РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ФУНКЦІОНУВАННЯ ЕЛЕКТРОБУРА
ПІД ЧАС БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН
2.1. Розрахунок напруги живлення електробура
Електрична енергія до електробура підводиться по струмопідводу типу "два провідники - труба", який є електрично асиметричним внаслідок різного опору жил кабеля і БТ. Це обумовлює роботу ЗЕД електробура при асиметрії струмів та відхиленнях напруги на його затискачах. Як показав аналіз літератури за даним напрямком, відхилення напруги на затискачах ЗЕД електробура та тривала асиметрія струмів його фаз в кінцевому результаті зменшують експлуатаційну надійність ЕБО та ефективність буріння свердловин.
За результатами роботи [79] асиметрія струмів у фазах обмотки статора ЗЕД електробура перевищує 5 % вже під час буріння на глибині приблизно 2000 м.
У даний час Прикарпатське управління бурових робіт здійснює буріння свердловин електробурами типів Е240-8М, Е215-8М і Е164-8М. В якості джерела живлення електробура застосовується знижувальний триобмотковий оливний силовий трансформатор типу ТМТБ-560-6. Останній обладнаний ступінчастим дев'ятипозиційним перемикачем для регулювання напруги живлення ЗЕД електробура з метою забезпечення напруги на його затискачах у допустимих межах під час буріння глибоких свердловин шляхом компенсації втрат напруги у опорах жил струмопідводу. Напруга регулюється вручну одночасно у трьох фазах знеструмленої вторинної обмотки трансформатора з середнім кроком регулювання 76 В. Однак при такому регулюванні принципово неможливо уникнути асиметрії струмів у фазах ЗЕД.
Для забезпечення високої експлуатаційної надійності електробура необхідно не допускати перегрівання його ЗЕД в цілому та окремих фаз обмотки статора.
Високу ефективність буріння свердловин електробуром можливо отримати шляхом забезпечення його функціонування з максимальним обертовим моментом на валі привідного двигуна, одночасно не допускаючи перегрівання.
Дані умови будуть виконуватися під час буріння свердловин електробуром при функціонувані його ЗЕД у режимі з симетричною системою напруг на затискачах і струмів у фазах.
Для розрахунку напруги живлення електробура в припущенні, що напруги і струми в СЕЕ синусоїдні, його асинхронний двигун врахований у розрахунковій схемі із зосередженими параметрами (рис. 2.1) трьома комплексними опорами, які розраховуються за паспортними даними, а струмопідвід представлений комплексними опорами КБТ і жил КС.
Для функціонування ЗЕД електробура у режимі з симетричною системою напруг номінального значення на затискачах і струмів у фазах необхідно забезпечити на початку струмопідводу таку асиметричу систему напруг, яка компенсує втрати напруги у опорах жил струмопідводу (рис. 2.2).
Напруга живлення ЗЕД електробура на початку струмопідводу розраховується за умови його функціонування з номінальним усталеним механічним навантаженням на валі та при протіканні у фазах обмотки статора номінальної трифазної симетричної системи струмів.
Задаючись паспортними параметрами ЗЕД, глибиною буріння та опорами жил КС струмопідводу, обчислюємо лінійні напруги живлення електробура на початку струмопідводу при його роботі з номінальним навантаженням.
Отже, за другим законом Кірхгофа обчислюються лінійні напруги на початку струмопідводу:
(2.1)
де , , - трифазна симетрична система струмів фаз електробура при його роботі з номінальним навантаженням;
, , - комплексні опори жил СЕЕ.
Представлена у комплексній формі трифазна симетрична система струмів фаз ЗЕД електробура при його роботі з номінальним механічним навантаженням на валі базується на номінальному значенні його струму споживання, яке наводиться у паспорті, а також на операторі повороту трифазних кіл:
(2.2)
Комплексні опори жил СЕЕ до ЗЕД електробура визначаються за наступною формулою:
(2.3)
де - комплексний опір КБТ;
- комплексний опір жили КС;
- комплексний опір фази ЗЕД.
Дані опори обчислюються за такими залежностями:
(2.4)
(2.5)
де - глибина буріння, (м);
, - питомі активний та індуктивний опори БТ;
, - питомі активний та індуктивний опори жили КС;
- номінальна напруга ЗЕД;
- номінальний струм ЗЕД;
- номінальний коефіцієнт потужності ЗЕД.
Активний та індуктивний опори КБТ нелінійно залежать від величини струму, який по ній протікає [54, 78]. Тому з метою підвищення точності розрахунку напруги живлення ЗЕД електробура необхідно врахувати дану обставину.
Залежність опорів КБТ від струму найкраще апроксимується експоненційною функцією. Вихідні дані для апроксимації цієї залежності взяті із експериментально отриманих графіків, наведених у роботі [78].
Апроксимація проводилась за допомогою програмного пакету Numeri. Перевагою цього програмного пакету є зручність інтерфейсу користувача та можливість функціонування на ЕОМ з будь-якою конфігурацією.
Залежності питомих активного та індуктивного опорів КБТ від струму описуються таким виразом:
(2.6)
де , , - коефіцієнти апроксимації, - змінна.
Вихідні дані для апроксимації зведені у табл. 2.1, а розраховані за (2.6) коефіцієнти апроксимації показані у табл. 2.2.
У відповідності з даними роботи [78] питомий активний опір жили кабеля з площею поперечного перерізу 50 мм2 = 0,38?10-3 Ом?м, а з площею поперечного перерізу 35 мм2 = 0,5?10-3 Ом?м. Питомий індуктивний опір жил обидвох кабелів однаковий: = 0,09?10-3 Ом?м.
Значення питомих опорів жил КС та КБТ отримано при низькій температурі промивної рідини. Тому для розрахунку напруги живлення ЗЕД електробура враховується температура жил КС і КБТ. При циркуляції промивної рідини під час буріння свердловини ця температура визначається за формулою, яка наведена в роботі [54]:
(2.7)
де - се