2.2. Влияние компоновочной схемы спк на производительность

Производительность является основным показателем работы установки для ремонта скважин. Производительность – это объем работ, произведенных за единицу времени. Применительно к установкам для ремонта скважин, производительность СПК можно оценить, как объем СПО к общему времени, затраченному на проведение СПО. Другими словами, производительность СПК – это скорость выполнения СПО  . Т.к. объем спуско-подъемных операций зависит от суммарной глубины спускаемого и поднимаемого оборудования, то производительность П_спо можно выразить следующей формулой:

; (2.5)

где T_спо – общее время проведения СПО;

L_i – текущие интервалы глубин спуско-подъемов;

n – количество спуско-подъемов.

Как видно из выражения повышение производительности СПК возможно двумя способами:

- уменьшение объемов СПО;

• сокращение общего времени на спуско-подъемные операции.

Затраты времени на проведение СПО при капитальном ремонте можно определить по формуле:

; (2.6)

где T_п – общее время подъема труб, с;

T_сп – общее время спуска труб, с;

T_сп.нэ – общее время спуска ненагруженного элеватора, с;

T_п.нэ – общее время подъема ненагруженного элеватора, с;

T_св.п – общее время, затрачиваемое на развинчивание труб при подъеме, с;

T_св.сп – общее время, затрачиваемое на свинчивание при спуске труб, с;

T_{укл.спо.} – общее время, затрачиваемое на укладку труб при подъеме труб из скважины и на установку на оси скважины при спуске, с;

T_з.о. – общее время на замену оборудования при ремонтных работах, с.

Особенностью часто встречающегося вида капитального ремонта скважин является необходимость бурения интервала горизонтального участка ствола или разбуривание цементного стакана. Затраты времени на проведение СПО при этом виде работ аналогично определению этих показателей при бурении скважин [35] можно определить по формуле:

(2.7)

где T^спо+б_п – общее время подъема труб, с;

T^спо+б_сп – общее время спуска труб, с;

T_б – время бурения интервала, с;

T^спо+б_сп.нэ – общее время спуска ненагруженного элеватора, с;

T^спо+б_п.нэ – общее время подъема ненагруженного элеватора, с;

T^спо+б_.н – общее время, затрачиваемое на наращивание труб при бурении, с;

T_с.д. – общее время на смену долота при разбуривании интервала, с.

Затраты времени на спуск и подъем фактически равны и определяются [1, 2, 3]:

; (2.8)

где L_i – предельная длина колонны при i – ом рейсе, м;

N_дв – мощность двигателей лебедки, Вт;

_т.с – к.п.д. талевой системы;

 – число рейсов, шт.;

_с – коэффициент заполнения тахограммы при спуске колонны труб;

– коэффициент, учитывающий высоту приподъёма колонны труб.

Для ремонта скважин, технологический процесс которого содержит только спуско-подъемные операции, затраты времени на спуск и, соответственно, на подъем можно определить следующим образом:

(2.9)

где L – глубина скважины, м.

Из технологии спуско-подъемных операций при бурении следует, что сумма длины подъемов незагруженного элеватора равна длине труб, спускаемых в скважину, а суммарная длина спусков незагруженного элеватора – длине труб, поднимаемых из скважины, и, в итоге, глубине скважины.

Затраты времени на спуск незагруженного элеватора:

, (2.10)

где _сп.нэ – средняя скорость спуска незагруженного элеватора, м/с.

Скорость подъема незагруженного элеватора зависит от структуры скоростей буровой лебедки, и машинное время подъема незагруженного элеватора за период бурения скважины определится:

, (2.11)

где _п – максимальная скорость подъема при установившемся движении, м/с;

– коэффициент заполнения тахограммы при подъеме ненагруженного элеватора.

Выражая скорости через характеристики лебедки и талевой системы, получим следующие выражения для определения затрат времени на спуск и подъем ненагруженного элеватора:

; (2.12)

Подставляя приведенные выше зависимости в выражение для нахождения общих затрат времени на СПО и постоянные для данной установки величины, получим

; (2.13)

где k₁, k₂, k₃, k₄ – коэффициенты постоянных для конкретной установки величин, которые определяются по следующим выражениям:

; (2.14)

; (2.15)

; (2.16)

. (2.17)

где _п – коэффициент заполнения тахограммы при спуске колонны труб;

Затраты времени для СПО с бурением интервала могут быть получены по следующей зависимости:

(2.18)

где t_н – время наращивания бурового става при бурении, с;

N_св – число свечей, шт.;

k₅ – коэффициент постоянных для конкретной установки величин, связанных с бурением:

; (2.19)

где _сп.вт, _п.вт– коэффициенты заполнения тахограммы при спуске и подъеме ведущей трубы;

_мi– механическая скорость бурения на i-ом интервале, м/c;

L_спо – глубина скважины до интервала бурения, м;

L_i – глубина бурения i-го интервала, м;

t_пр – время, затрачиваемое на промывку при бурении, с.

Для выявления взаимосвязи между параметрами были рассмотрены две схемы СПК установок для ремонта скважин:

• подъемник – лебедка – ротор – ведущая труба – вертлюг;

• подъемник – лебедка – верхний привод.

В результате всестороннего анализа существующих и перспективных вариантов компоновки СПК установок для ремонта была составлена схема для указания связи режимных и конструктивных параметров (рис.2.1).

Данная схема позволяет пользоваться полученными формулами, исходя из конструктивного исполнения СПК. Это дает возможность включения конструктивных параметров в программу нахождения наилучшего варианта компоновки СПК.

Преимущество той или иной схемы по производительности ремонта будет определяться разностью затрат времени на выполнение данного вида ремонта:

- для СПО и бурения

(2.20)

где Q_ВП – вес верхнего привода, Н;

T _Р^СПО+б , T _ВП^СПО+б – затраты времени на ремонт, включающий СПО и бурение, с;

t_н^Р, t_н^ВП – время наращивания бурового става при бурении соответственно ротором и верхним приводом, с;

Рис. 2.1. Схема для указания связи режимных и конструктивных параметров,

- используются при СПО;

- используются только при бурении;

Р - схема с ротором;

ВП - схема с верхним приводом;

M_кр - крутящий момент, Н*м;

P_ос - осевая нагрузка, Н;

n_вр - частота вращения, об/мин.

t_пр^Р, t_пр^ВП – время, затрачиваемое на промывку скважины при использовании соответственно ротора и верхнего привода, с.

В связи с тем, что преимуществом верхнего привода является бурение с одновременной промывкой скважины, т. е. совмещение этих операций во времени, то t_пр^ВП не учитывается, и выражение будет иметь вид:

(2.21)

- для СПО

(2.22)

где T _Р^СПО, T _ВП^СПО – затраты времени на ремонт, включающий только СПО, с;

t_св^Р, t_св^ВП – время, затрачиваемое на одно свинчивание-развинчивание бурового става при СПО соответственно в схемах с ротором и верхним приводом, с;

t_укл^Р, t_укл^ВП – время, затрачиваемое на укладку трубы или ее установку на ось скважины при СПО соответственно в схемах с ротором и верхним приводом, с.

Как видно из полученных выражений (2.20), (2.21) и (2.22), преимущества схем по производительности зависят от выполнения системы условий:

Δ T^СПО < 0 – ротор

ΔT^СПО+б < 0 – ротор

ΔT^СПО > 0 – верхний привод (2.23)

ΔT^СПО+б > 0 – верхний привод

Границы или интервалы глубин эффективности применения той или иной схемы компоновки СПК по производительности можно определить, подставив в формулы исходные данные для проектирования и подключив программу оптимизации для функции ΔT=f(L).

2.3. Оценка энергозатрат на СПО

Для определения энергоемкости капитального ремонта, включающего кроме СПО и бурение интервала пород, требуется проводить вычисления для конкретного (реального или часто встречающегося) геологического разреза скважины. Расчеты содержат большое количество данных как по скважине, так и по применяемому оборудованию. Характеристики оборудования приводятся в различной справочной литературе [16, 35, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84], а методики вычислений мощности, требуемой на бурение и спуск-подъем колонны труб содержатся в трудах авторов, занимающихся изучением процесса бурения [5, 38, 39, 41, 42, 50, 51, 52, 85, 86, 87, 88, 89]. Применение различных способов бурения определяют многообразие и большой объем используемой при расчетах методической и справочной литературы. Для упрощения процесса вычислений, уменьшения его трудоемкости и сокращения времени на его проведение необходимо создать базы данных по всему применяемому в бурении и ремонте оборудованию и техническим средствам, а также составить алгоритм и программу, позволяющую отображать и анализировать результаты вычислений по всей глубине исследуемой скважины. Такой способ организации позволяет не только качественно выполнять расчеты для конкретных условий эксплуатации установки, но и постоянно пополнять имеющиеся базы данных характеристиками новых видов оборудования.

Энергозатраты СПО можно оценить по работе выполненной механизмами во время СПО.

- только СПО;

- спуск-подъем на глубину L и бурение интервала L

(2.24)

где A_спо – работа, затраченная на выполнение СПО, Дж;

A_сп – работа, затраченная на спуск колонны труб, Дж;

A_п – работа, затраченная на подъем колонны труб, Дж;

A_б – работа, затраченная на бурение, Дж;

A_н – работа, затраченная на наращивание колонны труб при бурении, Дж;

A_пром – работа, затраченная на промывку скважины при бурении, Дж.

(2.25)

; (2.26)

где N_б – мощность, затраченная на бурение, Вт;

T_б – затраты времени на бурение, с.

Мощность, затраченная на бурение:

(2.27)

где N_и – мощность, затраченная на вращение инструмента на забое, Вт;

N_х.вр – мощность, затраченная на холостое вращение колонны труб (без учета осевой нагрузки), Вт;

N_доп – дополнительная мощность, учитывающая влияние осевой нагрузки на увеличение сил трения о стенки скважины, кВт [38, 51].

(2.28)

где n_вр – частота вращения инструмента, об/мин.

Мощность на холостое вращение труб определяется по эмпирическим выражениям [38, 50, 51]

(2.29)

где k_ - коэффициент, зависящий от степени искривления скважины;

_ж – плотность промывочной жидкости, кг/м³;

L_i – глубина скважины на i –ом интервале бурения, м.

Мощность, затрачиваемая на вращение инструмента зависит от типа породоразрушающего инструмента и может меняться по мере изменения свойств буримых пород f_г.п., но в любом случае при анализе компоновки СПК для конкретных условий работы может быть принята одинаковой, т.к. зависит от осевой нагрузки, частоты вращения и диаметра долота d_при:

(2.30)

Работа, затрачиваемая на наращивание труб при бурении:

(2.31)

где A_спо.вт – работа, затраченная на СПО, связанные с ведущей трубой при бурении, Дж;

A_св – работа, затраченная на свинчивание-развинчивание труб при наращивании и СПО, Дж.

; (2.32)

где Q_.вт – вес ведущей трубы, Н;

l_вт – длина ведущей трубы, м.

(2.33)

где M_св – момент, необходимый для свинчивания-развинчивания труб, Н*м;

_св – частота вращения, необходимая для свинчивания-развинчивания резьбовых соединений, с^-1;

t_св – затраты времени на свинчивание-развинчивание резьбовых соединений, с.

Работа, которую необходимо совершить для промывки скважины, кДж:

(2.34)

где N_пром – мощность промывочного насоса, Вт;

P_пр.н – давление промывочного насоса, Па;

Q_вж – расход промывочной жидкости, м³/с;

_г+м – к.п.д. гидравлических и механических передач.

После подстановки приведенных зависимостей в выражение общих затрат энергии на СПО и бурение получим:

(2.35)

где k₆, k₇, k₈, k₉, k₁₀ – коэффициенты постоянных для конкретной установки и расчетной скважины величин, которые определяются по следующим выражениям:

; (2.36)

; (2.37)

; (2.38)

; (2.39)

; (2.40)

. (2.41)

Выражение для расчета энергозатрат только на СПО будет иметь вид:

; (2.42)

Анализируя полученные выражения для расчета энергозатрат на СПО и бурение, можно сделать вывод, что энергоемкость, как и производительность СПК установки для ремонта скважин зависит от конструкции СПК и его режимных параметров. Реализовать расчет энергоемкости рассматриваемых схем СПК можно также с использованием схемы режимных и конструктивных параметров (рис.2.1.).

Преимущество той или иной схемы по энергозатратам на ремонт скважины будет определяться разностью затрат энергии на выполнение данного вида ремонта:

- для СПО и бурения

; (2.43)

где W^Р_СПО+б , W^ВП_СПО+б – затраты энергии на ремонт, включающий СПО и бурение, соответственно при использовании компоновки СПК с ротором и верхним приводом, Дж.

- для СПО

; (2.44)

где W^Р_СПО, W^ВП_СПО – затраты энергии на ремонт, включающий только СПО, соответственно при использовании компоновки СПК с ротором и верхним приводом, Дж.

t_св^Р, t_св^ВП – время, затрачиваемое на одно свинчивание-развинчивание бурового става при СПО соответственно в схемах с ротором и верхним приводом, с;

t_укл^Р, t_укл^ВП – время, затрачиваемое на укладку трубы (или ее установку на ось скважины) при СПО соответственно в схемах с ротором и верхним приводом, с.

Полученные выражения (2.43), (2.44) совместно с зависимостями (2.20), (2.21) и (2.22), позволяют оценить преимущества схем по энергозатратам, которые зависят от выполнения системы условий:

Δ W^СПО < 0 – ротор

ΔW^СПО+б < 0 – ротор

ΔW^СПО > 0 – верхний привод (2.45)

ΔW^СПО+б > 0 – верхний привод

Границы (или интервалы глубин) эффективности применения той или иной схемы компоновки СПК по затратам энергии во время проведения ремонта скважины можно определить, подставив в формулы исходные данные для проектирования и подключив программу оптимизации для функции ΔW=f(L).

Как видно из выражения (2.43), затраты энергии на СПО в схеме СПК с использованием верхнего привода превышают эти показатели при использовании схемы СПК с ротором. Сведение этой разницы к минимуму будет определяться:

- уменьшением веса верхнего привода, особенно на больших глубинах;

- сокращением времени свинчивания-развинчивания при использовании верхнего привода.

Система полученных неравенств используются для оценки эффективности применения различных по составу и технологии выполнения СПО компоновок СПК установок для ремонта скважин по интервалам глубин скважины:

Δ T^СПО (L_СПО) < 0 – ротор

ΔT^СПО+б(L_СПО, L) < 0 – ротор

ΔT^СПО (L_СПО) > 0 – верхний привод

ΔT^СПО+б(L_СПО, L) > 0 – верхний привод

ΔW^СПО(L_СПО) < 0 – ротор (2.46)

ΔW^СПО+б (L_СПО, L) < 0 – ротор

ΔW^СПО(L_СПО) > 0 – верхний привод

ΔW^СПО+б(L_СПО, L) > 0 – верхний привод

Использование программы оптимизации с пошаговым вычислением исследуемых величин затрат времени и энергии позволяет определить области применения оборудования СПК для конкретных условий эксплуатации.

Эти области могут быть показаны графически в системах координат T=f(L) и W=f(L), а также с помощью интервалов в виде:

L_СПО^Р L₁L₂,L₄L₅,..;

L_СПО^ВП L₃L₄,L₅L₆,.., (2.47)

где L_1, L₂, L_3,L_4,L_n - границы глубин использования различных схем СПК.

Данные зависимости и схема позволяют определить производительность и энергозатраты на совершение СПО установки для ремонта скважин в зависимости от конструктивных и режимных параметров СПК.

К конструктивным параметрам относятся:

• характеристика талевой системы (кратность полиспаста, диаметр каната, размеры талевого блока и кронблока);

• диаметр барабана лебедки;

• размеры и вес элеватора;

• размеры и вес вертлюга;

• размеры и вес патрона;

• размеры и вес ключа для свинчивания-развинчивания;

• размеры и вес ротора;

• размеры и вес манипулятора;

• размеры и вес механизма подачи;

• размеры и вес ведущей трубы.

К режимным параметрам будут отнесены:

• скорость спуска и подъема;

• длина свечи;

• осевое усилие на забое;

• крутящий момент на бурение;

• крутящий момент на свинчивание-развинчивание;

• частота вращения породоразрушающего инструмента;

• частота вращения при свинчивании-развинчивании.

Если рассмотреть, как зависят затраты времени и энергии на СПО для конкретной установки при выполнении ремонта скважины, то можно сделать вывод, что основным изменяющимся фактором будет глубина выполнения СПО и размер интервала бурения. Учитывая постоянные величины конструктивных параметров и усредненных значений времени на обработку одной свечи, получим зависимости T_СПО=f(L_СПО) и W_СПО=f(L_СПО) в следующем виде:

T_СПО=A₁L_СПО²+ B₁L_СПО ; (2.48)

W_СПО=A₃L_СПО²+ B₃L_СПО ; (2.49)

- при бурении интервала c глубины L выражения (2.18) и (2.35) будут иметь вид:

T_б=A₂L_б²+ B₂L_б +C₂; (2.50)

W_б=A₄L_б²+ B₄L_б +C₄. (2.51)