Расчет мощности двигателя на подъем бурового инструмента

Мощность двигателя (в кВт), необходимая на подъем бурового инструмента (снаряда) из скважины

                   (8.30)

где Q_кр- нагрузка на крюк, Н; V₀ - скорость навивки каната на барабан лебедки (м/с), выбираемая из технической характеристики бурового станка; u_т.с - количество рабочих струн талевой системы; η=0,75÷0,85 - КПД передач от двигателя до барабана лебедки.
С целью сокращения времени на спускоподъемные операции подъем бурового инструмента должен производиться с полным использованием мощности двигателя станка и располагаемого диапазона частот вращения барабана лебедки.

Длина бурильной колонны l_i при которой можно начинать подъем бурового инструмента с определенной скоростью вращения барабана лебедки с учетом полного использования мощности, можно определить из выражения.

                (8.31)

где η=0,8÷0,85 к.п.д передач от двигателя до крюка; V_iп=V_iл/u_т.с - скорость подъема бурового инструмента, м/с (согласно требованиям техники безопасности для буровых установок геологоразведочного бурения максимальные скорости подъема регламентированы: при l_св=4,7м V_iп(max)= 1,6м/с, при l_св<>4,7м-2м/с); _Viл - скорость вращения барабана лебедки, м/с (значения этой скорости указаны в технической характеристике бурового станка); q₀=Q_кр/L - нагрузка на крюк от 1 м поднимаемой бурильной колонны, Н/м (L- общая длина бурового инструмента, м).

На каждой из скоростей может быть поднята часть бурильной колонны длиной

∆l_i=l_i-l_i+1              (8.32)

где l_i и l_i+1 - длины бурильной колонны (глубины скважин), при которых начинается подъем бурового инструмента соответственно на текущей и последующей скорости. После определения интервалов подъема бурового инструмента на разных скоростях следует построить соответствующий график.

Количество свечей, поднимаемых на разных скоростях буровой лебедки, можно рассчитать из выражений n^I_св=l₁/l_св; n^II_св=l₂/l_св и т.д.

При бурении глубоких скважин (например на нефть и газ) нагрузка на крюке при различных скоростях подъема

           (8.33)

где N_л - мощность на подъемном валу лебедки (N_л=0,8N_max), кВт; η_т.с - к.п.д талевой системы; η_л=0,9 - к.п.д лебедки; V_kpi- скорости подъема крюка, м/с; Qт.с - вес талевой системы, кН;

                (8.34)

Здесь D₆ - диаметр барабана лебедки, м; n_i - частота вращения подъемного вала лебедки, мин-1.

Коэффициент полезного действия талевой системы η_т зависит от числа шкивов, диаметра каната, степени их изношенности, нагрузки на крюке и т.д. Для практических расчетов можно пользоваться формулой

η_т.с=1-0,02u_т.с               (8.35)

u_т.с - число шкивов талевой системы минус 1 невращающегося шкива, через который проходит неподвижно закрепленный конец каната

Число свечей, которое может быть поднято на различных скоростях

                  (8.36)

где Q_убт - вес утяжеленных бурильных труб, кН; ρ_ж и ρ_м - плотность соответственно циркуляционного агента и материала труб, кг/м3; V_б.т - вес единицы длины бурильных труб, Н/м; l_св - длина бурильной свечи, м.

Мри групповом приводе буровой установки мощность двигателя (кВт) определяется из выражения

N_дв =N_ст + N_н+ N_г.м + N_г               (8.37)

где N_ст  - мощность на привод бурового станка, достаточная как для бурения, так и для выполнения спуско-подьемных операций, кВт; N_н - мощность на привод бурового насоса, кВт; N_г.м - мощность на привод глиномешалки, кВт; N_г - мощность на привод генератора (N_π=0,8÷1,5 кВт).

Пример 8.4. Проверить достаточна ли мощность N_дв=30кВт двигателя, приводящего в действие буровой станок на подъем инструмента для следующих условий: нагрузка на крюк Q_кр=40кН; талевая система - с двумя рабочими струнами (u_т.с=2); скорость навивки каната на барабан лебедки при подъеме инструмента из скважины V₀=0,8 м/с.

Решение. Примем к.п.д талевой системы η_т.с=0,95. Тогда по формуле (8.30)

Мощность двигателя более чем достаточна.

Пример 8.5. Произвести расчет рационального режима подъема бурового инструмента для следующих условий: длина скважины L=600m; буровой станок ЗИФ-650М; нагрузка на крюке Q_кр=54721Н; число подвижных струн талевой системы u_т.с=2.

Решение. Определим скорости вращения барабана лебедки (скорости навивки каната на барабан). Согласно данным табл.8.1:

V_1л=0,7м/с; V_2л=0,95м/с; V_3л= 1,5м/с; V_4л=2,04м/с; V_5л=2,72м/с; V_6л=3,7м/с; V_7л=4,6м/с; V_8л=6,25м/с.

При двухструнной оснастке скорости подъема бурового инструмента будут равны:

V_1π=0,7/2=0,35м/с, аналогично: V_2π=0,7/2=0,35м/с; V_3π=0,75м/с; V_4π= 1,02м/с; V_5π= 1,36м/с; V_6π= 1,82м/с. На остальных скоростях V>2м/с и производить подъем бурового инструмента не рекомендуется.

Длины бурильных труб, которые могут быть подняты на заличных скоростях при q₀=54721 /600=91,2Н/м:

Аналогично: l₃=373м; l₄=274м; l₅=205m; l₆=151м.

На I скорости поднимать буровой инструмент нецелесообразно.

На II скорости целесообразно поднимать часть бурильной колонны длиной ∆l₂=595-373=222м; на III скорости ∆l₃=373-274=99 м; на IV скорости ∆l₄=274-205=69 м; на V скорости ∆l₅=205-151=54м; на VI скорости -весь оставшийся буровой инструмент длиной 156 м

График рационального режима спуско-подьемных операций приведен на рис.8.1.

Рис.8.1. Гарфики рационального режима спускоподъёмных операций

Пример 8.6. Определить нагрузки на крюк и число свечей, которые могут быть подняты для следующих условий: буровая лебедка ЛБУ-37-1100 (лебедка VI скоростная, номинальная мощность 1000 кВт, используется для бурения на глубину 5000м; частота вращения (n_i) n_i=45мин-1; n₂=70мин-1; n₃=111мин-1; n₄=168мин-1; n₅=257мин-1; n₆=407мин-1; диаметр барабана D₆=0,84м); оснастка 4x5; u_т.с=8; вес подвижной части талевой системы Р_т.с=100кН; l_с.в=25и; бурильные трубы диаметром 114мм, q_б.т=300Н/м (или 0,3 кН/м)

Решение. Подъемная сила (в кН) на крюке при различных скоростях его подъема по формуле (8.34)

Аналогично для остальных частот вращения будем иметь V_k2=0,384м/с; V_k3=0,61м/с; V_k4=0,923м/с; V_k5=1,41м/с; V_k6=2,236м/с.

Скорость навивки каната на барабан при оснастке 4x5 составит V_н(I)=V_кр·8=0,25·8=0,25·8=2м/с; аналогично V_н(II)=3,07м/с; V_н(III)=4,88 м/с; V_н(IV)=7,44 м/c; V_н(V)=1,28м/с; V_н(VI)= 17,88м/с.

По формуле (8.35) η_т.с= 1-0,02·8=0,84.

Приняв мощность на подъемном валу лебедки ЛБУ-1100 N_л=0,8АN_max=0,8·1000=800кВт и к.п.д. лебедки η_л=0,9 по формуле (8.33) получим.

Вес колонны, который может быть поднят на различных скоростях:

аналогично Q_k3=892кН; Q_k4=555кН; Q_k5=329кН; Q_k6=170кН.

Определим число свечей, которое может быть поднято, например, ни III скорости. Примем, что в компоновку нижней части бурильной колонны входят УБТ, вес которых Q_убт=380кН (УБТ диаметром 203 мм в внутренним диаметром 100мм), а ρбр=1500кг/м3.