Электропривод автоматических регуляторов подачи долота

Под подачей долота понимают последовательное опуска­ние верхней точки бурильной колонны при разрушении по­роды. В установившемся режиме бурения скорость подачи до­лота должна быть равна скорости разбуривания породы. Если скорость подачи долота будет превосходить скорость разбуривания породы, то нагрузка на забой будет расти, что может повлечь за собой искривление ствола скважины или поломку бурильных труб. Если скорость подачи долота будет ниже ско­рости разбуривания, нагрузка на забой будет уменьшаться, что приведет к уменьшению скорости бурения.

При ручной подаче бурильщик, руководствуясь показа­ниями приборов — амперметра в цепи статора бурового дви­гателя и индикатора веса, периодически растормаживает ба­рабан лебедки. Таким способом весьма трудно осуществить плавную равномерную подачу долота. При использовании ав­томатических регуляторов долото подается на забой автома­тически в зависимости от параметров, характеризующих ре­жим бурения, например давления на забой или тока бурового двигателя. Существуют различные конструкции автоматических регуляторов подачи долота. В зависимости от места распо­ложения автоматические регуляторы подачи бывают назем­ными или глубинными (погружными). Наземные автоматиче­ские регуляторы подачи по конструктивному признаку силового узла можно разделить на электромашинные, гидравлические и фрикционные. Конструкция силового узла позволяет или опу­скать бурильную колонну с различной скоростью (такие авто­матические регуляторы называются пассивными), или не только опускать, но и приподнимать ее (такие регуляторы на­зываются активными). Применение наземных автоматических регуляторов подачи долота обеспечивает увеличение механиче­ской скорости бурения и проходки на долото на 5—15 % по | сравнению с ручной подачей, что полностью окупает затраты j на их изготовление и обслуживание

Автоматический регулятор типа РПДЭ-3 предназначен для поддержания режимов бурения скважин турбобуром и рото­ром. Этот регулятор входит в комплект всех серийных буро­вых установок, а также вновь разрабатываемых установок. Ре­гулятор РПДЭ-3 обеспечивает режим поддержания заданной нагрузки на долото (веса инструмента на крюке)—основной режим; режим поддержания заданного значения скорости по­дачи или подъема инструмента — вспомогательный режим.

Регулятор (рис. 1) состоит из следующих основных частей:

рессорного датчика веса типа ДВР-26, устанавливаемого на неподвижном конце талевого каната и служащего для из­мерения веса на крюке; датчик состоит из рессор и сельсина СД;

узла уставки веса и скорости, состоящего из сельсина-при­емника СП уставки веса и задающего сельсина СЗ уставки скорости; оба сельсина связаны через зубчатую передачу с об­щей рукояткой управления, расположенной вместе с универ­сальным переключателем УП на пульте управления регулято­ром;

станции управления с реверсивным магнитным усилителем СМУ, состоящим из двух магнитных усилителей МУ1 и МУ2 54 и служащим для усиления сигнала (усилитель питает обмотки возбуждения генератора ОВГП), и с предварительным полу­проводниковым фазочувствительным усилителем ППУ-1, слу­жащим для усиления управляющего сигнала;

двигатель-генератора (двухмашинного агрегата), состоя­щего из приводного асинхронного двигателя АДГ и генератора постоянного тока ГП, который управляет двигателем ДП;

силового узла, состоящего из червячно-цилиндрического ре­дуктора, двигателя постоянного тока ДП с пристроенными вентилятором и тахогенератором и электромагнитного коло­дочного тормоза; редуктор соединяется цепной передачей с ле­бедкой буровой установки.

Рис. 1 Упрощенная электрическая схема регулятора РПДЭ-3

В основном режиме работы при помощи переключателя УГТ к источнику переменного тока присоединяются усилитель ППУ-1 и обмотка возбуждения сельсина-датчика СД, работа­ющего в паре с сельсином-приемником СП в трансформатор­ном режиме. Питание обмотки возбуждения сельсина СЗ в этом случае отключено.

Напряжение на зажимах обмотки возбуждения сельсина-СП зависит от угла рассогласования ротора сельсинов СД и СП. При согласованном положении роторов это напряжение равно нулю, вследствие чего токи на выходе ППУ-1 и СМУ и напряжение на якоре генератора ГП равны нулю и вал дви­гателя ДП неподвижен. Под действием веса колонны буриль­ных труб и неподвижного конца талевого каната ротор сель­сина СД поворачивается на некоторый угол, зависящий от веса колонны.

Перед началом бурения, когда долото находится над за­боем, с помощью рукоятки на пульте управления ротор сельсина СП устанавливают в согласованное положение с ротором сельсина СД, в результате чего вал двигателя ДП будет не­подвижным. Эта операция называется «взвешиванием» инстру­мента. Далее с помощью рукоятки устанавливают по шкале, находящейся на пульте управления, требуемое значение на­грузки на долото (веса на крюке), т. е. ротор сельсина СП по­ворачивают на определенный угол. На зажимах обмотки воз­буждения сельсина СП возникает такое напряжение, что вал двигателя ДП начинает вращаться в сторону подачи инстру­мента с частотой, зависящей от угла рассогласования роторов -сельсинов СД и СП. Как только долото коснется забоя, осевая нагрузка на долото начнет увеличиваться, а вес на крюке — уменьшаться. При этом ротор сельсина-датчика будет повора­чиваться в сторону уменьшения угла рассогласования роторов СД и СП. В результате управляющий сигнал (напряжение на зажимах обмотки возбуждения сельсина СП} и частота вра­щения двигателя ДП будут уменьшаться до тех пор, пока на­грузка на долото не достигнет значения, близкого к заданному, и установится режим, при котором скорость подачи долота бу­дет равна скорости бурения.

В дальнейшем заданная нагрузка на долото поддержива­ется автоматически (с определенной точностью) независимо от твердости породы, износа долота и пр. Например, при попада­нии долота из твердой в более мягкую породу в первый момент нагрузка на долото несколько уменьшится, ротор сельсина СД повернется в направлении увеличения угла рассогласования ро­торов сельсинов СД и СП, управляющий сигнал увеличится и скорость подачи долота возрастет до такой величины, при ко­торой установится режим бурения с большей скоростью при нагрузке на долото, близкой к заданной. При резком увеличе­нии твердости породы может произойти кратковременный подъем инструмента, предотвращающий чрезмерное увеличение нагрузки на долото. При бурении в породах с резко изменяю­щейся буримостью регулятор РПДЭ-3 обеспечивает автомати­ческое поддержание заданной нагрузки на долото с точностью ±20 кН и скорость подачи долота до 50 м/ч.

Во вспомогательном режиме поддержания заданного значе­ния скорости подачи-или подъема инструмента переключателем УП питание подается на обмотку возбуждения сельсина СЗ уставки скорости, а питание ППУ-1 и датчика веса отключа­ется. Напряжение с обмоток синхронизации сельсина СЗ по­ступает непосредственно на обмотки управления магнитных усилителей МУ1 и МУ2, минуя ППУ-1. В среднем (нулевом) положении рукоятки управления задающий сигнал на входе СМУ равен нулю и вал двигателя ДП неподвижен. При пово­роте рукоятки в направлении «подъем» или «подача» на вы­ходе СМУ (в обмотках возбуждения ОВГП генератора ГП) появляется ток той или иной полярности, на зажимах якоря ГП возникает напряжение, а двигатель ДП начинает вращаться с частотой и направлением, зависящими от положения рукоятки управления.

Вспомогательный режим используется при аварийном подъ­еме в случае отказа главного привода лебедки, при прора­ботке скважины, при подъеме или опускании вышки с по­мощью силового узла РПДЭ-3, а также при бурении в слу­чае выхода из строя датчика веса или ППУ-1.

Поскольку в этом режиме указанные элементы в работе не участвуют, их можно отключить от схемы для проведения ре­монта.

Для стабилизации и увеличения быстродействия в схеме-применены отрицательные обратные связи по напряжению якоря генератора ГП и частоте вращения двигателя ДП. Ма­шины ДП и ГП защищены от перегрузок в установившемся и переходном режимах, от коротких замыканий в цепи их яко­рей и от обрыва тока в обмотке возбуждения ОВДП двига­теля ДП. В зависимости от типа буровой установки в РПДЭ-3 применяются асинхронные двигатели мощностью 28—55 кВт,. генераторы постоянного тока 27—50 кВт двигателя постоян­ного тока 25—42 кВт.

Для автоматизации подачи долота при бурении электробу­ром применяют регуляторы типов АВТ1 и АВТ2, представляю­щие собой приставки к регулятору РПДЭ-3. В основу работы этих регуляторов, так же как и регулятора РПДЭ-3, положена система генератор — двигатель с регулированием частоты вра­щения двигателя постоянного тока в широких пределах.

В схеме регулятора АВТ1 подача долота регулируется в функции нагрузки на долото и тока статора двигателя элек­тробура, причем бурильщик может устанавливать два задан­ных значения уставки — осевой нагрузки на долото и силы тока электробура. Однако при этом всегда будет поддержи­ваться близким к заданному только один из параметров: в ма­лоэнергоемких породах — нагрузка на долото, а в более энер­гоемких — сила тока двигателя электробура. Второй параметр будет в этом случае всегда меньше заданного. Регулятор АВТ1 также может работать в режиме поддержания постоянной скорости подачи или подъема инструмента.

Параметры отдельных частей схемы подобраны таким об­разом, что в установившемся режиме ошибка при поддержа­нии силы тока электробура получается не более ±5 % от но­минальной, а ошибка при поддержании веса — не более 20 кН. Основные узлы регулятора АВТ1 (датчик веса, силовой узел, двигатель—генератор) те же, что и в автоматическом регуля­торе РПДЭ-3.

При бурении малоэнергоемких пород наиболее целесооб­разно использовать в качестве параметра активную составля­ющую тока двигателя электробура. Поэтому в регуляторе АВТ2 (рис. 2) имеется узел, вводящий в схему сигнал, пропорцио­нальный активной составляющей тока двигателя электробура.

В датчике 3 по току и напряжению, снимаемым с трансформа­тора тока 1 и трансформатора напряжения 2, включенных в цепь питания электробура, вырабатывается сигнал Ui, про­порциональный активной составляющей тока двигателя элек­тробура. Сигнал Ui сравнивается с сигналом U^ задатчика 4. Разностный сигнал через ограничитель 5 поступает в модуля­тор 6 и далее на сумматор 7 и вход ППУ регулятора РПДЭ-3. В датчике 8 вырабатывается сигнал, отражающий изменение осевой нагрузки на долото. Этот сигнал сравнивается с сигналом задатчика 9. Разностный сигнал поступает на фазочувствитель-ный усилитель 10 и далее на сумматор 7.

На предварительный

усилитель регулятора

РПДЭ-3

Рис. 2 Структурная схема регулятора АТВ2

Если бурение ведется при больших значениях удельного момента и двигатель электро­бура работает с нагрузкой, близ­кой к номинальной, то напряже­ние U_з будет иметь такую фазу, что сигнал Up будет равен нулю. В этих условиях сигнал от дат­чика осевой нагрузки не посту­пает на сумматор и подача до­лота осуществляется в функции активной составляющей тока статора.

Если процесс бурения характеризуется небольшим удельным моментом, то значение активной составляющей невелико и регулятор повысит осевую нагрузку на долото. При повышении ак­тивной составляющей тока до уровня его ограничения напря­жение на выходе ограничителя 5 и, следовательно, напряжение U^ будет поддерживаться постоянным со знаком, соответству­ющим подаче долота. Если осевая нагрузка достигнет установ­ленного значения, на выходе фазочувствительного усилителя 10 появится сигнал Up, препятствующий дальнейшему повыше­нию осевой нагрузки.

При переходе на бурение с большими значениями удельного момента регулятор вновь начнет поддерживать заданное значе­ние активной составляющей тока статора, а контур осевой на­грузки автоматически отключится.

В буровых установках, оборудованных электромагнитными порошковыми тормозами (ТЭП), последние используются при бурении в качестве пассивных регуляторов подачи долота. Тор­мозной момент, развиваемый ТЭП, постоянен и не зависит от частоты вращения вала, причем тормозной момент почти одно­значно определяется током возбуждения тормоза и на рабочем участке характеристики связан с ним линейной зависимостью.

Если в процессе бурения установить некоторую осевую на­грузку на долото и уравновесить момент от усилия на крюке тормозным моментом, то барабан лебедки будет неподвижен. Несколько уменьшив ток возбуждения тормоза, достигают мед­ленного вращения барабана лебедки. Вследствие углубления долота в породу, нагрузка на долото уменьшается, а момент на валу барабана, увеличиваясь, становится больше тормозного мо­мента и барабан начинает вращаться, обеспечивая плавную по­дачу инструмента. Если пренебречь трением труб о стенки скважины, то нагрузка на долото всегда будет равна разности между весом инструмента и тормозным усилием ТЭП.