Discuție despre optimizarea performanței burghiului PDC pentru a obține o creștere a vitezei de foraj
În inginerie de foraj, acordarea deplină a efectului maxim al burghiilor PDC (compozit de diamant policristalin) este una dintre modalitățile cheie de îmbunătățire a eficienței forajului. Această lucrare va explora în profunzime factorii direcți care afectează creșterea vitezei de găurire a burghiilor PDC și va analiza relația dintre presiunea mare de găurire, viteza mare de rotație și densitatea dinților cu privire la viteza de găurire și uzura burghiilor PDC pentru a explora cauzele defecțiunii premature a burghiilor PDC și mecanismul de uzură a acestora.
Studiile teoretice au arătat că presiunea de găurire (adică adâncimea de penetrare a burghiului) și viteza de rotație sunt cei mai direcți factori care afectează viteza mecanică de găurire a burghiului și, de obicei, există o relație liniară între cele două și viteza mecanică de găurire. Cu toate acestea, în aplicațiile reale, răspunsurile neliniare apar adesea între presiunea de forare și viteza de forare mecanică. Tehnicienii de teren atribuie adesea acest lucru defecțiunii burghiului sau factorilor de formare, dar, de fapt, motivul sunt factorii „anormali” care apar în timpul forării.
Acești factori includ:
1. Factorii care afectează direct performanța burghiului includ vibrații axiale, de torsiune, laterale ale burghiului (vortex, alunecare de stick-, sărituri de foraj etc.), curățarea slabă a fundului, împachetarea cu noroi a dinților tăietori sau a burghiului, eterogenitatea formării și nepotrivirea dintre metoda de spargere a rocii și litologia formării.
2. Factorii non-forajului care afectează intrarea energiei de foraj includ structura geologică complexă care limitează utilizarea instrumentelor electrice de foraj în fund, efectul de flambaj al tubului de foraj, limita scăzută de torsiune a antrenării superioare și a sculelor, unghiul mare de înclinare a puțului necesită presiune ușoară și ridicare, colectarea semnalelor MWD și alte instrumente și probleme de transport și susținere a presiunii în secțiuni orizontale lungi.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN), viteza de găurire a burghiilor PDC este îmbunătățită semnificativ fără creșterea uzurii. Această constatare este contrară principiului de utilizare a burghiului PDC „presiune scăzută de foraj, viteză mare” la care tehnicienii de foraj chinezi l-au respectat de mult. Deducerea că „cu cât presiunea de găurire este mai mare, cu atât uzura burghiului este mai mică” a fost verificată prin testul de șlefuire umedă a granitului cu strung cu turelă verticală (test VTL). Rezultatele testelor arată că sub aceiași parametri de tăiere, cu cât adâncimea de pătrundere a dinților de tăiere PDC este mai mare (reprezentând presiunea mai mare de găurire), cu atât volumul de uzură este mai mic, ceea ce demonstrează corectitudinea inferenței.
1. Când burghiul PDC este într-o stare eficientă de spargere a rocii, creșterea presiunii de foraj poate reduce uzura burghiului.
2. „Burghiu PDC + presiune mare de foraj” combinat cu instrumente de foraj de foraj (cum ar fi șuruburi cu cuplu mare etc.) pot crește efectiv viteza de foraj mecanic și pot reduce uzura burghiului.
3. În formațiunile de rocă tare (cum ar fi granitul), viteza mecanică de foraj a burghiului PDC și presiunea de foraj mențin încă o relație liniară, iar creșterea presiunii de foraj poate încetini efectiv uzura burghiului.
4. Implementarea specifică a „burghiului PDC + presiune mare de foraj” este limitată de condițiile reale de foraj, dar poate fi rezolvată prin tehnologie și echipamente avansate de foraj.
Relația dintre viteza de rotație și uzura frezei PDC a fost studiată folosind testul VTL (PDC cutter cutting granite). Rezultatele testelor au arătat că volumul de uzură al frezelor PDC crește odată cu creșterea vitezei liniare (viteza de rotație), iar când viteza liniară depășește un anumit prag, volumul de uzură al frezelor nu mai este liniar legat de distanța de deplasare, iar rata de uzură crește semnificativ. Cercetările efectuate de National Oilwell Corporation au constatat că în condițiile de „viteză mare și tăiere joasă-in”, temperatura frezelor va crește rapid, determinând uzura și defectarea acestora pe o distanță foarte scurtă de parcurs. Cu toate acestea, calitatea actuală a frezelor PDC poate satisface pe deplin nevoile de găurire pe termen lung și eficient în majoritatea formațiunilor la o viteză mare de 400-500 r/min. Uneltele de foraj cu putere-de mare viteză cu burghie PDC au devenit, de asemenea, o opțiune obișnuită pentru forajul străin. Din acest motiv, a fost propusă o soluție tehnologică cu trei-viteză mare-cu „presiunea mare de foraj + viteză mare + burghiu PDC cu densitate mare a dinților”. Testele pe teren au dovedit că această soluție a îmbunătățit considerabil materialul de găurire cu o singură călătorie și viteza de găurire mecanică a burghiilor PDC.
Pentru a explora relația dintre densitatea dinților burghiului (numărul de lame, dimensiunea dintelui de tăiere) și rata de penetrare mecanică, a fost efectuat un test pe teren în blocul Luojia al zăcământului petrolier Shengli. Rezultatele au arătat că burghiul cu patru {-lame SK419-YS PDC de φ19,0 mm utilizat în mod obișnuit a avut cea mai mică rată de penetrare mecanică, în timp ce burghiul cu cinci{-lame SK519{{11}YS PDC a avut o performanță mai bună a piesei compozite de φ19,0 mm. Cea mai mare rată de penetrare mecanică a fost burghiul cu cinci lame SK522-YS PDC din piesa compozită de φ22,0 mm, care a adoptat un design de accelerare a vitezei de tăiere rapidă a dintelui mare.
1. Avantajele burghiului „puține lame, lame mari” pot fi realizate pe deplin prin îmbunătățirea parametrilor de foraj.
2. Atâta timp cât sunt furnizate suficiente presiune de găurire, cuplu, presiune și deplasare a pompei pentru a asigura echilibrul dinamic al „alimentării, tăierii și descărcarii în timp”, chiar și un burghiu PDC cu densitate mare-dinților cu „lame multiple și dinți mici” poate realiza găurirea optimă și rapidă a unui burghiu de{2}} de înaltă densitate.
Pe baza dispozitivului de testare VTL, au fost efectuate teste de interior pe cilindri de bloc de diamant nanopolicristalin (NPD) φ6,0 mm. Rezultatele au arătat că NPD s-a rupt rapid după ce a contactat granitul, iar fractura a fost relativ netedă. În comparație cu frezele PDC, deși NPD are o duritate mare (NPD are o duritate de 130-140 GPa, în timp ce frezele PDC au o duritate de numai 50-70 GPa), NPD are o rezistență slabă la impact și este încă dificil de îndeplinit cerințele mai ridicate de foraj și spargerea rocii. Prin urmare, materialele de spargere a rocii pentru forarea petrolului și gazelor nu pot urmări orbește duritatea ultra-înaltă, dar ar trebui să caute cel mai bun echilibru între duritate și tenacitate, iar nivelul tehnic de rezistență a materialului și integrarea tenacității trebuie îmbunătățit continuu.
Efectul îndepărtarii cobaltului asupra rezistenței la uzură și a rezistenței la impact a frezelor PDC a fost studiat folosind teste VTL. Rezultatele arată că rezistența la uzură și stabilitatea termică a frezelor PDC sunt îmbunătățite efectiv după decobaltare, dar rezistența la impact a frezelor PDC decobaltate este relativ slabă. Uzura rapidă a frezelor PDC depinde de două condiții: una este ca frezele să aibă muchii de șlefuit mari, iar muchiile de șlefuit să fi intrat în zona ne-decobaltată; celălalt este că căldura generată de frecarea dintre muchiile de măcinare și rocă este suficientă. Se recomandă utilizarea îmbunătățirii parametrilor de foraj (creșterea presiunii de foraj, creșterea deplasării etc.) în stadiul inițial al tăietorilor PDC care intră în puț pentru a scurta distanța de deplasare necesară pentru a obține aceeași filmare și pentru a descărca în timp util tăieturile și căldura de frecare, încetinind astfel uzura frezelor.
Pe scurt, putem trage următoarele concluzii:
1. Creșterea presiunii de foraj poate obține o creștere a vitezei de foraj.
2. Îmbunătățirea parametrilor de foraj este potrivită pentru creșterea vitezei rocii dure.
3. Creșterea vitezei de rotație va crește viteza de găurire mecanică a burghiului.
4. Densitatea dinților (numărul de lame, dimensiunea tăietorului, distanța dintre dinți etc.) este unul dintre factorii care afectează viteza de găurire mecanică a burghiilor PDC, dar nu este un factor direct.
5.În prezent, rezistența la uzură a frezelor PDC este suficient de bună pentru a asigura forarea pe termen lung a burghiilor în formațiuni omogene de rocă tare, cum ar fi gresie și granit.
6. Când se forează în formațiuni generale, frezele PDC nu trebuie să fie decobaltate sau au nevoie doar de decobaltare moderată. Pentru formațiuni foarte abrazive, se recomandă utilizarea freze PDC cu stabilitate termică bună și rezistență puternică la uzură și decobaltare profundă.
