Анализ затрат мощности на процесс бурения

В процессе бурения скважины мощность двигателя бурового станка расходу­ется на выполнение ряда действий т.е.:

N_бур. = N_ст. + N_бт. + N_заб.

Где: N_ст. -потери мощности в двигателе и в механизмах бурового станка,

N_бт. – потери мощно­сти на вращение колонны бурильных труб,

N_заб. -затраты мощности на забое скважины для разрушения породы (единственно полезные и необходимые).

Очевидно, чтобы осуществить бурение, суммар­ные затраты мощности на процесс бурения не должны превышать мощность двигателя.

Поскольку условия процесса бурения прямо влияют на затраты мощности, а пара­метры режима бурения, в свою очередь, прямо зависят от величины передаваемой на забой мощности, ана­лиз затрат мощности позволяет оценить возможности в выборе величин параметров ре­жима бурения, в первую очередь частоты вращения, и определить резервы снижения непроизводительных затрат (потерь) мощности в станке и на вращение бурильных труб.

1. Потери мощности в станке -N_ст.. Эти потери связаны с преодолением трения в элементах механической передачи станка от двигателя до вращателя. Эти потери разде­ляются на две части: - потери не связанные с изменением частоты вращения, т.е. В деталях, вращающихся с по­стоянной частотой (двигатель, фрикцион, первичный и промежуточный валы коробки пе­редач), и потери, прямо пропорционально зависящие от частоты вращения: - (вторичный вал коробки передач, промежуточная коробка, вращатель). Общие потери в станке можно оценить по выражению:

N_ст. = a + б · n

Где а и б опытные коэффициенты индивидуальные для каждого станка, завися­щие от марки станка, его состояния, износа, ремонта, обслуживания. Ориентировочные примерные значения коэффициентов для разных типов и марок буровых станков приводят­ся в справочниках. Для отечественных шпиндельных станков значения коэффициентов можно принимать в пределах а = (1,1 ÷ 2,7)квти б = (5,0 ÷ 6,8) ∙ 10^-3 ∙ n,кВт

2. Затраты (потери) мощности на вращение колонны бурильных труб - N_бт.. Затраты мощности на вращение бурильных труб, учитывая, что при геологоразведочном бурении практически не применяются забойные двигатели, составляют значительную часть от общих затрат мощности и их доля растет с ростом глубины скважины, достигая иногда до 90% от всех затрат мощности на бурение. Поэтому их анализ имеет особо важ­ное значение!

Затраты мощности на вращение бурильных труб можно условно разделить на две части: затраты на холостое вращение – N_хв..т.е. затраты на вращение колонны труб, сво­бодно подвешенных в скважине, и дополнительные затраты -N_доп., зависящие от вели­чины осевой нагрузки, из-за которой нижняя часть колонны труб изгибается и прижима­ется к стенкам скважины, тем больше чем больше F_ос, вызывая дополнительные затраты мощности на преодоление дополнительных сил трения труб о стенки скважины:

N_бт. = N_хв.+ N_доп.

Теоретически рассчитать затраты мощности на вращение бурильных труб не пред­ставляется возможным из-за большого количества факторов, влияющих на эти затраты, и невозможность их точного учета в условиях реального бурения. Поэтому предложено не­сколько методик расчета затрат мощности на вращения бурильной колонны в процессе бурения, построенных на использовании опытных коэффициентов, отражающих степень влияния основных факторов бурения Основные из них методика ВИТР’а и методика СКБ.

Поскольку методика ВИТР´а упрощена и отражает лишь малую часть факторов, она при­годна только для очень приблизительных оценок.

Методика СКБ, основанная на большом количестве стендовых и производственных экспериментов, гораздо реальнее отражает за­траты мощности на вращение бурильных труб в разных условиях и поэтому может быть рекомендована для ответственных расчетов, тем более, что она позволяет полнее увидеть резервы снижения затрат мощности в реальных условиях бурения. По методике СКБ при анализе затрат мощности на вращение бурильных труб учитывается влияние практически всех основных, факторов, обуславливающих условия вращения бурильной колонны (9 ко­эффициентов). Суммарные затраты мощности на вращение бурильных труб - холостое вращение и дополнительные, за счет осевой нагрузки, определяются по формуле:

N_бт.= 10^-5· К_см.· К_скв. · К_мт.· ( К_ст. · К_кт. · К_жт.· К_и.· К_н.· К_δ. · D · L^0.75 · n^1.85 + 2 · δ · С_ос. · n)

Где: К_см - коэффициент смазывающих свойств очистного агента: вода - 1; вяз­кий глинистый раствор - 1,3; малоглинистый раствор - 1,1; эмульсия и полимерные жидкости - 0,75;эмульсия + КАВС-0,65

К_мт - коэффициент материала бурильных труб: СБТ -1; ЛБТ- 0,75.

К_скв.- коэффициент состояния стенок скважины: обсаженный ствол -0,5: нор­мальное состояние ствола - 1,0 -: - 1,4; кавернозный ствол -1,5 - :- 2,0

К_ст.- коэффициент соединений бурильныхтруб: ниппельные -1,0; муфтово-зам­ковые- 1,3

К_кт- коэффициент кривизны (качества) бурильных труб. Если кривизна неизвестна, то трубы высокого качества: К_кт. = 1,0; средние - К_кт. = 1,3;низкое качество К_кт. = 1,6.

К_жт - коэффициентжесткости труб, определяемый по табл.11

Таблица 11

№ п.п.	Бурильные трубы.	Объединенный коэф. Жесткости
1.	СБТМЗ - 50	0,59
2.	СБТМЗ - 42	0,49
3.	СБТН-50	0,56
4.	СБТН -42	0,46
5.	СБТН-54	0,53
6.	ЛБТН-54	0,32
7.	ЛБТН -42	0,22
8.	ЛБТН-68	0,43
9.	КССК -76	0.56
10.	ССК-76	0,55
11.	ССК- 59	0,48
12.	ССК- 46	0,42

K_и.- коэффициент искривления скважины. K_и. = 1 +60 · J ,гдеJ интенсив­ность искривления, град/м. Для слабоискривленных скважин J= 0,01 ¸ 0,02, для силь­но искривленных скважин .J может достигать значений до 0,03 ¸ 0,05и тогда величина K_и.Может достигать значения = 4,0 - это самое большое возможное значение из всех коэффициентов!

К_н.Коэффициент наклона, учитывающий наклон ствола скважины при наклон­ном бурении.

К_н. = (1 + 0,44 Sinθ) ,где θзенитныйугол.

К_δ. -коэффициент зазора.К_δ. = (0,9 + 20δ),где – в м.

В приведенной формуле: L– длина скважины, м, n– скорость вращения бурового снаряда в об/мин.

3. Затраты мощности на забое скважины.

На забое мощность расходуется на разрушение породы. При этом часть мощности тратится собственно на разрушение породы, а часть, иногда значительная, на преодоление сил трения резцов или зубьев о забой. Для оценки забойной мощности используется либо эмпирическая формула (шарошечные долота), либо физическая формула N=F·Vс опытными коэффициентами.

А). При бурении шарошечными долотами:

N_заб. = N_o. S_заб.

Где: N_o.- удельная мощность, приходящаяся на 1см² площади забоя; N_o.= (0,5 ÷ 1,5) квт/см.², (меньшее значение для мягких пород). S_заб. - площадь забоя, см.².

Б) При бурении лопастными долотами и пикобурами:

N_заб. = 10^-5 × (З ÷ 5) × F_оc.· D_скв. · n, кВт.

Где: F_оc. - осевая нагрузка на долото, Н;D_скв. - диаметр скважины, м, n - частота вращения, об/мин.

В). При бурении твердосплавными и алмазными коронками:

N_заб. = 10^-4 × (µ_о+A · h_об.) × F_ос.· r · n, кВт.

Где µ_о - коэффициент трения резцов о породу; А- коэффициент, учитывающий за­траты мощности на разрушение пород; h_об. - углубка за оборот, мм.

Ориентировочные значения коэффициентов µ_о и А и значения h_об. принимаются по табл. 12

Таблица 12

№	Вид коронки и характер воздействия	µо	А	Hоб.,мм.
1.	Твердосплавная	0,1	1 - 3	0,05 - 0,6
2.	Твердосплавная с гидроударником	0,04	0,2 - 0,4	0,15 - 1,0
3.	Алмазная однослойная	0,03 -0,05	1,0-3,5	0,04 - 0,2
4.	Алмазная импрегнированная	0,05 - 0,1	3,0 - 8,0	0,02 - 0,2
5.	Алмазная с гидроударником	0,03	1,0-2,0	0,05 - 0,5

При меньших значенияхh_об. Принимают большие значения А.

Анализ приведенного расчета затрат мощности позволяет решать две задачи для повышения эффективности процесса бурения:

1. Резервы. Поскольку мощность приводного двигателя (нашего) бурового станка, как правило, ограничена и на больших оборотах и на больших глубинах явно недостаточна, то снижение непроизводительных затрат, главным образом, на вращение бурильных труб позволит повысить долю забойной мощности и повысить значения параметров режима и, тем самым, эффективность бурения. Анализ величин коэффициентов, определяющих затраты мощности на вращение труб позволяет определить и реализовать значительные резервы: - так замена воды на эмульсию экономит 25% мощности, а если применить еще и консистентную смазку КАВС экономится еще 10%.; замена стальных труб на легкосплавные добавит еще 25%, уменьшение кривизны скважины может уменьшить затраты мощности на вращение труб в 2—4 раза и.т.д.

2. Вторая задача заключается в том, что анализ позволяет рассчитать до какой глубины скважины, на каких оборотах бурового снаряда будет хватать мощности двигателя в зависимости от реальных условий бурения, поскольку мощности наших буровых станков не достаточна для бурения на максимальных оборотах на максимальные для данного станка глубины скважин. Для решения этой задачи преобразуем формулы затрат мощности в вид: L(n)= f(n), принимая все остальные значения постоянными, а величину F_oc.примем среднюю для данных условий бурения.

Или при всех постоянных при n после их приведения обозначим:

Получим:

Подставляя последовательно n , начиная с максимальной частоты вращения n_max. … n_i (при регулируемом приводе n_max. , n_ср. , n_min. ), построим графики Рис. 28 а.

а	б
Рис. 28

При плавном приводе сначала определяют L примаксимальной частоте вращения данного станка – L(n_max.), затем подбором находим значение частоты вращения для полной глубины скважины – n (L_скв.), это будет - n_min. и еще одну - две промежуточные точки по средним значениям n и строим кривую - Рис. 28 б.