2.3. Пример 1. Расчёт индивидуальных технологических норм расхода электроэнергии на бурение скважин при производстве геологоразведочных работ на месторождении г. Генеральская

При расчёте удельных затрат электроэнергии на бурение 1м скважины используется аналитический метод. Исходными данными для него являются технологические, технические и временные параметры ( см. табл. 8).

Источниками исходных данных являются:

- геологическая информация по скважине;

- техническая документация;

- нормы времени или фактические затраты времени на выполнение технологических операций;

- технические характеристики технологического инструмента, оборудования и его электропривода.

Удельные технологические затраты электроэнергии.

Технологические затраты электроэнергии на 1 м бурения по скважине определяются как средневзвешенные удельные затраты при бурении отдельных интервалов:

, (28)

где q_скj - средневзвешенные удельные затраты электроэнергии при бурении j-й скважины, кВтч/м; q_ij - удельные затраты электроэнергии на бурение i-гo интервала при средней его глубине, кВтч/м; L_ij - величина i-гo интервала бурения, м; L_j– проектная или действительная глубина скважины, м.

Таблица 8

Показатель	Единица измерения	Значение
Номинальная мощность: - станка СКБ-4 - маслонасоса - бурового насоса	кВт	22 3 7,5
Затраты мощности на освещение	кВт	1,5
Вес: - 1 м бурильных труб - элеватора и талевого блока	Н/м Н	45,6 2000
Сопротивление в обвязке и колонковом наборе	кПа	300
Плотность: - материала бурильных труб - промывочной жидкости	г/см^3	6,59 1,15
Длина: - одной бурильной трубы - колонковой трубы - свечи	м	4,5 3 9,5
Диаметр - скважины - наружный: - бурильных труб - колонковой трубы - бурового наконечника - внутренний: - бурильных труб - бурового наконечника	м	0,076 0,068 0,073 0,076 0,059 0,058
Интенсивность искривления скважины	град/мин	0,028
Начальный угол наклона скважины к горизонту	град	80
КПД бурового насоса	-	0,6
Бурение с гидравлической подачей	-	1
ПРИ алмазы	-	1 см
Осевая нагрузка	кН	10
Углубка за рейс	м	2
Норма времени: - на 1 м бурения [ЕНВ] - на СПО	ч	1,14 1,02
Коэффициент: - продолжительность светового дня - свойств промывочной жидкости и смазок - потерь в талевой системе - увеличения веса труб из-за наличия соединений - потерь мощности в станке - потерь мощности в станке при СПО	-	0,6 1,2 1,04 1,0 0,103 0,14
Потери мощности в трансмиссии при холостом ходе	кВт	1,6
Мощность на холостое вращение лебедки	кВт	1,6
Давление в гидросистеме станка	кПа	2000
Предел прочности породы одноосному сжатию	кПа	0
Частота вращения снаряда	об/мин	400
Подача насоса (НБЗ-120/40): - в скважину - общая	л/мин	27 40
Начало интервала	м	297
Конец интервала	м	300

Технологические затраты электроэнергии q_ij (кВтч/м) на бурение 1 погонного м i-го интервала бурении j-й скважины при средней глубине определяются по формуле:

q_ij = l_p^-1[(P_б.пр + P_бн.пр + P_освK_с)T_р' - (P_б.пр + P_бн.пр – P_спо.пр)t_спо –

 ( P_б.пр + P_бн.пр + P_нар.пр)t_нар - P_б.прt_пром], (29)

q_ij = 3^-1[(22,6 + 0,9 + 1,50,667)2,18 – (22,6 + 0,9 – 2,35)1,02] = 10,6 кВтч/м.

где Р_б.пр - суммарная мощность, потребляемая из электросети приводом бурового станка и маслонасоса при бурении на средней глубине интервала, кВт; Р_бн.пр - мощность, потребляемая приводом насоса из электросети при бурении и промывке скважины на средней глубине интервала, кВт; Р_осв - мощность, потребляемая из сети на освещение бурового здания и рабочей площадки, кВт; К_с - коэффициент, учитывающий продолжительность светового дня (К_с = 1  Т_с/24); Т_с - продолжительность светового дня, К_с = 1 - 8/24 = 0,667 ч; Р_спо.пр и Р_нар.пр - соответственно, средняя мощность привода лебёдки, потребляемая из электросети при выполнении СПО за рейс и при наращивании колонны бурильных труб на длину рейса, кВт; Т_р'- суммарное время потребления электроэнергии буровой установкой в рейсе, ч; t_cпo - время выполнения СПО в рейсе, включающее подъём и спуск бурового снаряда, а также подготовительно-заключительные операции при спуске и подъёме бурового снаряда, ч; t_нap - суммарное время выполнения операции по наращиванию колонны бурильных труб в рейсе, ч; t_пром - время промывки скважины после спуска и перед подъёмом бурового снаряда, ч; l_р- средняя углубка скважины за рейс при бурении i-гo интервала, м.

Составляющие затрат формулы (29) рассчитываются по следующим зависимостям:

Мощность Р_б.пр (кВт), потребляемая приводом бурового станка и маслонасоса при бурении:

Р_б.пр = Р_б + Р_дв + P_мн.пр = 19,8 + 1,9 + 0,9 = 22,6 кВт, (30)

где Р_б - мощность бурового станка при бурении, кВт; Р_дв - потери мощности в электроприводе бурового станка, кВт; P_мн.пр - мощность, потребляемая из электросети приводом маслонасоса, кВт.

Мощность бурового станка Р_б (кВт) при бурении:

Р_б = Р_хх + (Р_рз + P_бт)(1 - к)^-1 = 1 + (5,3 + 11,5)(1 - 0,103)^-1 = 19,8 кВт, (31)

где Р_хх - потери мощности в станке при холостом ходе вращателя, кВт; Р_рз - мощность на разрушение забоя, кВт; P_бт - мощность на вращение бурильных труб, кВт; к - коэффициент потери мощности станка при передаче нагрузки вращателю.

Значения величин Р_хх и к для СКБ-4П приведены в таблице 5.

Мощность на разрушение забоя Р_рз (кВт) при алмазном бурении определяется по следующей формуле:

Р_рз = 0,25f_пC_ос(D_кр + d_кр) = 0,251,250,31042(0,076 + 0,059) = 5,3 кВт, (32)

где  - коэффициент разрушения забоя, равный 1,2 - 1,3. В расчётах при определении удельных затрат рекомендуется принимать среднее значение  = 1,25; f_п - коэффициент трения коронки о породу. При алмазном бурении пределы его изменения от 0,25 до 0,35. При расчётах принимается f_п = 0,3; С_ос - осевая нагрузка, задаваемая с поверхности, кН;  - угловая скорость бурового инструмента, рад/с; D_кр и d_кр - соответственно наружный и внутренний диаметр коронки, м.

Мощность на вращение бурильных труб Р_бт (кВт), входящая в формулу (31):

(33)

где S - коэффициент, учитывающий свойства используемой промывочной жидкости, для глинистого раствора S = 1,2 (см. табл. 3); d - диаметр бурильных труб, м; L = L_cp - длина бурильной колонны, равная средней глубине интервала бурения, м; J - интенсивность искривления скважины, град/м. При расчётах рекомендуется использовать J = 0,01;  - угол наклона скважины к горизонту, град;  - радиальный зазор между бурильными трубами и стенками скважины,м.

, м.

Потери мощности Р_дв (кВт) для большинства типов асинхронных двигателей с достаточной для расчётов точностью могут быть определены по формуле:

Р_дв = 310^-2Р_н[1 + 2,5(Р/Р_н)²], Р_дв = 310^-23[1 + 2,5(0,8/3)²] = 0,1 кВт, (34)

где Р_н- номинальная мощность электродвигателя, кВт; Р- мощность на валу электродвигателя, кВт.

Расчёт потерь мощности в электродвигателе бурового станка при бурении производится для Р=Р_б.

Мощность на работу маслонасоса Р_мн.пр (кВт), составляющая формулы (30):

Р_мн.пр = Р_мн + Р_дв = 0,8 + 0,1= 0,9 кВт, (35)

где Р_мн - мощность на валу маслонасоса, кВт; Р_дв - потери мощности в электродвигателе маслонасоса при Р = Р_мн (определяется по формуле (34)).

Мощность на валу маслонасоса Р_мн (кВт):

Р_мн = 410^-4р = 410^-42000 = 0,8 кВт, (36)

где р - давление в гидросистеме станка, кПа.

Мощность Р_бн.пр (кВт), потребляемая электродвигателем бурового насоса из сети:

Р_бн.пр = QP₂/_н + Р_дв = 0,0006660,42/0,35 + 0,1 = 0,9 кВт, (37)

где Q - общая подача насоса, м³/с; Р₂ – давление, развиваемое насосом при подаче в скважину промывочной жидкости, равной Q₂ (в некоторых случаях Q₂ = Q), кПа; _н – общий кпд насоса при частоте вращения коленчатого вала, обеспечивающий подачу Q, и давление Р₂ (определяется по таблице 4); Р_дв - потери мощности в электродвигателе насоса при нагрузке на валу, равной первому слагаемому формулы (37).

Давление Р₂ (кПа), развиваемое насосом при подаче промывочной жидкости в скважину, равной Q₂ = К₀F = 1,815 = 27 л/мин = 0,0005 м³/с.:

(38)

где К_п - коэффициент дополнительных потерь, 1,151,20. В расчетах К_п принимается равным 1,15; V_тр, V_кп, V_кз – соответственно, скорости движения жидкости в бурильных трубах, кольцевом затрубном пространстве и колонковом зазоре, м/с; , _п - соответственно, удельный вес промывочной жидкости в бурильных трубах и в затрубном пространстве, кН/м³. При расчётах удельный вес жидкости в затрубном пространстве на 5% больше, чем в бурильных трубах; g - ускорение свободного падения, м/с²; _тр, _кп, _кз - соответственно, коэффициенты гидравлических сопротивлений в бурильных трубах, кольцевом пространстве и колонковом зазоре (_тр = 0,02; _кп = _кз = 0,03); l - длина одной бурильной трубы, м;  - коэффициент дополнительных сопротивлений из-за наличия шлама в жидкости (в расчётах принимать равным 1,05); D_кр, D_кт – соответственно, диаметры коронки и колонковой трубы, м; h_к - сопротивления в обвязке, колонковой трубе и коронке, кПа (h_к = 250 - 400 кПа); l_кт - длина колонковой трубы, l_кт = 3м.

Скорость движения жидкости (м/с) определяется по формулам:

В бурильных трубах

м/с;

в кольцевом затрубном пространстве

м/с;

в колонковом зазоре

м/с;

Мощность (кВт), потребляемая электродвигателем станка (лебёдки) из электросети при выполнении СПО:

Р_спо.пр = Р_спо + Р_дв = 1,68 + 0,67 = 2,35 кВт, (39)

где Р_спо - средняя мощность на валу электродвигателя станка (лебёдки) при выполнении СПО, кВт; Р_дв - потери в электродвигателе при мощности на валу Р_спо, (определяется по формуле (34)):

Вт.

Средняя мощность Р_спо (кВт) на СПО определяется через энергозатраты на подъём бурового снаряда в рейсе:

Р_спо = W_спо.п(t_спо(1 - К_л))^-1 + P_хх.л, (40)

кВт,

где W_спо.п - полезно затрачиваемая энергия при выполнении СПО рейса, кВтч; К_л - коэффициент, характеризующий потери мощности в станке на передаче лебёдки, соответствующей средней скорости выполнения СПО; Р_хх.л - потери мощности в станке при нулевой нагрузке лебёдки на передаче, соответствующей средней выполнения СПО, кВт.

Значение коэффициента К_л и мощности Р_хх.л (для станка СКБ -4) в зависимости от глубины скважины приведены в таблице 5.

Принимаем К_л = 0,14 и Р_хх.л = 1,2.

Для определения полезно затрачиваемой энергии при выполнении СПО W_спо.п (кВт) используется формула следующего вида:

(41)

= 500 Втч

где К₁ - коэффициент, учитывающий затраты энергии на трение при проскальзывании пускового диска относительно тормоза подъёма и на работу труборазворота, К₁ = 1,2; К₂ - коэффициент, учитывающий потери энергии в талевой системе, при количестве струн талевой оснастки m = 1, коэффициент К₂ = 1,04; с - коэффициент, равный 1 м; l_св - длина бурильной свечи, м; q - вес 1 м бурильных труб, кН/м; _т - коэффициент, учитывающий вес соединений бурильных труб; _ж,  - соответственно, плотность промывочной жидкости и материала бурильных труб, т/м³; f - коэффициент трения бурильных труб о стенки скважины ( f = 0,3); G_эбт - вес элеватора и талевого блока, кН; L₁, L₂ - глубина скважины в начале и в конце рейса, м L₁ = 297 м, L₂ = 300 м; _ср - средний зенитный угол скважины на заданной глубине, град;

, (42)

где _н - начальный зенитный угол заложения скважины, град; J - интенсивность искривления скважины, град/м.

Временные параметры выполнения операций за рейс.

Суммарное время выполнения операций, связанных с потреблением электроэнергии Т'_р (ч), определяется по следующей зависимости:

Т'_р = Н_врl_р - t_зк; Т'_р = 1,142 - 0,1 = 2,18 ч, (43)

где Н_вр - норма времени на бурение 1 м (определяется по ЕНВ или по действующим нормативам геологоразведочной организации); t_зк - норма времени на замену породоразрушающего инструмента.

Время выполнения СПО, на наращивание и на промывку скважины после спуска и перед подъёмом бурильных труб определяют по ЕНВ или по действующим нормативам геологоразведочного подразделения.

Время выполнения СПО t_спо (ч/м) равно сумме временных затрат на спуск, подъём и подготовительно-заключительные операции:

t_спо = t_c + t_п + t_пс + t_пп + t_зс + t_зп = 0,352 + 0,382 + 0,05 + 0,06 + 0,06 + 0,11 = 1,02 ч,

где нормы времени, соответственно: t_с, t_п, - на спуск и подъём бурового снаряда, ч; t_пп - на подготовительные операции перед спуском и подъёмом бурового снаряда на один рейс, ч; t_зс, t_зп - на заключительные операции после спуска и подъёма бурового снаряда на один рейс, ч.