Энергетические показатели и повышение эффективности использования погружного электропривода при бурении скважин

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 ХХУ1 сьезда КПСС о повышении эффективности буровых работ [I], Центральный Комитет КПСС и Совет Министров постановлением от 12 марта 1981 года № 261 п 0 мерах по техническому перевооружению и улучшению организации буровых работ на нефть и газ" предусматривает в I98I-I985 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 * 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 [Юб]. 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 подачи 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[II5].

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 интенсивных 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, 1X5].

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 скважиныработой в потоке промывочной жидкости под высоким гидростатическим давлениемвысокой температурой окружающей средыпередачей через электробур на долото значительной части веса колонны бурильных трубсильными вибрациями с соответствующей динамикой осевой нагрузкизначительным 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 бурения 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 №№ 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:1. Разработка и внедрение методов и устройств контроля энергетических и технологических показателей при бурении скважин электробурами, анализ их метрологических характеристик.

2. Исследование взаимосвязей энергетических и технологических 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 электробуравпервые, на основе полученных экспериментальных данных, установлены корреляционные зависимости энергетических показателей с важнейшими технологическими параметрами режима буренияисследовано влияние динамических свойств погружного электродвигателя и токо-подвода при бурении наклонно направленных скважин на точность контроля энергетических показателей наземными устройствамиподтверждена возможность автоматического контроля энергетических показателей режима путём обработки информации о потоке энергии, поступающей от силового трансформатора, установленного на поверхности, к скважинному электродвигателюобоснованы методы контроля энергетических показателей при бурении электробурамиразработаны новые устройства контроля мощности и крутящего момента на валу погружного электродвигателя, частоты вращения вала, новизна и полезность которых подтверждена авторскими свидетельствами на изобретенияобоснована необходимость автоматической стабилизации мощности на валу по мере износа вооружения шарошечного долотаустановлена зависимость между количественной оценкой эффективности бурения и величиной мощности, доводомой до забоя скважиныпредложена система стабилизации, имеющая более высокую статическую точность.

Автор на основании критического анализа современного состояния энергетики погружного привода и выполненных исследований по использованию мощности двигателя электробура при бурении скважин представляет к защите:1. 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.

2. 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.

3. 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.

В главе «Современное состояние энергетики погружного электропривода буровых установок» дан анализ влияния режимов бурения на энергетические показатели привода и современных средств получения информации о работе электробуров, рассмотрены способы управления скважинным электроприводом, сформулированы задачи исследований.

В главе «Методика экспериментальных исследований» выбран объект экспериментальных исследований — буровые Долинского УБРno «Укрнефть» с электробурамиразработана методика проведения промысловых исследованийпредложена измерительная система, позволяющая получить необходимую для исследований непрерывную информацию об энергетических и технологических параметрах и показателях режима бурения.

В главе «Косвенные методы контроля энергетических показателей погружного привода электробуров» исследованы статические и динамические свойства двигателя электробура и скважинного то-коподвода, определены их передаточные функцииразработаны устройства для контроля величины напряжения на зажимах погружного электродвигателя, мощности и крутящего момента на его валу, частоты вращения валадана оценка точности их измеренийприведены результаты промысловых испытаний.

В главе «Технологические показатели и энергетика погружного привода электробуров» исследованы временные закономерности изменения площади затупления шарошечных долотисследовано влияние износа шарошечного долота на удельный расход электроэнергии, мощность, потребляемую погружным электродвигателем, и крутящий момент на его валуустановлены математические модели связей энергетических показателей с осевой нагрузкой на долото и многофакторные зависимостиустановлена зависимость между количественной оценкой эффективности бурения и мощностью на долотеобоснована необходимость стабилизации мощности на долоте при бурении скважинпредложен способ повышения статической точности системы стабилизации мощности на валу.

В заключении дана оценка результатов исследований, выполненных в соответствии с поставленной задачей и целью, указано, что работа завершена получением новых уравнений связи энергетических показателей погружного привода с износом долота иосевой нагрузкойизготовлением опытных образцов устройств для контроля величины крутящего момента на валу погружного электродвигателя и частоты вращения, защищенных авторскими свидетельствами №№ 465 568, 584 248, 678 352, промысловыми испытаниями их и внедрением в производстворазработкой устройств для контроля величины напряжения на зажимах погружного электродвигателя и мощности на его валу с удовлетворительными метрологическими характеристикамиразработкой способа повышения эффективности бурения скважин электробурами за счет более полного использования мощности погружного электродвигателяразработкой способа повышения статической точности системы стабилизации мощности на валу погружного электродвигателя.

В приложении приведены акты промысловых испытаний разработанных устройств, акты внедрения, методика поверки, утвержденная областной лабораторией госнадзора за стандартами (ОЛГН), таблицы, результаты обработки данных на ЭВМ, технико-экономические расчеты.

Работа выполнена в Ивано-Франковском институте нефти и газа на кафедре электроснабжения и электрооборудования под научным руководством профессора Свердловского ордена Трудового Красного Знамени горного института им. В. В. Вахрушева доктора технических наук А. Е. Тропа.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории автоматизированного электропривода кафедры электроснабжения и электрооборудования, на буровых установках Долинского УБР ПО «Укрнефть» и на испытательной станции Дрогобычского долотного завода.

В проведении экспериментальных исследований принимали участие инженеры А. Г. Бестелесный, Я. Р. Когуч, ассистент кафедрыавтоматизации производственных процессов М. И. Горбийчук, ассистент кафедры электроснабжения и электрооборудования А. А. Шаповал, за что автор выражает им благодарность.

Активное участие в проведении лабораторных исследований принимали студенты-дипломники Б. Р. Каповский, В. В. Гуйтин, Б.В.Га-ва, Е. А. Лесина и другие.

Автор признателен за оказанную помощь в организации промысловых исследований и практической реализации результатов его работы заместителю Генерального директора ПО «Укрнефть» A.П.Мельничуку, начальнику технического отдела ПО «Укрнефть» B.С.Сухану, начальнику Долинского УБР В. М. Дитчуку, главному технологу Долинского УБР И. И. Думину, главному энергетику Долинского УБР О. А. Турянскому и заместителю начальника отдела метрологии Дрогобычского долотного завода Ю. Г. Сенечко.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Установлена зависимость между количественной оценкой эффективности бурения и мощностью на долоте, которая имеет экспоненциальный характер.

2. Предложен способ более полного использования мощности погружного электродвигателя при бурении за счёт повышения точности системы стабилизации, содержащей устройство подачи долота, датчики мощности и крутящего момента на валу.

3. Установлены закономерности изменения во времени площади затупления шарошечного долота и удельных энергозатрат при бурении с постоянными параметрами режима бурения, которые имеют параболический характер. Показано, что увеличение площади затупления шарошечного долота при бурении с постоянными параметрами режима приводит к уменьшению удельной осевой нагрузки и мощности на долоте, к снижению эффективности бурения.

4. Получены устойчивые корреляционные зависимости энергетических и некоторых технологических параметров и показателей, позволяющие по изменению энергетических показателей определять состояние опор и вооружения шарошечного долота, осевую нагрузку при наклонно направленном бурении, предупреждать аварийные ситуации.

5. Получены многофакторные зависимости энергетических и технологических параметров и показателей, которые позволили установить, что на формирование мощности, потребляемой двигателем электробура, наибольшее влияние оказывают осевая нагрузка и момент на долоте.

6. Предложен способ получения информации о работе электробуров на забое скважины, путём обработки данных о потоке энергии, поступающей от силового трансформатора, установленного на поверхности, к погружному двигателю, позволяющий повысить точность контроля энергетических показателей при бурении.

7. Проведен анализ методов и технических средств контроля энергетических показателей погружного электропривода при бурении, средств управления им.

Предложены устройства контроля напряжения на зажимах погружного электродвигателя с коррекцией погрешностей, вызванных изменением длины токоподвода, температуры в скважине, несимметрией токов, имеющее погрешность — 2,5%, и устройство контроля мощности, потребляемой двигателем электробура, с автоматической коррекцией погрешности от потерь мощности в токоподводе, погрешность которого не превышает — 1,5%.

8. Разработаны алгоритмы функционирования и устройства контроля мощности и крутящего момента на валу погружного электродвигателя / а.с. 1Ь 465 568, а.с. № 678 352 /, частоты Ераще-ния вала / а.с. № 584 248 /, позволяющие улучшить технико-экономические показатели бурения. Погрешность измерения не превышает + 2,5%.

S. Разработано, изготовлено и испытано многофункциональное устройство, решающее задачу непрерывного контроля энергетических и некоторых технологических показателей и параметров при бурении вертикальных, наклонно направленных, разветвленно горизонтальных скважин, позволяющее оценивать состояние шарошечного долота при бурении, предупреждать аварийные ситуации, рекомендовать режим более полного использования мощности погружного электродвигателя.

Экономический эффект от внедрения устройств на буровых долинского УБР ПО «Укрнефть» составил 6 тыс. рублей на 3 тыс. метров проходки, на испытательной станции Дрогобычско-го долотного завода — 122,5 тыс. рублей в год и от опытно-промышленной эксплуатации на буровых ПО «Укрнефть» составит 34,1 тыс. рублей в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа посвящена повышению эффективности бурения скважин путём болееполного использования мощности погружного электродвигателя, что достигается стабилизацией её на валу при бурении. Проведенные исследования основаны на методах системного анализа и включают следующие основные этапы: анализ современных средств контроля параметров и показателей режима бурения и влияния технологических параметров на энергетические показатели погружного привода электробуровразработку методики исследований и новых средств контроля энергетических показателей погружного электропривода при буренииисследования взаимосвязей износа шарошечного долота с энергетическими показателями и последних с параметрами режимаисследование зависимости эффективности бурения от величины мощности, доводимой до забоя скважиныразработку рекомендаций по повышению точности системы стабилизации мощности на валу погружного электродвигателя.