Буровые насосы (БН) в случае роторного бурения служат для создания потока промывочной жидкости (бурового рас­твора) через вертлюг, бурильные трубы к забою скважины и
через затрубное пространство к устью скважины. При этом поток жидкости способствует разрушению породы на забое и обеспечивает вынос на поверхность частиц разбуренной породы. При применении гидравлических забойных двигате­лей (турбобур, винтовой двигатель) промывочная жидкость служит рабочим агентом для вращения забойного двигателя.

Основными параметрами, определяющими режим работы БН, являются давление на его выходе и подача — количество жидкости, подаваемое в единицу времени.

Давление на выходе БН при работе на некоторую гидрав­лическую систему определяется по формуле

(6.2)

Р = кО2,

где р - давление на выходе БН, МПа; к — коэффициент, ха­рактеризующий общее сопротивление гидравлической систе­мы; О - подача (производительность, расход), л/с.

Значение подачи раствора О выбирается технологиче­скими службами с учетом конкретных условий. Для нормаль­ной очистки забоя и подъема частиц разбуренной породы на поверхность подача должна быть тем большей, чем больше площадь забоя.

Гидравлическую Рг и приведенную Рп мощность бурового насоса определяют соответственно по формулам

(6.3)

Рт = рО; Ра = рО/г,

где г] = 0,9+0,92 — КПД, учитывающий гидравлические и ме­ханические потери в БН. Единицы физических величин О и р те же, что и в формуле (6.2). При этом мощность будет по­лучена в кВт.

Сопоставив выражения (6.2) и (6.3), нетрудно убедиться, что при постоянных параметрах гидравлической системы и переменной подаче жидкости, гидравлическая мощность про­порциональна подаче в третьей степени, т. е. возрастает весь­ма интенсивно.

Требуемая мощность БН при различных условиях в сква­жине и методах бурения различна. Поскольку каждая уста­новка должна обеспечивать бурение как роторным, так и тур­бинным способом, мощность БН выбирается из условий турбинного бурения, где требуется наибольшая мощность. На серийных буровых установках различных классов номиналь­ная приводная мощность одного БН составляет от 300 до 950 кВт, а на уникальных установках до 1180 кВт и более. Номи­нальная частота вращения привода выбирается в пределах от
500 до 1000 об/мин. На серийных установках устанавливает­ся, как правило, два, а на уникальных и морских установ­ках — три насоса.

В отечественной практике для БН используют однодвига­тельный электропривод, за рубежом — двухдвигательный (известны также случаи использования трехдвигательного привода). Целесообразность решения в данном случае зави­сит от условий унификации приводных электродвигателей всех основных исполнительных механизмов буровой уста­новки.

Стандартизованные данные мощности буровых насосов по ГОСТ 16293-89 установлены по классам таким образом, что мощности насосов будут достаточны для бурения скважин с глубиной, соответствующей классу установки, причем с неко­торым запасом.

Буровые насосы, представляющие собой насосы поршне­вого типа, оснащаются сменными поршнями и втулками ряда диаметров. Сменные поршни нужны в связи с тем, что тре­буемое давление по мере углубления скважины изменяется. Со сменой поршней связаны следующие закономерности: по условиям прочности механизмов насоса (штоки, под­шипники, передаточный механизм) усилия в них должны быть равными при разных диаметрах поршней. Следователь­но, при меньшем диаметре поршня допускается более высо­кое давление на выходе БН (обратно пропорционально пло­щади поршня);

при уменьшении диаметра поршня и постоянной скорости его движения подача БН изменяется прямо пропорционально площади поршня (снижается);

при смене диаметра поршня должен сохраняться режим постоянной мощности привода БН.

Оптимальный режим БН характеризуется постоянством развиваемой мощности, равной номинальной: рО — const. Приближение к этому режиму при нерегулируемом приводе достигается применением цилиндрических втулок разного диаметра. Режим работы БН рассмотрим по графику, харак­теризующему зависимость подачи О от давления р на выхо­де и диаметра втулки D (рис. 6.3). Если принять, что в ком­плект БН входят пять типоразмеров сменных поршней, то основные расчетные точки 2, 4, 6, 8, 10, соответствующие различным диаметрам поршней, будут располагаться на рас­четной кривой постоянной мощности. При этом точка 2 соот­ветствует максимальному, а точка 10 — минимальному диа­метру поршня.

Заметим, что при неизменном диаметре поршня подача БН пропорциональна скорости привода, а момент на валу двига­теля пропорционален давлению.

В соответствии с формулой (6.2) давление на выходе БН пропорционально квадрату подачи жидкости О, график зави­симости р = кО2 для конкретного значения коэффициента гидравлического сопротивления к называют «кривой нагруз­ки». Значение коэффициента к увеличивается с ростом глу­бины скважины. Кривые нагрузки, проходящие через ука­занные выше расчетные точки, показаны тонкими линиями (см. рис. 6.3).

Предположим, что при малой глубине бурения установле­ны поршни максимального диаметра D5 и БН работает в точ­ке 1. С увеличением глубины скважины подача БН 05 оста­ется постоянной, а давление возрастает. Продолжать работу

Dі D2 D3 Д. Ds Рис. 6.3. График режимов работы бурового насоса при различных видах электропривода: 1 — 2, 3—4, 5—6, 7—8, 9-10 — для нерегулируемого электропривода; 1—2—3 — 4—5'—6—7—8—9 —10 — для регулируемого электропривода при постоянном моменте; 2—4—6—8—10 — для регулируемого электропривода при постоян­ной мощности

с поршнем диаметра выше точки 2 недопустимо, так как мощность привода превысит допустимое значение. Поэтому в точке 2 необходимо заменить поршень диаметра Ds на пор­шень диаметра D4. Поскольку при той же скорости привода вследствие уменьшения диаметра поршня подача уменьшит­ся, а кривая нагрузки останется неизменной, режим работы БН будет определяться точкой 3. По мере углубления сква­жины произойдет переход в точку 4 и т. д. Следовательно, в случае нерегулируемого электропривода БН и периодической замены поршней процесс протекает по отрезкам вертикаль­ных прямых 1—2, 3—4, 5—6, 7—8, 9—10. Из графика (см. рис. 6.3) видно, что в точках 1, 3, 5, 7, 9 фактически развиваемая мощность значительно меньше номинальной. Вынужденное недоиспользование мощности по сравнению с идеальной кривой pQ = const можно оценить суммарной площадью треугольников 2—3—4, 4—5—6, 6—7—8, 8—9—10.

Рассмотрим теперь для тех же условий режимы работы БН, оснащенного регулируемым электроприводом. Благодаря возможности регулирования скорости вниз от номинальной, график работы насоса (см. рис. 6.3) представляет собой сту­пенчатую кривую 1 — 2—3'—4—5'—6—7'—8—9'—10.

Анализ графиков показывает, что в данном случае недоис­пользование мощности значительно меньше, чем при нерегу­лируемом приводе. Применение регулируемого электропри­вода обеспечивает уменьшение числа замен поршней при бу­рении скважины.

Более полное использование мощности БН при регулируе­мом электроприводе практически выражается в том, что при том же значении допустимого давления в нагнетательной системе подача БН будет больше, чем при нерегулируемом электроприводе. Благодаря этому при бурении всех видов улучшается очистка забоя, что приводит к увеличению меха­нической скорости бурения, а также обеспечивается воз­можность повышения скорости бурения вследствие исполь­зования более высокой нагрузки на долото. Одновременно возрастает проходка на долото, так как уменьшается степень повторного разрушения породы. В результате увеличения проходки на долото сокращается суммарное время спуско­подъемных и ряда вспомогательных операций. При турбин­ном бурении, кроме того, возрастает механическая скорость бурения вследствие увеличения частоты вращения долота и подводимой к нему средней мощности. Регулирование подачи БН необходимо также в осложненных условиях бурения. От­ветственной операцией, особенно при бурении глубоких скважин, является восстановление циркуляции бурового рас­твора в гидравлической системе. В начале этой операции вязкость раствора и гидравлическое сопротивление в систе­ме значительно выше, чем при рабочих режимах. Восстанов­ление циркуляции значительно облегчается при возможно­сти работы БН с пониженной подачей. Минимальная относи­тельная подача при восстановлении циркуляции может со­ставлять 0,1 от подачи в режиме бурения.

Таким образом, буровой насос целесообразно оснащать регулируемым электроприводом, причем регулирование сле­дует осуществлять в режиме постоянного момента, опреде­ляемого допустимым давлением в гидравлической системе буровой установки.

Так как отношение диаметров соседних типоразмеров поршней составляет 0,85-0,9 между их двумя заменами, то регулирование скорости приводного двигателя должно быть не менее 20 — 30 % в сторону уменьшения от номинальной.

На основании изложенного электропривод БН должен от­вечать следующим требованиям:

возможность плавного, затянутого во времени пуска (до 60 с);

пусковой момент не должен превышать номинальный бо­лее чем на 10 %;

возможность регулирования скорости привода в режиме бурения до 50 %, а в режимах восстановления циркуляции до 80 % и более вниз от номинального значения;

при регулировании скорости вниз от номинальной и по­стоянном значении диаметра поршня обеспечение постоянст­ва давления БН, что соответствует постоянству момента на его валу;

жесткая механическая характеристика с относительным падением скорости от холостого хода до номинальной на­грузки порядка 5 %;

привод нереверсивный, режим работы — продолжитель­ный с относительно спокойной нагрузкой.

Регулируемый электропривод БН по системе тиристорный преобразователь — двигатель в настоящее время широко ис­пользуется на отечественных буровых установках, оснащен­ных индивидуальными электроприводами основных меха­низмов.

Система управления электропривода БН (рис. 6.4, а) по­строена по принципу подчиненного управления и включает контур регулирования ЭДС электродвигателя и подчиненный ему контур регулирования тока. Регулятор ЭДС-про-

1,1 М/Мнтл

Рис. 6.4. Функциональная схема (а) и механическая характеристика (б) электропривода бурового насоса, управляемого по системе подчи­ненного управления: U33l иэ. т — сигналы задания соответственно ЭДС и тока якоря двигате­ля; Ц,.с. т, U о. с, — сигналы обратных связей соответственно по току и напряжению якоря двигателя; t/y„ — выходной сигнал регулятора тока; U,, /, — соответственно напряжение и ток якоря двигателя

порциональный (П-регулятор), регулятор тока —пропор­

ционально-интегральный (ПИ-регулятор). Блок регуляторов БР включает в себя гальваническую развязку РГ, фазочувст­вительный выпрямитель ФВ, задатчик интенсивности ЗИ, ре­гулятор ЭДС РЭ с узлом ограничения УО и регулятор тока РТ. Блок датчиков содержит датчик тока ДТ и датчик напря­жения ДН. На схеме (см. рис. 6.4, а) датчики тока и напря­жения вместе с устройствами гальванического разделения первичной цепи измерения и вторичного сигнала, подаваемо­го в систему управления, изображены прямоугольником с двумя диагоналями. Также используется способ изображения регуляторов, при котором внутри прямоугольника указывает­ся его переходная характеристика (реакция на ступенчатое воздействие).

Сигнал, пропорциональный ЭДС двигателя (в установив­шемся режиме пропорциональный скорости двигателя), опре­деляется по формуле

Е = сю = U - I! lR'£!i, (6.4)

где с — конструктивная постоянная; со - угловая скорость вала; U - напряжение на якоре; /„ — ток якорной цепи; — суммарное сопротивление якорной цепи двигателя.

Сигнал, пропорциональный первому слагаемому формулы (6.4), получают от датчика напряжения, а сигнал, пропорцио­нальный второму слагаемому, — от датчика тока. Суммиро­вание сигналов датчиков осуществляется на входе регулятора ЭДС РЭ. Поскольку сопротивление якорной цепи мало, пер­вый сигнал является доминирующим. Применение данной схемы обеспечивает возможность устранения из системы управления тахогенератора.

Управление электроприводом осуществляется с пульта управления насосом сельсинным командоаппаратом СК. Воз­действуя на систему управления тиристорным преобразова­телем ТП, плавно регулируют скорость двигателя М. В неко­торых электроприводах БН регулирование скорости осущест­вляется ослаблением магнитного потока двигателя. В этом случае в цепь обмотки возбуждения двигателя LM включает­ся устройство регулирования тока возбуждения.

Механическая характеристика электропривода БН по сис­теме ТП—Д приведена на рис. 6.4, б.

Регулирование предельного момента осуществляется из­менением уставки узла ограничения регулятора ЭДС.

Перспективным для электропривода БН является регули­руемый электропривод по системе преобразователь часто­ты — асинхронный короткозамкнутый двигатель, который по сравнению с электроприводом по системе ТП —Д имеет меньшие массогабаритные показатели и более высокий КПД.

Электропривод БН по системе ПЧ —АД реализован на бу­ровых установках ряда зарубежных фирм, выполняющих бу­рение на месторождениях Северного моря.

В результате исследования регулируемого электропривода бурового насоса типа У8-6М установлено, что при регулируе­мом электроприводе по сравнению с нерегулируемым меха­ническая скорость и проходка на долото увеличиваются на 20 %, число рейсов сокращается на 20 %, а длительность вспомогательных операций — на 12 %.

Преимущества регулируемого электропривода БН в зна­чительной степени проявляются при турбинном способе бу­рения и заключаются в следующем:

наилучшее использование установленной мощности и ра­бота на оптимальных режимах для каждого интервала буре­ния при различных типах забойных двигателей, что обеспе­чивает сокращение времени механического бурения;

увеличение скорости вращения долота и средней мощно­сти, подводимой к долоту, а при необходимости увеличение гидравлической мощности по мере износа забойного двига­теля;

возможность пуска БН под нагрузкой, что уменьшает из­нос задвижек и облегчает труд буровой бригады;

сокращение времени спускоподъемных, а также ряда вспомогательных и подготовительно-заключительных опера­ций, обусловленное уменьшением числа рейсов вследствие увеличения средней проходки на долото;

более широкие возможности ликвидации аварий, связан­ных с прихватами и некоторыми другими аварийными ситуа­циями;

равномерность подачи, что позволяет отказаться от пнев - нокомпенсаторов и др.

Регулируемый электропривод БН оказывает существенное влияние на конструкцию насосной группы оборудования. При нерегулируемом электроприводе БН обязательно должна быть предусмотрена оперативная соединительная муфта ме­жду двигателем и БН, а также пусковая задвижка, соеди­няющая выход насоса (линию высокого давления) с открытой емкостью. Это позволяет двигатель запустить вхолостую, за­тем проводится пуск насоса также вхолостую, затем пусковая задвижка плавно закрывается, и поток жидкости начинает поступать в линию высокого давления и циркулировать по рабочему контуру.

При наличии регулируемого привода БН оперативная муфта не устанавливается, а пусковая задвижка практически не используется.

Развитие техники и технологии бурения скважин требует постоянного совершенствования буровых насосов в следую­щих направлениях: повышение мощности и давления, сниже­ние неравномерности подачи и давления, уменьшение массы и габаритов, повышение надежности и долговечности, сни­жение трудоемкости и стоимости изготовления, улучшение транспортабельности, монтажеспособности, ремонтопригод­ности и удобства обслуживания.

За последние два десятилетия в мировой практике буре­ния давление и мощность БН возросли более чем в 2 раза и достигли соответственно значений 40 МПа и 1600—1750 кВт. Уровень рабочих давлений при бурении скважин находится в пределах от 15 до 25 МПа. Максимальное давление БН тре­буется обычно кратковременно и, как правило, в аварийных режимах. В отечественной практике бурения скважин на нефть и газ применяются в основном двухпоршневые БН следующих типов: БрН-1 производства Волгоградского завода буровой техники (ВЗБТ); У8-6МА и У8-7МА производства ОАО «Уралмаш». Эти БН имеют значительные габариты и массу, что затрудняет их транспортировку, монтаж и ремонт.

За последние годы все большее применение находят быст­роходные трехпоршневые БН одностороннего действия (три - плексы) вместо двухпоршневых БН двухстороннего действия. Это обусловлено тем, что эффективность использования об­ратного хода поршня в двухпоршневых БН двухстороннего действия при высоких давлениях значительно снижается, по­скольку площадь штока составляет 30-40 % от площади поршня минимального диаметра (насосы типов У8-6МА и У8- 7МА).

Кроме того, при переходе в область высоких давлений, наряду с требованием снижения массы, возрастают требова­ния к надежности и необходимости постоянного контроля устройств уплотнения.

Учитывая эти факторы, за рубежом (США, ФРГ, Япония, Румыния) за последние годы буровые установки оснащаются трехпоршневыми БН одностороннего действия. При одинако­вой мощности по сравнению с двухпоршневыми БН двухсто­роннего действия они имеют следующие преимущества: уменьшение массы и габаритов в 1,4-1,5 раза; уменьшение неравномерности подачи в 2 раза, а неравномерности давле­ния в 5 — 6 раз; уменьшение числа сменных деталей в 1,3 — 1,4 раза и их массы в 2 — 3 раза. Частота ходов у трехпоршне­вых БН может достигать 120—185 в 1 мин, против 60-80 у двухпоршневых.

Весьма эффективно применение трехпоршневых БН при бурении скважин в сложных геологических условиях, глубо­ких скважин и на море.

В России разработаны и изготавливаются трехпоршневые БН одностороннего действия следующих типов: УНБТ-800, УНБТ-950 конструкции ОАО «Уралмаш» и НБТ-600 (БрН-2) конструкции ВЗБТ. Основные технические характеристики отечественных БН приведены в табл. 6.3.

Особенностью работы трехпоршневых БН является при­менение подпорных центробежных насосов, создающих во всасывающих камерах БН избыточное давление. За счет это­го увеличиваются коэффициент подачи и частота ходов поршня.

Таблица 6.3 Основные технические характеристики буровых насосов Параметр Тип насоса НБТ- 600 УНБТ- 800 УНБТ- 900 БрН-1 У8-6М У8-7М Мощность, кВт 600 800 950 430 600 825 Полезная мощность, кВт 540 720 855 365 480 660 Предельное давление, МПа 25 32 32 20 25 32 Наибольшая подача, л/с 43 42,9 46 38 51 51 Давление при наиболь­шей подаче, МПа 11,3 17 19 9,8 И 14,2 Подача при предельном давлении, л/с 13 22,4 27,8 18,6 18,9 22,7 Диаметр сменных ци­линдровых втулок, мм 120 — 180 130 — 180 140 — 180 130 — 180 130 — 200 140 — 200 Длина хода поршня, мм 250 250 290 300 400 400 Максимальная частота ходов в 1 мин 135 135 125 80 66 66 Масса, кг 18800 22800 22220 14750 27000 37100

Следует отметить, что тенденция перехода на трехпоршне­вые БН в зарубежной практике коснулась в основном БН большой мощности, рассчитанных на высокое давление. Что же касается БН мощностью до 500 — 600 кВт и давлением до 20 МПа, то на такие параметры предпочтительны тихоходные двухпоршневые БН. Основной объем бурения в РФ пока приходится на двухпоршневые БН, которые будут находить­ся в эксплуатации еще долгие годы.