5. Выбор буровых насосов и режима их работы

Известно, что основными параметрами, характеризующими работу насоса, являются его производительность и давление. Однако к моменту выбора насоса известно значение только одного из них - производительности. Давление на выкиде насоса может быть найдено только после выполнения расчёта гидравлических потерь во всех элементах циркуляционной системы буровой. По этому насос, подобранный только с учётом производительности, может оказаться не пригодным к применению по величине давления, создавемого в циркуляционной системы буровой. В этой связи встаёт вопрос о методе прогнозировании реального значения второго параметра - давления на выкиде насоса.

Расмотрим основные теоретические положения этого вопроса.

Запишем выражение для давления на выкиде насоса:

P_н=∆P_o+∆Ρ_т+∆P_кп+∆Р_гд+∆P_д , (16)

где ∆P_о - перепад давления в устьевой обвязке; ∆Ρ_т- перепад давления в внутри труб бурильной колонны; ∆P_кп - перепад давления в кольцевом пространстве за бурильной колонной; ∆Р_гд - перепад давления в гидродвигателе; ∆P_д - перепад давления в долоте.

При бурении ротором четвертое слагаемое в правой части выражения (16) будет отсутствовать, а при электробурении оно будет незначительным.

Сумму первых трёх слагаемых правой части выражения (16) представим в виде:

(∆P_o+∆Ρ_т+∆P_кп) = αρQ² , (17)

где а=а₁L_ц+а₂; а₁ - коэффициент потерь давления, зависящий от длины L_ц канала циркуляции (в бурильной колонне и в кольцевом пространстве); а₂ - коэффициент потерь давления, не зависящий от L_ц (исключая потери в насадках долота и гидродвигателе).

Перепишем уравнение (16) с учётом (17):

P_н = аρQ² + ∆Р_гд + ∆P_д (18)

Перепад давления в гидродвигателе ∆Р_гд к моменту выбора насоса известен; известены и пределы изменения перепада давления в долоте ∆P_д. Как отмечалось ранее, минимальное значение перепада давления в долоте ∆P_д составляет 3,5 МПа, а максимальное - 13 МПа.

Умножив правую и левую часть выражения (18) на расход Q , получим выражение баланса гидравлической мощности для циркуляционной системы буровой:

P_нQ = αρQ³ + ∆Р_гдQ+ ∆P_дQ (19)

или

P_нQ = αρQ³ + N_гд+ N_д (19^а)

где P_нQ - гидравлическая мощность насоса; αρQ³ - потери гидравлической мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в бурильной колонне и кольцевом пространстве скважины; Р_гдQ=N_гд – гидравлическая мощность, затрачиваемая в гидродвигателе; N_д=∆P_дQ - гидравлическая мощность, затрачиваемая в насадках долота.

По мере углубления ствола скважины гидравлическая мощность, затрачиваемая на циркуляцию, будет возрастать; мощность, затрачиваемая в гидродвигателе (при постоянном осевом давлении на долото), должна оставаться постоянной, а мощность, затрачиваемая в насадках долота N_д, при постоянной приводной а, следовательно, и гидравлической мощности насоса P_нQ, должна уменьшаться.

Разделив уравнение (19^а) на расход Q насоса и взяв производную по Q, получим:

, (20)

откуда

(21)

Подставив выражение (21) в (19) и выполнив некоторые преобразования, получим выражение для давления на выкиде насоса при котором реализуется максимум гидравлической мощности на забое:

P_н = (∆Р_гд + ∆P_д). (22)

Полученное значение давления должно быть меньше паспортного на 20-25 %. Принимая большую величину (25%) снижения давления, получим выражение для паспортного давления на выкиде насоса:

P_нп = 2(∆Р_гд + ∆P_д) (23)

Основные параметры буровых насосов, используемых при бурении глубоких разведочных и эксплуатационных скважин, приведены, например, в [2, 5,].

В приложении 2 приведены примеры решения некоторых гидравлических задач, которые ставит перед инженером практика современного бурения.

Приложение 1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования