Пример расчета характеристики турбобура

Таблица 15.5.

Таблица 15.4.

Основные параметры стендовых характеристик турбин турбобуров

Таблица 15.3

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:

M~Q2	n~Q	P~Q2	N~Q3	η inv Q
М~ ρ	n inv ρ	Р~ ρ	N~ ρ	ηinv 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 0,1 Z_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 турбобурес 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:

Диаметр турбобура, мм	164; 172
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.

Условия задачи	Требуется определить характеристику и вариант сборки тур бобура для следующих условий: 1. Интервал бурения 1500 - 3000 м 2. Типоразмер долота III215.9СГВ 3. Удельный момент на долоте 0,0125 м 4. Расход бурового раствора 30 л/с (0,030 м3/с) 5. Плотность бурового раствора 1,15 г/см3 (1150 кг/см3) 6. Осевая нагрузка на долото 160 кН (16 тн) 7. Частота вращения долота 400 - 450 об/мин (6,7-7,5 с') 8. Диаметр турбобура 195 мм 9. Количество турбинных секций 3 10. В наличии имеются ступени турбин диаметром 195 мм: 26/16,5-195 (от турбобура ЗТСШ 1-195) А7Н4С (от турбобура А7Ш) ТВМ-195 (высокомоментная)
Этапы расчета	Результаты расчета
Тормозной момент турбобура	Ms = 2mG = 2 х 0,0125 х 160 х 103 = 4000 Нм
Общее количество ступеней турбин	Zs = 3x 110= 330
Требуемый тормозной момент одной ступени турбины	М1 = 4000 /330= 12,12 Н.м
Выбор типа турбины по табл. 15.1	Пересчитав энергетические параметры турбин диаметром 195 мм, имеющихся в наличии и приведенные в табл. 3, на заданные значения расхода и плотности бурового раствора по формулам табл.15.4, сравнив их с требуемой величиной тормозного момента одной ступени турбобура, выбираем для дальнейших расчетов два типа турбин: Л7Н4С и ТВМ-195. Турбина 26/16,5-195 не подходит из-за недостаточной величины крутящего момента. Параметры 1 ступени турбин при Q = 30 л/с и ρ = 1,15 г/см3: -26/16,5-195 Мт= 10,67 Н.м, nx = 14,87 с-1, p = 0,015 МПа -А7Н4С Мт= 16,65 Н.м nx = 19,8 с-1, p = 0,038 МПа -ТВМ-195 Мт= 14,88 Н.м nx = 19,26 с-1, p = 0,022 МПа
Количество ступеней турбины	А7Н4С - Z = MS/M, =4000/16,65= 240 ТВМ -195 - Z = 4000 / 14,88 = 269 Поскольку количество ступеней турбины обеспечивающее требуемую величину тормозного крутящего момента - 4000 Н.м, оказалось меньше номинального - 330, оставшееся место может быть заполнено ступенями гидродинамического торможения ГТ, тем более, что частота у вращения выбранных типов турбин превышает необходимую величину.
Количество ступеней гидроторможения ГТ	А7Н4С - ZГТ = 330 - 240 = 90 ТВМ-195 – ZГТ = 330 - 269 х 0,92 = 83 В случае с турбиной ТВМ-195 количество ступеней ГТ увеличено на 8 %, т.к. осевая высота ступени этой турбины на 8 % меньше, чем у серийных турбин
Частота вращения на рабочем (экстремальном) режиме	A7H4C-0,5 nx/(l +ZГT/Z) = 0,5x 19,8/(1 + 90/240) - 7,2с1 = = 432 об/мин ТВМ-195- 0,5 х 19,26/(1 + 83/269) = 7,35с-1 = 441 об/мин
Перепад давления на рабочем (экстремальном) режиме	А7Н4С - Рs = Р + РГТ + Ро = 0,038x240 + 0,0065х 1150х0,032х90 + 0,4x1,15x2,25 = 10,77 МПа ТВМ-195 - 0,022x269 + 0,0065х 1150х0,032х83 + 0,4х 1,15x2,25= = 7,51 МПа
Выводы	Разница в величинах перепада давления 10,77 - 7,51 = 3,26 МПа, позволяет сделать выбор в пользу турбобура собранного с турбиной ТВМ-195 (269 ступеней) и ступенями гидродинамического торможения (83 ступени).