Diskusia o optimalizácii výkonu vrtákov PDC na dosiahnutie zvýšenia rýchlosti vŕtania
Pri vŕtaní je jedným z kľúčových spôsobov zlepšenia účinnosti vŕtania plné využitie maximálneho účinku vrtákov PDC (polykryštalický diamantový kompozit). Tento dokument podrobne preskúma priame faktory, ktoré ovplyvňujú zvýšenie rýchlosti vŕtania PDC vrtákov, a analyzuje vzťah medzi vysokým vŕtacím tlakom, vysokou rýchlosťou otáčania a hustotou zubov na rýchlosti vŕtania a opotrebovaniu PDC vrtákov, aby sa preskúmali príčiny predčasného zlyhania vrtákov PDC a ich mechanizmus opotrebovania.
Teoretické štúdie ukázali, že tlak pri vŕtaní (tj hĺbka prieniku vrtáka) a rýchlosť otáčania sú najpriamejšími faktormi ovplyvňujúcimi rýchlosť mechanického vŕtania vrtáka a medzi nimi a mechanickou rýchlosťou vŕtania je zvyčajne lineárny vzťah. V skutočných aplikáciách sa však často vyskytujú nelineárne odozvy medzi tlakom vŕtania a mechanickou rýchlosťou vŕtania. Technici v teréne to často pripisujú poruchám alebo faktorom formovania vrtákov, ale v skutočnosti sú dôvodom „abnormálne“ faktory, ktoré sa vyskytujú počas vŕtania.
Medzi tieto faktory patria:
1. Faktory, ktoré priamo ovplyvňujú výkon vrtnej korunky, zahŕňajú axiálne, torzné, bočné vibrácie vrtnej korunky (vír, skĺznutie-kĺzaním vrtáka, skákanie vrtáka atď.), zlé čistenie dna, upchatie rezných zubov alebo vrtáku bahnom, heterogenitu formácie a nesúlad medzi metódou rozbíjania hornín a litológiou formovania.
2. Ne-faktory vrtákov, ktoré ovplyvňujú vstup energie pri vŕtaní, zahŕňajú zložitú geologickú štruktúru, ktorá obmedzuje použitie nástrojov na elektrické vŕtanie, efekt vybočenia rúrok, nízky torzný limit horného pohonu a nástrojov, veľký uhol sklonu vrtu vyžaduje mierny tlak a zdvíhanie, zhromažďovanie signálov MWD a iných nástrojov a problémy s prenášaním skál a tlakovou podporou v dlhých horizontálnych častiach.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN), rýchlosť vŕtania PDC vrtákov sa výrazne zlepší bez zvýšeného opotrebovania. Toto zistenie je v rozpore so zásadou používania vrtákov PDC „nízky vŕtací tlak, vysoká rýchlosť“, ktorej sa čínski vrtní technici dlho držali. Záver, že „čím vyšší je tlak pri vŕtaní, tým menšie je opotrebenie vrtnej korunky“, bol overený testom brúsenia granitu za mokra na vertikálnom revolverovom sústruhu (test VTL). Výsledky testov ukazujú, že pri rovnakých rezných parametroch, čím väčšia je hĺbka prieniku PDC rezných zubov (predstavuje vyšší tlak pri vŕtaní), tým menší je objem opotrebovania, čo dokazuje správnosť záveru.
1. Keď je PDC vrták v účinnom stave lámania horniny, zvýšenie vŕtacieho tlaku môže znížiť opotrebovanie vrtáku.
2 "PDC vrták + vysoký tlak vŕtania" v kombinácii s nástrojmi na elektrické vŕtanie na vŕtanie (ako sú skrutky s vysokým krútiacim momentom atď.) môžu účinne zvýšiť rýchlosť mechanického vŕtania a znížiť opotrebenie vrtáka.
3. V tvrdých skalných formáciách (ako je žula) si mechanická rýchlosť vŕtania vrtáka PDC a tlak vŕtania stále zachovávajú lineárny vzťah a zvýšenie tlaku pri vŕtaní môže účinne spomaliť opotrebovanie vrtáka.
4.Špecifická implementácia "PDC vrták + vysoký tlak vŕtania" je obmedzená skutočnými podmienkami vŕtania, ale dá sa vyriešiť pokročilou technológiou a vybavením vŕtania.
Vzťah medzi rýchlosťou otáčania a opotrebovaním PDC frézy bol študovaný pomocou testu VTL (PDC fréza rezajúca granit). Výsledky testov ukázali, že objem opotrebenia PDC fréz sa zvyšuje so zvyšovaním lineárnej rýchlosti (rýchlosti otáčania) a keď lineárna rýchlosť prekročí určitú hranicu, objem opotrebovania fréz už nie je lineárne spojený s dráhou jazdy a rýchlosť opotrebenia sa výrazne zvyšuje. Výskum spoločnosti National Oilwell Corporation zistil, že v podmienkach „vysokej rýchlosti a nízkeho zarezania- bude teplota fréz rýchlo rásť, čo spôsobí ich opotrebovanie a zlyhanie na veľmi krátkej vzdialenosti. Súčasná kvalita PDC fréz však plne vyhovuje potrebám dlhodobého-a efektívneho vŕtania vo väčšine formácií pri vysokej rýchlosti 400-500 ot./min. Vysokorýchlostné elektrické vŕtacie nástroje s PDC vrtákmi sa tiež stali bežnou voľbou pre zahraničné vŕtanie. Z tohto dôvodu bolo navrhnuté troj{10}}vysokorýchlostné{14}}technologické riešenie „vysoký vŕtací tlak + vysoká rýchlosť + PDC vrták s vysokou hustotou zubov“. Testy v teréne preukázali, že toto riešenie výrazne zlepšilo stopáž vŕtania na jednu cestu a rýchlosť mechanického vŕtania vrtákov PDC.
Aby sa preskúmal vzťah medzi hustotou zubov vrtáka (počet čepelí, veľkosť rezného zuba) a rýchlosťou mechanického prieniku, uskutočnil sa poľný test v bloku Luojia v ropnom poli Shengli. Výsledky ukázali, že bežne používaný φ19,0 mm kompozitný štvorčepeľový vrták SK419-YS PDC s priemerom φ19,0 mm mal najnižšiu mieru mechanického prieniku, zatiaľ čo vrták s φ19,0 mm kompozitným kusom s piatimi-čepeľmi SK519-YS PDC dosiahol lepšie výsledky. Najvyššiu mieru mechanického prieniku mal φ22,0 mm kompozitný päťčepeľový vrták SK522-YS PDC, ktorý prijal dizajn s veľkým zubom a rýchlym rezaním.
1.Výhody vrtáka „málo čepeľ, veľké čepele“ možno plne realizovať zlepšením parametrov vŕtania.
2. Pokiaľ je k dispozícii dostatočný vŕtací tlak, krútiaci moment, tlak čerpadla a výtlak, aby sa zabezpečila dynamická rovnováha „vžierania, znižovania a vybíjania v čase“, aj vrták PDC s vysokou hustotou zubov s „viacerými čepeľami a malými zubami“ môže dosiahnuť optimálne a rýchle vŕtanie vrtáka s vysokou -hustotou zubov
Na základe testovacieho zariadenia VTL sa vykonali vnútorné testy na valcoch s nanopolykryštalickým diamantovým blokom (NPD) φ6,0 mm. Výsledky ukázali, že NPD sa po kontakte so žulou rýchlo zlomil a zlomenina bola relatívne hladká. V porovnaní s PDC frézami, hoci NPD má vysokú tvrdosť (NPD má tvrdosť 130-140 GPa, zatiaľ čo PDC frézy majú tvrdosť len 50-70 GPa), NPD má slabú odolnosť proti nárazu a je stále ťažké splniť vyššie požiadavky na vŕtanie a lámanie hornín. Preto materiály na lámanie hornín na ťažbu ropy a zemného plynu nemôžu slepo sledovať ultra vysokú tvrdosť, ale mali by hľadať najlepšiu rovnováhu medzi tvrdosťou a húževnatosťou a technickú úroveň integrácie pevnosti materiálu a húževnatosti je potrebné neustále zlepšovať.
Vplyv odstránenia kobaltu na odolnosť proti opotrebeniu a nárazovú odolnosť PDC fréz bol študovaný pomocou VTL testov. Výsledky ukazujú, že odolnosť proti opotrebeniu a tepelná stabilita PDC fréz sa po dekobaltovaní účinne zlepší, ale odolnosť proti nárazu dekobaltovaných PDC fréz je relatívne nízka. Rýchle opotrebovanie PDC fréz závisí od dvoch podmienok: jednou z nich je, že frézy majú veľké brúsne hrany a že brúsne hrany vstúpili do -dekobaltovanej oblasti; druhým je, že teplo generované trením medzi brúsnymi hranami a horninou je dostatočné. Odporúča sa použiť vylepšenie parametrov vŕtania (zvýšenie tlaku pri vŕtaní, zvýšenie výtlaku atď.) v počiatočnej fáze vstupov PDC fréz do vrtu, aby sa skrátila dráha pohybu potrebná na získanie rovnakej metráže a včasné odvádzanie odrezkov a trecieho tepla, čím sa spomalí opotrebovanie fréz.
V súhrne môžeme vyvodiť tieto závery:
1. Zvýšenie tlaku pri vŕtaní môže dosiahnuť zvýšenie rýchlosti vŕtania.
2. Vylepšenie parametrov vŕtania je vhodné na zvýšenie rýchlosti tvrdej skaly.
3. Zvýšením rýchlosti otáčania sa zvýši rýchlosť mechanického vŕtania vrtáka.
4. Hustota zubov (počet čepelí, veľkosť frézy, rozstup zubov atď.) je jedným z faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť mechanického vŕtania PDC vrtákov, ale nie je to priamy faktor.
5. V súčasnosti je odolnosť fréz PDC proti opotrebovaniu dostatočne dobrá na zabezpečenie dlhodobého- vŕtania vrtákov v homogénnych tvrdých skalných útvaroch, ako je pieskovec a žula.
6. Pri vŕtaní vo všeobecných formáciách nemusia byť frézy PDC zbavené kobaltu alebo potrebujú iba mierne odstránenie kobaltu. Pre vysoko abrazívne útvary sa odporúča použiť PDC frézy s dobrou tepelnou stabilitou a silnou odolnosťou proti opotrebovaniu a hlboké dekobaltovanie.
