Badania nad narzędziami zwiększającymi prędkość wiercenia

Obecnie narzędzia zwiększające prędkość wiercenia dzielą się głównie na dwie kategorie: mechaniczne i hydrauliczne. Narzędzia mechaniczne wykorzystują siłę uderzenia (WOB) do generowania siły uderzenia, co skutecznie zwiększa wydajność kruszenia skał w twardych formacjach, ale występują problemy, takie jak silne wibracje, wysokie zużycie energii i łatwe uszkodzenia zmęczeniowe. Narzędzia hydrauliczne wykorzystują płyn wiertniczy do napędzania młotów udarowych, łącząc uderzenie, obrót i strumień, aby kruszyć skałę. Mają one znaczące zalety w zakresie zwiększenia prędkości penetracji (ROP), kontroli odchylenia otworu i wydłużenia żywotności świdra, ale generalnie wiążą się z problemami, takimi jak częstotliwość pojedynczych uderzeń i trudności w dostosowaniu się do potrzeb różnych formacji.

Technologię wiercenia udarowego dzieli się na trzy główne kategorie, w zależności od sposobu działania: technologię udaru skrętnego, technologię udaru osiowego oraz technologię udaru osiowo-skrętnego. Istotą wiercenia udarowego w celu zwiększenia prędkości jest przekształcenie energii ciśnienia gazu lub cieczy w energię mechaniczną udaru osiowego lub skrętnego za pomocą udaru, który jest bezpośrednio przykładany do tylnej części wiertła, poprawiając warunki skrawania wiertła i zwiększając jego wydajność kruszenia skał.

Technologia wiercenia udarowego skrętnego to rozwijająca się w ostatnich latach technologia zwiększająca prędkość wiercenia, wykorzystywana głównie do rozwiązania problemu drgań ciernych (stick-slip) generowanych przez wiertła PDC. Podczas pracy, udar skrętny jest montowany w tylnej części wiertła. Dzięki swojej konstrukcji wewnętrznej, może on przekształcać energię hydrauliczną płynu w energię mechaniczną udaru skrętnego. Wiertło kruszy skałę pod wpływem połączonego działania ustalonego momentu obrotowego przewodu wiertniczego i momentu obrotowego generowanego przez udar.

Poniższe przykłady przedstawiają dwa innowacyjne narzędzia

1. Narzędzie zwiększające prędkość wiercenia z regulowaną częstotliwością udaru

Hydrauliczne narzędzie wiertnicze z regulacją częstotliwości, zwiększające prędkość wiercenia, ma centralną konstrukcję udarową składającą się z łożysk, dolnego korpusu wału, par tłoków, młota udarowego, dyszy dławiącej i innych komponentów.

Zasada działania:Wykorzystuje okresową różnicę ciśnień, generowaną przez płyn wiertniczy w górnej i dolnej komorze młota udarowego, aby wprawić młot w ruch posuwisto-zwrotny z dużą prędkością, generując osiową siłę uderzenia, która jest bezpośrednio przenoszona na wiertło, wspomagając kruszenie skał. Kluczem jest to, że narzędzie to może regulować częstotliwość uderzeń poprzez zmianę liczby symetrycznych otworów w dolnym korpusie wału, dostosowując się w ten sposób do potrzeb wiertniczych różnych formacji.

Zastosowanie narzędzia zwiększającego prędkość wiercenia z regulowaną częstotliwością udaru

Test terenowy w formacji średnio-twardej: W oparciu o optymalną częstotliwość udaru (16 Hz) wybraną za pomocą symulacji numerycznej, narzędzie to zostało przetestowane w odwiercie X1 na polu naftowym Xinjiang. W sekcji formacji o dużej ścieralności i niskiej prędkości penetracji (ROP), porównanie z sąsiednim odwiertem przy użyciu wiertła śrubowego wykazało, że po użyciu tego narzędzia, pojedynczy przebieg wzrósł o 53%, a mechaniczny ROP o 27,0%, co skutecznie zmniejszyło liczbę przejazdów i skróciło czas budowy.

Test terenowy w twardym złożu: Zgodnie z optymalną częstotliwością uderzeń (18 Hz) wybraną za pomocą symulacji numerycznej, narzędzie to zostało przetestowane w karbońskich formacjach andezytowych i bazaltowych o słabej podatności na wiercenie w odwiercie X3 na polu naftowym Xinjiang.

Wnioski: Wyniki pokazują, że po zastosowaniu tego narzędzia mechaniczny ROP znacznie wzrósł, bo aż o 103,2% w porównaniu z sąsiednimi odwiertami, co skutecznie dowodzi, że może ono znacząco poprawić wydajność wiercenia i skrócić cykl wiercenia w różnych formacjach.

2. Projekt kompozytowego narzędzia zwiększającego prędkość wiercenia udarowego

Zaprojektowano hydrauliczny mechanizm udarowy skrętny, którego rdzeń składa się z trzech części: mechanizmu rozprowadzającego przepływ, mechanizmu odwracającego i mechanizmu udarowego.

Proces ruchu: Początkowo (stan a) ciecz pod wysokim ciśnieniem wpływa do lewej komory młota hydraulicznego przez lewy kanał przepływu rdzenia zaworu cofającego, popychając młot hydrauliczny i rdzeń zaworu do wspólnego obrotu zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż młot hydrauliczny uderzy w gniazdo młota hydraulicznego (stan b). Po uderzeniu ciecz pod wysokim ciśnieniem wpływa następnie do prawej komory utworzonej przez młot hydrauliczny i rdzeń zaworu przez prawy kanał przepływu sterującego, popychając rdzeń zaworu do dalszego obrotu zgodnie z ruchem wskazówek zegara do pozycji cofającej (stan c), tak że ciecz pod wysokim ciśnieniem przełącza się do prawego kanału przepływu i wpływa do prawej komory młota hydraulicznego, wprawiając młot hydrauliczny i rdzeń zaworu w obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (stan c). Do momentu ponownego uderzenia młota hydraulicznego w gniazdo młota hydraulicznego (stan d), ciecz pod wysokim ciśnieniem wpływa do lewej komory przez lewy kanał przepływu sterującego, popychając rdzeń zaworu do obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w celu cofnięcia i powrotu do stanu początkowego (stan a). Cykl ten tworzy wysokoczęstotliwościowe, posuwisto-zwrotne uderzenia skrętne poprzez ciągłe cofanie i uderzenie napędzane przez ciecz.

Zasada działania:Po wpłynięciu cieczy (błota) do tulei rozdzielającej przepływ przez górny przegub i rurę prowadzącą, jest ona rozprowadzana do mechanizmu nawrotnego i mechanizmu udarowego, a obie ścieżki cieczy są rozdzielane przez płytę rozdzielającą przepływ. Następnie ciecz przepływa przez dyszę wewnątrz trzpienia, tworząc strefy wysokiego i niskiego ciśnienia przed i za nią. Rdzeń zaworu nawrotnego obraca się pod wpływem różnicy ciśnień, sterując lewą i prawą komorą młota hydraulicznego, aby naprzemiennie łączyć się ze strefami wysokiego i niskiego ciśnienia. W rezultacie młot hydrauliczny wykonuje ruch posuwisto-zwrotny i uderza w gniazdo młota hydraulicznego pod wpływem różnicy ciśnień, tworząc w ten sposób posuwisto-zwrotne uderzenia skrętne o wysokiej częstotliwości.

1-Górny podzespół; 2-Obudowa zewnętrzna; 3-Rura prowadząca; 4-Tuleja rozdzielająca przepływ; 5-Płyta rozdzielająca przepływ; 6-Śruba; 7-Górny pierścień podporowy; 8-Gniazdo młota hydraulicznego; 9-Młot hydrauliczny; 10-Rdzeń zaworu odwracającego; 11-Dolny pierścień podporowy; 12-Trzpień; 13-Dolny podzespół;

Schematyczny diagram struktury mechanizmu uderzenia skrętnego

Proces ruchu mechanizmu uderzenia skrętnego

Zaprojektowano rodzaj mechanizmu udaru osiowego. Hydrauliczne udary osiowe dzielą się głównie na dwa typy: zaworowe i bezzaworowe. Konstrukcja wewnętrzna udarów zaworowych jest złożona, a ich niezawodność niska; udary bezzaworowe obejmują głównie udary strumieniowe i udary strumieniowo-ssące, spośród których udar strumieniowy charakteryzuje się krótką żywotnością. Udar hydrauliczny strumieniowo-ssący ma prostą konstrukcję, realizuje uderzenie w oparciu o porywanie strumienia i efekt oscylacji uderzenia wodnego, ma niewiele ruchomych części wewnętrznych i nie posiada części podatnych na uszkodzenia, a także lepiej adaptuje się do złożonych warunków w otworze wiertniczym.

1-Górne gniazdo dyszy; 2-Górna dysza; 3-Górny zawór; 4-Górna tuleja zaworu; 5-Dysza wtórna; 6-Obudowa zewnętrzna osiowa; 7-Tuleja podporowa; 8-Młotek udarowy; 9-Głowica młotka; 10-Gniazdo młotka; 11-Nasadka ochronna; 12-Złącze sześciokątne. Zasada działania mechanizmu udaru osiowego.

Powstawanie początkowego przepływu i różnicy ciśnień: Płyn pod wysokim ciśnieniem tworzy strumień o dużej prędkości przepływający przez górną dyszę. Pod wpływem połączonego działania porywacza strumienia i efektu dławienia, powstają różnice ciśnień w górnej i dolnej komorze górnego zaworu, a także między zewnętrzną górną komorą młotka udarowego a dolnym końcem głowicy młotka.

Ruch elementów w górę i uszczelnienie kanału przepływu: Napędzany różnicą ciśnień, górny zawór porusza się w górę, a elementy uderzeniowe (dysza pomocnicza, młotek udarowy i głowica młotka) również poruszają się w górę, aż do momentu, gdy dysza pomocnicza zetknie się z górnym zaworem i uszczelni kanał przepływu.

Generowanie uderzenia wodnego i ruch stawu w dół: Natychmiastowe zamknięcie kanału przepływowego wywołuje oscylacje uderzenia wodnego, a ciśnienie w komorze gwałtownie rośnie, powodując jednoczesne przyspieszenie ruchu w dół górnego zaworu i elementów udarowych.

Uderzenie bezwładnościowe i odzyskiwanie cyklu: Po przesunięciu górnego zaworu do dolnej pozycji granicznej, elementy udarowe nadal poruszają się w dół pod wpływem bezwładności, aż w końcu uderzają w gniazdo młotka, kończąc uderzenie osiowe. Po uderzeniu kanał przepływowy powraca do płynnego ruchu, a mechanizm resetuje się pod wpływem ciężaru na wiertle (WOB), rozpoczynając kolejny cykl.

Kontakt:Jessie Zhou

Mobilny/WhatsApp:+0086-18109206861
E-mail:energy@landrilltools.com