Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Циркуляционная система буровой установки. Место и функции подпорного насоса в ЦС

1.2 Устройство консольного центробежного насоса

1.3 Основные параметры и характеристика центробежного насоса

1.4 Область применения и основные типоразмеры центробежных консольных насосов

1.5 Обозначения консольных центробежных насосов

1.6 Особенности эксплуатация подпорного бурового насоса. Выбор прототипа

1.7 Описание разработанной конструкции

2. Расчётная часть

2.1 Расчет конструкции скважины

2.2 Расчёт промывки скважины

2.3 Расчёт основных параметров подпорного центробежного насоса

2.4 Расчёт полных гидравлический потерь во всасывающей линии бурового насоса

2.5 Расчёт сил, действующих на вал центробежного насоса

2.6 Расчёт на прочность вала подпорного насоса

2.6.1 Расчёт вала на выносливость

2.6.2 Расчёт вала на статическую прочность

Список использованной литературы

Введение

При разработке месторождений нефти и газа, в отличие от разработки прочих полезных ископаемых, огромную роль играют бурение и буровое оборудование, поскольку именно буровая скважина является тем средством, которое обеспечивает доступ к пластовым флюидам: нефти, газу и газовому конденсату. Скважина является сложным капитальным инженерно-техническим сооружением в земных недрах. Поэтому правильный выбор технологии и технических средств для бурения скважин при разработке конкретного месторождения в конечном итоге определяет эффективность работ на промысле в целом.

Одной из наиболее важных и ответственных частей буровой установки является насосно-циркуляционный комплекс, состоящий из наземных устройств и сооружений, обеспечивающих промывку скважины путём многократной принудительной циркуляции бурового раствора по замкнутому контуру: ёмкость для бурового раствора-буровой насос-гидравлическая линия-система очистки бурового раствора. Для безостановочного и эффективного осуществления данного технологического процесса необходимо связующее звено между емкостью для раствора и буровым насосом. Данную функцию выполняет подпорный насос.

Подпорный насос относится к категории вспомогательного оборудования, которое является обязательным элементом при использовании быстроходных трёхпоршневых буровых наосов. Особенностью работы бурового подпорного насоса являются изменяющиеся режимы на различных интервалах: на первом этапе (при бурении под кондуктор) необходима наибольшая подача насоса, а на заключительном этапе (при бурении под эксплуатационную колонну) потребная подача может снизиться в более двух раз.

Целью данного проекта является выбор рациональной схемы обвязки насосного комплекса и разработка подпорного центробежного насоса для условий бурения наклонно-направленной скважины глубиной 4500 м.

1. Теоретическая часть

1.1 Циркуляционная система буровой установки. Место и функции подпорного насоса в ЦС

Циркуляционная система (в дальнейшем ЦС) представляет собой комплекс механизмов и оборудования, входящий в состав буровой установки и предназначенный для выполнения следующих операций:

1. Для обеспечения циркуляции раствора по стволу скважины.

2. Приготовления очистных агентов и регулирование их свойств.

3. Очистка раствора от шлама и газов.

4. Регенерация раствора.

5. Хранение запаса бурового раствора.

6. Удаление отходов (шлама).

7. Долив раствора в скважину.

В практике бурения все технические средства, входящие в систему очистки забоя можно подразделить на две группы:

- буровые насосы, подпорные насосы и манифольд, сюда также обычно включают стояк, гибкий рукав и вертлюг (операция 1)

-устройства для приготовления, хранения, долива и очистки раствора от шламов и газов (операции 2,3,4,5,6,7).

Для обеспечения процесса промывки при проводке скважины используются буровые насосы, предназначенные для нагнетания в скважину бурового раствора с целью очистки забоя и ствола от выбуренной породы и выноса её на поверхность, охлаждения долота, приведения в действие забойных двигателей гидравлического типа.

В настоящее время широко применяются двухпоршневые насосы двустороннего действия и трёхпоршневые насосы одностороннего действия. Многопоршневые насосы не распространены вследствие сложности эксплуатации, необходимости расхода большого количества быстроизнашивающихся деталей и затрат времени и средств на замену. Наиболее полно требованиям технологии бурения соответствуют трёхпоршневые насосы одностороннего действия с частотой двойных ходов поршня в минуту 35-180. Для полноты заполнения рабочих камер последних (увеличения коэффициента наполнения) обязательно наличие подпорного насоса.

Рисунок 1. - Нагнетательная линия бурового насоса [6]: 1 - пол буровой; 2 - нагнетательный трубопровод; 3 - буровой насос; 4- ёмкости ЦС; 5-скважина

Подпорный насос служит для подачи промывочной жидкости из ёмкости для бурового раствора в цилиндры бурового насоса по всасывающему манифольду. Необходимостью использования данного насоса является создание потребного подпора на входе в буровой насос для обеспечения нормальных условий всасывания при высоких частотах ходов поршневого насоса [6].

1.2 Устройство консольного центробежного насоса

Центробежный подпорный насос относится к консольным лопастным насосам. Принцип действия лопастных насосов основан на том, что меж лопастных каналах ротора посредством лопастей жидкость разгоняется (её скорость увеличивается), а в каналах статора (неподвижная система) тормозится, преодолевая давление, действующее навстречу потоку жидкости. Другими словами, работа против сил давления совершается за счёт кинетической энергии, приобретённой жидкостью в роторе. По обиходному выражению: «кинетическая энергия преобразуется в давление».

Во всех центробежных насосах лопастной аппарат ротора радиального типа, в котором жидкость перемещается от центра к периферии (рисунок 2).

Рисунок 2. - Схема центробежного насоса [9]

Упрощённую схему устройства рабочих органов центробежного насоса можно представить на рисунке 1: 1-рабочее колесо,2-отвод,3-подвод, 4-лопасть. Во время работы насоса, в связи с действием центробежных сил во вращающейся жидкости, давление вокруг оси вращения понижается, благодаря чему возникает постоянный приток жидкости из подводящего патрубка.

Отличительной особенность консольных насосов от других типовых конструкций является наличие только одного уплотнения вала. Классическая конструкция одноступенчатого консольного насоса, с горизонтальным исполнением на опорной стойке, в которой размещены две выносные опоры качения, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. - Схема центробежного насоса [24]

Под позицией 1 изображена крышка; 2- литой корпус; 3- сменные уплотнительные кольца, для предотвращения перетекания жидкости из области с большим давлением в область с меньшим; 4- рабочее колесо центробежного насоса;5- гайка, обеспечивающая соединение рабочего колеса и вала насоса;6- сальниковая набивка для уплотнения вала; 7-сменная втулка, по которой осуществляется уплотнение вала, служит для предотвращения износа вала сальником во время работы насоса;8- сальниковая крышка, обеспечивающая поджатие сальниковой набивки; 9-вал насоса, соединяемый с валом электродвигателя через упругую муфту; 10- опорный кронштейн, предназначенный для размещения в нём опор вала; 11- шариковый подшипник, являющийся опорой вала.

Рассмотрим некоторые узлы и детали консольного центробежного насоса более подробно. Подводящий канал должен обеспечивать равномерное распределение жидкости у входа на рабочее колесо при минимальных гидравлических сопротивлениях течению жидкости. Чаще всего для одноступенчатых насосов с односторонним всасыванием применяют осевой подвод жидкости (рисунок 4). Это обусловлено простотой и эффективностью данного типа подвода.

Рисунок 4. - Схематичное изображение осевого подвода [9]

Отвод необходим для сбора жидкости, сходящей с рабочего колеса, уменьшения её скорости и подвода жидкости к нагнетательному трубопроводу. Данные функции отвод центробежного насоса должен выполнять с обеспечением минимальности гидравлических потерь. В консольных центробежных насосах применяется спиральный отвод (рисунок 5) с одним каналом, охватывающий рабочее колесо по всей окружности. Снижение скорости потока начинается в самой узкой части отвода и и продолжается в коническом выходном патрубке 1, называемом диффузором. Преобразование кинетической энергии в потенциальную происходит в соответствии с законом Бернулли, благодаря постепенному увеличению сечения проходного канала отвода. Форма сечения спирали бывает различной: круговой, трапециевидной, грушевидной, прямоугольной.

Рабочее колесо центробежного насоса состоит из втулки и лопастей, связанных с ней непосредственно или при помощи одного или двух дисков. В зависимости от числа дисков рабочие колёса можно классифицировать как: закрытые (два диска), полуоткрытыми (рисунок 6) и открытыми (без дисков).

Рисунок 5. - Схематичное изображение спирального отвода [9]

Рисунок 6. - Полуоткрытое колесо центробежного насоса [9]

Открытое колесо обеспечивает возможность перекачки сильно загрязнённой жидкости, так как исключено засорение рабочих каналов колеса, но при этом возникающие во время работы перетечки сильно уменьшают КПД данного колеса. Полуоткрытые колёса сохраняют возможность перекачки загрязнённой жидкости, но их КПД всё равно меньше, чем КПД закрытых колёс. Закрытые колёса (рисунок 7) в свою очередь обладают наибольшим коэффициентом полезного действия, но не приспособлены для работы на «грязной» жидкости или воды с парами. Стоит заострить внимание на том факте, что открытые и полуоткрытые колёса проще в изготовлении и компактнее.



Рисунок 7. - Закрытое колесо центробежного насоса[9]

У насосов, предназначенных для перекачивания взвешенных веществ (песка, груета, шлама, волокнистых масс) и сильно загрязнённых канализационных вод каналы в рабочих колёсах (рисунок 8) сильно расширены, а число лопастей уменьшено до двух или даже одной.

Рисунок 8. - Рабочее колесо центробежного насоса для сильно загрязнённой жидкости (с расширенными каналами) [9]

Для рабочих колёс и других деталей проточной части насосов в зависимости от их назначения применяют различные материалы: чугун и углеродистую сталь для нейтральных жикостей; хромистые и хромоникелевые стали для кислой воды; бронзу и цветные сплавы, ферросилид, титан, пластмассы, керамику и фарфор, графит, покрытия из резины, смолы, эмали и стекла для химически агрессивных и абразивных жидкостей.

Зазоры между вращающимися и неподвижными деталями насоса нарушают герметичность, следствием чего являются: перетекания жидкости из-за разности давлений в соседних полостях; утечки из насоса; проникновение воздуха из атмосферы в область всасывания. Невозможно полностью предотвратить перетекание жидкости, но оно может быть уменьшено с помощью уплотнительных колец, образующих между рабочим колесом и корпусом щель прямой, ступеньчатой или лабиринтной формы. Щель создаёт значительное сопротивление перетеканию жидкости. Кольца защищают корпус насоса, а также рабочее колесо от износа и являются сменными деталями. Для этой же цели служит и уплотнительный диск (рис. 9), устанавливаемый в центробежном насосе с полуоткрытым колесом.

Рис. 9. - Уплотнительный диск центробежного консольного насоса [9]

В отличие от уплотнительных колец и дисков концевые уплотнения вала в местах выхода его из корпуса могут и должны обеспечивать полную герметичность. В центробежных консольных насосах используется сальниковое уплотнение. Сальник (рисунок 10) состоит из эластичной набивки 1и нажимной втулки 2. Конструкция сальникового уплотнения может быть совершенно различныой, это обусловленно условиями эксплуатации: с подачей в сальник заградительного потока жидкости, с разгрузкой сальника, с охлаждением сальника при перекачки горячих жидкостей и т.д.

Рис. 10. - Сальниковое уплотнение вала центробежного консольного насоса [9]

1.3 Основные параметры и характеристика работы центробежного насоса

Центробежный насос относится к динамическим насосам. В свою очередь, характеристикой динамического насоса называется зависимость между его основными техническими показателями. Обычно она представляется графически при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности жидкости на входе в насос.

Характеристика (рисунок 11) позволяет определить:

1) Подачу насоса при заданном полезном сопротивлении по кривой Q-H;

2) Затраты энергии по кривой Q-N;

3) Кривая Q-з служит для оценки экономичности действия насоса

Из характеристики видно, что наибольший напор насос развивает при закрытой задвижке (Q=0). По мере снижения сопротивления на выходе из насоса его подача увеличивается, а напор снижается вследствие возрастания гидравлических потерь. Вследствие того, что гидравлические потери зависят от подачи в квадратичной зависимости, то падение напора от подачи также представлено параболой (без учёта потерь это прямая наклонная линия).



Рисунок 11. - Характеристика работы лопастного насоса с тихоходным колесом [9]

Максимум кривой Q-з соответствует оптимальному режиму. Все значения подачи, напора и КПД, приводимые в справочниках, относятся именно к этому режиму. Зона, в пределах которой рекомендуется эксплуатация насоса, называется рабочей часть характеристики. Её отличительной особенность является близость к максимальному значению КПД. Обычно она располагается в диапазоне от 0,8Q до 1,2Q и включает в себя подачу, при которой КПД максимален.

Необходимо помнить о том, что при бурении подача бурового раствора меняется, а следовательно, номинальная подача насоса (подача, выбираемая из рабочей части характеристики, с которой насос будет работать на гидравлическую систему) должна быть не ниже максимальной подачи бурового насоса.

1.4 Область применения и виды конструкции центробежного консольного насоса

Среди всего объема насосной техники, которую производит мировая промышленность, на консольные насосы приходится 60-70%.

Эта техника имеет популярность благодаря простой конструкции, высокому КПД и приемлемой ремонтопригодности.

Консольный насос создан для работ с малозагрязненными и чистыми жидкостями, которые не содержат в своем составе механических включений. Допустимое содержание в рабочей среде абразивных веществ - 0,1%, а их размер - до 0,2 мм.

В настоящее время консольные насосы активно применяются в таких сферах промышленности как:

· системы полива и ирригации;

· водоснабжение;

· коммунальные хозяйства;

· химическое производство;

· бурение нефтяных и газовых скважин.

· подача ингибиторов жидкость («насос-жертва») и т.д.

Консольный насос бывает четырех разновидностей, что зависит от конструктивного исполнения [9]:

· К - стандартные агрегаты: имеют горизонтальный корпус, колесо и привод, с электродвигателем соединены упругой муфтой;

· КМ - насосы консольно-моноблочные (рисунок 12), отличительной особенностью является то, что на конце вала электродвигателя установлено рабочее колесо, а не два вала соединены муфтой как в предыдущем случае;

· КМП - консольный моноблочный пoвысительный аппарат, который создан для работы в коммунальном водоснабжении и от КМ почти никак не отличается;

· КМЛ - аппараты консольно-линейные (рисунок 12), которые имеют вертикальную ось рабочего колеса и линейную схему расположения, подающего и заборного патрубков.

Наиболее распространёнными считаются консольные насосы типа К, которые являются оборудованием общепромышленного назначения.



Рисунок 12. - Консольный моноблочный насос общего назначения [24]

Консольные насосы бывают двух типов: горизонтального и вертикального (рисунок 13) исполнения. У горизонтального консольного агрегата ось вращения располагается горизонтально, у вертикального- вертикально. Расположение оси вращения влияет на внутреннее устройство агрегата, в том числе на конструкцию опор и уплотнений.

Рисунок 13. - Консольный моноблочный насос одноосным расположением входного и выходного патрубков [24]

1.5 Обозначения консольных центробежных насосов

По ГОСТ различным видам и типоразмерам насоса присвоена марка - условное сокращенное наименование насоса. Со временем ГОСТы на условные обозначения меняются, однако в производственных условиях срок службы насоса нередко достигает 25 - 30 лет, поэтому производственники пользуются как новой, так и старой маркировкой.

Насосы типов К и КМ полно можно расшифровать как консольные, одноступенчатые, с горизонтальным валом, с односторонним входом воды на рабочее колесо. Данные насосы выпускаются с подачей 4,5…330 м³/час и напором 8,8…98 м.

В качестве примера рассмотрим условные обозначения насоса К65-50-160 (нынешнее обозначение). В 1973г. обозначался 2К-6, с 1982 г. обозначался К20/30.

К - консольный, если КМ - консольный моноблочный;

65 - диаметр всасывающего патрубка, мм;

50 - диаметр напорного патрубка, мм;

160 - диаметр рабочего колеса, мм.

Общая структура обозначения K d_вс- d_нап- d_кол

В 1973 году2К-6:

2- диаметр напорного патрубка (d), уменьшенный в 25 раз,

К - консольный,6 - быстроходность (n_s), уменьшенная в 10 раз.

С 1982 года ввели обозначение К20/30:

Где К - консольный, 20 - подача м³/час (Q_ч),30 - напор в м. (Н),

Рассмотрим пример расшифровки обозначения насоса КМЛ2 40/130.

КМЛ2 говорит о том, что данный насос центробежный, консольный, линейный, вертикальный моноблочный с расположением осей всасывающего и напорного патрубков в линию и вертикальной осью вращения ротора;

Число 40- диаметр патрубка, мм;

Число 130- номинальный диаметр рабочего колеса, мм.

1.6 Особенности эксплуатация подпорного бурового насоса. Выбор прототипа

Основными отличиями подпорных буровых насосов от обычных являются изменяющиеся режимы работы и большое различие свойств перекачиваемой жидкости от свойств воды.

Плотность бурового раствора находится в диапазоне 1100-1300 кг/м³[5], это приводит к увеличению мощности, потребляемой насосом по сравнению с работой на воде.

Увеличение вязкости перекачиваемой жидкости относительно воды также будет являться причиной изменения напорно-расходной характеристики насоса [9]. Следовательно, для обеспечения потребной подачи насос будет развивать меньший напор, по сравнению с паспортной характеристикой на воде. Данный факт необходимо учесть при гидравлических расчётах разрабатываемого комплекса.

Немаловажной особенностью эксплуатации подпорного насоса является широкий диапазон подач. Потребная подача бурового раствора при бурении под кондуктор и под эксплуатационную колонну может отличаться более чем в 2 раза. В связи с этим становится важным рациональный выбор гидравлической схемы обвязки буровых и подпорных насосов. Необходимым условием при этом является недопущение длительной работы подпорного насоса с низким коэффициентом полезного действия.

Также необходимо помнить об ограниченности места в насосном модуле буровой установки. Используемые подпорные насосы должны обладать минимально возможными габаритами. Оптимальность расположения насосов и выбор их рациональной обвязки должны обязательно учитываться при составлении гидравлической схемы насосного модуля буровой установки.

В соответствии с расчётами по исходным данным профиля скважины (2.1) и её промывки (2.2), необходимо обеспечить расход промывочной жидкости в диапазоне от 12 л/с (при бурении под эксплуатационной колонны) до 57 л/с (при бурении под кондуктора).

Подачи современных буровых насосов лежат в диапазоне 30-45 л/с[5]. Таким образом, при бурении под кондуктор будет осуществляться совместная параллельная работа двух буровых насосов. Бурение под эксплуатационную колонну проводится с использованием одного бурового насоса.

Таким образом, для работы на данную гидравлическую систему выбираемый подпорный насос должен обеспечивать диапазон подач от 12 л/с (43,2 м³/ч) до 28,5 л/с (102,6 м³/ч) (так каждый буровой насос должен иметь свой собственный подпорный блок). Учитывая тот факт, что наиболее длительное время потребная подача подпорного блока будет в районе 43,2 м³/ч (бурение под эксплуатационную колонную занимает длительное время, в то время как бурение кондуктора занимает относительно непродолжительное время), делаем вывод о необходимости применения двух подпорных насосов в каждом подпорном блоке. Данное техническое решение основывается на нерациональности длительной работы насоса с большей оптимальной подачей (100 м³/ч) с пониженным коэффициентом полезного действия (так как при потребной нам подаче он будет работать в левой части характеристики, за пределами рабочей зоны).

Для выбора прототипа насоса обратимся к каталогу компании АО "ГМС Ливгидромаш"- одному из крупнейших производителей промышленных насосов в России. На интернет-сайте данного насосного завода представлены параметры центробежного насоса К 45/30, отражённые в таблице 1.

Таблица 1.- Основные параметры насоса К45/30 [23]

Типоразмер насоса	Подача, м3/ч	Напор, м	Част. вращ., с-1 (об/мин)	Допускаемый кавитационный запас, м	КПД, %	Мощность электродов кВт
К 45/30	45	32	48 (2900)	4,0	72	6,5

Характеристика работы К 45/30 имеет рабочий интервал подач в диапазоне от 35 м³/ч до 55 м³/ч с максимумом КПД при 45 м³/ч (рисунок 14). Также на данной характеристике можно увидеть зависимости напора, КПД и потребляемой мощности от подачи для К45/30а, что является насосом К45/30 с максимально возможной обточкой рабочего колеса.

Рисунок 14. - Характеристика подпорных насосов К45/30 и К45/30а [23]: сплошная линия: К45/30; прерывистая линия: К45/30а

1.7 Описание разработанной конструкции

Модернизированный насос является центробежным, горизонтальным, консольным, одноступенчатым, предназначенным для перекачки гидросмесей с мелкой и твёрдой фракцией плотностью 1100-1200 кг/м³ и температурой перекачиваемой жидкости до 40 ^оС.

Рабочее колесо 4 диаметром 168 мм. закреплено на валу 5 с помощью посадки с зазором H8/h8 со шпонкой 29. Закрепление колеса в осевом направлении обеспечивается гайкой 16 (М18х2-6Н.5) со стопорной шайбой 23.

Опорами вала служат 2 шариковых подшипника 204 ГОСТ 8338-75 и 1 шариковый радиально-упорный подшипник 36104К6 ГОСТ 831-75. Смазка подшипников-жидкая (Литол 24, изготовленный по ГОСТ 21150 87). Подача последнего осуществляется через 2 маслёнки 20 (1.2. Ц6 ГОСТ 19853-74). Подшипники защищены от попадания в них перекачиваемой гидросмесей и пыли резиновыми манжетами 19 (1-20х32 ГОСТ 8752-79). Регулировка подшипников осуществляется регулировочными прокладками.

Уплотнением вала служит сальниковая набивка. По мере износа набивки её поджимают при помощи поджимной втулки 9. Предотвращение попадания перекачиваемых твёрдых частиц в сальник достигается за счёт впрыскивания в сальник чистой воды. Вода также служит для уплотнения смазкой и охлаждающей жидкостью.

Уплотнение всасывающей стороны- подвижное торцевое. Регулировка торцевого зазора осуществляется с помощью регулеровочных винтов 16 и уплотнительного кольца 15.

Особенность конструкции корпуса является наличие ложементов, к которым с помощью скоб 12 крепится подшипниковый стакан 11. Это облегчает процесс разборки и сборки подшипникового узла без демонтажа опорного корпуса.

С электродвигателем насос соединяется через упругую муфту посредством шпонки 30, расположенной на консольной части вала.

В процессе выполнения курсового проекта был произведён расчёт вала на выносливость и статическую прочность с учётом действующих концентраторов напряжений. В результате расчётов оптимальная величина диаметра вала составляет 20 мм.

Рисунок 15. - Модернизированного подпорный насос К45/30М

циркуляционный буровой насос прочность

2. Расчётная часть

2.1 Расчет конструкции скважины (по методикам [5])

Рисунок 16. -Схема обсадных колон заданной скважины

Таблица 2.1

№	Наименование параметра	Ед. изм.	Усл. обозн.	Способ определения	Численное значение
1	Профиль скважины			По заданию	Наклонно-направленный
2	Длина вертикального участка	м	H	По заданию	500
3	Глубина скважины	м	L	По заданию	4500
4	Радиус искривления	м	R	По заданию	500
5	Зенитный угол	Град	б	По заданию	55
6	Диаметр эксплуатационной колонны	мм		По заданию	127
7	Тип долота			По заданию	Ш
8	Отклонение забоя		5341
9	Длина участка стабилизации	м			6260
10	Протяженность ствола скважины	м	l		7240
11	Диаметр муфты эксплуатационной колонны	мм		[13]	141,3
12	Диаметральный зазор у муфт э. к. и стенок скважины	мм		[2]	15
13	Диаметр долота по э. к.:	мм		=
	- расчетный				156
	- по ГОСТ 20692-2003				161
14	Длина э. к.	м			7240
15	Радиальный зазор между долотом и вн. диаметром трубы	мм		[5]	5
16	Внутренний диаметр промежуточной колонны: расчетный	мм			171
17	Диаметр п. к.	мм		[13]	194
18	Диаметр муфты п. к.	мм		[13]	215,9
19	Диаметральный зазор у муфты п. к.	мм		[5]	25
20	Диаметр долота под п. к.:	мм		=
	- расчетный				241
	- по ГОСТ 20692-2003				242,9
21	Длина п. к.	м			4110
22	Внутренний диаметр кондуктора: - расчетный - по ГОСТ 632-80	мм		=	253
23	Диаметр кондуктора	мм		[13]	273
24	Диаметр муфты кондуктора	мм		[13]	298,5
25	Диаметральный зазор у муфты кондуктора	мм		[5]	35
26	Диаметр долота по кондуктору:	мм		=
	- расчетный				334
	- по ГОСТ 20692-2003				349,2
27	Длина кондуктора	м			500
28	Внутренний диаметр направления:	мм		[13]
	- расчетный				359
	- по ГОСТ 632-80				406
29	Длина направления	м		По заданию	50

2.2 Расчёт промывки скважины (по методикам [5])

Таблица 2.2

№	Наименование параметра	Ед. изм.	Усл. обозн.	Способ определения	Численное значение
1	Диаметр бурильных труб	мм		По заданию	114
2	Скорость восходящего потока при бурении под к.	м/с	Vк	[5]	0,4
3	Коэффициент, имеющий размерность скорости	м/с	а	[5]	0,6
4	Диаметр долота под кондутор	мм		п.2.1	349,2
5	Расход жидк., необходимый для очистки забоя при бурении под к.	м3/с	Qо.з.к.		0,057
6	Расход жидк. для выноса бур.пор. при бурении под к.	м3/с			0,034
7	Необходимый расход жидк. при бурении под к.	л/с	Qmax	Qmax= Qо.з.к.	57
8	Диаметр долота под экспл.колонну	мм.		(2.1)	161
9	Расход жидк., необходимый для очистки забоя при бурении под экспл.	м3/с	Qо.з.к.		0,012
10	Расход жидк. для выноса бур.пор. при бурении под экспл.	м3/с			0,004
11	Необходимый расход жидк. при бурении под к.	л/с	Qmin	Qmin= Qо.з.э.	12

2.3 Расчёт основных параметров подпорного центробежного насоса

Таблица 2.3.

№	Наименование параметра	Ед. изм.	Обозн.	Способ определения	Численное значение
1	Марка насоса	-	К 45/30	п.1.6.	-
2	Число буровых насосов	шт.	NБ.Н.	п.1.6.	2
3	Число блоков подпорных насосов	шт.	NБл.Н.	п.1.6.	2
4	Число подпорных насосов в блоке	шт.	n	п.1.6.	2
5	Оптимальная подача	л/с	Qо	[23]	12,5
6	Плотность рабочей жидкости	кг/м3	сж	-	1000
7	Расход бурового раствора при бурении под экспл. колонну	л/с	Qmin	п.2.2.	12
8	Подача блока подпорных насосов при бурении под кондуктор	л/с	Qmax	п.2.2.	28,5
9	Подача одного подпорного насоса при бурении под кондуктор	л/с	Qк.1	Qк1=	14,25
10	Напор подпорного насоса при бурении под экспл. колонну(кондуктор)	м	Hэ (Hк)	Графически из характеристики работы насоса (рисунок 14)	32,5 (29,8)
11	Коэффициент полезного действия подпорного насоса при бурении под экспл. колонну (кондуктор)	-	з вн.экспл. (звн.к..)	-//- из характеристики насоса	0,72 (0,718)
12	Мощность подпорного насоса при бурении под эксплуатационную колонну (кондуктор)	кВт	Nн.экспл. (Nн.к.)	-//- из характеристики насоса	5,25 (5,5)
13	Гидравлическая мощность подпорного насоса при бурении под экспл. колонну (кондктор)	кВт	Nгидр.экспл. (Nгидр.к.)	Nгидр.экспл. = Nн * з вн.экспл. (Nгидр.к.. = Nн * з вн.к.)	3,78 (3,95)
14	Мощность электродвигателя подпорного насоса	кВт	Nэдв.	[23]	6,5
15	КПД электродвигателя	-	з эл.дв.	[23]	0,8
16	Мощность вала насоса	кВт	Nв.	Nв.= Nэдв.* з эл.дв.	5,2
17	Частота вращения электродвигателя	с-1	n	[23]	48,3
18	Крутящий момент на валу насоса	Н*м	Мвал.		18
19	Потери во всасывающей линии бурового насоса	МПа	Рпот	п.2.4	0,067
20	Избыточное давление манометра на входе в буровой насос	МПа	Рман	по заданию	0,2
21	Атмосферное давление	МПа	Pатм	-	0,1
22	Скорость движения жидкости	м/с	vж.	из задания	3
23	Скоростная часть давления	МПа	Pск	сж* vж.2/2	0,0045
24	Абсолютное давление на входе в буровой насос (минимальное)	МПа	Pабс.	Pабс.=Pатм.+ Pск+ Рман.	0,3045
25	Абсолютное давление на выходе из подпорного насоса (минимальное)	МПа	Pабс.	Pабс.=Pатм.+ Pск+ Рман.+ Рпот	0,3715

2.4 Расчёт полных гидравлических потерь во всасывающей линии бурового насоса

Расчёт выполнен с использованием системы автоматизированного проектирования Mathcad и классических методик гидравлических расчётов [1])



2.5 Расчёт сил, действующих на вал центробежного насоса

Расчёт выполнен с использованием системы автоматизированного проектирования Mathcad на основе методик [7])

2.6 Расчёт на прочность вала подпорного насоса

Исходные данные:

Материал вала сталь 45

Предел прочности

Предел текучести

Предел выносливости при нормальных напряжениях

Предел выносливости при касательных напряжениях

Диаметр вала:

2.6.1 Расчёт вала на выносливость

Построение эпюр возникающих сил и моментов от действующих нагрузок и определение опасных сечений вала.

Рисунок 17. - Эпюры моментов по длине вала в плоскости Z-X.

На рисунке 17 изображено распределение сил и моментов по длине вала в плоскости Z-X. При расчётах принимаем, что крутящий момент сохраняет своё первоначальное значение по всей длине вала от муфты до рабочего колеса, при нагружении вала также принимаем допущение, что сила, возникающая от неравномерности распределения в отводе сонаправлена с силой тяжести рабочего колеса центробежного насоса.

Из эпюр и схемы вала видно, что опасными сечениями вала являются место под левым подшипником и шпоночный паз.

Исходные данные нагрузок для дальнейшего расчёта:

0,06

0,005

Крутящий момент: 18 Н*м

Определение запаса прочности по сечению в месте посадки подшипника

Моменты сопротивления сечения:

Осевой

Полярный

Амплитуды напряжений циклов в опасном сечении:

Значения коэффициентов концентраторов напряжений в местах установки на валу деталей с натягом [10]:

;

Коэффициент влияния шероховатости:

Коэффициент влияния поверхностного упрочнения:

поверхность вала не упрочняется

Пределы выносливости вала в рассматриваемом сечении:

Принимаем допущение, что влияние асимметрии цикла изменения незначительно.

10,5

Результирующий коэффициент запаса прочности вала в сечении:

1,17, значение результирующего коэффициента запаса прочности удовлетворяет оптимальному значение Sопт = 1,1 … 1,2, что говорит о рациональности использования данного диаметра вала при соответствующих нагрузках.

Определение запаса прочности для сечения со шпоночным пазом

Моменты сопротивления сечения:

- осевой:

- полярный:

Амплитуды напряжений цикла в этом сечении:

Коэффициенты концентрации напряжений для данного сечения вала[10]:

К_у=1,7 - эффективный коэффициент концентрации напряжений при изгибе

- эффективный коэффициент концентрации напряжений при кручении

- коэффициент влияния абсолютных размеров при изгибе

Коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям:

Запас прочности является избыточным, а следовательно, данный концентратор напряжений не приведёт к разрушению вала.

2.6.2 Расчёт вала на статическую прочность

Расчёт выполнен на основе методик [7].

При данном расчёте будем учитывать только крутящий момент изгибающие моменты и осевые силы. Касательными напряжениями, действующими в опасном поперечном сечении, пренебрежём в силу их малости. Определение моментов сопротивления сечения вала и площади сечения:

Площадь сечения вала:

F=

Моменты сопротивления при изгибе и кручении сплошного круглого вала:

Определение нормальных и касательных напряжений

Нормальные напряжения от изгиба и растяжения:

Касательные напряжения от крутящего момента:

Вывод по расчёту вала на статическую прочность

Применив третью теорию прочности, получим:

<[],

где []=

[], условие прочности соблюдается.

Список используемой литературы

1. Александров Ю.Б., Кузьмин В.А., Панченко В.И. Расчёт гидравлических систем: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2010. 59 с

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1- 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой.- М.: Машиностроение, 2001.- 920 с.:ил.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.2- 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой.- М.: Машиностроение, 2001.- 912 с.:ил.

4. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы: Учебник для вузов.- М.: Недра, 1988.-501с.:ил.

5. Балденко Ф.Д. Расчеты бурового оборудования. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. - 428 с.

6. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование/Коллектив авторов; под общей редакцией А.М. Гусмана и К.П. Порожского: Научное издание. Екатеренбург: УГГГА, 2002. 600с.

7. Елисеев Б.М. Расчёт деталей центробежных насосов (справочное пособие). М., «Машиностроение», 1975, 208с

8. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Каштанов В.С., Мерециди И.А., Николаев Н.М., Пекин С.С., Сабиров А.А. Нефтегазопромысловое оборудование. Под общ. ред. В.Н. Ивановского. Учеб. для ВУЗов.- М.: «ЦентрЛитНефтеГаз» 2006.-720 с.: ил.

9. Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. Учебник для вузов. -2-е изд. перераб.и доп. М., Недра, 1981, 295 с.

10. Макушкин, С.А., Диденко Е.В. Справочные материалы для выполнения курсового проекта по дисциплине «Детали машин и основы конструирования». Учебно-методическое пособие. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2017.- 96 с.

11. Романенко О.А., Мусина Е.В. Соединения деталей машин: Учебное пособие со справочными материалами. - М.: ООО «Издательство» «Нефть и газ», 2014-114 с.:ил.

12. Руководство по эксплуатации Н49.948.00.00.000 РЭ. Насосы центробежные консольные типа К и агрегаты электронасосные на их основе.

13. ГОСТ 632-80 Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия.

14. ГОСТ 22247-96 Насосы центробежные консольные для воды. Основные параметры и размеры. Требования безопасности. Методы контроля.

15. ГОСТ 8338-75. Подшипники шариковые радиальные однорядные. Основные размеры.

16. ГОСТ 831-75 Подшипники шариковые радиально-упорные однорядные. Типы и основные размеры.

17. ГОСТ 7798-70 Болты с шестигранной головкой класса точности В. Конструкция и размеры.

18. ГОСТ 22034-76 Шпильки с ввинчиваемым концом длиной 1,25d. Класс точности В. Конструкция и размеры.

19. ГОСТ 15521-70. Гайки шестигранные с уменьшенным размером "под ключ" класса точности В. Конструкция и размеры.

20. ГОСТ 6402-70 Шайбы пружинные. Технические условия.

21. ГОСТ 8752-79 Манжеты резиновые армированные для валов. Технические условия.

22. ГОСТ 23360-78. Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шпоночные с призматическими шпонками. Размеры шпонок и сечений пазов. Допуски и посадки.

Приложение А

Спецификация



Схема гидравлическая принципиальная

Сборочный чертёж подпорного насоса

Вал

Размещено на Allbest.ru