Глава 7 НАСОСНО-ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

 

  Главная      Учебники - Разные     Буровые машины и механизмы (Лесецкий В.А.) - 1980 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     32      33      34      35     ..

 

 

 

 

 

 

Глава 7 НАСОСНО-ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

§ 1. ФУНКЦИИ И УСТРОЙСТВО

 

Функциями насосно-циркуляционной системы буровой установки являются:

нагнетание бурового раствора в бурильную колонну для создания непрерывной циркуляции в скважине в процессе бурения;

подача в бурильную колонну необходимого количества бурового раствора для очистки забоя от выбуренной породы и создание требуемой скорости подъема раствора в затрубном пространстве для обеспечения выноса породы на поверхность;

подвод необходимой гидравлической мощности к долоту для обеспечения высокой скорости истечения (до 180 м/с) раствора из его сопел с целью эффективной очистки забоя от выбуренной породы;

подвод энергии к гидравлическому забойному двигателю; очистка бурового раствора от выбуренной породы и газа; поддержание постоянных параметров бурового раствора, закачиваемого в скважину;

приготовление нового бурового раствора.

На рис. VII. 1 показана схема циркуляции бурового раствора. При бурении раствор в большинстве случаев циркулирует по замкнутому контуру.

Буровые насосы забирают раствор из емкости и по напорной линии через стояк, гибкий рукав и вертлюг подают его в бурильную колонну. При этом часть давления рл расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в наземной линии. Далее буровой раствор проходит по ведущей и бурильным трубам, по УБТ, забойному двигателю к долоту. На этом пути давление раствора снижается вследствие затрат энергии на

преодоление гидравлических сопротивлений рт, рУБт, Рзд.

Затем буровой раствор за счет разности динамического напора внутри бурильной колонны рд и на забое скважины р3 (Ра—Рз=Рдол) с большой скоростью выходит из насадок долота и очищает забой и долото от выбуренной породы. Оставшаяся часть энергии раствора затрачивается на подъем породы и преодоление сопротивления в кольцевом затрубном пространстве рк. 

 

 

 

Рис. VII.1. Схема циркуляции бурового раствора:
1 — насос; 2 — стояк; 3 — гибкий рукав; 4 — вертлюг; 5 — ведущая труба; 6 — устье скважины; 7 — бурильные трубы; 5 —затрубное пространство; 9 — УБТ; 10 — долото; 11 — растворопровод; 12 — блок очистки; 13 — баки; 14 — подпорный насос; 15 — амбар; 16 — смеситель

 

 

На рис. VII. 1 показано примерное распределение потерь напора в отдельных элементах циркуляционной системы скважины глубиной около 3000 м при бурении роторным способом.

Поднявшийся на поверхность к устью скважины буровой раствор проходит по растворопроводу в блок очистки, где из него удаляются выбуренная порода, песок и газ. После очистки допускается содержание в растворе не более 1,0% крупных фракций породы и песка с размерами частиц от 0,02 до 0,1 мм. Фракции с размерами частиц более 0,1 мм следует удалять полностью. Количество удаленной выбуренной породы и песка зависит от свойств бурового раствора и буримых пород, диаметра скважины и скорости бурения.

Очищенный буровой раствор попадает сначала в промежуточные резервуары, где восстанавливаются утраченные свойства, затем в приемный чан, откуда подпорными насосами снова нагнетается в буровые насосы. Таким образом, замыкается круг циркуляции.

Поскольку насосно-циркуляционная система призвана прежде всего обеспечивать эффективную работу долота, параметры раствора должны удовлетворять требованиям долота и режима бурения.

 

 

Рис. VII.2. Циркуляционная система буровой установки:
1 — стояк; 2 и 15 — распределительное устройство; 3, 4, 5, в, 19, 20, 23 и 24 — задвижки; 7 — манометр; 5 — предохранитель; 9, 11, 12, 21 и 22 — отводы; 10 — быстросъемное соединение; 13 — датчик расхода; 14 — трубопровод; 15 — ниппель; 17 — кран четырехклапанный; 18 и 30 — клапан обратный; 25 и 27 — трубопровод слитной и распределительный; 25 — блок приготовления раствора; 28 — резервуар раствора; 29 — желоб сливной; 31 — головка колонная; 32 — крестовина, 33— колонна бурильная; 34 — рукав буровой; 35 — вертлюг

 

Схема наземной части циркуляционной системы показана на рис. VII.2.

Нагнетательная линия состоит из трубопровода высокого давления, по которому раствор подается от насосов к стояку и гибкому рукаву, соединяющему стояк с вертлюгом. Напорная линия оборудуется задвижками и контрольно-измерительной аппаратурой. Для работы в районах с холодным климатом предусматривается система обогрева трубопроводов.

Сливная система оборудуется устройствами для очистки и приготовления бурового раствора, резервуарами, всасывающей линией, фильтрами, нагнетательными центробежными насосами, задвижками и емкостями для хранения раствора.

 

 

§ 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для обеспечения высокой эффективности бурения, особенно на больших глубинах, гидравлическая мощность насосов должна обеспечить наивыгоднейшее сочетание трех факторов: максимумов гидравлической мощности на долоте, гидравлической силы струи и достаточной скорости раствора для выноса разбуренных частиц породы.

Скорость движения раствора в кольцевом пространстве v3 (в м/с) зависит от подачи насосов Qн (в м3/с) и площади кольцевого сечения скважины S (в м2): 

 

Vз=Qн/S

Скорость подъема раствора в кольцевом пространстве находится в пределах 0,4—1,0 м/с и определяется рядом факторов: фактическими свойствами раствора и буримых пород; размером выбуренных частиц; диаметром скважины и бурильных труб.

В настоящее время установлено, что подводимая к долоту гидравлическая мощность сильно влияет на эффективность бурения, в связи с чем к долоту стремятся подводить удельную мощность (мощность, отнесенная к площади забоя) 0,4— 0,8 кВт/см2. Это достигается либо путем увеличения подачи насосов QH, либо повышением перепада давления на долоте рд. В зависимости от условий бурения эту задачу решает бурильщик, однако насосы должны во всех случаях удовлетворять требованиям бурения.

Подача насосов (в м3/с) определяется в зависимости от выбранной скорости раствора v3 в затрубном кольцевом пространстве 5 и требуемой мощности на долоте: 

 

 

 

 

В связи с тем что начальный диаметр ствола скважины, следовательно, и долота в 2—3 раза больше конечного, площадь забоя может увеличиваться в 4—9 раз. Практикой установлено, что для эффективного бурения подача раствора на забой должна быть 0,006 при больших диаметрах скважины и

0,01 м3/с на 1 м2 площади забоя при малых диаметрах. Количество же раствора при одном и том же диаметре долота с увеличением глубины может снижаться, а буровые насосы должны обладать способностью изменять подачу в требуемом диапазоне регулирования

 

 

Поскольку диаметры скважины изменяются в зависимости от конструкции, а компоновки циркуляционной системы могут быть различны, необходимо знать пределы регулирования параметров насоса Qн,, Рн и мощность Nгн для выбора двигателей

 

§ 3. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВЫХ НАСОСОВ

Буровые насосы эксплуатируются в различных климатических условиях при температуре воздуха до ±50° С и тёмпературе бурового раствора от —1 до +80° С. Плотность растворов обычно составляет 1200—1300 кг/м3, а в некоторых случаях понижается до 800 кг/м3 или же повышается до 2000 кг/м3 и даже более. Растворы имеют большие пластическую вязкость и статическое сопротивление сдвигу.

Буровой раствор может быть засорен выбуренной породой и содержать до 2% абразивных частиц, глину и утяжеляющие добавки — гематит, барит и другие, а иногда и некоторое количество газа. В составе рабочей жидкости могут быть различные химические реагенты: известь, каустическая сода, в небольших количествах дубильные кислоты. Качество раствора может изменяться в процессе бурения одной скважины.

Насос должен обладать способностью самовсасывания и работать при высоте подпора до 2—3 м. В нормальных условиях буровой, насос работает с подпорным центробежным насосом, создающим давление 0,3—0,5 МПа.

Насос должен быть приспособлен для изменения подачи и давления в процессе бурения в 2—3 раза. Вместе с тем насос должен обладать способностью кратковременно развивать повышенные давления для продавки частиц выбуренной породы, осевших в затрубном пространстве или в трубах, либо при образовании сальников в процессе бурения вязких пород.

 Время работы насоса колеблется от 30 мин до 100 ч и более в зависимости от длительности рейса долота. Периодические технологические остановки продолжаются от 3— 15 мин для наращивания бурильной колонны; до 10 ч и более для спуска и подъема долота с больших глубин.

Насос должен быть удобным в эксплуатации, допускать быструю смену быстроизнашивающихся деталей: поршней, штоков, цилиндровых втулок, сальников, клапанов и др. Долговечность его без капитального ремонта должна составлять 10000 рабочих ч.

Приводная часть насоса надежно защищается от грязи, пыли и воды. Конструкция приспособлена для привода от электродвигателей и дизелей.

Многолетней практикой бурения глубоких скважин установлено, что единственным, удовлетворяющим требования технологии проводки, является поршневой горизонтальный приводной насос. Буровые насосы — главные потребители энергии (70—80%). В настоящее время имеются насосы мощностью от 300 до 1500 кВт. Для каждого типа буровой установки насос должен иметь определенную мощность, подачу и давление. Насосы устанавливают на расстоянии до 100 м от устья скважины под навесом или в разборном укрытии.

Масса, габаритные размеры и конструкции насоса должны допускать его транспортировку как при помощи промысловых транспортных средств, так и волоком в пределах промысла, а иногда и на расстояние до 100 км, для чего насосы снабжаются жесткой рамой-салазками.

Поршневые насосы оборудуются устройством для обеспечения равномерности подачи жидкости. Линия высокого давления имеет предохранительный клапан на случай увеличения давления выше предельного. В мировой практике при глубоком бурении применяют поршневые насосы с полезной мощностью 100, 250, 350, 500, 700, 850, 1250, 1500 и 2000 кВт с числом двойных ходов в 1 мин 35—180 и длиной хода до 0,3 м у трехцилиндровых, 35—90 ходов в 1 мин и длиной хода до 0,5 м у двухцилиндровых, диаметр цилиндровых втулок 120—200 мм и относительная масса 20—50 кг на 1 кВт полезной мощности.

Плунжерные насосы используют только в маломощных установках для разведочного бурения. В насосах срок службы в среднем составляет: поршней 100—200, штоков 150—220, цилиндровых втулок 200—300 и клапанов 300—400 ч, поэтому удобство смены этих деталей имеет большое значение.

Многоцилиндровые поршневые насосы не распространены вследствие сложности эксплуатации, необходимости расхода большого количества быстроизнашивающихся деталей и затрат времени и средств на их смену. Наиболее широко применяют в бурении трехцилиндровые насосы одностороннего действия и двухцилиндровые насосы двустороннего действия.

 

 § 4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И СХЕМА ПОРШНЕВОГО БУРОВОГО НАСОСА

Принцип работы насоса одностороннего действия (рис. VI 1.3, а) следующий. Через трансмиссию 1 от двигателя вращение передается коренному валу с кривошипами 2, на которых смонтированы шатуны 3, соединенные с ползунами 4.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует вращательное движение коренного вала в возвратно-поступательное ползуна

4, штока 5 и поршня 6. Поршень движется в цилиндре 7, в нижней части которого расположен всасывающий 10, а в верхней нагнетательный 8 клапаны. Полость всасывающего клапана через трубопровод соединена с приемной емкостью, заполненной раствором, а нагнетательного — с напорной линией.

 

При движении поршня вправо (к коренному валу) в рабочей камере 9 создается разрежение (рис. VII.3, б), в результате которого возникает разница давления под и над клапаном, последний открывается и в камеру засасывается раствор. В этот период нагнетательный клапан закрыт под действием разности давлений над и под клапаном, так как в нагнетательном трубопроводе давление выше, чем в рабочей камере.

При ходе поршня влево (от коренного вала) в камере повышается давление, всасывающий клапан закрывается, как только давление внутри камеры станет выше давления во всасывающем трубопроводе нагнетательный клапан откроется, так как давление в камере будет выше давления в нагнетательном трубопроводе, происходит выталкивание жидкости из камеры. Затем цикл повторяется. 

Нетрудно заметить, что скорость поршня во время хода меняется от нуля в мертвой точке до максимума. Наибольшую скорость поршень имеет, когда кривошип перпендикулярен к шатуну. Поскольку нагнетание жидкости происходит за счет вытеснения ее из рабочей камеры поршнем, очевидно, количество жидкости, вытесняемой в единицу времени — подача насоса,— будет изменяться по тому же закону, что и скорость поршня, как показано на графике рис. VII.3, в. Если обозначить ход поршня через S, его площадь через

 

 

 

 

Рис. VII3 Схема работы поршневого насоса одностороннего действия 

 

 

Насосом двустороннего действия называется такой насос, в котором в каждом цилиндре имеются две рабочие камеры (рис. VII.4): передняя, как у насоса одностороннего действия, и задняя, расположенная за поршнем. Объем этой камеры меньше, чем передней, так как в ней расположен шток поршня, занимающий часть ее объема. Она также имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, а шток уплотнен сальником.

Если поршень движется вправо, то в левой, передней полости создается разряжение, в результате которого всасывающий клапан открывается и камера заполняется раствором, а из правой камеры (задней) жидкость в это время вытесняется движущимся поршнем. Всасывающий клапан в ней закрыт, так как давление в этой камере выше, чем во всасывающем трубопроводе, а нагнетательный клапан открыт. Очевидно, средняя теоретическая подача одного цилиндра такого насоса будет больше, чем насоса одностороннего действия:

 

 

 

 

 

 

 

Так как площадь поршня F постоянна, то мгновенная подача будет меняться по закону движения поршня. Таким образом, поршневые насосы с кривошипом механизмом всегда имеют неравномерность подачи и пульсацию жидкости.

В многоцилиндровых насосах для уменьшения неравномерности подачи кривошипы располагают под углом друг к другу: в двухцилиндровых под углом 90°, а в трехцилиндровых под углом 120°. Тогда в некоторые периоды происходит выталкивание жидкости из двух или нескольких камер одновременно, что снижает неравномерность подачи и ее пульсацию.

В зависимости от принципа действия, числа цилиндров и угла смещения кривошипов каждый насос имеет свой график подачи. В приводных буровых поршневых насосах величина пульсации жидкости может быть снижена, но не устранена совсем. Неравномерность подачи раствора вызывает колебания не только в наземной обвязке высокого и низкого давлений и насосах, но и во всей бурильной колонне, нарушая процесс бурения.

Для снижения пульсаций раствора на напорной и всасывающей линиях вблизи насоса устанавливают гидравлические компенсаторы (колпаки) с диафрагмой, отделяющей жидкость от газа в колпаке и служащей как бы гасителем пульсаций. Верхняя часть компенсатора заполняется газом. Давление газа примерно должно быть равно половине рабочего давления раствора. Нижняя часть компенсатора сообщается с полостью насоса и заполняется буровым раствором.

При работе давление газа в колпаке и прокачиваемом растворе одинаково. Газ выполняет роль подушки, амортизирующей изменения давления, вызванного неравномерностью подачи насоса. При повышении давления жидкости газ сжимается, а при понижении расширяется, в результате чего в трубопроводе поддерживается давление со значительно меньшими колебаниями, чем при работе без компенсаторов.

Полной равномерности подачи компенсаторы обеспечить не могут. Если в напорной линии давление максимальное рmах, а минимальное рmin, то практически считается достаточным, чтобы степень неравномерности подачи 

 

 

 

 

 

Объем воздуха в компенсаторе может быть рассчитан с некоторым приближением.

Всасывание — это заполнение рабочей камеры жидкостью. Всасывание происходит за счет разности давления во всасывающей линии рв и в рабочей камере насоса рк. Эта разность расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в приемной части насоса, трубопроводе, всасывающем клапане и на преодоление сил инерции жидкости.

При плохом заполнении рабочей камеры жидкостью нарушается работа насоса и снижается подача. В буровых насосах заполнение рабочих камер может осуществляться двумя способами:

при помощи дополнительных питающих обычно центробежных насосов, установленных между поршневым насосом и резервуаром с раствором, который служит для принудительного заполнения рабочих камер поршневого насоса;

 

 

 

 

уровней расположения жидкости в приемной емкости и верхней отметкой цилиндра, может быть положительна, отрицательна и равна нулю. Последнее будет в том случае, если цилиндр насоса располагается на одном уровне с жидкостью, находящейся в приемной емкости. Процесс всасывания происходит нормально, если высота уровня жидкости в приемной емкости выше, чем высота, на которой расположен цилиндр насоса: жидкость будет поступать самотеком к насосу. Поэтому важно знать допустимую высоту всасывания для данной циркуляционной системы. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     32      33      34      35     ..