УДК 621.311.4+621.31.005

Технічні науки / енергетика

к.т.н. Семенцова А.О.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

ПІДВИЩЕННЯ ККД ЗАГЛИБНОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА

В УМОВАХ ДОЛИНСЬКОЇ ЕКСПЕДИЦІЇ ПРИКАРПАТСЬКОГО УБР

Експериментальні дослідження, які проводились протягом багатьох років на бурових установках з електробурінням Долинської експедиції Прикарпатського УБР довели, що низький ККД заглибних електроприводів пояснюється не стільки конструктивними особливостями цього привода та його технічними характеристиками, скільки значною відносною похибкою визначення цього параметру. Це пов’язано з відсутністю ефективних засобів контролю потужності на валу заглибних електродвигунів, а також з великою похибкою існуючих, які не дозволяють визначити цей параметр в реальному часі. Отже, враховуючи те, що процес буріння глибоких свердловин на нафту і газ є стохастичним, то контроль активної потужності, що підводиться до системи «струмопідвід – двигун електробура» та контроль активної потужності на валу і потужності на долоті за реальним часом є актуальною задачею.

На даний час існуючі засоби контролю дозволяють отримувати інформацію за допомогою давача активної потужності, що встановлюються на поверхні. Цей засіб дає змогу контролювати активну потужність, яка підводиться на поверхні до системи «два проводи – труба – електродвигун» (ДПТ - ЕД).

Електропривід електробура є складною системою, що містить кабельний струмовідвід, заглибний контактор, лубрикатор, заглибний електродвигун, шпіндель, долото. Довжина цього струмопідводу змінюється в процесі буріння від 100 м до 5000-7000 м. Змінюється також температура в свердловині, температура і тиск бурового розчину. Тому величина активної потужності, що підводиться до обмотки статора заглибного електродвигуна відрізняється від потужності, яка підводиться на поверхні до системи «ДПТ - ЕД».

Відомо [1], що ККД електропривода є відношення потужності на валу до активної потужності, що підводиться до статора електродвигуна. Але для електроприводу електробура цю залежність можна визначити за формулою:

, (1)

де Р1 – активна потужність, що підводиться до системи «ДПТ - електродвигун», кВт;

- сума втрат потужності в струмовідводі, неробочого ходу, в двигуні, кВт;

Р_в - потужність на валу заглибного електродвигуна, кВт.

Слід відмітити, що втрати потужності в струмопідводі і втрати потужності неробочого ходу для електроприводу електробура є значними і деколи досягають 50%. Тому розробка засобів контролю потужності на валу заглибного електродвигуна або вдосконалення існуючих дозволять більш точно визначити ККД заглибних електродвигунів, а також визначати шляхи його підвищення.

Отже, ККД заглибного електроприводу, враховуючи (1), може бути визначено:

, (2)

де І_А, І_В, І_Т – струм навантаження системи «два приводи - труба», А;

r_k, r_T - питомий активний опір кабелю і труби, Ом/км;

r_дв,- активний опір обмотки статора електродвигуна, Ом;

ΔР_НХ – втрати потужності неробочого ходу, кВт;

l - довжина свердловини, км.

Для вдосконалення засобів контролю активної потужності і можливості використання їх для контролю потужності на валу заглибного двигуна пропонується метод непрямого вимірювання з введенням корегуючи ланцюгів, які дозволять врахувати втрати потужності в струмовідводі, двигуні і втрати неробочого ходу.

Вітчизняна промисловість випускає давачі активної потужності, що під’єднуються до вторинної обмотки трансформаторів струму і трансформаторів напруги. Вихідний сигнал цих давачів знаходиться в межах 0÷10В. Якщо використати сучасну елементну базу для реалізації корегуючих ланок, то це дозволить реалізувати алгоритм:

Р_в=Р1-ΔР_СП – ΔР_НХ – ΔР_дв , (3)

де ΔР_СП - втрати потужності в струмопідводі, кВт;

ΔР_дв – втрати потужності в двигуні, кВт.

Визначення втрат потужності в струмовідводі пропонується зробити за допомогою таких елементів: квадратор, пристрій множення, в яких здійснюється операція піднесення до квадрату струму і множення на опір, тобто на виході цих елементів отримаємо напругу в межах від 0÷10В, що пропорційна квадрату струму, і напругу, що пропорційна втратам потужності в струмопідводі,

U1=k1·I². (4)

U2=k2·I²r_кl. (5)

Отримання величини втрат потужності у заглибному електродвигуні здійснюється за допомогою елемента множення. Цей елемент дозволяє провести операцію множення квадрату струму на активний опір обмотки статора електродвигуна. Тоді вихідний сигнал цього елемента, що знаходиться в межах 0÷10В, пропорційний ΔР_дв:

U3=k3·I²r_дв. (5)

Важливим показником заглибного електроприводу є потужність на долоті, від величини якої залежить ефективність процесу руйнування породи на вибої свердловини. Цей показник визначається тоді, коли від потужності на валу заглибного електродвигуна відраховуються втрати потужності в шпінделі, тобто:

ΔР_дол..=Р_в-∑Р_шп. (7)

Якщо є змога отримати величину потужності на долоті аналітично або експериментально, то ККД заглибного електроприводу визначається

. (8)

Потужність на долоті в процесі буріння свердловин не є сталою величиною і, як правило, при постійному осьовому навантаженні її величина змінюється за рахунок зносу долота в зв’язку з чим зменшується ККД заглибного електроприводу та збільшується споживання електроенергії.

Тому разом з підвищенням точності контролю потужності на валу заглибного електроприводу в реальному часі, для підвищення ККД необхідно стабілізувати потужність на валу електродвигуна і на долоті. Це можливе шляхом створення системи стабілізації потужності на валу заглибного електроприводу із зворотніми зв’язками за струмом і швидкістю, яка передбачає безперервну зміну осьового навантаження під час буріння таким чином, щоб при зносі шарошок породоруйнівного інструменту потужність на долоті залишилась незмінною. Такий підхід є важливим етапом заощадження електроенергії для електробуріння.

Література

1. Семенцова А.О. Автоматизований електропривід в нафтогазовій промисловості. Навчальний посібник. - Івано-Франківськ: Факел, 2001. – 173 с.

2. Фоменко Ф.Н. Бурение скважин электробурами. – М.: Недра, 1974. – 260 с.