Под подачей долота понимают последовательное опускание верхней точки КБТ, осуществляемое в процессе разрушения породы. В установившемся режиме бурения скорость подачи долота должна быть равна скорости разбуривания породы. Если скорость подачи долота превосходит скорость разбуривания породы, то нагрузка на забой растет, что может повлечь за собой искривление ствола скважины или поломку бурильных труб. Если скорость подачи долота меньше скорости разбуривания, то нагрузка на забой уменьшается, что приводит к уменьшению скорости бурения.
При ручной подаче по показаниям приборов (амперметра в цепи статора бурового двигателя и индикатора веса) периодически растормаживают барабан лебедки, что приводит к подаче долота. Ручным способом весьма трудно получить плавную и равномерную подачу долота. Эта задача решается применением автоматических регуляторов подачи долота.
При использовании автоматических регуляторов долото подается на забой автоматически в зависимости от параметров, характеризующих режим бурения, например, давления на забой или тока статора бурового двигателя.
В зависимости от места расположения автоматические регуляторы подачи долота бывают наземными или глубинными (погружными).
Наземные автоматические регуляторы подачи по конструктивному признаку силового узла разделяют на электромашинные, гидравлические и фрикционные. Если конструкция силового узла позволяет только опускать КБТ с различной скоростью, то такие автоматические регуляторы называют пассивными. Если же имеется возможность не только опускать, но и поднимать КБТ, то такие регуляторы называют активными.
Электромашинные регуляторы подачи долота активного типа РПДЭ-7, РПДЭ-8, заменившие выпускаемые ранее с электроприводом по системе Г — Д регуляторы подачи долота типа РПДЭ-3, предназначены для поддержания режимов бурения скважин при турбинном и роторном бурении. Они входят в комплект серийных буровых установок последних выпусков (РПДЭ-7 для морских буровых установок). Регуляторы обеспечивают режим поддержания заданного значения нагрузки на долото (веса инструмента на крюке), т.е. основной режим, и режим поддержания заданного значения скорости подачи или подъема инструмента — вспомогательный режим. Регуляторы подачи долота РПДЭ-7 и РПДЭ-8 оснащены электроприводом по системе ТП — Д.
Объектом регулирования в автоматической системе подачи долота является буровой инструмент в соприкосновении с породой. Входной величиной для объекта регулирования служит скорость подачи, а выходной (регулируемой величиной) — нагрузка на долото.
В серийно выпускаемых регуляторах подачи электромашинного типа использован способ поддержания нагрузки на долото путем формирования скорости подачи как величины, пропорциональной рассогласованию между текущим и заданным значением нагрузки. При этом нагрузка на долото является разностью между полным весом КБТ и усилием на крюке.
Функциональная схема регулятора подачи долота типа РПДЭ-8 изображена на рис. 1, а. В зависимости от грузоподъемности спускоподъемного агрегата буровой установки могут применяться два исполнения измерительного узла датчика веса — упругое кольцо растяжения или чашечная мембрана. Диапазон измерения усилия на крюке 0 — 4000 кН, выходное напряжение датчика 0—10 В, погрешность измерения усилия на крюке ±1,5 %.
Разность между сигналом задания Uзв и сигналом Uв, поступающим от датчика веса воздействует на регулятор РВ, выходной сигнал которого в свою очередь является сигналом заданного значения ЭДС (в установившемся режиме сигналом заданного значения скорости подачи долота) регулятора
ЭДС РЭ.
Таким образом, изменение усилия на крюке при бурении приводит к изменению сигнала на выходе регулятора РВ, являющегося задающим сигналом для контура регулирования скорости подачи долота.
Система управления электроприводом состоит из двух контуров регулирования: внутренний контур регулирования тока включает в себя регулятор тока РТ, систему импульсно-фазового управления СИФУ, тиристорный преобразователь ТП и датчик тока ДТ; внешний контур регулирования ЭДС включает в себя регулятор ЭДС РЭ, контур регулирования тока и датчик ЭДС ДЭ. Сигнал, пропорциональный ЭДС двигателя, получают как разность сигналов датчиков напряжения ДН и тока ДТ.
Система автоматического регулирования нагрузки на долото работает по принципу отклонения. Отклонение нагрузки от заданного значения через систему управления электропривода изменяет скорость подачи долота и восстанавливает нагрузку на долото до заданного значения.
Реверсирование электродвигателя М производится переключателем SA, с помощью которого изменяется полярность на зажимах обмотки возбуждения LM. Стабилизация тока возбуждения осуществляется регулятором тока РТВ, который через систему импульсно-фазового управления СИФУ воздействует на тиристорный возбудитель ТВ. На вход регулятора РТВ поступает разность сигналов заданного тока возбуждения Uзтв и от датчика тока возбуждения ДТВ.
Для защиты электрических цепей от короткого замыкания используются автоматические выключатели QF.
В режиме динамического торможения якорь двигателя с помощью тиристора VS подключается на сопротивление R.
Рис. 1. Функциональная схема автоматического регулятора подачи долота (а); механические характеристики электропривода (б):
1 — бурильный инструмент; 2 — талевый канат; 3 — датчик веса; 4 — буровая вышка; 5 — барабан лебедки; 6 — передаточный механизм; 7 — редуктор; 8 — электродвигатель (М); U3B, Ux, U3n — сигналы соответственно задания веса, скорости, тока якоря, тока возбуждения
В системе управления предусмотрены также следующие виды защит:
защита тиристорного преобразователя от коммутационных перенапряжений;
быстродействующая защита от аварийных перегрузок по току;
защита от превышения максимально допустимой скорости приводного электродвигателя;
защита от перегрузки талевой системы буровой установки с помощью регулируемой системы ограничения стопорного тока электродвигателя.
Основные технические требования к электроприводу РПДЭ:
режим работы длительный с относительно спокойной нагрузкой;
пусковой момент должен быть достаточным для создания требуемого максимального усилия на крюке;
диапазон регулирования скорости от нуля до номинального значения, регулирование скорости в режиме постоянного момента;
электропривод реверсивный;
статизм механической характеристики не более 5—10 % от номинальной скорости.
К основным параметрам электропривода РПДЭ относятся установленная мощность привода и максимальная частота вращения, соответствующая максимальной скорости подачи КБТ — 80 — 90 м/ч. Совмещение функций регулятора подачи и аварийного привода, рассчитанного на подъем КБТ максимального веса со скоростью, достаточной для предотвращения осложнений в стволе скважины, приводит к тому, что параметры электропривода регулятора подачи долота выбираются не по основному, а по аварийному режиму.
Кроме того, электропривод регулятора подачи долота используется для подъема и кратковременного приложения максимальной нагрузки при монтаже и испытании буровой вышки.
На буровых установках в зависимости от максимальной грузоподъемности используются приводные электродвигатели РПДЭ мощностью 55, 75 и 90 кВт с номинальной частотой вращения 1000—1180 об/мин.
Основным оборудованием РПДЭ является электродвигатель и комплектное устройство управления (шкаф с силовым тиристорным преобразователем и системой управления). Для дистанционного управления регулятором подачи долота используется аппаратура, расположенная на пульте бурильщика.
Механические характеристики РПДЭ показаны на рис. 1, б. Они характеризуют зависимость скорости подачи vn (знак плюс соответствует подъему, минус — спуску КБТ) от момента сопротивления на валу делителя а . Принципиальной особенностью данной системы привода является то, что за счет действия КБТ знак статического момента на валу электродвигателя остается неизменным при подъеме и спуске КБТ. При подъеме КБТ электропривод работает в двигательном режиме (I квадрант), а при спуске в режиме рекуперации (IV квадрант). Направление скорости в этих двух квадрантах различно, полярность напряжения в якорной цепи тоже различна, а направление тока якоря остается неизменным. Такая особенность характерна для электроприводов грузоподъемных механизмов — так называемых «систем привода с протягивающим грузом». С учетом этого фактора силовая часть тиристорного преобразователя выполняется по наиболее простой нереверсивной схеме. Система электропривода РПДЭ обеспечивает регулирование скорости в требуемом диапазоне при всех рабочих нагрузках.
Техническая характеристика спускоподъемного агрегата буровой установки БУ-3900/225-ЭПК БМ с регулятором подачи долота
Расчетная глубина бурения, м....................................... 3900
Максимальная грузоподъемность, кН....................... 2250
Номинальная грузоподъемность, кН......................... 1350
Вес крюка, кН.................................................................... 63
Максимальный вес обсадной колонны, кН............ 2025
Оснастка талевой системы............................................ 5x6
Передаточное отношение талевой системы............ 10
Тип лебедки......................................................................... ЛБУ 3900
Расчетный диаметр барабана, мм............................... 642
Передаточное отношение лебедки:
высшей передачи......................................................... 2,586
низшей передачи......................................................... 4,952
КПД талевой системы..................................................... 0,878
Передаточное отношение механических передач
РПДЭ от двигателя к барабану.................................... 161
КПД механической передачи от двигателя РПДЭ
до барабана......................................................................... 0,813
Тип двигателя...................................................................... МПБ-65-1000-УХЛЗ
Номинальная мощность, кВт........................................ 65
Частота вращения, об/мин............................................ 1000
Номинальное напряжение, В........................................ 440
Номинальный ток, А....................................................... 160
Номинальный ток возбуждения, А............................ 15,7
Номинальный КПД.......................................................... 90,5
Опыт эксплуатации РПДЭ показал, что используемый в них способ регулирования дает удовлетворительные результаты при проходке относительно мягких однородных пород. При бурении твердых и неоднородных пород из-за наличия сложной динамической зависимости между нагрузкой на долото и механической скоростью подачи верхнего конца КБТ в системе управления могут возникать автоколебательные процессы. Кроме того, использование специального датчика веса на неподвижном конце талевого каната снижает надежность работы электропривода, обусловливает невысокую точность измерений и создает эксплуатационные неудобства из-за необходимости снятия датчика при замене каната с последующей тарировкой измерительных устройств.
Совершенствование способа формирования задающего воздействия регулирования осевой нагрузки на долото в процессе бурения и управления этим процессом применительно к электромашинным регуляторам может идти в направлении отказа от использования датчика веса и косвенной оценке регулируемого параметра по величине тока якоря исполнительного двигателя и математической модели процесса, а также создания прогнозирующих регуляторов. Техническая реализация таких регуляторов связана с использованием средств вычислительной техники.
Весьма перспективным для привода регулятора подачи долота является электропривод по системе ПЧ — АД с микропроцессорным управлением. Преимущества данной системы электропривода по сравнению с ТП — Д заключается в следующем:
в связи с сокращением на 40 — 50 % габаритов и массы электрооборудования уменьшается занимаемая площадь и улучшается компоновка оборудования буровой установки;
повышается примерно в 1,5 раза срок службы электрооборудования и сокращаются эксплуатационные расходы;
упрощается эксплуатация за счет применения средств самодиагностики и применения бесконтактной аппаратуры, не требующей постоянного ухода;
повышается качество управления за счет реализации преимуществ цифровых систем управления, которые позволяют обеспечить требуемый момент электродвигателя при нулевой скорости вращения; достичь предельные показатели в регулировании момента и частоты вращения, причем в большинстве случаев без внешней обратной связи (датчика веса, являющегося неточным и малонадежным элементом системы); обеспечить возможность сопряжения с системой автоматизации верхнего уровня и др.
Исследованиями установлено, что применение автоматических регуляторов подачи долота позволяет в результате поддержания постоянства заданной нагрузки на долото в режиме бурения увеличить стойкость долот на 6 % и механическую скорость бурения на 10 %. Кроме того, в результате автоматического управления и облегчения труда бурильщика дополнительно увеличиваются стойкость долот на 9 %, а механическая скорость бурения на 8 %.
Применение автоматических регуляторов подачи долота следует считать целесообразным на буровых установках всех типов и классов, поскольку они при относительно небольшой мощности и стоимости повышают производительность основного технологического процесса — механического бурения.