4 Расчет и выбор основных параметров
Параметры ротора определяют исходя из конструкции скважины, компоновки бурильной колонны и требований, предъявляемых технологиями бурения и крепления скважин.
Диаметр проходного отверстия в столе ротора должен быть достаточным для спуска долот и обсадных труб, используемых при бурении и креплении
скважины. Для этого необходимо, чтобы отверстие в столе ротора было больше диаметра долота при бурении под направление [1]

(1)
где D — диаметр проходного отверстия в столе ротора;
Dдн — диаметр долота при бурении под направление скважины;
—
диаметральный
зазор, необходимый для свободного
прохода до лота (
=
30…50 мм).
Диаметр долот зависит от конструкции скважин. В глубоких скважинах диаметр направления обычно возрастает вследствие увеличения числа промежуточных колонн. Ниже приведены наиболее распространенные диаметры направлений и долот для бурения скважины под направление.
Глубина скважины, м <3000 3000—5000 5000—8000
Диаметр направления, мм 325—426 426—525 525—580
Диаметр долота, мм 394—540 490—640 590—705
Из приведенных данных следует, что диаметры направлений и соответствующих им долот для рассматриваемых глубин скважин ограничиваются определенными пределами. Благодаря этому можно использовать в буровых установках смежных по глубине бурения классов роторы, имеющие одинаковый диаметр проходного отверстия, и сократить соответственно их номенклатуру.
Роторы, применяемые для бурения скважин на море, имеют более широкое проходное отверстие, выбираемое по диаметру водоотделяющей колонны, связывающей подводное устьевое оборудование с буровым судном. Проходное отверстие вкладышей стола ротора должно быть достаточным для прохода бурильной колонны при спуско-подъемных операциях. Исходя из наибольших диаметров (203 мм) бурильных замков (ЗШ-203) и утяжеленных бурильных труб, отверстие вкладышей стола роторов всех типоразмеров принято равным 225 мм.
Допускаемая статическая нагрузка на стол ротора должна быть достаточной для удержания в неподвижном состоянии наиболее тяжелой обсадной колонны, применяемой в заданном диапазоне глубин бурения. В большинстве случаев более тяжелыми оказываются промежуточные колонны обсадных труб, вес которых для некоторых конструкций скважины приближается к значению допускаемой нагрузки на крюке буровой установки. Поэтому паспортное значение допускаемой статической нагрузки на стол ротора обычно совпадает с величиной допускаемой нагрузки на крюке, принятой для буровых установок соответствующего класса.
Подшипники опор стола ротора, как указывалось ранее, подбираются по диаметру проходного отверстия.
Частоту вращения стола ротора выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми технологией бурения скважин. Наибольшая частота вращения стола ротора ограничивается критической частотой вращения буровых долот: nmax<250 об/мин. Опыт бурения скважин роторным способом показывает, что при дальнейшем увеличении частоты вращении ухудшаются показатели работы долот. Наряду с этим следует учитывать, что с ростом частоты вращения увеличиваются центробежные силы, вызывающие продольный изгиб бурильной колонны, вследствие которого происходят усталостные разрушения в ее резьбовых соединениях и искривление ствола скважины.
Бурение глубокозалегающих абразивных и весьма твердых пород, забуривание и калибровка ствола скважин проводятся при частоте вращения до 50 об/мин. Для периодического проворачивания бурильной колонны с целью устранения прихватов при бурении забойными двигателями, а также для вращения ловильного инструмента при авариях в скважине требуется дальнейшее снижение частоты вращения стола ротора до 15 об/мин. С учетом этих требований наименьшая частота вращения стола ротора
n = 15… 50 об/мин.
Отношение
предельных значений частоты вращения
определяет
диапазон ее регулирования.
На скоростную характеристику ротора
существенно влияет тип
используемого привода. Предпочтительным
является электропривод постоянного
тока, обеспечивающий бесступенчатое
изменение
частоты вращения стола ротора в
необходимом диапазоне регулирования.
При дизельном приводе и электроприводе
переменного
тока используются механические передачи,
осуществляющие
ступенчатое регулирование частоты
вращения стола ротора. Число
скоростей ротора должно быть достаточным
для удовлетворения
требований бурения. С
целью более полного удовлетворения
требования бурения диапазон
регулирования частоты вращения стола
ротора делят на
средний и крайние интервалы. В среднем
сравнительно узком интервале
частота вращения ротора изменяется
согласно геометрическому
ряду чисел, знаменатель которого меньше,
чем у крайних
интервалов диапазона регулирования.
Благодаря этому в
среднем интервале уменьшается разница
между см
ежными
частотами
вращения стола ротора, что позволяет
точнее согласовывать
частоту вращения долота с требованиями
бурения.
Для
обратного вращения (реверса) достаточно
одной или двух передач,
обеспечивающих вращение стола ротора
с частотой 15—50
об/мин, необходимой для работы с трубами
и ловильным инструментом,
имеющими
левую
резьбу. При электрическом приводе
вследствие реверсирования двигателей
ротор имеет одинаковые
частоты при прямом и обратном вращении.
В процессе проектирования привода ротора, и особенно группового привода буровой лебедки и ротора, возможны отклонения окончательно принятых значений частоты вращения стола ротора от расчетных, обусловленные конструктивными соображениями. Следует также отметить, что при дизель-гидравлическом приводе благодаря турботрансформатору частота вращения ротора изменяется по непрерывно-ступенчатой кривой.
Мощность на холостое вращение бурильной колонны (момент, передаваемый долоту, равен нулю) расходуется на преодоление сопротивлений вращению, возникающих в системе бурильная колонна— скважина. Сопротивление вращению зависит от длины и диаметра бурильной колонны, плотности промывочной жидкости в скважине, трения труб о стенки скважины. Сопротивление вращению изменяется в зависимости от кривизны и состояния стенок скважины, пространственной формы бурильной колонны, вибраций, вызванных трением и центробежными силами.
Экспериментально установлено, что с увеличением частоты вращения мощность на холостое вращение бурильной колонны возрастает в степенной зависимости. Наряду с этим на мощность холостого вращения бурильной колонны влияет ряд случайных и трудно учитываемых факторов, возникающих при бурении скважины (крутильные колебания, обвал стенок скважины, образование каверн, искривление ствола скважины, изменение пространственной формы бурильной колонны и др.).
В процессе бурения скважины происходит непрерывно-ступенчатое изменение потребляемой ротором мощности. Это обусловлено последовательным увеличением длины бурильной колонны, ступенчатым уменьшением диаметра используемых долот, а также изменением режимов бурения по мере углубления скважины. В теоретических расчетах, выполняемых при выборе мощности ротора, так же как и при расчете бурильной колонны на прочность, осевая нагрузка на долото, частота его вращения и плотность промывочной жидкости, характеризующие режим бурения, принимаются неизменными для каждого размера долот, используемых при бурении скважин заданной конструкции. Расчетные значения указанных параметров бурения выбирают на основе эмпирических зависимостей и опытных данных, полученных при бурении скважин аналогичных конструкций.
В предварительных расчетах частоту вращения стола ротора в зависимости от текущей и конечной глубины бурения вычисляют по эмпирической зависимости, принятой Уралмашзаводом [2]
(2)
где L и LK— соответственно текущая и конечная глубина скважины.
Максимальный вращающий момент ограничивается прочностью бурильной колонны и деталей, передающих вращение столу ротора.
Базовое расстояние, измеряемое от оси ротора до первого ряда зубьев цепной звездочки на быстроходном валу ротора, используется при проектировании цепной передачи, передающей вращение от лебедки ротору.
