Мощность двигателей, расходуемая на бурение

Мощность двигателя (в кВт) в процессе вращательного бурения геологоразведочных скважин расходует на:

• холостое вращение бурильной колонны N_х.в;
• разрушение горной породы на забое скважины N_заб;
• преодоление сопротивлений, возникающих при трении гребней полуволны вращающейся колонны о стенки скважины при передаче осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент N_доп,

Мощность на холостое вращение определяется в зависимости от большого числа факторов - глубины, диаметра и профиля скважины, параметров режима бурения, состояния пород и вида промывочной жидкости. Вследствие этого для практических расчетов можно воспользоваться экспериментальными формулами:

для вертикальных скважин с углом наклона до 75°

N_х.в=55,8∙10^-4k₁k₂k₃ (1+0,44cosβ(0,9+20∙δ))k₄qdn^1,83L^0,75                     (8.3)

где к₁ - коэффициент, учитывающий тип соединения бурильных труб (для ниппельного соединения k₁=1; для муфтово-замкового - k₁=1,3); 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 k₃=0,4÷0,6); k₃ - коэффициент, учитывающий характер стенок скважины (для нормального разреза k₃=1; в сложных геологических условиях k₂=1,5÷2); k₄ - коэффициент, учитывающий материал бурильных труб (для СБТ k₄=1; для ЛБТ k₄=0,75); δ=(D-d)/2 - зазор между стенками скважины и бурильными трубами, м, где D - диаметр скважины, м id - диаметр бурильных труб, м; q - масса 1 м бурильных труб, кг/м; n -частота вращения снаряда, с^-1; L - глубина скважины, м; cosβ- косинус угла наклона скважины;

для высоких частот ращения бурильной колонны при n>n0

N_х.в=k_с(2.0ό∙10^-6qδn²+0,8·10^-3qd²n)L                     (8.4)

для низких частот вращения бурильной колонны при n>n0

N_х.в=k_c1,44·10^-3k_cqd²nL                       (8.5)

где k_c - коэффициент, учитывающий влияние смазки и промывочной жидкости, обладающей смазочными свойствами, k_c= 1,0 при полном покрытии колонны смазкой типа КАВС в сочетании с промывкой скважины технической водой, k_c=1,5 при отсутствии смазки; n₀=0,32·10³·d²/δ - граница раздела зон частот вращения бурильной колонны.

Для определения мощности, необходимой для холостого вращения стальной бурильной колонны при бурении скважин с зенитным углом θ≤5° буровыми установками роторного типа используется полуэмпирическая формула, предложенная А.Е.Сарояном:

N_х.в=13,5·10^-8Ld²n^1,5D^0,5γ_ж        (8.6)

где D - диаметр скважины, м; γ_ж - удельный вес промывочной жидкости, Н/м3; n (в мин^-1).

Для труб из легких сплавов N_х.в снижается пропорционально уменьшению удельного веса материала труб.

Мощность на разрушение породы при бурении зависит от типа породоразрушающего инструмента и параметров режима бурения.

При бурении твердосплавными коронками затраты мощности (кВт) на забое определяются по формуле

N_заб=5,3·10^-4PnD_ср.k(0,137+μ)

где Р - осевая нагрузка, даН; n - частота вращения коронки, мин-1; D_ср.k -средний диаметр коронки, м.

D_ср.к=D_1k+D_2k/2           (8.8)

D_1k  и D_2k - наружный и внутренний диаметр коронки, м; μ - коэффициент трения резцов коронки о породу забоя.

Коэффициент трения резцов о породу зависит от многих факторов и является величиной приближенной. Его значения зависят от параметров режима бурения, состава очистного агента, проходимых пород и ряда других факторов.

Ориентировочные значения μ для разных типов пород приведены ниже:

Глина.	0,12-0,20
Глинистый сланец	0,15-0,25
Мергель	0,18-0,27
Известняк	0,30-0,40
Доломит	0,25-0,40
Песчаник	0,30-0,50
Гранит	0,30-0,40

При бурении алмазными коронками N_заб = 2·10^-4PnD_ср.к.                   (8.9)

При бескерновом бурении N_заб=(3÷4)10^-4Р_дnD.                   (8.10)

При использовании шарошечных долот можно рассчитывать мощность, затрачиваемую на забое, также по формуле

N_заб=10^-3μP_дnD                   (8.11)

Для долот диаметром 76 мм и более μ=0,17, диаметром 59 мм и менее μ=0,10.

Обозначения в формулах (8.9), (8.10), (8.11) те же, что и в формуле (8.7).

Из большого числа зависимостей по вычислению мощности, затрачиваемой на работу шарошечных долот диаметром 120-450 мм установками глубокого бурения роторного типа отметим формулу фирмы «ЮЗ» (США), полученную на основании стендовых испытаний трехшарошеч-ных долот при бурении в песчанике, известняке и граните

N_д=с·10^-5P_д^1,3nD^0,4              (8.12)

где с - коэффициент крепости пород, принимаемый для мягких пород с=2,6; для пород средней твердости с=2,3; для крепких с=1,85; для изношенных долот величина с увеличивается в 1,5 раза.

Остальные обозначения: п (в мин^-1), D (в мм) и Р_д - осевая нагрузка на долото (в кН).

При бурении долотами режуще-истирающего типа N_д значительно возрастает: при D_д = 190мм, n = 70мин^-1 и Р_д =50 ÷ 150кН расход мощности на разрушение породы достигает 11-36 кВт.

Мощность, потребляемая колонковым долотом (в кН)

N_д=N₀S             (8.13)

где N₀ - удельная мощность, отнесенная к 1 см2 забоя, кВт/ см2 (в зависимости от частоты ращения, давления на забое и скорости бурения N₀ колеблется в пределах 0.06-0.18 кВт/ см2); .S-площадь забоя, см2.

Значение N_доп (кВт) определяется по формуле

N_доп=2,45·10^-3δPn,              (8.14)

Обозначения в формуле (8.14): δ (в м), Р (в даН), n (в мин^-1).

Мощность, потребляемая в трансмиссии и других узлах бурового станка определяется по формуле:

N_ст=В_ст.n                (8.15)

где В_ст - опытный коэффициент, характеризующий потери мощности в элементах трансмиссии станка, значения которого, полученные на основании экспериментальных работ, приведены ниже:

Тип станка	СКБ-4	СКБ-5	СКБ-7	ЗИФ-650М	ЗИФ-1200МР
Вст,10-3 кВт мин/об	5,5	5,0	6,8	8,8	8,2

Nст можно также определить из выражения

N_ст=1,1N_дв(6·10^-2+1,2·10^-4n)         (8.16)

Мощность, необходимость для подъема бурового инструмента с проектной глубины скважины

             (8.17)

Пример 8.3 Проверить, достаточна ли мощность N_дв=37кВт двигателя, приводящего в действие буровой станок для бурения скважины глубиной L=800 м для следующих условий: работа на проектной глубине будет вестись алмазной коронкой диаметром D/D₁=59/42мм с использованием бурильных труб ЛБТН-54 наружным диаметром d=54 мм; скважина промывается полимерной промывочной жидкостью, обеспечивающей смазочный эффект; нагрузка на крюке Q_кр=40кН; талевая система - с двумя рабочими струнами; осевая нагрузка на алмазную коронку Р_а.к=8,5kH; частота вращения бурового снаряда n=1080мин^-1(18с^-1); скорость навивки каната на барабан лебедки при подъеме бурового снаряда из скважины V₀=0,77м/с; угол наклона скважины к горизонту α=60°.

Решение: Мощность (кВт) на вращение снаряда в процессе бурения

                 (8.18)

где N_заб - мощность на разрушение породы на забое скважины; N_доп- дополнительные затраты мощности на вращение бурильной колонны, передающей осевую нагрузку на коронку; N_x.в - мощность на холостое вращение бурильной колонны; η=0,75-0,85 - к.п.д передач.

Мощность (кВт) на разрушение породы алмазной коронкой по формуле (8.9)

N_заб = 2·10^-4·850·1080·0.0505 = 9.5кВт.

где D_ср=(D+D₁ )/2=(0,059+0,042)/2=0,0505м.

Значение N_доп находим из уравнения (8.14)

N_доп = 2.45·10^-3·0.0025·850·1080 = 5.5кВт,

где δ=(0,059-0,054)/2=0,0025м.

Мощность на холостое ращение снаряда по формуле (8.3):

N_x.в=55,8·10^-4·1·0,6·1·(1+0,44cos60°·(0,9+20·0,0025))·0,75·4,8·0,054·18^1,83800^0,75=22,5кВТ

Общая мощность на бурение

Расчет показывает, что мощность двигателя станка при заданном течении n=1080мин^-1 не достаточна и должна быть снижена.