Силовой привод буровых установок

Привод буровых установок может быть групповым, индивидуальным (однодвигательным) и многодвигательным. В групповом приводе один двигатель через трансмиссии приводит в работу все механизмы установки. При индивидуальном приводе каждая машина установки (станок, насос и др.) имеет отдельный двигатель. Многодвигательным является такой привод, когда каждый рабочий орган машины (вращатель, лебедка и т. д.) снабжены двигателями.
Силовой привод буровых установок должен быть экономически эффективен, надежен и долговечен, прост и удобен в управлении, иметь гибкую характеристику. Гибкостью характеристики называют способность силового привода изменять скорость движения механизма при изменении крутящего момента на его валу.
В приводах установок для колонкового бурения используются электродвигатели переменного и постоянного тока, двигатели внутреннего сгорания, пневматические и гидравлические.
При наличии на участке работ линии электропередачи применяется электропривод. Электродвигатели легки и компактны, имеют высокий к. п. д. и экономичны, просты в обслуживании и управлении, допускают возможность реверсирования, позволяют применять индивидуальный и многодвигательный привод, что повышает эффективность использования мощности двигателей. От линии высокого напряжения электроэнергия подается к двигателям через стационарные или передвижные подстанции с понижающими трансформаторами.
Асинхронные электродвигатели переменного тока малой мощности применяют с короткозамкнутым ротором, а при мощности более 15—20 кВт — с фазовым ротором, используя пусковые устройства, обеспечивающие снижение пусковых токов.
В случае ведения буровых работ продолжительное время установками, сосредоточенными на небольшой площади, при отсутствии линии передачи электроэнергии используют передвижные электростанции, а в высокогорных районах иногда целесообразно строить гидроэлектростанции.
Асинхронные электродвигатели имеют жесткую характеристику. Частота вращения бурового снаряда и барабана лебедки изменяется ступенчато при помощи коробки скоростей.
Более совершенен и экономичен плавнорегулируемый привод от электродвигателей постоянного тока. Тиристорная электрическая аппаратура в таких приводах обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный и плавное регулирование частоты вращения вала двигателя от нуля до максимально допустимой для данного двигателя. При такой системе привода крутящий момент двигателя сохраняется постоянным, а мощность уменьшается пропорционально частоте вращения вала.
Тиристорный плавнорегулируемый привод позволяет более экономично использовать установленную мощность, работать на оптимальной частоте вращения для конкретных систем буримая порода — породоразрушающий инструмент, в значительной степени гасить вибрацию бурового снаряда, в связи с чем он наиболее перспективен для установок колонкового бурения.
Двигатели внутреннего сгорания, обеспечивающие автономный привод (не требующий подведения энергии извне), применяются для привода одиночных удаленных друг от друга и от баз буровых установок. От ДВС приводятся самоходные буровые установки.
На разведочно-буровых работах применяются в основном дизели Д-37Е, Д-38М, Д-48Л, Д-54А, КДМ-46, СМД-14Б, мощность которых соответственно равна 29,4; 27,9; 35,3; 39,7; 58,8; 46,3 кВт. Привод легких буровых установок для работы в труднодоступных условиях осуществляется от бензиновых двигателей УД-45, «Дружба», менее экономичных по расходованию топлива, чем дизели, но более компактных. Некоторые самоходные установки приводятся от карбюраторных двигателей транспортной базы, на которой монтируются.
Пневматические двигатели лопастного, поршневого и шестеренного типов применяют в приводах оборудования для бурения скважин из подземных горных выработок. Преимущество пневматических двигателей — возможность плавного регулирования частоты вращения и взрывобезопасность, основной недостаток — низкий к. п. д.
В установках геологоразведочного бурения растут объемы применения гидравлического привода. Первичный двигатель в гидроприводе — ДВС или асинхронный электродвигатель переменного тока. От него приводится насос, прокачивающий жидкость через распределительные и регулирующие устройства к гидромоторам, в которых энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию вращательного движения вала. Индивидуальными гидродвигателями приводятся механизмы буровой установки (вращатель, лебедка, труборазворот и др.). В качестве рабочей жидкости используются индустриальные и веретенные масла.
Гидропривод прост в управлении, имеет небольшие размеры и массу оборудования, обеспечивает реверсирование и бесступенчатое регулирование частоты вращения вала гидродвигателя, что обусловливает перспективу его широкого применения.
Достаточна ли мощность двигателя, установленного для привода бурового станка, можно определить расчетом по затратам мощности на бурение и на подъем снаряда из скважины.
Мощность (кВт) на вращение снаряда в процессе бурения

где Nзаб — мощность на разрушение забоя скважины; Nх.в — мощность на холостое вращение бурильной колонны; Nдоп — дополнительные затраты мощности на вращение бурильной колонны, передающей осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент; n — к. п. д. передач (n = 0,75/0,85).
Мощность (кВт) на разрушение породы при бурении кольцевой коронкой

где f — коэффициент трения (f=0,25/0,30)); С — осевая нагрузка, Н; n — частота вращения снаряда, с-1; D и D1 — наружный и внутренний диаметры коронки, м.
При бурении шарошечным долотом без отбора керна затраты мощности на забое (кВт)

где N0 — удельный расход мощности, кВт/м2, N0 = (1,0/1,5)*10в3; Fз — площадь забоя, м2.
Мощность (кВт) на холостое вращение снаряда

где k1 — коэффициент, учитывающий тип соединения бурильных труб (для ниппельного соединения k1 = l; для муфтово-замкового — k1 = l,3); k2 — коэффициент, учитывающий вид промывочной жидкости и применение антивибрационной смазки (при промывке глинистым раствором k2=1,1/1,3, при промывке водой k2=1, при использовании антивибрационной смазки или эмульсионного раствора k2=0,4/0,6); k3 — коэффициент, учитывающий характер стенок скважины (для нормального разреза k3=1, в сложных геологических условиях k3=1,5/2); k4 — коэффициент, учитывающий материал бурильных труб (для СБТ k4=1; для ЛБТ k4=0,75); b — зазор между стенками скважины и бурильными трубами, м; q — масса 1 м бурильных труб, кг/м; d — диаметр бурильных труб, м; n — частота вращения снаряда, с-1; L — глубина скважины, м; cos i — косинус угла наклона скважины.
Дополнительная затрата мощности (кВт)

Мощность (кВт), необходимая на подъем снаряда из скважины,

где Qкр — нагрузка на крюк, Н; vo — скорость навивки каната на барабан лебедки, м/с; т — количество рабочих струн талевой системы; n — к. п. д. передачи (n = 0,75/0,85).
При групповом приводе буровой установки мощность двигателя (кВт) определяется из выражения

где Nст — мощность на привод бурового станка, достаточная как для бурения, так и для выполнения спуско-подъемных операций, кВт; Nн — мощность на привод бурового насоса, кВт; Nг.м — мощность на привод глиномешалки, кВт (Nг.м = 1,5/2,5); Nг — мощность на привод генератора (Nп = 0,8/1,5).