8.3. Расчет и выбор основных технических показателей насосов

Подачу, давление и полезную мощность буровых насосов выбирают на основе требований, предъявляемых технологией промывки 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

Примечание. В знаменателе приведена скорость при промывке водой.

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

где F_ЗП – площадь сечения затрубного пространства, м²; v_Ж - скорость восходящего потока жидкости, м/с; D_Д - диаметр долота, м.

Ряд авторов рекомендует определять подачу промывочной жидкости по условию

Q=q_удF_заб ;

где q_уд - удельная подача, л/ (с·дм²); F_заб - площадь забоя, дм².

Удельная подача, характеризующая интенсивность промывки, выбирается согласно опытным данным. Для долот диаметром 191 мм удельная подача принимается равной 7-8 л/(с·дм²) и для долот диаметром 269-295 мм - 6,5-7 л/(с·дм²).

Давление на выходе из насоса зависит от потерь давления на преодоление гидравлических сопротивлений в манифольде, бурильной колонне и затрубном кольцевом пространстве, возникающих при промывке скважин.

Полная потеря давления определяется арифметической суммой линейных и местных потерь давления в системе циркуляции промывочной жидкости

р = р_м + р_бт+ р_убт+ р_з+ р_д + р_зд + р_кп

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.

Потер и 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; υ- средняя скорость течения жидкости, м/с.

Средняя скорость жидкости в трубах

, где Q - расход жидкости, м³/с.

Подставляя значение скорости в формулу , получаем

.

Если принять α=0,81λ/d⁵, то формулу можно записать в следующем виде , где α - коэффициент потерь давления.

Согласно полученному выражению, потери давлений в бурильных трубах (в МПа)

,

где Q - подача промывочной жидкости, л/с; l - длина бурильной колонны, м.

Потери давления в ступенях турбобура

,

где Q_l - расход воды в режиме максимальной мощности, л/с; р₁ - перепад давления в режиме максимальной мощности турбобура, МПа.

Полезная мощность, сообщаемая буровыми насосами подаваемой жидкости, выражается обычно в киловаттах и определяется зависимостью

N_п=Qр,

где Q - подача насоса, м³/с; р - давление насоса, Па.

Давление при этом уменьшается пропорционально квадрату расхода, а мощность насоса – пропорционально кубу расхода прокачиваемой жидкости

Например, при снижении расхода жидкости в 2 раза (Q₂ = Q₁/2) давление насоса (p₂) уменьшается в 4 раза, а мощность (N₂) – в 8 раз.

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

К.п.д. насоса η=N_п/N

Гидравлический к.п.д., учитывающий потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнетательном коллекторе и клапанах, зависит от конструкции гидравлического блока и в расчетах буровых насосов принимается η_Г=0,97.

Объемный к.п.д., учитывающий потери энергии от утечек через неплотности цилиндропоршневой пары, уплотнения штоков, а также от утечек в результате запаздывания посадки клапанов, принимается η₀=0,97.

Механический к.п.д. учитывает потери энергии на трение в подвижных элементах приводного и гидравлического блоков бурового насоса

η_М=η₁η₂η₃η₄η₅η₆

где η₁=0,99 – к.п.д. трансмиссионного вала на подшипниках; η₂=0,98 – к.п.д. зацепления; η₃=0,99 – к.п.д. кривошипного вала на подшипниках; η₄=0,98 – к.п.д. подшипника большой головки шатуна; η₅=0,97 – к.п.д. крейцкопфа; η₆= 0,93 – к.п.д. поршня с уплотнителем штока.

В этом случае к.п.д. бурового насоса

Мощность насосного агрегата - мощность, потребляемая насосным агрегатом или насосом, в конструкцию которого, кроме насоса, входят двигатель и узлы трансмиссии

N_на=N/ηη_ТР

где η_ТР- к.п.д. трансмиссии насосного агрегата.