Долин-ского управления буровых работ производственного объединения "Укрнефть", которые, вследствие большой сложности и разнообразия условий проводки, применяемой техники и технологии бурения скважин, могут служить моделью типового объекта буровых работ. В тектоническом отношении этот район расположен в пределах двух структурных элементов Карпат - Береговой скибы и Внутренней зоны Прикарпатского краевого прогиба, который представляет собой сложный сквадчатый комплекс и характеризуется сильной дис-лоцированностью, техническими нарушениями в виде сбросов и надвигов, многоэтажной складчатостью [28j .
Передаточные функции погружного электропривода и скважинного токоподвода
Токоподвод и двигатель электробура образуют канал, по которому происходит передача энергии от силового трансформатора, установленного на поверхности, к породоразрушающему инструменту. Энергетические процессы в силовой части электробура являются одновременно и информационными [29] .
Для исследования статических свойств погружного электропривода построены механические характеристики двигателя электробура (I), шарошечного долота 0 295,3 мм (2) и совместная механическая характеристика (3), приведенные на рис. 3.1. Механическая характеристика двигателя электробура построена по паспортным данным для электробура Э250-10 [42] , ( Мн = 3060 Нм, Ммакс -- 7000Нм, SH = 0,125, X -2,2, 0 н = 525 мин"1, Сдс -- 600 мин"1).
Величина критического скольжения, при котором двигатель развивает максимальный момент, определена по выражению [б,121]
Где S и - номинальное скольжение двигателя электробура; X = MMakC/)\/lH - кратность максимального момента; М кс , Мц максимальный и номинальный моменты двигателя электробура.
Так как при установлении зависимости между моментом и частотой вращения шарошечного долота все параметры, влияющие на процесс разрушения породы долотом, учесть невозможно, поэтому при построении механической характеристики долота учитывались лишь основные, оказывающие наиболее существенное влияние на величину момента [128] .
Механическая характеристика двигателя электробура, сравнительно жесткая в рабочей части, крутизна ее составляет 2,8%; механическая характеристика долота относится к категории нелинейно возрастающей [85] .
Влияние износа шарошечного долота на удельный расход электроэнергии и потребляемую мощность
Бурение скважин складывается из взаимно связанных операций: разрушения породы на забое скважины и износа долота. Установление общих закономерностей этих процессов и определение взаимосвязи между ними имеет существенное значение. Для оценки эффективной работы погружного привода важными являются исследования влияния износа долота и осевой нагрузки на удельный расход электроэнергии, потребляемую мощность и другие энергетические показатели процесса электробурения.
Известно [14, 20, 23, 34, 45, 84, III, 123] , что степень эффективности работы долот на забое скважины характеризуется, главным образом, интенсивностью изнашивания рабочих элементов, которая зависит от абразивных свойств породы, параметров режима бурения, износостойкости материала вооружения, конструктивных параметров долота и зубьев шарошек, температуры в зоне контакта их с забоем скважины и др.
В зависимости от режима бурения имеют место следующие изменения геометрической формы зубьев шарошечных долот [14] : с сохранением формы, близкой к клину, с заострением (при объемном разрушении малоабразивных пород или при бурении долотами с малой величиной коэффициента скольжения); с сохранением формы, близкой к клину, с некоторым затуплением вершины (при работе долот с большим дополнительным конусом шарошек в более крепких и абразивных породах, когда разрушение происходит за счет динамического воздействия зуба долота на породу с интенсивным износом набегающей грани зубьев); по плоскости, параллельной первоначальному затуплению (при бурении весьма крепких пород и большой величине коэффициента скольжения долота или при недостаточной осевой нагрузке).
Первые два вида износа зубьев часто встречаются в практике бурения глубоких скважин.
Исследования объемного износа долота [41] позволили получить уравнения, определяющие характер изменения износа долота во времени, который может быть как линейным, так и близким к экспоненциальному. При этом скорость объемного износа может быть постоянной, убывающей и возрастающей функциями времени. Отмечается, что линейный характер объемного износа долота во времени наблюдается наиболее часто.
Процесс износа вооружения шарошечного долота очень сложен и пока недостаточно изучен. По мнению многих исследователей [21, 117, 130] между осевой нагрузкой на долото и износом долота существует экспоненциальная зависимость, причем, при небольших нагрузках наблюдается линейный характер связи.
