15.3. Методика расчета энергетических характеристик турбобуров:

Для проектирования энергетических характеристик турбобуров необходимо определить удельный момент на долоте. Удельный момент на долоте - есть условная величина, характеризующая функциональную связь крутящего момента М с осевой нагрузкой на долоте G . Обычно она является линейной:

M = mG, (15.16)

При проектировании характеристик турбобуров определение удельного момента на долоте проводится для расчетного рабочего (экстремального) режима турбобура, соответствующего максимуму мощности турбины. Поэтому принимается, что величина m зависит, в основном, от типоразмера долота и механических свойств горных пород. Если для данного района бурения известна твердость пород по штампу и другие показатели механических свойств, то определение удельного момента можно произве­сти по «Методическому руководству по определению и использованию показа­телей свойств горных пород в бурении. РД 39-3-679-82, М, ВНИИБТ, 1983, 93 с.»

. Ориентировочные значения удельных моментов m для некоторых регионов России и стран СНГ, рассчитанные по методике указанной выше и уточненные по результатам испытаний ГЗД и электробуров, приведены в таблице 15.1.

Формирование энергетической характеристики турбобура следует осуществлять, руководствуясь одним из двух предварительных условий:

- при заранее ограниченном (заданном) количестве турбинных секций турбобура (как правило, не более трех);

- при заранее неограниченном количестве турбинных секций турбобура (практика показывает, что в этом случае их число не превышает шести)

Таблица 15.1.

Значения удельных моментов на долоте для некоторых нефтегазовых регионов

Регион	Тип долота	Удельный момент, m
Западная Сибирь	трехшарошечное	0,010-0,013
	АТП	0,040 - 0,050
Урало-Поволжье	трехшарошечное	0,004 - 0,008
Белоруссия	трехшарошечное	0,007-0,011
	алмазное	0,010-0,018
Западная Украина	трехшарошечное	0,005 - 0,009
Азербайджан	трехшарошечное	0,007-0,012
	алмазное	0,012-0,016
Республика Коми	алмазное	0,016 - 0,020
	АТП	0,030 - 0,045

Необходимо отметить, что ограничение количества турбинных секций турбобура на заранее заданном уровне (не более трех) практически не по­зволяет изменить параметры режима турбинного бурения в сторону низко­оборотных малолитражных режимов.

15.3.1. При заранее ограниченном (заданном) количестве турбинных секций общее количество ступеней турбин Zs в турбобуре известно. По­этому расчет сводится к определению конкретного типа турбины, или не­обходимого соотношения ступеней турбин и ГТ или турбин разных типов, исходя из величины потребного тормозного крутящего момента M_s:

M_s = K_MmG, (15.17)

где Км - коэффициент запаса крутящего момента забойного двигателя.

Величина коэффициента Км зависит от типа ГЗД и режима его ра­боты, Для быстроходных турбобуров с частотой вращения свыше 300 об/мин (5 с^-'), значение Км можно принимать равным 2,0-2,5. Для низко­оборотных турбобуров величину Км следует увеличить до 2,5-3,0.

Величина осевой нагрузки на долото G принимается в соответствии с технологическими рекомендациями для данного сочетания механических свойств горных пород и типоразмера долота и отражается в ГТН. Также в соответствии с техноло­гическими рекомендациями принимаются величины расхода бурового рас­твора Q и его плотность ρ. Частота вращения вала турбобура на рабочем (экстремальном) режиме n определяется в результате расчета по формуле (15.19).

Потребная величина тормозного крутящего момента одной ступени турбины турбобура определяется по формуле:

М₁ = M_s / Z_s, (15.18)

где Z_s - общее количество ступеней турбины в турбобуре. Для серийных конструкций турбобуров Z_s можно опреде­лить по таблице 15.2.

Таблица 15.2.

Номинальное количество ступеней турбин и ГТ для серийных шпиндельных турбобуров

Расчетное количество ступеней турбин и ГТ в турбобуре диа­метром		Количество турбинных секций	Номинальное количество ступеней турбин и ГТ в турбобуре диамет­ром
240 мм	195 мм		240 мм	195 мм
До 120	До 130	1	105	110
121-230	131-240	2	210	220
231-340	241-350	3	315	330
341-460	351-470	4	420	440
461-570	471-590	5	525	550
571-670	591-700	6	630	660

Примечание: номинальное количество ступеней турбин и ГТ в каждой турбинной секции может изменяться на величину ± 5.

Полученная величина M₁ сравнивается со значениями тормозного крутящего момента одной ступени имеющихся в наличии типов турбин (см. табл. 15.3). При этом значения крутящего момента, указанные в табли­це 15.3 необходимо пересчитать на выбранные при расчете режимов бурения величины расхода и плотно­сти бурового раствора.

Таблица 15.3

Основные параметры стендовых характеристик турбин турбобуров

Количество ступеней - 1. Плотность бурового раствора -1,0 г/см (тех. вода)

Тип турбины	Тормозной кру­тящий момент, Н.м. Мт		Холостая часто­та вращения, об/мин (с'1)	Рабочий пере­пад давления, МПа	Максимальный перепад давле­ния, МПа				Максимальный КПД
Диаметр турбобура - 240 мм. Расход бурового раствора - 40 л/с
30/16,5-240	24,58		1040 (17,3)	0,0262	0,0262		63,8
А9К5Са	22,02		840 (14,0)	0,0252	0,0324		40,4
Диаметр турбобура - 195 мм. Расход бурового раствора - 28 л/с
26/16,5-195	8,07		835 (13,9)	0,0113	0,0113		55,3
А7Н4С	12,59		1110 (18,5)	0,0287	0,0363		40,5
24/18-195ТЛ	4,74		490 (8,2)	0,0048	0,0048		47,4
24/18-195ТПК	5,63		485 (8,1)	0,0057	0,0057		42,3
А7ПЗ	16,77		1110 (18,3)	0,0320	0,0363		38,2
21/16,5-195 АТЛ	16,32		1395 (23,2)	0,0263	0,0341		70,6
А7ПЗБК	17,69		1190 (19,8)	0,0259	0,0296		52,8
ТВМ-195	11,25		1080 (18,0)	0,0170	0,0211		55,6
Диаметр турбобура - 172 мм. Расход бурового раствора - 24 л/с
28/16-172		8,22	1230 (20,5)	0,0239	0,239			44,2
Диаметр турбобура - 164 мм. Расход бурового раствора - 20 л/с
А6КЗС	6,22		1090 (18,1)	0,0194	0,0232	39,8

При пересчете параметров характеристики турбины на другие значения расхода, плотности жидкости и числа ее ступеней следует пользоваться выражениями табл.15.4:

Таблица 15.4.

M~Q2	n~Q	P~Q2	N~Q3	η inv Q
М~ ρ	n inv ρ	Р~ ρ	N~ ρ	η inv ρ
M~Z	n inv Z	P~Z	N~Z	η inv Z

где N - мощность турбины; Q - расход промывочной жидкости; P - перепад давления на турбине; η - коэффициент полезного действия; ρ - плотность промывочной жидкости; n – частота вращения вала турбины; Z – число турбинных ступеней.

Если для какого-то типа турби­ны эти величины совпадают, то он признается оптимальным и выбирается для дальнейших расчетов. Частота вращения вала турбобура на рабочем (экстремальном) режиме в этом случае определяется по формуле:

n = 0,5 n_х, (15.19)

где n_х - частота холостого вращения вала турбины выбранного по табл. 15.3. типа, пересчитанная на принятые величины рас­хода и плотности бурового раствора по формулам табл.15.4.

Перепад давления на турбобуре с учетом потерь определяется соглас­но паспортной характеристике выбранного типа турбины, с учетом задан­ных величин расхода и плотности бурового раствора.

Если из имеющихся типов турбин ни один не является оптимальным, то используются сочетание наиболее высокомоментной турбины со ступе­нями ГТ или сочетание двух типов турбин, различающихся по быстроход­ности.

При использовании высокомоментной турбины со ступенями ГТ

необходимое количество ступеней турбины Z определяется по формуле:

Z = M_S/M_T, (15.20)

где Мт - тормозной момент одной ступени высокомоментной турбины, пересчитанный на принятые величины расхода и плотности бурового раствора но формулам табл.15.4, а количество ступеней ГТ из выражения:

Z_ГТ = Z_s – Z, (15.21)

Если величина Z_ГТ окажется меньше 0,1Z_S, то от использования ступеней ГТ можно отказаться.

Результирующая частота вращения вала турбобура на рабочем (экстремальном) режиме определяется по формуле:

n = 0,5 n_x/(l + φ Z_ГT/Z), (15.22)

Где φ – коэффициент торможения; для серийно выпускаемых ГТ φ = 0,9-1,0.

Далее определяется общий перепад давления на турбобуре с учетом потерь. При этом перепад давления на ступенях ГТ может быть определен по формуле:

Р_s = Р + Р_ГТ + Р_о, (15.23)

Где: Р – перепад давления на рабочих турбинах; Р_ГТ - перепад давления на турбинах гидроторможения (с учетом пересчета по формулам табл.15.4; Р_о – потери в турбобуре.

Перепад давления на турбинах гидроторможения определяется по следующей формуле:

Р_ГТ = К_гт ρ z Q² , (15.24)

где Р_ГТ - перепад давления, МПа; К_гт - коэффициент гидравлического сопротивления одной ступени гидроторможения; Q - расход бурового раствора, м³/с; ρ - плотность бурового раствора, кг/см³; z - число ступеней гидротормоза.

Для турбобуров диаметрами 240 и 195 мм, значение К_гт составляет 0,003 и 0,0065 соответственно.

Потери давления в проточных каналах турбобура (без учета турбины) при расходе воды 20 л/с приведены в табл.15.5:

Таблица 15.5.

Диаметр турбобура, мм	164; 172	195	240
Потери давления Ро, МПа	0,7	0,4	0,2

Использование данных табл. 15.5 требует пересчета на имеющийся расход и плотность раствора.

Рациональным вариантом энергетической характеристики турбобура признается тот, который обеспечивает минимальную величину перепада давления на турбобуре.

При использовании двух типов турбин, различающихся по быстроходности, количество ступеней быстроходной (высокомоментной) турбины определяется по формуле:

Z₁ = (M_S-Z_SM₂)/(M₁-M₂), (15.25)

где М₁, М₂ - тормозные моменты одной ступени турбины соответственно быстроходного и тихоходного типа, причем M₁>M₂.

Количество ступеней тихоходной турбины Z₂ определяется по фор­муле:

Z₂ = Z_S-Z, (15.26)

Если величина Z₂ окажется меньше 0,1 Z_s, то от использования тихо­ходной турбины можно отказаться.

Результирующая частота вращения вала турбобура на экстремальном (рабочем) режиме определяется по формуле:

n = 0,5 n_{sр ,} (15.27)

где n_sр - результирующая частота вращения на холостом режиме с использованием двух типов турбин.

n_sр = (Z₁ n_х1 + Z₂ n_х2) / (Z₁ + Z₂), (15.30)

Результирующий перепад давления на турбобуре с учетом потерь Р_sр определяется по формуле:

Р_sр = (Р_s1 Z₁ + Р_s2 Z₂ + Р_о), (15.31)

Где Р_s1, Р_s2 – перепад давления на быстроходной и тихоходной турбинах соответственно; Р_о – потери давления в турбобуре.

Перепады давления для данных типов турбин Р_s1, Р_s2, и потери в турбобуре Р_о определяются соглас­но их паспортной характеристики с учетом задан­ных величин расхода и плотности бурового раствора.

Рациональным вариантом энергетической характеристики турбобура признается тот, который обеспечивает минимальную величину перепада давления на турбобуре.

15.3.2. При заранее неограниченном количестве турбинных секций об­щее количество ступеней турбин и ГТ неизвестно и его требуется опреде­лить исходя из величин потребного тормозного крутящего момента, по­считанного по формуле (15.17) и заданного значения частоты вращения вала турбобура на холостом режиме, которое определяется по формуле:

n_s = 2 n , (15.32)

n - частота вращения вала турбобура на рабочем режиме, определен­ная в соответствии с технологическими рекомендациями (ГТН).

Величины осевой нагрузки на долото G, расхода Q и плотности ρ бурового раствора, также принимаются в соответствии с тех­нологическими рекомендациями (ГТН).

Величина n_s определенная по формуле (15.32), сравнивается со значе­ниями n_х для имеющихся в наличии типов турбин (см. табл. 15.3), с учетом пересчета табличных значений по формулам табл.15.4 для принятых величин расхода и плотности бурового раствора. Если для какого-то тина турбины эти величины совпадают, то далее определяется необходимое количество ступеней турбин этого типа по формуле:

Z_s = M_s/M_t (15.33)

где М_т - тормозной момент одной ступени турбины, пересчитанный на принятые величины расхода и плотности бурового рас­твора по формулам табл. 15.4.

Пересчет параметров характеристики турбины на другие значения расхода Q и плотности р бурового раствора, а также количество ступеней турбины Z производится по формулам табл.15.4:

Если величина Z_s не превышает технологически допустимую и яв­ляется приемлемой для данных условий бурения, то этот тип турбины при­знается оптимальным. Далее величину Z_s необходимо привести в соответ­ствие с номинальным значением количества ступеней в турбобуре, в соот­ветствии с табл. 15.2, и определить точное количество турбинных секций.

Если из имеющихся типов турбин ни один не является оптимальным, то используются сочетания наиболее высокомоментной турбины со ступе­нями ГТ или сочетание двух турбин, различающихся по быстроходности.

При формировании характеристик турбобура одним типом турбины сочетании со ступенями ГТ общее суммарное количество ступеней турбины и гидродинамического торможения определяется по формуле:

Z_s = [1+(n_x - n_s)/n_s]M_s/M_т (15.34)

В том числе определяется:

• количество ступеней турбины Z = M_s/М_т;

• количество ступеней ГТ Z_n = Z_s - Z

При определении величин Z_s, Z, Z_ГТ, их следует округлить до целых чи­сел.

При формировании характеристики турбобура двумя типами тур­бин, различающихся по быстроходности, общее количество ступеней определяется по формуле:

Z_s = M_s/M₁ + [M_sn₂ (n₁ - n_s)][l - M₂/M₁]/[M₂n₂(n, - n₂)] (15.35)

где n₁ , n₂ - соответственно частоты вращения на холостом режиме турбин быстроходного и тихоходного типа, причем n₁ > n₂.

В том числе определяются:

- количество ступеней тихоходной турбины Z₂ = M_sn₂(n₁ - n_s) / M₂n_s(n₁ - n₂)

- количество ступеней быстроходной турбины Z₁ = Z_s - Z₂

При определении величин Z_s, Z, Z_ГТ, их следует округлить до целых чисел.

После определения Z_s двумя способами, эту величину необходимо привести в соответствие с номинальным количеством ступеней в турбобуре (см. табл. 15.2) и окончательно определить количество турбинных сек­ций. Из всех вариантов характеристик для дальнейших расчетов необхо­димо выбрать те, которые обеспечивают минимальное количество турбин­ных секций.

Для выбранных вариантов необходимо провести пересчет параметров характеристик с учетом изменившегося значения Z_s. При этом увеличение или уменьшение Zs следует производить за счет изменения количества ступеней ГТ или ступеней тихоходной турбины. В некоторых случаях, на­пример, при бурении алмазными долотами, увеличение Z_s можно осущест­влять за счет ступеней высокомоментной быстроходной турбины.

После окончательного определения количества ступеней и типов тур­бин для каждого варианта вычисляется перепад давления на турбобуре с учетом потерь по формуле (15.31). Рациональным признается тот вариант сборки, который обеспечивает минимальную величину суммарного пере­пада давления па турбобуре.