Bài giảng khoan dầu khí tập 2 part 2 pdf

Nếu chúng ta biểu diễn phương trình G0= f Mr với các giá trị khác nhau của Q ta sẽ có đồ thị sau: Hình 14 Kết luận : với một Mr xác định nếu chúng ta tăng lưu lượng thì tải trọng đặt lê

Hình 12

Từ tam giác vận tốc trên chúng ta thu được W1 = C2 = Cz

C1u = u0, C2 u = 0 Vậy: U0 = C1u = Cz cotg1

mặt khác U0 = det n0 , cân bằng hai phương trình ta có :

n0 = Cz  det cotg1 Nếu chúng ta thay công thức : Cz = AQ

c 0 Trong đó 0 là hiệu suất thể tích của tuôc bin: 0 = QQth

Qth -là lưu lượng thực tế truyền qua tuốc bin

Q - là lưu lượng truyền xuống tuốc bin khi chưa bị mất mát qua các khe hở giữa các tầng tuốc bin

Ac - là diện tích thực của rãnh thoát nước :

Ac = A’c H = det h h

Và nếu chúng ta thay Ac vào công thức trên đây ta thu được:

n0 = c0tg

h.(det)2.h 0 Q

Từ công thức : M0 = M2f = k2Q2g det2 nkt; (nkt = 2n0)

M0 = k c0tg

2g h h 0

2c  Q2 Trong đó c là hiệu suất cơ học của tuốc bin, do mất năng lượng ở các

đĩa tuốc bin và ổ tựa

Công suất cực đại của tuốc bin

u1 = u2 = u0

 1

2

C2 1 C1

N0 = M0 0 = det n0M0 = k 1g ( cotg

h.det.h )

2

0.c.Q3.

N0 = k.1g











 cotg

h..det.h

2 0.c.Q3 

Từ công thức:

Pt = N0 t.Q

Pt = k 1g











 cotg

h..det.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

An = k.cotg

h.(det)2.h 0 ; và Ap = k 1

g 







 cotg

h..det.h

220

th

AM = k.cotg

2ghh 

2

0 c

AN = k 1g











 cotg

h..det.h

22 0

th Các thông số hoạt động của tuốc bin sẽ là:

n0 = An.Q

M0 = AM Q2

N0 = AN Q3

Pt = AP Q2

Kết luận: Muốn tăng các thông số hoạt động của tuốc bin: Cần tăng k Số tầng

của tuốc bin, tăng lưu lượng bơm Q Khi tăng Q mômen và áp suất sẽ tăng theo bình phương và công suất Q tăng theo lập phương

Đ3: Xác định các thông số chế độ khoan cơ học tối ưu trong trường hợp

bỏ qua sự tổn thất năng lượng ở ổ tựa chính

Mômen ở choòng khoan được tính bằng công thức:

Mc = G.Mr

G - Tải trọng đáy đặt lên choòng

Mr - Mô men riêng biểu diễn sự tăng mômen ở choòng khi tải trọng tăng 1 đơn vị (Mr = 515KG.m/tấn)

Nếu chúng ta bỏ qua sự tổn thất năng lượng ở ổ tựa chính thì toàn bộ công suất của tuốc bin sẽ cung cấp cho choòng phá đá

Nt = Nc  2n.Mf (1- nn

kt ) = 2nG.Mr

Chúng ta rút ra G = MMf

r

(1 - nn

kt ) Chúng ta cũng có thể vẽ được sự biến thiên của G = G(n)

Tại điểm n = 0 G có giá trị cực đại

Hình 13

G = Gmax tải trọng hãm tuốc bin:

Gmax = MMf

r Công thức G = Gmax(1 - nn

kt ) Tại điểm n = nkt G = 0

Vì vậy ta vẽ được đồ thị biến thiên G = G(n) như trên

Số vòng quay tối ưu đã xác định :

Nếu chúng ta thay n0 vào công thức tính G

chúng ta có G0 = Gmax

2 =

Mf 2Mr =

M0

Mr =

Am kQ2

Mr

n0 = nkt

2

G0= AmkQ

2

Mr

G

n

nkt

G0

Gmax

n0

Nếu chúng ta biểu diễn phương trình G0= f (Mr) với các giá trị khác nhau của Q ta sẽ có đồ thị sau:

Hình 14

Kết luận : với một Mr xác định nếu chúng ta tăng lưu lượng 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 như hai tuốc bin có cùng loại tam giác vận tốc ở đường kính lý thuyết tương ứng với công suất cực đại Chúng ta nói rằng những tuốc bin này hoạt động trong chế độ động học tương tự Các hệ số An ,Am , AN , AP giống nhau Chúng ta có các biểu thức sau đây:

n01

n02 =

Q1

Q2

M01

M02 =

k1

k2

1

2.(

Q1

Q2)2

N01

N02 =

k1

k2

1

2.(

Q1

Q2)3

Pt1

Pt2 =

k1

k2

1

2.(

Q1

Q2) 2

Tầm quan trọng của các biểu thức trên đây là trong trường hợp chúng ta biết thông số hoạt động của tuốc bin (với cùng một số tầng K1 , Q1, 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 (K2, Q2 , 2)

- ảnh hưởng của lưu lượng Q đến các thông số làm việc của tuốc bin từ công thức trên chúng ta có thể rút ra cho một tuốc bin:

G0

G1

G2

G3

Q1

Q2

Q3

Q1 > Q2 > Q3

n02 =

Q1

Q2

M01

M02 = (

Q1

Q2)2

N01

N02 = (

Q1

Q2) 3

Pt1

Pt2 =(

Q1

Q2)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 ưu với công suất lớn nhất:

C = Mn0 0 Nếu chia công thức M0 cho n0 ta được:

C = 2g.d2

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 det Nhưng det giới hạn bởi đưòng kính giếng khoan Trong khi chọn tuốc bin chúng ta chọn

đường kính tuốc bin lớn nhất cho phép và tránh kẹt cố, bảo đảm lưu 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 phương án này sử dụng rất nhiều

- Tăng Q dẫn đến tăng C, nhưng Q giới hạn bởi điều kiện khoan Trong trường hợp hai tuốc bin có cùng seri, thông số hoạt động của nó sẽ phụ thuộc vào K và vào Q

Dưới đây sẽ trình bày hai trường hợp phản ánh ưu điểm trong việc dùng tuốc bin có số tầng k lớn

a) Nếu như hai tuốc bin có cùng seri, nhưng có số tầng k 1 và k 2 khác nhau Và

hai tuốc bin cũng cần phải bảo đảm cùng momen quay bằng nhau M01 =

M02

M01

M02 =

k1

k2

Q21

Q1

Q2 =

k1

k2

n01

n02 =

Q1

Q2 =

k1

k2

N01

N02 =

k1

k2

Q31

Q32 =

k1

k2

Pt1

Pt2 =

k1

k2

Q2 1

Q2

2 = 1 Chúng ta xem rằng một tuốc bin đơn có số tầng là kđ và một tuốc bin nối có số tầng là kn : kn= 2 kđ

ở tuốc bin nối sẽ thu được các thông số sau đây:

Mođ = Mon ,Qn = 0,7Qđ ,n0n = 0,7nođ

Non = 0,7 N0đ , Ptn =Pođ

Trong trường hợp muốn thu được cùng momen, ở tuốc bin nối Q, N, n thu được khoảng 70% ở tuốc bin đơn

Giảm Q và n là một điều kiện thuận lợi cho công tác khoan Giảm Q

đưa đến giảm áp suất ở hệ thống tuần hoàn, dẫn đến giảm áp suất ở bơm mà vẫn giữ được 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

Q1

Q2 =

3 k2

k1

n01

n02 =

3 k2

k1

M01

M02 =

k1

k2

Q21

Q22 =

3 k1

k2

Pt2 =

k1

k2

Q2 1

Q2 2

= 3 k1

k2 Trong điều kiện một tuốc bin nối kn= 2kđ :

N0n= Nođ ,Qn =0,795 Qđ , non = 0,795 nođ

M0n=1,26 M0đ , Ptn= 1,26 Ptđ

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 lưu lượng 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 F0 bao gồm:

- GH : Lực thuỷ lực do tổn thất áp lực ở ổ tựa chính ở đĩa rôto và choòng khoan, hướng tác dụng từ trên xuống

- Gq : Trọng lượng của phần quay bao gồm trục tuốc bin, đĩa rôto, choòng khoan hướng tác dụng của Gq là từ trên xuống 

- Phản tải đáy G, hướng tác dụng từ dưới lên trên  chúng ta có thể viết

được công thức:

F0 = (G'th + Gq - G) Nếu G'th + Gq>G thì F0 có hướng từ trên xuống 

G'th + Gq<G thì F0 có hướng từ dưới lên 

Để xác định G'th ta có thể sử dụng công thức tương đối:

G'th = 4det2(P0+Pt+Pc)

Trong đó: det - đường kính lý thuyết của tuốc bin

P0, Pt ,Pc - tổn thất áp lực ở ổ tựa, tuốc bin choòng khoan Bởi vì rằng P0,

Pt ,Pc tỷ lệ thuận với  và bình phương Q do đó G'th bằng :

G'th = a0Q2

Trong đó: a0 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' + G = G thì công thức F sẽ là :

F0 = Gth - G Dưới 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 được xác định bằng công thức:

Mô = rô Fô = rô |Gth - G|

Trong đó: ô - hệ số ma sát ở ổ tựa

rô - bán kính ma sát ở ổ tựa

Các đĩa đứng yên và các đĩa di động của ổ tựa răng lược trong khi quay chúng trượt trên mặt hình vành xuyến Đường kính trung bình ma sát của mặt này đựơc xác định bằng công thức:

rô= 2

3









r3

n-r3 t

r2n-r2t Trong đó: rn , rt - 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:

Pr = Fô

.Atx phụ thuộc số vòng quay, chất lượng dung dịch, phụ thuộc vào bề mặt ma sát

Sự thay đổi của  so với p tải trọng riêng được biểu thị ở đồ thị trên, trong điều kiện dung dịch khoan và nước 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

n1 < n2 < n3 < n4

giảm đi khi p tăng lên đến một giới hạn nào đó p tiếp tục tăng thì  cũng có chiều hướng 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 tượng này như sau: Khi tải trọng riêng tương đối nhỏ, thì ở trong các mặt tiếp xúc thể hiện một chế độ ma sát lỏng như 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 lượng 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 ,Pt 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 lượng tiêu thụ ở choòng

M - mômen do tuốc bin sinh ra bằng tổng mômen tiêu thụ ở choòng và

ở ổ tựa chính

Mt= Mô+ Me Mô men tiêu thụ ở choòng bằng Me = G.Mr

Mr: momen riêng phá đá Momen ở tuốc bin sẽ là:

Mt =  rô|Gth - G| + GMr 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

1 Tuốc bin quay ở bên trên đáy lỗ khoan (không chịu tải )

Trong trường hợp này G1 = 0 MC1 = 0

Mt1= Mô1 =  rô Gth

Số vòng quay của tuốc bin trong trường hợp này gọi là số vòng quay khởi động nkđ

Do momen cảm kháng ở ổ tựa chính nkđ < nkt

2 Choòng khoan làm việc ở đáy với tải trọng choòng nhẹ hơn tải trọng thuỷ

lực G2< Gth ta có: Mc2= G2Mr

Mô2 = rô(Gth - G2)

Mt2= rô(Gth- G2) + G2Mr n2 neđ

3 Tải trọng choòng bằng tải trọng thuỷ lực: G3 = Gth

Mô3=0 ,Mc3=Gth.Mr

Mt3= Mc3= GthMr n3= nth số vòng quay thuỷ lực

4) Choòng khoan làm việc với tải trọng choòng lớn hơn tải trọng thuỷ lực G4> Gth

Momen ở choòng sẽ là: Mc4= G4 Mr

Mô4 =  rô (G4- Gth) Momen ở tuốc bin sẽ là:

Mt4= G4Mr + rô(G4- Gth) Bởi vì Mt4 >Mt3 do đó n4 <Nth

So sánh hai trường hợp (1) và (3) thì chúng ta thấy rằng:

Nếu Mt>rô thì sẽ xảy ra Mt3 > Mt1 thì Nth < nkđ

Trường hợp Mr < rô thì sẽ xảy ra ngược lại

Chúng ta vẽ đồ thị biến thiên M = f(n) trong trường hợp Mr > rô

n

1

0

Hình 16

nth nkđ nkt

M

4

3

2

Trong khoảng 2 : 0 <G2<Gth Nếu G2tăng dần từ 0 đến Gth thì số vòng quay cũng giảm dần từ nktđến nth Và momen choòng cũng tăng từ Mt1 đến Mt3 Trong khi đó momen ổ tựa giảm dần từ Mt1 đến 0

Trong trường hợp 4: G4> Gth nếu G4càng tăng thì cả Mô4 và Mc4đều tăng và số vòng quay sẽ giảm đi

Momen truyền xuống choòng khoan bằng hiệu giữa momen do tuốc bin sinh ra trừ đi momen cảm kháng ở ổ tựa:

Mc= Mt - Mô= Mt-  rô G

th

Mc= Mt-   rô (Gth - G)

Mr.G = Mt  rôGth  rô G

G( Mr rô ) = Mt   rô G

G =

o μr r M

th G o μr t M





nhân hai vế với Mr ta có

Mc =

o μr r M

r M

 Mf(1 - nn

kt )  rô Gth  Phương trình cơ bản của đặc tính tổng hợp

Dấu ở phía trên tương ứng trong trường hợp G <Gth

Dấu ở phía dưới tương ứng trường hợp G >Gth

+) ở phương trình trên khi tuốc bin hoạt độ ng bên trên đáy lỗ khoan

Mc= 0 n = nkt tương ứng trường hợp G = 0 <Gth

Mf(1 - nnkt

kđ ) -  rô Gth = 0

1 - nnkđ

kt

=  rMô Gth

f

nkđ

nkt = 1 -

rôGth

Mf

(*) Trong trường hợp G = Gth tương ứng với trường hợp 3 n = nth

Mc= Mt

Mc = Mf(1 - nnth

kt )  MrGth

Mf = 1 =

nth

nkt

nkđ =  kt(1 - rMôGth

f )

nth= nkt (1 - MMrGth

f )

ở phương trình Mc nếu chúng ta bỏ qua tổn thất ở ổ tựa chính thì

đặc tính ngoài sẽ biến thành đặc tính trong:

Mc= Mf(1 - nn

kđ

) b) Nghiên cứu sự biến thiên của công suất theo số vòng quay Công suất của tuốc bin được tính bằng công thức:

N = .M = 2n.M

Nc = 2 n.Mr

Mr  rô [Mf (1- nn

kt

rôGthm ]

Nc = 2 Mr

Mr rô [ Mf(n -n

2

nkt ) MrôGthm] 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

5.8 Quan hệ giữa tuốc bin, hệ thống tuần hoàn và thiết bị bơm

Trong khoan tuốc bin , các thông số làm việc của nó phụ thuộc nhiều nhất là liều lượng dung dịch, vào khả năng thiết bị bơm và hệ thống tuần hoàn của dung dịch

N t

N c

Hình 17

n o n ôc n th

n

n kđ n kt n 1

Nô

5.8.1 Tạo công suất thuỷ lực cực đại cho tuốc bin khoan

Trong điều kiện áp suất ở bơm không đổi Pb= const

Nếu chúng ta tăng lượng Q quá lớn thì tổn thất áp lực ở hệ thống tuần hoàn sẽ tăng lên và áp suất cung cấp cho tuôc bin sẽ giảm đi Ngược lại nếu chúng ta giảm Q quá bé thì tổn thất áp suất ở hệ thống tuần hoàn cũng bé và

áp suất cung cấp cho tuốc bin cũng hạn chế Như vậy phải tồn tại một Qotối

ưu, tại đó công suất thuỷ lực cung cấp cho tuốc bin có giá trị lớn nhất

Công suất cung cấp cho tuốc bin được tính bằng công thức :

Nct= N0 - Nth= Pb Q - Pth Q (1)

Tổn thất thủy lực trong hệ thống tuần hoàn được xác định bằng công thức

P th- (B L + A )  Q 2 (2)

Trong đó B là hệ số tổn thất lực phụ thuộc vào chiều dài cần khoan

B = Qtc + a lđn + avx + apt

A là hệ số tổn thất thuỷ lực không phụ thuộc vào chiều dài cần :

A = Qbm + Q cn lcn+ ac

Công thức Nct chúng ta có thể viết dưới dạng:

Nct= Pb Q - (BL + A)  Q3 (3)

Nếu như chúng ta biểu diễn phương trình trên dưới dạng đồ thị

Với Q<Q0 hay Q >Q0thì Nct<Nct0 Hình 18

Với Q = Qmax Nct= 0 bởi vì toàn bộ công suất thuỷ lực của bơm tiêu thụ

ở hệ tuần hoàn

Lưu lượng Q0 được xác định trong điều kiện cực đại của Nct

d Nct

d Q =

d

dQ [Pb.Q - (B L - A)  Q 3] = 0 (4) [Pb- 3 (B L + A)  Q3

0 = 0

Q

Qmax

Q0

Nct