Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание экономичного верхнего электропривода для мобильных буровых установок

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
электропривод, вентильные электродвигатели, бурение, верхний привод, буровая установка, подъёмный агрегат, мобильная буровая установка.

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Габаритно-массовые характеристики существующих электрических машин не позволяют создать компактный верхний привод достаточной мощности для использования в составе мобильных буровых установок. Применение гидравлических двигателей сопряжено с потерями на преобразование и передачу энергии, а также с экологическими проблемами. На российский рынок стали поступать иностранные системы с компактными электродвигателями небольшой мощности, которые пользуются спросом. Создание отечественных систем верхнего привода сдерживается отсутствием в России промышленного производства вентильных электродвигателей мощностью до 300 кВт. Системы верхнего привода являются самыми востребованными устройствами для мобильных буровых установок. Имеются аналоги систем верхнего электропривода, построенные на основе промышленных асинхронных двигателей и их конструкции, имеют большие габаритные размеры и массу. Один из таких аналогов СВЭП-320 был создан в 2013 году Индустриальным партнером проекта – АО «ПромТехИнвест». В рамках проекта предполагается всестороннее исследование работы этого привода в эксплуатации. Но уже на сегодняшний день имеется статистика и можно утверждать, что с традиционными электродвигателями конструкции систем верхнего привода буровых установок не оптимальны. Аналоги систем верхнего привода с вентильными электродвигателями не выявлены. Поэтому проект является актуальным. Задачи проекта а) Исследование процессов и параметров реального бурения нефтяных скважин с применением системы верхнего электрического привода (ВЭП). б) Анализ технической информации и патентное исследование в области применения верхних приводов для буровых установок. в) Разработка научно-технических методик проектирования ВЭП. г) Сравнительный анализ проектных параметров и состава оборудования ВЭП с зарубежными аналогами (прототипами). д) Разработка программного обеспечения для выполнения расчетов и моделирования конструкций ВЭП. е) Формирование научно-технического задания на проектирование и проведение опытно-конструкторской разработки ВЭП. ж) Разработка конструкторской документации базовой модели ВЭП. з) Изготовление, проведение заводских испытаний опытного образца вентильного электродвигателя. и) Изготовление, проведение заводских испытаний опытного образца верхнего силового привода с новым электромеханическим приводом. 2. Формулировка цели реализуемого проекта. Создание научно-технической базы, проектирование и изготовление типового образца верхнего электрического привода для мобильных буровых установок грузоподъемностью до 200 тонн и вывод его на рынок.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
На первом этапе прикладных научных исследований по теме «Создание экономичного верхнего привода для мобильных буровых установок» решены следующие задачи:
- выполнен аналитический обзор более 200 источников современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
- выполнены патентные исследования в двух направлениях: тенденции развития силового привода буровых машин и конструкции электродвигателей с постоянными магнитами;
- рассмотрены возможные направления теоретических и экспериментальных исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы, выбраны и конкретизированы дальнейшие направления исследований следующих этапов;
- исследованы и обработаны данные мониторинга параметров и режимов работы систем верхнего привода ПВЭГ-250 и СВЭП-320 в составе, соответственно, буровых установок БУ3900/225 ЭК БМ и БУ4000/250 ЭЧК БМ-2, каждая из которых выполняла бурение на скважинах глубиной более 3000 метров в Ханты-Мансийском автономном округе;
- разработаны математические модели динамических нагрузок на исследуемый привод;
- выполнено математическое моделирование типового электропривода и создана научная база для моделирования систем верхнего привода для мобильных буровых установок по критерию минимального коэффициента динамичности;
- собраны данные по промышленным мобильным буровым установкам и системам верхнего привода, которые лягут в основу разработки рекомендаций по внедрению и реализации прикладных научных исследований по теме;
- индустриальный партнер принял участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов НИР, выполнил маркетинговые исследования и оснастил рабочие места для сбора данных с систем мониторинга параметров и режимов работы систем верхнего привода в составе буровых установок на месторождениях, в том числе выполнил закупки специального программного обеспечения, аппаратных средств для отладки программного обеспечения.

На втором этапе прикладных научных исследований по теме «Создание экономичного верхнего привода для мобильных буровых установок» решены следующие задачи:
- разработана эскизная конструкторская документация на вентильный электродвигатель;
- разработана методика выполнения расчетов вентильного электродвигателя;
- разработана эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального образца верхнего электропривода для мобильных буровых установок.
Индустриальным партнером, в рамках софинансирования проекта, выполнены следующие работы:
- принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов НИР;
- разработана эскизная конструкторская документация гидромеханических узлов вспомогательного оборудования верхнего электропривода для мобильных буровых установок;
- разработана концепция построения стенда для испытаний верхнего электропривода для мобильных буровых установок в составе системы верхнего привода;
- организованы рабочие места разработчиков эскизной конструкторской документации (в том числе совершена закупка специального программного обеспечения).
Подтверждена техническая возможность создания нового российского ВДПМ мощностью 300 кВт, выражающаяся в том, что подготовлена научно-техническая документация для изготовления экспериментального электродвигателя и на его базе экспериментального образца верхнего электропривода.

На третьем этапе прикладных научных исследований по теме «Создание экономичного верхнего привода для мобильных буровых установок» решены следующие задачи:
- изготовлен экспериментальный образец верхнего электропривода для мобильных буровых установок;
- разработана эскизная конструкторская документация на стенд для проведения испытаний верхнего электропривода для мобильных буровых установок;
- разработаны рекомендации по реализации системы верхнего привода к мобильным буровым установкам;
- подана одна патентная заявка;
Индустриальным партнером, в рамках софинансирования проекта, выполнены следующие работы:
- принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов проекта;
- приобретено оборудование для исследовательских испытаний экспериментального образца верхнего электропривода для мобильных буровых установок в составе системы верхнего привода.

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.
По показателям назначения ожидается превышение прогнозных значений, в частности, снижение металлоемкости электропривода в сравнении с аналогом должно быть на 56% (в ТЗ было 30%), снижение осевого размера – на 45,5% (в ТЗ было 30%), снижение размеров и массы шкафов управления на 50% (в ТЗ было 20%). По температуре системы охлаждения получены подтверждения на снижение до 20%.
По техническим характеристикам прогнозируется выполнение выходных силовых и кинематических параметров с запасом в 11%.

- cоздание научно-технической базы для проектирования ВЭП различной мощности для применения в составе стационарных и мобильных буровых установок;
- передача опытного образца изделия в эксплуатацию;
- развитие вентильного электропривода с высокими потребительскими свойствами и его внедрение в различных отраслях промышленности.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.
Буровые установки (БУ) являются для России машинами номер один. От их производительности зависит разработка месторождений нефти и газа, и в конечном счете, возможности буровых компаний в добыче важных для страны энергоносителей, которые, кроме внутреннего потребления, также экспортируются, формируя более чем 50% бюджета страны. В этой связи, совершенствование их конструкций является очень актуальными техническими задачами.
Научно-техническая проблема, решаемая в настоящей работе, связана с СВП БУ. СВП является одной из определяющих систем в конструкции БУ. Она непосредственно выполняет операции свинчивания бурильных труб, вращение бурильных труб при бурении, развинчивание бурильных труб для их наращивания. Через СВП идет подача бурового раствора. СВП является несущим элементом грузоподъемного механизма БУ, силовым звеном между грузовой лебедкой и многомассовой системой буровых труб. СВП должна быть мощной вращательной системой ротора, иметь оптимальные размеры и вес, высокий к.п.д. А главное, она должна работать без отказов и иметь высокий ресурс. Существующие российские СВП не удовлетворяют этим требованиям. Отсутствие надежных исполнительных двигателей соответствующей мощности вынуждает изготовителей СВП использовать импортное оборудование, что приводить к высоким закупочным ценам и зависимости от зарубежной политики. Зарубежные СВП лучше отечественных, но также далеки от идеала.
Для того, чтобы не просто достичь технические параметры зарубежных СВП, а превысить их, требуются технические решения качественно новые, прорывные, нестандартные. К таким решениям авторы работы отнесли создание принципиально нового средней мощности (300 кВт) электрического синхронного двигателя на постоянных магнитах. Использование аналогичных двигателей небольшой мощности в электрических инструментах, приборах и в минитехнике привело к существенным, революционным изменениям в лучшую сторону их конструкций. Такие же результаты авторы ожидают и в своей работе по СВП БУ. Данная работа должна обеспечить поиск и достижение наилучших размеров и механических характеристик синхронных двигателей на постоянных магнитах, эскизные конструкторские проработки уже обеспечивают конкурентные конструкции СВП по сравнению с зарубежными конструкциями. Изготовление и стендовые испытания экспериментального образца двигателя и СВП должны доказать его работоспособность и надежность. Совместное выполнение работ с индустриальным партнером должно обеспечить внедрение результатов ПНИ.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
В данный момент проходит процедуру оформления одна патентная заявка и начинается подготовка к подаче еще двух патентных заявок.

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Сравнение параметров создаваемого электропривода с электроприводом-аналогом на базе 2SKRZKT 280 Ldd-4 ATB Sever (Сербия)
- по сравнению с аналогом, масса электропривода должна снизиться на 56 %, а осевой габаритный размер – на 45,5%;
- к.п.д. на расчетном рабочем режиме должен увеличиться на 2%, а на режимах с частотой вращения около 50 об/мин – до 10%.

Сравнение характеристик ВЭП12-320 с характеристиками СВП-аналогами (с отечественными и зарубежными):
- за счет замены сербского электропривода на новый электропривод масса СВП ВЭП12 – 320 будет меньше на 13,2% по сравнению с СВП СВЭП-320;
- на 18,7% увеличится развиваемый рабочий момент;
- на 27,3% увеличится максимальный крутящий момент, это позволит преодолевать большие нагрузки и работать на более трудных грунтах или больших глубинах бурения.
Эти показатели создают силовое резервирование приводу, что обеспечивает, в равных условиях работы, повышение надежности.
- габаритные и присоединительные размеры СВП ВЭП12-320 полностью соответствуют СВП-аналогу СВЭП-320.
При достижении вышеуказанных характеристик новая СВП будет опережать зарубежные аналоги IDS-350PE (США) и 500 ECI 900 (Канада) и вплотную приблизится к самому современному приводу TDS-11SH (США). Следует отметить, что зарубежные аналоги СВП изготавливаются с использованием аналогичных по типу электродвигателей на постоянных магнитах.

Для оценки характеристик второй СВП ВЭП12-200 были взяты его основные аналоги (отечественные и зарубежные).
- масса меньше на 25%;
- линейный размер по длине меньше на 9,5%;
- крутящий момент на выходном валу больше на 12%;
- при установке нового электропривода не изменяются массо-габаритные параметры продукции индустриального партнера, что свидетельствует о том, что новый электропривод может конкурировать по этим показателям с гидроприводом (электроприводы построенные на асинхронных электромашинах в три раза тяжелее и больше чем гидроприводы той же мощности);
- используя новый электропривод на СВП грузоподъемностью 225 тонн, можно на рабочих режимах вращения ротора в 90 об/мин преодолевать в два раза большие нагрузки;
- за счет того, что механическая характеристика нового электропривода имеет постоянный крутящий момент в широком диапазоне изменения частоты вращения, новая СВП может работать более производительно по сравнению с аналогом, может бурить на больших глубинах бурения и на более прочных грунтах чем ее аналог;
- у новой СВП расширяется более чем в 2 раза скоростной диапазон вращения ротора, что позволит существенно увеличить производительность на операциях развинчивания и свинчивания буровых труб;

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
При разработке экспериментального образца необходимо учесть результаты патентных исследований конструкций с эксцентриковым размещением электродвигателя относительно оси вращения буровой колонны. Для защиты технических решений возможно подача нескольких заявок, в частности на патент полезной модели вентильного двигателя, на патент полезной модели СВП и, возможен патент на систему управления вентильным двигателем.
При использовании материалов для изготовления постоянных магнитов целесообразно проводить их исследование на специальном научно-технологическом комплексе, имеющемся в СПбПУ.
Разработку стендов и проведение лабораторных испытаний необходимо выполнять с учетом воспроизведения и использования параметров динамических нагрузок, в частности, необходимо сделать упор на гармоники с частотами 5-7 рад/c.
Были рекомендованы индустриальному партнеру использовать данные систем мониторинга при проектировании механических и гидравлических узлов систем верхнего привода.
Рекомендовать индустриальному партнеру выполнять в своей практике регулярно работы по обработке данных систем мониторинга по другим скважинам с использованием разработанного нового метода и соответствующих методик.
При теоретических исследованиях, связанных с проведением поверочных расчетов динамики работы системы верхнего электропривода были использованы математические модели нагрузок по результатам исследований. Нагрузки на СВП существенно зависят от используемого бурового инструмента. Так при бурении турбобуром, нагрузку на выходном валу СВП следует рассматривать не как сопротивление резанью и трения труб о грунт, а как сумму сложной реакции гидродинамических потоков высокого давления промывочной жидкости, которая вращает турбобур, и сил трения буровых труб о грунт.
Моделирование целесообразно проводить по проверенным методикам. Рекомендуется использовать центр коллективного пользования вычислительной техники и лицензионное программное обеспечение, имеющееся в СПбПУ, в частности интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем Simulink.
На основе выявленных тенденций развития зарубежных буровых установок было рекомендовано индустриальному партнеру расширить диапазон грузоподъемности мобильных буровых установок с 200 тонн до 320 тонн.
При создании экспериментального образца верхнего электропривода необходимо исходить из ограничений стоимости промышленных систем верхнего электропривода, которые необходимо более тщательно изучить на следующих этапах исследований.
На следующих этапах исследований целесообразно выполнить дополнительные патентные исследования в области непосредственно мобильных буровых установок с целью выявления дополнительных решений по системам верхнего привода, предназначенных только для мобильных буровых установок.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
Электрические приводы различного назначения, в том числе для грузоподъёмного оборудования и буровых установок разведочного и эксплуатационного бурения, агрегатов для капитального ремонта скважин.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Система верхнего привода (СВП) в последнее время становится наиболее популярным способом бурения нефтяных и газовых скважин. Этой системой оборудуются как импортные, так и отечественные буровые установки. Такие установки используются, например, на Каспийском шельфе в Астрахани.
Поэтому проект является актуальным и его поддерживают:
- Одна из крупнейших российских нефтяных и газодобывающих компаний - ОАО «Сургутнефтегаз»;
- член технологической платформы «Технологии добычи и использования углеводородов» ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»;
- буровая компания ООО «КАТОБЬНЕФТЬ».

В ходе работ выявлено 26 марок МБУ, которые продаются на рынке и на которых потенциально может использоваться разрабатываемый экономичный верхний электропривод.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Набор статистики реальных нагрузок с БУ позволит в дальнейшем сформулировать проектные нормы по системам верхнего привода.

4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
На основе выявленных тенденций развития зарубежных буровых установок было рекомендовано индустриальному партнеру расширить диапазон грузоподъемности мобильных буровых установок с 250 тонн до 320 тонн. Это позволит не отстать от зарубежных конкурентов. А за счет более компактного нового отечественного вентильного электродвигателя на постоянных магнитах, позволит создать более компактную и более экономичную конструкцию верхнего привода буровых установок и, тем самым, расширить на рынке представительство отечественных систем.

Текущие результаты проекта:
1. изготовлен экспериментальный образец верхнего электропривода для мобильных буровых установок.
2. разработана эскизная конструкторская документации на стенд для проведения испытаний верхнего электропривода для мобильных буровых установок.
3. разработаны рекомендации по реализации системы верхнего привода к мобильным буровым установкам.
4. оформляется промежуточный отчет о ПНИ по 3-у этапу.
5. проведены мероприятия, направленные на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.
6. приобретено оборудование для исследовательских испытаний экспериментального образца верхнего электропривода для мобильных буровых установок в составе системы верхнего привода.