Оценка энергозатрат на СПО

Для определения энергоемкости капитального ремонта, включающего кроме СПО и бурение интервала пород, требуется проводить вычисления для конкретного (реального или часто встречающегося) геологического разреза скважины. Расчеты содержат большое количество данных как по скважине, так и по применяемому оборудованию. Характеристики оборудования приводятся в различной справочной литературе [16, 35, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84], а методики вычислений мощности, требуемой на бурение и спуск-подъем колонны труб содержатся в трудах авторов, занимающихся изучением процесса бурения [5, 38, 39, 41, 42, 50, 51, 52, 85, 86, 87, 88, 89]. Применение различных способов бурения определяют многообразие и большой объем используемой при расчетах методической и справочной литературы. Для упрощения процесса вычислений, уменьшения его трудоемкости и сокращения времени на его проведение необходимо создать базы данных по всему применяемому в бурении и ремонте оборудованию и техническим средствам, а также составить алгоритм и программу, позволяющую отображать и анализировать результаты вычислений по всей глубине исследуемой скважины. Такой способ организации позволяет не только качественно выполнять расчеты для конкретных условий эксплуатации установки, но и постоянно пополнять имеющиеся базы данных характеристиками новых видов оборудования.

Энергозатраты СПО можно оценить по работе выполненной механизмами во время СПО.

- только СПО;

- спуск-подъем на глубину L и бурение интервала DL

(2.24)

где A_спо – работа, затраченная на выполнение СПО, Дж;

A_сп – работа, затраченная на спуск колонны труб, Дж;

A_п – работа, затраченная на подъем колонны труб, Дж;

A_б – работа, затраченная на бурение, Дж;

A_н – работа, затраченная на наращивание колонны труб при бурении, Дж;

A_пром – работа, затраченная на промывку скважины при бурении, Дж.

(2.25)

; (2.26)

где N_б – мощность, затраченная на бурение, Вт;

T_б – затраты времени на бурение, с.

Мощность, затраченная на бурение:

(2.27)

где N_и – мощность, затраченная на вращение инструмента на забое, Вт;

N_х.вр – мощность, затраченная на холостое вращение колонны труб (без учета осевой нагрузки), Вт;

N_доп – дополнительная мощность, учитывающая влияние осевой нагрузки на увеличение сил трения о стенки скважины, кВт [38, 51].

(2.28)

где n_вр – частота вращения инструмента, об/мин.

Мощность на холостое вращение труб определяется по эмпирическим выражениям [38, 50, 51]

(2.29)

где k_a - коэффициент, зависящий от степени искривления скважины;

r_ж – плотность промывочной жидкости, кг/м³;

L_i – глубина скважины на i –ом интервале бурения, м.

Мощность, затрачиваемая на вращение инструмента зависит от типа породоразрушающего инструмента и может меняться по мере изменения свойств буримых пород f_г.п., но в любом случае при анализе компоновки СПК для конкретных условий работы может быть принята одинаковой, т.к. зависит от осевой нагрузки, частоты вращения и диаметра долота d_при:

(2.30)

Работа, затрачиваемая на наращивание труб при бурении:

(2.31)

где A_спо.вт – работа, затраченная на СПО, связанные с ведущей трубой при бурении, Дж;

A_св – работа, затраченная на свинчивание-развинчивание труб при наращивании и СПО, Дж.

; (2.32)

где Q_.вт – вес ведущей трубы, Н;

l_вт – длина ведущей трубы, м.

(2.33)

где M_св – момент, необходимый для свинчивания-развинчивания труб, Н*м;

w_св – частота вращения, необходимая для свинчивания-развинчивания резьбовых соединений, с^-1;

t_св – затраты времени на свинчивание-развинчивание резьбовых соединений, с.

Работа, которую необходимо совершить для промывки скважины, кДж:

(2.34)

где N_пром – мощность промывочного насоса, Вт;

P_пр.н – давление промывочного насоса, Па;

Q_вж – расход промывочной жидкости, м³/с;

h_г+м – к.п.д. гидравлических и механических передач.

После подстановки приведенных зависимостей в выражение общих затрат энергии на СПО и бурение получим:

(2.35)

где k₆, k₇, k₈, k₉, k₁₀ – коэффициенты постоянных для конкретной установки и расчетной скважины величин, которые определяются по следующим выражениям:

; (2.36)

; (2.37)

; (2.38)

; (2.39)

; (2.40)

. (2.41)

Выражение для расчета энергозатрат только на СПО будет иметь вид:

; (2.42)

Анализируя полученные выражения для расчета энергозатрат на СПО и бурение, можно сделать вывод, что энергоемкость, как и производительность СПК установки для ремонта скважин зависит от конструкции СПК и его режимных параметров. Реализовать расчет энергоемкости рассматриваемых схем СПК можно также с использованием схемы режимных и конструктивных параметров (рис.2.1.).

Преимущество той или иной схемы по энергозатратам на ремонт скважины будет определяться разностью затрат энергии на выполнение данного вида ремонта:

- для СПО и бурения

; (2.43)

где W^Р_СПО+б, W^ВП_СПО+б – затраты энергии на ремонт, включающий СПО и бурение, соответственно при использовании компоновки СПК с ротором и верхним приводом, Дж.

- для СПО

; (2.44)

где W^Р_СПО, W^ВП_СПО – затраты энергии на ремонт, включающий только СПО, соответственно при использовании компоновки СПК с ротором и верхним приводом, Дж.

t_св^Р, t_св^ВП – время, затрачиваемое на одно свинчивание-развинчивание бурового става при СПО соответственно в схемах с ротором и верхним приводом, с;

t_укл^Р, t_укл^ВП – время, затрачиваемое на укладку трубы (или ее установку на ось скважины) при СПО соответственно в схемах с ротором и верхним приводом, с.

Полученные выражения (2.43), (2.44) совместно с зависимостями (2.20), (2.21) и (2.22), позволяют оценить преимущества схем по энергозатратам, которые зависят от выполнения системы условий:

ΔW^СПО < 0 – ротор

ΔW^СПО+б < 0 – ротор

ΔW^СПО > 0 – верхний привод (2.45)

ΔW^СПО+б > 0 – верхний привод

Границы (или интервалы глубин) эффективности применения той или иной схемы компоновки СПК по затратам энергии во время проведения ремонта скважины можно определить, подставив в формулы исходные данные для проектирования и подключив программу оптимизации для функции ΔW=f(L).

Как видно из выражения (2.43), затраты энергии на СПО в схеме СПК с использованием верхнего привода превышают эти показатели при использовании схемы СПК с ротором. Сведение этой разницы к минимуму будет определяться:

- уменьшением веса верхнего привода, особенно на больших глубинах;

- сокращением времени свинчивания-развинчивания при использовании верхнего привода.

Система полученных неравенств используются для оценки эффективности применения различных по составу и технологии выполнения СПО компоновок СПК установок для ремонта скважин по интервалам глубин скважины:

ΔT^СПО (L_СПО) < 0 – ротор

ΔT^СПО+б(L_СПО, DL) < 0 – ротор

ΔT^СПО (L_СПО) > 0 – верхний привод

ΔT^СПО+б(L_СПО, DL) > 0 – верхний привод

ΔW^СПО(L_СПО) < 0 – ротор (2.46)

ΔW^СПО+б (L_СПО, DL) < 0 – ротор

ΔW^СПО(L_СПО) > 0 – верхний привод

ΔW^СПО+б(L_СПО, DL) > 0 – верхний привод

Использование программы оптимизации с пошаговым вычислением исследуемых величин затрат времени и энергии позволяет определить области применения оборудования СПК для конкретных условий эксплуатации.

Эти области могут быть показаны графически в системах координат T=f(L) и W=f(L), а также с помощью интервалов в виде:

L_СПО ^Р Î[ L₁ ¼ L₂,L₄ ¼ L₅,.. ];

L_СПО ^ВП Î[ L₃ ¼ L₄,L₅ ¼ L₆,.. ], (2.47)

где L_1, L₂, L_3,L_4, ¼ L_n - границы глубин использования различных схем СПК.

Данные зависимости и схема позволяют определить производительность и энергозатраты на совершение СПО установки для ремонта скважин в зависимости от конструктивных и режимных параметров СПК.

К конструктивным параметрам относятся:

- характеристика талевой системы (кратность полиспаста, диаметр каната, размеры талевого блока и кронблока);

- диаметр барабана лебедки;

- размеры и вес элеватора;

- размеры и вес вертлюга;

- размеры и вес патрона;

- размеры и вес ключа для свинчивания-развинчивания;

- размеры и вес ротора;

- размеры и вес манипулятора;

- размеры и вес механизма подачи;

- размеры и вес ведущей трубы.

К режимным параметрам будут отнесены:

- скорость спуска и подъема;

- длина свечи;

- осевое усилие на забое;

- крутящий момент на бурение;

- крутящий момент на свинчивание-развинчивание;

- частота вращения породоразрушающего инструмента;

- частота вращения при свинчивании-развинчивании.

Если рассмотреть, как зависят затраты времени и энергии на СПО для конкретной установки при выполнении ремонта скважины, то можно сделать вывод, что основным изменяющимся фактором будет глубина выполнения СПО и размер интервала бурения. Учитывая постоянные величины конструктивных параметров и усредненных значений времени на обработку одной свечи, получим зависимости T_СПО=f(L_СПО) и W_СПО=f(L_СПО) в следующем виде:

T_СПО=A₁×L_СПО²+ B₁×L_СПО; (2.48)

W_СПО=A₃×L_СПО²+ B₃×L_СПО; (2.49)

- при бурении интервала c глубины L выражения (2.18) и (2.35) будут иметь вид:

T_б=A₂×L_б²+ B₂×L_б +C₂; (2.50)

W_б=A₄×L_б²+ B₄×L_б +C₄. (2.51)

Коэффициенты A₁, B₁, A₂, B₂, C₂, A₃, B₃, A₄, B₄, C₄, включают режимные и конструктивные параметры, присущие конкретному типу СПК в конкретных условиях эксплуатации.

Выводы

1) Установлены критерии оценки совершенства спуско-подъемного комплекса установок для ремонта глубоких скважин.

2) Впервые получены математические зависимости продолжительности и энергоемкости процесса спуско-подъемных операций, которые учитывают особенности технологического процесса ремонта, включающего как спуско-подъемные операции на интервале глубин, так и бурение участка скважины, начиная с заданной глубины.

3) Впервые учтены вспомогательные операция для различных технологических процессов СПО, зависящие от типа схемы конструктивного исполнения СПК установки для ремонта скважин.

4) Проведено сравнение различных по качественному и количественному составу схем СПК по критериям энергоемкости и продолжительности как только СПО, так и ремонта, включающего СПО и бурение.

Дата добавления: 2015-10-16