3. Выбор буровых насосов

Подачу, давление и полезную мощность буровых насосов выбирают на основе требований, предъявляемых технологией промывка скважин. Исходной является объемная подача, от которой зависят эффективность роторного бурения и нормальная работа забойных двигателей. Установлено, что для эффективной очистки скважины и выноса шлама, а также нормальной работы забойных гидравлических двигателей скорость восходящего потока бурового раствора (в м/с), как правило, должна соответствовать значениям, приведенным ниже:

Способ бурения	Забойные двигатели			Роторный
Интервал бурения
-под кондуктор	0,3-0,4			0,2-0,3
-под промежуточную и эксплуатационную колонну		0,5-0,6				0,4-0,5
		0,6-0,7				0,5-0,6

Примечание. В знаменателе приведена скорость при промывке водой.

Дальнейшее увеличение скорости восходящего потока сопровождается неоправданным ростом давления насосов и возможным снижением механической скорости бурения. При опасностях образования сальников и осыпания горных пород скорость восходящего потока в осложненных зонах ствола скважины повышается до 1,2 м/с.

Подача насоса определяется по выбранной скорости восходящего потока промывочного раствора (в л/с):

где F_зп - площадь затрубного пространства, м2;

V_ж - скорость восходящего потока жидкости, м/с;

D_д - диаметр долота, м;

D_бт - диаметр бурильных труб, м.

Давление на выходе из насоса зависит от потерь давления на преодоление гидравлических сопротивлений в манифольде, буровой колонне и затрубном кольцевом пространстве. Гидравлические сопротивления подразделяются на линейные, обусловленные силами трения движущихся частиц жидкости, и местные, обусловленные изменениями величины и направления скорости потока. Колонна труб и кольцевое затрубное пространство условно принимаются равно - проходными, а гидравлические сопротивления в них относят к линейным. К местным гидравлическим сопротивлениям относят: потери давления в замковых соединениях бурильных труб, промывочных отверстиях долота, проточных каналах забойных двигателей. Полная потеря давления определяется арифметической суммой линейных и местных потерь давления в системе циркуляции промывочной жидкости:

где р - давление промывочной жидкости на выходе из насоса;

р_м, р_бт, р_убт, р_з, р_д, р_зд, р_кп - потери давления, соответственно, в манифольде, бурильных трубах, УБТ, замковых соединениях, долоте, забойном двигателе и кольцевом пространстве.

Потери давления на гидравлические сопротивления в трубах принято определять по формуле Дарси—Вейсбаха (в Па):

где λ- коэффициент гидравлического сопротивления;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

l - длина труб, м;

d - внутренний диаметр труб, м;

v - средняя скорость течения жидкости, м/с.

Гидравлические сопротивления пропорциональны квадрату средней скорости течения жидкости. Поэтому закон сопротивления, устанавливаемый формулой Дарси - Вейсбаха, принято называть законом квадратичного сопротивления.

Средняя скорость жидкости в трубах

где Q - расход жидкости, м³/с.

Подставляя значение скорости в формулу, получаем

Если принять , то формулу можно записать в следующем виде:

где α - коэффициент потерь давления.

Согласно полученному выражению, потери давления в бурильных трубах (в МПа) составляют:

где Q - подача промывочной жидкости, л/с;

l_i - длина i-й секции бурильной колонны, м.

Значения коэффициентов потерь давления для различных элементов системы циркуляции промывочного раствора приводятся в технической литературе по технологии бурения и промывки скважин.

Гидравлическая мощность, сообщаемая буровым насосам подаваемой жидкости, выражается обычно в киловаттах и определяется зависимостью:

где Q - подача насоса, м/с;

Р_тр - давление на выходе насоса, Па.

Мощность, потребляемая насосом, суммируется из полезной мощности и мощности, затрачиваемой на гидравлические, объемные и механические потери в самом насосе:

где N_Н - мощность насоса, кВт;

η_Н - к.п.д. насоса.

Для практических расчетов к.п.д. насоса можно представить в следующем виде:

где η_м = 0.85 - механический к.п.д. насоса;

η_ин = 0.94 - индикаторный к.п.д. насоса.

При выборе мощности привода бурового насоса следует исходить из условия обеспечения запаса по давлению на выходе насоса для предупреждения срабатывания предохранительного клапана при непредвиденных случаях роста сопротивления в скважине (осыпи, обвалы или сужение стенок скважины). Наиболее полно этому условию отвечает регулируемый привод, обеспечивающий режим автоприспособляемости к изменяемому сопротивлению в скважине при выборе мощности из соотношения:

где N_Н - мощность насоса, кВт;

N_П - мощность привода бурового насоса, кВт;

η_тр - к.п.д. трансмиссии привода бурового насоса;

d_i ,d_i+1 - смежные диаметры втулок (от меньшего к большему размеру).

Для выбора мощности привода можно использовать следующее приближенное соотношение: