Bài giảng khoan dầu khí tập 2 part 2 pdf

154 Hình 12 Từ tam giác vận tốc trên chúng ta thu đợc W 1 = C 2 = C z C 1u = u 0 , C 2 u = 0 Vậy: U 0 = C 1u = Cz cotg 1 mặt khác U 0 = d et . n 0 , cân bằng hai phơng trình ta có : n 0 = C z d et . cotg 1 Nếu chúng ta thay công thức : C z = Q A c 0 Trong đó 0 là hiệu suất thể tích của tuôc bin: 0 = Q th Q Q th -là lu lợng thực tế truyền qua tuốc bin . Q - là lu lợng truyền xuống tuốc bin khi cha bị mất mát qua các khe hở giữa các tầng tuốc bin . A c - là diện tích thực của rãnh thoát nớc : A c = A c H = d et . h . h. Và nếu chúng ta thay A c vào công thức trên đây ta thu đợc: n 0 = c0tg h.(d et ) 2 .h . 0 Q Từ công thức : M 0 = M f 2 = k 2 Q 2g . d et 2 n kt ; (n kt = 2n 0 ) M 0 = k . c0tg 2g h .h 0 2 c Q 2 Trong đó c là hiệu suất cơ học của tuốc bin, do mất năng lợng ở các đĩa tuốc bin và ổ tựa. Công suất cực đại của tuốc bin. u 1 = u 2 = u 0 1 2 C 2 1 C 1 155 N 0 = M 0 0 = d et . n 0 M 0 = k. 1 g ( cotg h.d et .h ) 2 0 . c .Q 3 . N 0 = k. 1 g . cotg h d et .h 2 0 . c .Q 3 . Từ công thức: P t = N 0 t .Q P t = k. 1 g . cotg h d et .h 2 2 0 th . Q 2 Trong đó: th - Hiệu suất thuỷ lực t - Hiệu suất tuốc bin. t = 0 . c . th Các hệ số của tuốc bin. A n = k.cotg h.(d et ) 2 .h . 0 ; và A p = k. 1 g . cotg h d et .h 2 2 0 th A M = k.cotg 2ghh . 2 0 . c A N = k. 1 g . cotg h d et .h 2 2 0 th Các thông số hoạt động của tuốc bin sẽ là: n 0 = A n. Q M 0 = A M . Q 2 N 0 = A N . Q 3 P t = A P . Q 2 Kết luận: Muốn tăng các thông số hoạt động của tuốc bin: Cần tăng k Số tầng của tuốc bin, tăng lu lợng bơm Q. Khi tăng Q mômen và áp suất sẽ tăng theo bình phơng và công suất Q tăng theo lập phơng. Đ3: Xác định các thông số chế độ khoan cơ học tối u trong trờng hợp bỏ qua sự tổn thất năng lợng ở ổ tựa chính. Mômen ở choòng khoan đợc tính bằng công thức: M c = G.M r 156 G - Tải trọng đáy đặt lên choòng. M r - Mô men riêng biểu diễn sự tăng mômen ở choòng khi tải trọng tăng 1 đơn vị (M r = 515KG.m/tấn). Nếu chúng ta bỏ qua sự tổn thất năng lợng ở ổ tựa chính thì toàn bộ công suất của tuốc bin sẽ cung cấp cho choòng phá đá N t = N c 2n.M f (1- n n kt ) = 2nG.M r Chúng ta rút ra G = M f M r (1 - n n kt ) Chúng ta cũng có thể vẽ đợc sự biến thiên của G = G(n) Tại điểm n = 0 G có giá trị cực đại Hình 13 G = G max tải trọng hãm tuốc bin: G max = M f M r Công thức G = G max (1 - n n kt ) Tại điểm n = n kt G = 0 Vì vậy ta vẽ đợc đồ thị biến thiên G = G (n) nh trên Số vòng quay tối u đã xác định : Nếu chúng ta thay n 0 vào công thức tính G chúng ta có G 0 = G max 2 = M f 2M r = M 0 M r = A m kQ 2 M r n 0 = n kt 2 G 0 = A m kQ 2 M r G n n kt G 0 G max n 0 157 Nếu chúng ta biểu diễn phơng trình G 0 = f (M r ) với các giá trị khác nhau của Q ta sẽ có đồ thị sau: Hình 14 Kết luận : với một M r xác định nếu chúng ta tăng lu lợng thì tải trọng đặt lên choòng cũng sẽ tăng lên. 5.4.3. Các thông số của tuốc bin ở chế độ động học giống nhau Nếu nh hai tuốc bin có cùng loại tam giác vận tốc ở đờng kính lý thuyết tơng ứng với công suất cực đại. Chúng ta nói rằng những tuốc bin này hoạt động trong chế độ động học tơng tự. Các hệ số A n ,A m , A N , A P giống nhau. Chúng ta có các biểu thức sau đây: n 01 n 02 = Q 1 Q 2 M 01 M 02 = k 1 k 2 . 1 2 .( Q 1 Q 2 ) 2 N 01 N 02 = k 1 k 2 . 1 2 .( Q 1 Q 2 ) 3 P t1 P t2 = k 1 k 2 . 1 2 .( Q 1 Q 2 ) 2 Tầm quan trọng của các biểu thức trên đây là trong trờng hợp chúng ta biết thông số hoạt động của tuốc bin (với cùng một số tầng K 1 , Q 1 , 1 ) thì chúng ta có thể xác định thông số cho cùng tuốc bin ấy hay một tuốc bin khác cùng seri với điều kiện khác (K 2 , Q 2 , 2 ). - ảnh hởng của lu lợng Q đến các thông số làm việc của tuốc bin từ công thức trên chúng ta có thể rút ra cho một tuốc bin: G 0 G 1 G 2 G 3 Q 1 Q 2 Q 3 M r M r Q 1 > Q 2 > Q 3 158 n 01 n 02 = Q 1 Q 2 M 01 M 02 = ( Q 1 Q 2 ) 2 N 01 N 02 = ( Q 1 Q 2 ) 3 P t1 P t2 =( Q 1 Q 2 ) 2 Kết luận: Đối với cùng một tuốc bin, nếu ta tăng Q lên hai lần, số vòng quay tăng lên hai lần, momen và áp suất tăng lên bốn lần và công suất tăng lên tám lần . 5.5. Liên quan giữa các thông số cấu trúc và các thông số hoạt động của tuốc bin khoan. Một trong những tiêu chuẩn để đánh giá khả năng hoạt động của tuốc bin khoan là hệ số động học C. Hệ số này là tỷ số giữa momen và số vòng quay trong chế độ làm việc tối u với công suất lớn nhất: C = M 0 n 0 Nếu chia công thức M 0 cho n 0 ta đợc: C = 2g .d 2 et .k Q Hệ số C càng lớn thì tuốc bin càng tốt, càng phù hợp với quá trình khoan. Tức là số vòng quay càng bé và momen càng phải lớn. - Theo công thức trên, muốn tăng C cần phải tăng d et . Nhng d et giới hạn bởi đòng kính giếng khoan. Trong khi chọn tuốc bin chúng ta chọn đờng kính tuốc bin lớn nhất cho phép và tránh kẹt cố, bảo đảm lu thông dung dịch bên ngoài tuốc bin và thành lỗ khoan. - Tăng K tức là tăng số tầng tuốc bin lên thì C tăng lên. Trong thực tế phơng án này sử dụng rất nhiều. - Tăng Q dẫn đến tăng C, nhng Q giới hạn bởi điều kiện khoan. Trong trờng hợp hai tuốc bin có cùng seri, thông số hoạt động của nó sẽ phụ thuộc vào K và vào Q. 159 Dới đây sẽ trình bày hai trờng hợp phản ánh u điểm trong việc dùng tuốc bin có số tầng k lớn. a) Nếu nh hai tuốc bin có cùng seri, nhng có số tầng k 1 và k 2 khác nhau. Và hai tuốc bin cũng cần phải bảo đảm cùng momen quay bằng nhau. M 01 = M 02 M 01 M 02 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 Q 1 Q 2 = k 1 k 2 n 01 n 02 = Q 1 Q 2 = k 1 k 2 N 01 N 02 = k 1 k 2 Q 3 1 Q 3 2 = k 1 k 2 P t1 P t2 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 = 1 Chúng ta xem rằng một tuốc bin đơn có số tầng là k đ và một tuốc bin nối có số tầng là k n : k n = 2 k đ . ở tuốc bin nối sẽ thu đợc các thông số sau đây: M ođ = M on ,Q n = 0,7Q đ ,n 0n = 0,7n ođ N on = 0,7 N 0đ , P tn =P ođ Trong trờng hợp muốn thu đợc cùng momen, ở tuốc bin nối Q, N, n thu đợc khoảng 70% ở tuốc bin đơn. Giảm Q và n là một điều kiện thuận lợi cho công tác khoan. Giảm Q đa đến giảm áp suất ở hệ thống tuần hoàn, dẫn đến giảm áp suất ở bơm mà vẫn giữ đợc momen quay, nhất là ở những giếng khoan có chiều sâu lớn. b) Hai tuốc bin cùng seri nếu có cùng công suất. N 01 = N 02 . Q 1 Q 2 = 3 k 2 k 1 n 01 n 02 = 3 k 2 k 1 M 01 M 02 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 = 3 k 1 k 2 160 P t1 P t2 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 = 3 k 1 k 2 Trong điều kiện một tuốc bin nối k n = 2k đ : N 0n = N ođ ,Q n =0,795 Q đ , n on = 0,795 n ođ M 0n =1,26 M 0đ , P tn = 1,26 P tđ . Kết luận: Các kết quả trên cho ta thấy rằng , hai tuốc bin có cùng một công suất. ở tuốc bin nối sử dụng một lu lợng Q với 20% bé hơn tuốc bin đơn. Momen lớn hơn 20%, số vòng quay giảm 20%. 5.6. Tải trọng dọc tác dụng xuống ổ tựa chính của tuốc bin khoan ở ổ tựa chính của tuốc bin tác dụng một lực dọc tổng hợp F 0 bao gồm: - G H : Lực thuỷ lực do tổn thất áp lực ở ổ tựa chính ở đĩa rôto và choòng khoan, hớng tác dụng từ trên xuống - G q : Trọng lợng của phần quay bao gồm trục tuốc bin, đĩa rôto, choòng khoan hớng tác dụng của G q là từ trên xuống. - Phản tải đáy G, hớng tác dụng từ dới lên trên chúng ta có thể viết đợc công thức: F 0 = (G' th + G q - G) Nếu G' th + G q >G thì F 0 có hớng từ trên xuống G' th + G q <G thì F 0 có hớng từ dới lên Để xác định G' th ta có thể sử dụng công thức tơng đối: G' th = 4 d et 2 (P 0 +P t +P c ) Trong đó: d et - đờng kính lý thuyết của tuốc bin. P 0 , P t ,P c - tổn thất áp lực ở ổ tựa, tuốc bin choòng khoan. Bởi vì rằng P 0 , P t ,P c tỷ lệ thuận với và bình phơng Q do đó G' th bằng : G' th = a 0 Q 2 Trong đó: a 0 là hệ số tỷ lệ thuận, giá trị của nó phụ thuộc vào loại tuốc bin và loại choòng sử dụng. Nếu chúng ta ký hiệu: G' th + G q = G th thì công thức F 0 sẽ là : 161 F 0 = G th - G Dới tác dụng của tải trọng chiều trục ở ổ tựa chính, do ma sát giữa các đĩa đứng yên và di động của ổ tựa, tại đây sẽ sinh ra một momen cản và giá trị của nó đợc xác định bằng công thức: M ô = r ô F ô = r ô |G th - G| Trong đó: ô - hệ số ma sát ở ổ tựa r ô - bán kính ma sát ở ổ tựa Các đĩa đứng yên và các đĩa di động của ổ tựa răng lợc trong khi quay chúng trợt trên mặt hình vành xuyến. Đờng kính trung bình ma sát của mặt này đựơc xác định bằng công thức: r ô = 2 3 r 3 n -r 3 t r 2 n -r 2 t Trong đó: . r n , r t - bán kính trong và ngoài của bề mặt ma sát. Những nghiên cứu thí nghiệm đã chỉ ra rằng, hệ số ma sát, ô trong ổ đĩa không phải là một hằng số. Giá trị của nó phụ thuộc vào tải trọng riêng: P r = F ô .A tx phụ thuộc số vòng quay, chất lợng dung dịch, phụ thuộc vào bề mặt ma sát. Sự thay đổi của so với p tải trọng riêng đợc biểu thị ở đồ thị trên, trong điều kiện dung dịch khoan và nớc. Trên đồ thị chúng ta nhận thấy răng khi khoan bằng dung dịch sét với một tải trọng riêng không đổi thì sẽ giảm dần khi p tăng lên. Với một số vòng quay không đổi thì ta nhận thấy rằng sẽ hình 15 0 P KG/cm2 n 1 < n 2 < n 3 < n 4 162 giảm đi khi p tăng lên đến một giới hạn nào đó p tiếp tục tăng thì cũng có chiều hớng tăng lên. Và giới hạn này cũng khác nhau với số vòng quay khác nhau. Với n càng lớn thì giới hạn này sinh ra ở tải trọng riêng càng lớn. Chúng ta có thể giải thích hiện tợng này nh sau: Khi tải trọng riêng tơng đối nhỏ, thì ở trong các mặt tiếp xúc thể hiện một chế độ ma sát lỏng nh vậy hệ số ma sát sẽ tỷ lệ nghịch với tải trọng riêng. Bề mặt gồ ghề của cao su sẽ giảm đi khi tải trọng riêng tăng lên và hệ số ma sát sẽ giảm đi. Trong thời điểm trong đó tải trọng riêng tăng lên do tăng tải trọng ở ổ tựa và trên bề mặt ma sát sẽ xuất hiện những phân tử rắn chứa trong dung dịch khoan và chế độ ma sát ở đây sẽ chuyển sang nửa lỏng và nửa rắn. Do đó hệ số sẽ tăng lên . Hệ số ma sát lớn nhất khi n = 0, hệ số ma sát càng lớn khi trong dung dịch chứa hàm lợng rắn càng nhiều, nhất là ở dung dịch làm nặng và các chất có độ mài mòn lớn trong dung dịch. 5.7 Đặc tính làm việc tổng hợp của tuốc bin. Đặc tính làm việc của tuốc bin còn gọi là đặc tính ngoài biểu diễn sự biến thiên các thông số làm việc của tuốc bin, M , N, t ,P t theo số vòng quay trong điều kiện Q không đổi. Đặc tính tổng hợp khác với đặc tính trong của tuốc bin là có đề cập đến sự mất mát của công suất ở ổ tựa chính, năng lợng tiêu thụ ở choòng. M - mômen do tuốc bin sinh ra bằng tổng mômen tiêu thụ ở choòng và ở ổ tựa chính. M t = M ô + M e Mô men tiêu thụ ở choòng bằng M e = G.M r M r : momen riêng phá đá . Momen ở tuốc bin sẽ là: M t = r ô |G th - G| + GM r Với mục đích nghiên cứu dễ dàng đặc tính ngoài của tuốc bin khoan chúng ta coi = const. Để xác định biến thiên của momen ở choòng khoan và ở ổ tựa chính theo số vòng quay n, chúng ta cần nghiên cứu mấy tình huống của tuốc bin trong quá trình làm việc 163 1. Tuốc bin quay ở bên trên đáy lỗ khoan (không chịu tải ) Trong trờng hợp này G 1 = 0 M C1 = 0 M t1 = M ô1 = r ô . G th Số vòng quay của tuốc bin trong trờng hợp này gọi là số vòng quay khởi động n kđ . Do momen cảm kháng ở ổ tựa chính. n kđ < n kt . 2. Choòng khoan làm việc ở đáy với tải trọng choòng nhẹ hơn tải trọng thuỷ lực G 2 < G th ta có: M c2 = G 2 M r M ô2 = r ô (G th - G 2 ). M t2 = r ô (G th - G 2 ) + G 2 M r n 2 n eđ 3. Tải trọng choòng bằng tải trọng thuỷ lực: G 3 = G th M ô3 =0 ,M c3 =G th .M r M t3 = M c3 = G th M r n 3 = n th số vòng quay thuỷ lực. 4) Choòng khoan làm việc với tải trọng choòng lớn hơn tải trọng thuỷ lực G 4 > G th . Momen ở choòng sẽ là: M c4 = G 4 . M r. M ô4 = r ô (G 4 - G th ) Momen ở tuốc bin sẽ là: M t4 = G 4 M r + r ô (G 4 - G th ) Bởi vì M t4 >M t3 do đó n 4 <N th So sánh hai trờng hợp (1) và (3) thì chúng ta thấy rằng: Nếu M t >r ô thì sẽ xảy ra M t3 > M t1 thì N th < n kđ . Trờng hợp M r < r ô thì sẽ xảy ra ngợc lại. Chúng ta vẽ đồ thị biến thiên M = f(n) trong trờng hợp M r > r ô n 1 0 Hình 16 n th n kđ n kt M 4 3 2 [...]... suất ở tuốc bin sẽ là; Pct0= Pb- (B L +A ) Q20= Pb- (B L + A) 2 Pct0= 3 Pb Pb 2 = 3 Pb 3(B L + A ) (6) 2 Nct= 3 Nb (7) Để tận dụng hết khả năng của bơm thì áp suất tiêu thụ thực tế ở tuốc bin Pt phải bằng áp suất cung cấp cho tuốc bin Pc Có nghĩa là áp suất do bơm cung cấp phải tiêu thụ hoàn toàn ở tuốc bin Pt0= Pct0 2 Ap k0 Q2= Pcto = 3 PbApKo k0 = Pb 2 = 3 Pb 3 (B.L + A ) B L + Ac (8) Ap Vì vầy... chúng ta khoan các tuốc bin với số tầng đã được chế tạo sẵn 2 Vì thế chiều sâu có thể khoan trong điều kiện Pt = 3 Pb Từ công thức trên chúng ta thu được B L + A = L= k0Ap 2 ko Ap-2A 2B (9) Chúng ta hãy biểu diễn phương trình (5) và (8) tức là Q0= f(L) và ko= f(L) chúng ta sẽ thu được đồ thị sau: 167 Qo,Ko Ko=f(L) Qo=f(L) Hình19 Từ đồ thị trên chúng ta đi đến kết luận - Chiều sâu của lỗ khoan càng... = .M = 2n.M Nc = Nc = 2 n.Mr n [Mf (1- n rôGthm ] Mr rô kt 2 Mr n2 [ Mf(n -n ) MrôGthm] Mr rô kt Tiêu hao công suất ở ổ tựa chính được tính bằng công thức sau : Nô= Nt - Nc Biểu diễn bằng đồ thị biến thiên giữa công suất của tuốc bin, choòng khoan và ổ tựa trong trường hợp Mr >rô n Nt Nc Nô 1 n nôc nth nkđ nkt o n Hình 17 5.8 Quan hệ giữa tuốc bin, hệ thống tuần hoàn và thiết bị bơm Trong khoan. .. tuốc bin 2 Nct0= Pct0 Q0= 3 Pb 2 Nct0 = 3 Pb 3 (B L + A) Pb 3 (B L +A ) (10) ở biểu thức trên chúng ta nhận thấy rằng : muốn tăng Nt0 có hai cách: 1 - Tăng Pb tức là tăng áp suất làm việc của bơm 2 - Giảm A và B tức là sử dụng cần khoan với đường kính lớn, độ dày thành bé, đầu nối rộng Phương pháp hữu hiệu nhất để tăng Nt0vẫn là tăng áp suất máy bơm 5.8 .2 Tạo momen quay cực đại cho tuốc bin 5.8 .2. 1 Trường... bin 5.8 .2. 1 Trường hợpPb = const Trong trường hợp khoan ở những giếng khoan có chiều sâu lớn, nhất là trong điều kiện các tầng đất đá giữa Để đạt được hiệu quả cao trong khoan tuốc bin, cần thiết phải bảo đảm momen quay ở choòng khoan có giá trị lớn Chúng ta giả thiết rằng áp suất làm việc ở bơm không đổi, tức là ở một thời điểm nào đó của quá trình khoan Pb = const Chúng ta sẽ xác định một giá trị...Trong khoảng 2 : 0 . công suất. N 01 = N 02 . Q 1 Q 2 = 3 k 2 k 1 n 01 n 02 = 3 k 2 k 1 M 01 M 02 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 = 3 k 1 k 2 160 P t1 P t2 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 = 3 k 1 k 2 Trong điều kiện. sau đây: n 01 n 02 = Q 1 Q 2 M 01 M 02 = k 1 k 2 . 1 2 .( Q 1 Q 2 ) 2 N 01 N 02 = k 1 k 2 . 1 2 .( Q 1 Q 2 ) 3 P t1 P t2 = k 1 k 2 . 1 2 .( Q 1 Q 2 ) 2 Tầm quan trọng. k 2 khác nhau. Và hai tuốc bin cũng cần phải bảo đảm cùng momen quay bằng nhau. M 01 = M 02 M 01 M 02 = k 1 k 2 Q 2 1 Q 2 2 Q 1 Q 2 = k 1 k 2 n 01 n 02 = Q 1 Q 2 = k 1 k 2