Расчетная часть-Расчет турбинно-винтового забойного двигателя (ТВЗД) ТВД-240-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет турбинно-винтового забойного двигателя (ТВЗД) ТВД-240: Pасчет винтовой секции, Расчет параметров турбинной секции, Расчет вала турбобура на прочность-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

5 Описание работы ТВД

Основное преимущество ТВД органич¬но сочетает стабильность во времени энергетической характеристики, свойственную турбинному приводу, а также высокое соотношение пара¬метров M/n и высокую жесткость линии моментов, свойственную объем¬ным гидромашинам. Этот двигатель избавлен от недостатков турбобура (относительно низ¬кий момент силы на валу и «мягкость» линии моментов) и от недостатков винтового забойного двигателя (низкий срок службы винтовой пары и от-рицательное воздействие на долото поперечных колебаний, генерируемых близко расположенной к нему винтовой рабочей парой).
Представленный в дипломном проекте ТВД представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, состоящий из трех секций.
Напор, создаваемый насосами, подается по бурильным трубам на забой.
Буровой раствор, проходя через бурильные трубы и переливной клапан, попадает ТВД, а точнее в его винтовую часть, винтовая часть представляет собой винтовой забойный двигатель, внутри которого расположен ротор с валами, при создаваем напоре ротор начинает крутиться. Кручение происходит из-за того что ротор и статор имеют винтовую поверхность. Ось ротора при кручении смещается на величину эксентриситета. Буровой раствор продя по каналам пары ротор-статор, приводит в движение ротор, и создает крутящий момент, который передается на торсионный вал. Торсионный вал присоединяется к муфте, на другом конце которой присоединяется вал турбобура, турбинной части. Которая состоит из вала на который надеты турбины. Вал держится в турбинной части при помощи радиальных опор. На вал подается крутящий момент создаваемый винтовой частью, а так же напор от винтовой части поступает в турбины, приводя их в движение. Которые передают свой крутящий момент на вал турбобура. Крутящие моменты от ротора и турбин передаются на вал соединенный с промывочной муфтой шпиндельной части ТВД. Через промывочные отверстия проходит бурой раствор под напором, промывочная муфта соединена с полым валом шпинделя. Вал шпинделя закреплен на двух радиальных опорах, между которыми расположена 25-ступенчатая осевая опора скольжения. Буровой раствор проходя через полый вал шпинделя, проходит через переводник, и попадает на долото для для выноса выбуренной породы. Вал шпинделя крутится из за создаваемого крутящего момента винтовой и турбинной части, передавая момент на долото, для разрушения породы.























6. Расчетная часть
6.1 Pасчет винтовой секции
Исходные данные:
Диаметр скважины Dскв = 266 мм
Расход бурового раствора Q = 38 л/с
Частота вращения долота 2 об/с
Перепад давления на двигателе Δр = 8 МПа
Крутящий момент на валу М = 4500 Нм
Диаметр двигателя задают из условия обеспечения требуемого коэффициента просвета:
(1)


Контурный диаметр статора (по впадинам зубьев):

(2)


где - толщина металлической стенки статора, принимаемая ;
- минимальная толщина резиновой обкладки статора должна быть не менее .
Для выбора кинематического отношения винтового героторного механизма руководствуются следующим: при необходимости рассчитать винтовой двигатель с максимальной скоростью вращения и минимальным крутящим моментом выбирают рабочие органы с кинематическим отношением ;
в случае, если по условиям эксплуатации требуется двигатель с малой скоростью вращения и большим крутящим моментом, целесообразно принять кинематическое отношение:

и более;
для получения средней величины скорости вращения и крутящего момента рекомендуется принимать кинематическое отношение
или
В нашем случае целесообразно принять кинематическое отношение

Из двух возможных зацеплений (гипоциклоидное и эпициклоидное) предпочтение отдается гипоциклоидному зацеплению.
Эксцентриситет гипоциклоидного зацепления:

(3)



где - коэффициент внецентроидности, принимаемый исходя из условия обеспечения максимальной плавности профиля;
- коэффициент, способствующий обеспечению минимума контактного давления в паре ротор – статор.
Величина эксцентриситета определяется до одного знака после запятой.
Ориентировочное значение площади живого сечения рабочей камеры:

(4)


Шаг винтовой поверхности статора:

(5)


где - число заходов ротора.
Полученная величина должна находиться в пределах: и не превышать 1000мм (по условиям технологии изготовления). При выборе шага статора необходимо определить скорость движения жидкости в каналах:

(6)


которая не должна быть больше 15 м/с.
Величина округляется до ближайшего целого числа, кратного числу заходов статора.
Шаг винтовой поверхности ротора:
(7)


Диаметр статора по выступам:

(8)



Диаметр ротора по впадинам:

(9)



где - диаметральный натяг.

Длина рабочей поверхности обкладки статора:

(10)



где - число шагов статора:
(11)

где - допустимый перепад давления на один шаг, принимаемый при твердости резины 75 – 80 усл. ед., равным 2 – 3 Мпа. Меньшее значение допустимого давления принимают при применении абразивной жидкости, а большее – при использовании жидкости с небольшим содержанием механических примесей.
Величина рабочего объема двигателя:

(12)



Для винтовых двигателей с гипоциклоидным зацеплением площадь сечения шлюза:

(13)



Скорость вращения ротора:

(14)


где - объемный КПД.
Момент винтового двигателя:

(15)


где - гидромеханический коэффициент, равный 0,5.
Для расчета осевой опоры двигателя вычисляют осевую гидравлическую нагрузку, действующую на ротор:

(16)



Конструкция осевых опор выбирают исходя из опыта эксплуатации турбобуров, который показывает, что при бесспорном преимуществе опор качения по величине потерь энергии турбобура на трение, в отношении долговечности предпочтение отдается резинометаллическим опорам, которые хорошо работают в условиях бурения скважин с промывкой глинистым раствором с высоким содержанием абразивных частиц.
Число подпятников резинометаллической опоры:

(17)


где F – осевая нагрузка но опору ТВД;
pmax – допустимое удельное давление на поверхность трения подпятника (pmax=1-1,5 МПа);
F – площадь трущейся поверхности диска пяты;
φ – коэффициент, учитывающий наличие канавок на резиновой обкладке подпятника:

(18)


где Fк – площадь канавок в подпятнике:

(19)

где bк – ширина канавок,
i – число канавок.

6.2 Расчет параметров турбинной секции

Исходные данные:
расход жидкости Q= 38 л/с;
диаметр статора ;
диаметр ротора
При расходе жидкости 40 л/с обеспечивается частота вращения вала n=170 об/мин. Исходя из этого, по частной формуле подобия, частота вращения вала при расходе 38 л/с будет составлять, об/мин.:



Угловая скорость вала:
(20)


Средний диаметр турбобура:

(21)



Определяем окружную скорость:

(22)


Радиальная длина лопасти, мм:

(23)
где  – наружный диаметр канала ступени турбины, мм;
– внутренний диаметр канала ступени турбины, мм.



Осевая скорость потока:

(24)



Степень реактивности принимаем так как большая часть эффективного напора срабатывается в статоре турбины. Таким образом, степень активности равен:



Коэффициент циркуляции:

(25)
где  – проекция абсолютной скорости потока жидкости, протекающего через статор, на направление окружной скорости турбины;
– проекция абсолютной скорости потока жидкости, протекающего через ротор, на направление окружной скорости турбины.
Так как лопатки статора имеют профиль близкий к низкоциркулятивному типу, а лопатки ротора к нормально циркулятивному типу, коэффициент циркуляции берем равным .
Тогда разность окружных составляющих абсолютной скорости будет равен:


Строим треугольник скоростей на выходе и входе решетки лопастей турбины. Рис.5.

Рис. 5. Треугольник скоростей
Шаг решетки турбины, мм:

(26)
где  – число лопастей.
Шаг решетки ротора:



Шаг решетки статора, мм:



Определяем эффективный напор одной ступени турбины:

(27)



Расчетный крутящий момент, развиваемый на ступени ротора:

(28)



Расчетный крутящий момент турбобура:

(29)

где z – число ступеней турбобура.



Таким образом, у нас обеспечивается крутящий момент турбобура 500-1500 Н .
Тормозной момент турбобура:

(30)



Полезная мощность турбины:

(31)


Эффективный перепад давления:

(32)



Гидравлическая мощность турбины:

(33)



Расчетный коэффициент полезного действия турбины:

(34)



Критическое число оборотов:

(35)


где d– диаметр вала турбобура, мм;
l – длина вала между опорами, мм.

Нагрузка на осевую опору шпинделя:

(36)


где T – Гидравлическая сила принимаем Т=0,14×106, Н;
G – Вес ротора турбобура долота принимаем G= 12000 , Н;
R – Реакция забоя принимаем R=400000, Н.

6.3 Расчет вала турбобура на кручение

Касательные напряжения :

(37)
(38)




где Wk – Момент сопротивления сечения кручения, м3;
d – диаметр вала турбобура , м;

Рис. 6. Кручение вала.

Угол закручивания вала по длине:

(39)
(40)




где Jp – полярный момент инерции сечения вала, м4;
G – модуль сдвига, МПа;
l – длина вала, м;

6.4 Расчет вала турбобура на прочность

Эквивалентное напряжение в точке наружного волокна:

(41)




где – изгибающий моменте, Нм;
– момент кручения, Нм;
d – диаметр вала турбобура, м.
Запас прочночности по пределу текучести:

(42)

Где предел текучести стали, МПа.
7. Экономическая часть


В дипломном проекте рассматривается модернизация турбинно-винтового забойного двивагателя ТВД-240. Путем замены шпиндельной секции, осевых опор, статора винтовой секции существенно улучшающих эксплуатационные показатели ТВЗД:
межремонтный период работы статора двигателя составляет 300÷400 ч, что в 1,5÷2,0 раза превышает аналогичный показатель статоров серийных двигателей;
у шпинделей 3ТСШ-240 устойчиво наблюдается 2÷3 кратное превышение показателей наработки на отказ по сравнению с серийными шпинделями;
осевые опоры ПУМ-240 устойчиво обеспечивают увеличение межремонтного срока службы до 200÷300 ч, что в 1.5÷2 раза превышает этот показатель серийных осевых резинометаллических опор в сопоставимых условиях бурения скважин.
Также новые модернизированные ТВЗД позволяют: повысить произво¬дительность использования кален¬дарного времени за счет сокраще-ния ремонтных работ.
Для проведения модернизации потребуются следующие финансовые вложения:
Затраты на приобретение новых составных частей для замены исходных приведенены в таблице.4.

Таблица 4 – Стоимость составных частей
Наименование продукции Ед.изм. Цена за ед.,руб Вес,кг
Шпиндель 3ТСШ1-240 комплект 200000 680
Осевая опора ПУМ-240 комплект 111000 150
Статор-ротор 240 статор-ротор 475000 1000

Общие затраты на составные части:
(43)
где Зс – затраты на приобретение статора, руб.;
Зос – затраты на приобретение осевой опоры, руб.;
Зс – затраты на приобретение шпинделя, руб.;


Затраты на транспортировку составных частей.
Затраты на доставку составных частей найдем из выражения:
(44)

где ΣМГР – масса доставляемых грузов, кг;
СГР – расценка стоимости транспортировки груза, руб/кг;
В данном случае принимаем общую расценку транспортировки сверхтяжелых грузов по трассе М53 по маршруту Москва-Красноярск равной 15 руб./кг.


Затраты на монтаж и сборку оборудования
Монтаж и сборку новых турбинных секций может осуществить ремонтная бригада в цехе ремонта в течение одной рабочей смены. Ремонтная бригада состоит из инженера и 4-х слесарей по ремонту.
Основная заработная плата инженера по ремонту 4 разряда
(45)
где - основная заработная плата инженера по ремонту 4 разряда, р.;
- часовая тарифная ставка, руб/ч;
– длительность смены, ч.

Основная заработная плата слесарей по ремонту 3 разряда, с учитывом количества слесарей:

Дополнительная заработная плата инженера по ремонту 4 разряда:
(46)
где - дополнительная заработная плата инженера по ремонту 4 разряда, руб.;
- норматив дополнительной заработной платы, %.

Дополнительная заработная плата слесарей по ремонту 3 разряда:

Так как работа по обслуживанию турбобура проводится в экстремальных природно-климатических условиях Севера, то согласно Трудовому кодексу РФ, закону "О государственных гарантиях и компенсациях для лиц, работающих и проживающих в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях" и ряду других законодательных актов для таких граждан предусматриваются особые меры возмещения дополнительных материальных и физиологических затрат, то есть увеличение размера выплат на соответствующий коэффициент.
(47)
где Зсев – надбавка, учитывающие работу в условиях Севера, руб.;
kр – районный коэффициент для города красноярска;
kс - северный коэффициент для города красноярска.

Для инженера по ремонту 4 разряда:

Для слесарей по ремонту 3 разряда:

Отчисления страховых взносов во внебюджетные фонды:
(48)
где - отчисления страховых взносов во внебюджетные фонды, р.;
- основная заработная плата, руб.;
- дополнительная заработная плата, руб.;
- норматив страховых взносов во внебюджетные фонды, %.
Для инженера по ремонту 4 разряда:

Для слесарей по ремонту 3 разряда:

Общие затраты на заработную плату:

Общие затраты на модернизацию составляют:
(49)
где Зсч – затраты на составные части, руб.;
Зтр – затраты на транспорт, руб.;
Ззп – затраты на заработную плату, руб.

Стоимость базового ТВЗД продукции компании «ВНИИБТ-Буровой инструмент» составляет 1265000 руб. Стоимость турбобура с учетом затрат на модернизацию составит, руб.
(50)
где Спм - стоимость ТВЗД после модернизации, руб.;
Цб - цена базового ТВЗД, руб.;
Змод – затраты на модернизацию ТВЗД, руб.

Увеличение наработки на отказ позволит нам гарантированно использовать один модернизированный ТВЗД в течение всего периода бурения вместо двух ТВЗД исходной сборки. Экономия затрат в этом случае составит, руб.:
(51)

Расчет амортизации ТВЗД:
(52)
(53)
где Сп – первоначальная стоимость ТВЗД, руб;
На – норма времени, %;
Т – срок эксплатации, мес.;





Амотизация будет составлять 172234,80 руб каждый месяц для модернизированного ТВЗД и 209990 руб для базового в течение одного года.


Затраты на бурение Студенной скважины составили 652389 руб. Фактическое время бурения составило 65 суток.
Суммарная экономия средств составляет:

Так как полученная экономия за период бурения 65 суток, то экономия за один месяц составляет:


Срок окупаемости данной модернизации:

(54)
где –срок окупаемости, лет;
Змод – затраты на модернизацию, руб.;
– экономия за один месяц, руб.



Затраты на ремонт ТВЗД будут состовлять 10% от стоимости двигателя, расщетаем:
(55)






Короткий срок окупаемости и суммарная экономия в 492636,33 руб. показывает целесообразность данной модернизации.Так же видно что затраты на ремонт уменьшаются 45488,19 руб.
Экономические выгоды от модернизации следующие:
уменьшение затрат на покупку запасных частей;
уменьшение затрат по выплате заработной платы при ремонте;
уменьшение стоимости двигателя по сравнению с базовым;
уменьшение стоимости ремонта.