МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра современных технологий бурения скважин
Р.А. ГАНДЖУМЯН, М.С. ФРОЛОВА
Буровые машины и механизмы
Учебно-методическое пособие к контрольным работам
Для студентов специальности 130203 «Технология и техника геологоразведочных работ»
Москва РГГРУ, 2011
Оглавление
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 0
1. Определение мощности двигателей для бурения.
Для решения технических и технологических задач, связанных с расчетом бурового и силового оборудования, важно заранее знать необходимую мощность, расходуемую на процесс бурения.
Мощность двигателя расходуется на: бурение; подъем бурового снаряда или обсадной колонны; привод бурового насоса для промывки скважины (или компрессора при продувке). Мощность двигателя (в кВт) в процессе бурения геологоразведочных скважин расходуется на:
холостое вращение бурильной колонны Nхв,
разрушение горной породы на забое скважины Nзаб,
преодоление сопротивлений, возникающих при трении гребней полуволны вращающейся колонны о стенки скважины при передаче осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент Nдоп.
Мощность на холостое вращение определяется в зависимости от большого числа факторов - глубины, диаметра и профиля скважины, параметров режима бурения, состояния пород и вида промывочной жидкости. Вследствие этого для практических расчетов можно воспользоваться экспериментальными формулами:
НПО «Геотехника» (В.Г. Кардыш, А.С. Окмянский)для вертикальных скважин с углом наклона до 75°.
(1)
где
коэффициент,
учитывающий тип соединения бурильных
труб (для ниппельного соединения
=1;
для муфтово-замкового
=1,3);
- коэффициент, учитывающий вид промывочной
жидкости и применение антивибрационной
смазки (при промывке глинистым раствором
1,1÷1,3;
при промывке водой
=1
при использовании антивибрационной
смазки или эмульсионного раствора
=0,4>0,6);
k3
-
коэффициент, учитывающий характер
стенок скважины (для нормального разреза
=1;
в сложных геологических условиях
=1,5÷2);
- коэффициент, учитывающий материал
бурильных труб (для СБТ
=
1; для ЛБТ
=
0,75);
-
зазор между стенками скважины и бурильными
трубами, м, где 
– диаметрскважины, м; 
– диаметрбурильных труб, м; 
– масса1м бурильных труб, кг/м; 
– частотавращения снаряда,
;
– глубинаскважины, м; 
- косинус угла наклона скважины;
ВИТР (Л.Г. Буркин)
Для
высоких частот вращения бурильной
колонны при
>
(2)
Для низких частот вращения бурильной колонны при >
(3)
где
– коэффициент,
учитывающий влияние смазки и промывочной
жидкости, обладающей смазочными
свойствами,
=1,0
при полном покрытии колонны смазкой
типа КABC
в сочетании с промывкой скважины
технической водой,
=1,5
при отсутствии смазки.
– границараздела зон частот вращения
бурильной колонны.
Для
определения мощности, необходимой для
холостого вращения стальной бурильной
колонны при бурении скважин с зенитным
углом 
<
5° буровыми установками роторного типа,
используется полуэмпирическая формула,
предложенная А.Е. Сарояном:
(4)
где
– диаметрскважины, м; 
ж
– удельныйвес промывочной жидкости,
H/м3;
n(в
мин-1).
Для
труб из легких сплавов 
снижается пропорционально уменьшению
удельного веса материала труб.
Мощность на разрушение породы при бурении зависит от типа породоразрушающего инструмента и параметров режима бурения.
При бурении твердосплавными коронками затраты мощности (кВт) на забое определяются по формуле:
(5)
где
-
осевая нагрузка, в кН;
-
частота вращения коронки, мин-1;
- средний
диаметр коронки, м.
- наружный
и внутренний диаметр коронки, м; 
–
коэффициенттрения резцов коронки о
породу забоя.
Коэффициент трения резцов о породу зависит от многих факторов и является величиной приближенной. Его значения зависят от параметров режима бурения, состава очистного агента, проходимых пород и ряда других факторов.
Ориентировочные значения для разных типов пород приведены ниже:
Глина 0,12-0,20
Глинистый сланец 0,15-0,25
Мергель 0,18-0,27
Известняк 0,30-0,40
Доломит 0,25-0,40
Песчаник 0,30-0,50
Гранит 0,30-0,40
При бурении алмазными коронками:
(7)
При бескерновом бурении:
(8)
При использовании шарошечных долот можно рассчитывать мощность, затрачиваемую на забое, также по формуле:
(9)
Для долот диаметром 76 мм и более =0,17, диаметром 59 мм и менее =0,10.
Обозначения в формулах (6), (7), (8), (9) те же, что и в формуле (5).
Из большого числа зависимостей по вычислению мощности, затрачиваемой на работу шарошечных долот диаметром 120-450 мм. Установками роторного типа, отметим формулу фирмы «Юз» (США), полученную на основании стендовых испытаний трехшарошечных долот при бурении в песчанике, известняке и граните:
(10)
где
– коэффициенткрепости пород, принимаемый
для мягких пород
=2,6;
для пород средней твердости 
;
для крепких
=1,85.
Остальные
обозначения: 
(в мин-1),
(в мм) и 
- осевая нагрузка на долото (в кН).
Мощность, потребляемая колонковым долотом (в кН):
(11)
где
- удельная мощность, отнесенная к 1см2
забоя, кВт/см (в зависимости от частоты
вращения, давления на забое и скорости
бурения N0колеблется
в пределах 0,06 - 0,18кВт/см2);
F
-площадь забоя, см2
.
Значение
(кВт)
определяется по формуле:
(12)
Обозначения
в формуле (12): 
(в
м.),
(в кН),
(в мин-1).
Мощность, потребляемая в трансмиссии
и других узлах бурового станка,
определяется по формуле:
(13)
где
- опытный коэффициент, характеризующий
потери мощности в элементах трансмиссии
станка, значения которого, полученные
на основании экспериментальных работ,
приведены ниже:
ТИП СТАНКА |
СКБ-4 |
СКБ-5 |
СКБ-7 |
ЗИФ-650М |
ЗИФ-1200МР |
ВСТ, 10-3 кВт·мин-1 |
5,5 |
5,0 |
6,8 |
8,8 |
8,2 |
можно также определить из выражения:
(14)
Мощность, необходимая для подъема бурового инструмента с проектной глубины скважины:
В таблице 1 приложения приводятся варианты контрольного задания «Расчёт мощности, расходуемой на бурение скважины».
Пример
1.
Проверить,
достаточна ли мощность 
=37
кВт. двигателя, приводящего в действие
буровой станок для бурения скважины
глубиной L=800
м. для следующих условий: работа на
проектной глубине будет вестись алмазной
коронкой диаметром D/D1=59/42
мм. с использованием бурильных труб
ЛБТН-54 наружным диаметром d=54
мм; скважина промывается полимерной
промывочной жидкостью, обеспечивающей
смазочный эффект; нагрузка на крюке
=40кН;
талевая система - с двумя рабочими
струнами; осевая нагрузка на алмазную
коронку Рa.k.=8,5кН;
частота вращения бурового снаряда
=1080
мин-1
(18с-1);
скорость навивки каната на барабан
лебедки при подъеме бурового снаряда
из скважины V0=0,77
м/с, скважина вертикальная
Решение: Мощность (кВт) на вращение снаряда в процессе бурения
где
-
мощность на разрушение породы на забое
скважины;
-
дополнительные затраты мощности на
вращение бурильной колонны, передающей
осевую нагрузку на коронку; 
-
мощность на холостое вращение бурильной
колонны; 
=0,75-0,85
- к.п.д. передач.
Для расчетов воспользуемся формулами, предложенными СКВ НПО «Геотехника» [4].
Мощность (кВт) на разрушение породы алмазной коронкой по формуле (7)
Значения находим из уравнения (12)
Мощность на холостое вращение снаряда (1):
Общая мощность на бурение:
Расчет показывает, что мощность двигателя станка при заданном значении =1080 мин-1 не достаточна и частота вращения должна быть снижена.