بحث در مورد بهینه سازی عملکرد مته PDC برای دستیابی به افزایش سرعت حفاری

بحث در مورد بهینه سازی عملکرد مته PDC برای دستیابی به افزایش سرعت حفاری
در مهندسی حفاری، ارائه حداکثر اثر مته‌های PDC (کامپوزیت الماس پلی کریستالی) یکی از راه‌های کلیدی برای بهبود راندمان حفاری است. این مقاله عمیقاً عوامل مستقیمی را که بر افزایش سرعت حفاری مته‌های مته PDC تأثیر می‌گذارد، بررسی می‌کند و رابطه بین فشار حفاری بالا، سرعت چرخش بالا و تراکم دندان را بر روی سرعت مته‌کاری و سایش مته‌های PDC تجزیه و تحلیل می‌کند تا علل خرابی زودرس مته‌های مته PDC و مکانیسم سایش آنها را بررسی کند.

مطالعات نظری نشان داده است که فشار حفاری (یعنی عمق نفوذ مته) و سرعت چرخش مستقیم ترین عوامل مؤثر بر سرعت مکانیکی حفاری مته هستند و معمولاً بین این دو و سرعت مکانیکی حفاری رابطه خطی وجود دارد. با این حال، در کاربردهای واقعی، پاسخ های غیرخطی اغلب بین فشار حفاری و سرعت حفاری مکانیکی رخ می دهد. تکنسین های صحرایی اغلب این را به شکست مته یا عوامل شکل گیری نسبت می دهند، اما در واقع، دلیل آن عوامل «غیر طبیعی» است که در حین حفاری رخ می دهد.

این عوامل عبارتند از:
1. عواملی که مستقیماً بر عملکرد مته تأثیر می گذارند عبارتند از ارتعاشات محوری، پیچشی، جانبی مته (گرداب، چوب-لغزش، پرش مته، و غیره)، تمیز کردن ضعیف کف، بسته بندی گلی دندان های برش یا مته، ناهمگنی سازند، و عدم تطابق بین روش شکستن و شکل گیری.
2.عوامل غیر{1}بیت مته که بر ورودی انرژی حفاری تأثیر می‌گذارند شامل ساختار زمین‌شناسی پیچیده است که استفاده از ابزارهای حفاری برقی پایین چاله را محدود می‌کند، اثر کمانش لوله‌های پایین چاه، محدودیت پیچشی پایین درایو بالا و ابزار، زاویه شیب چاه بزرگ که نیاز به فشار سبک و بالابرنده شدن دارد، MWD و سایر سیگنال‌های جمع‌آوری فشار ابزار و مشکلات پشتیبانی از سنگ در بخش‌های طولانی حمل و نقل افقی.

Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 کیلو نیوتن)، سرعت حفاری مته های PDC بدون افزایش سایش به طور قابل توجهی بهبود یافته است. این یافته برخلاف اصل استفاده از مته PDC "فشار حفاری کم، سرعت بالا" است که تکنسین‌های حفاری چینی مدت‌هاست به آن پایبند بوده‌اند. این استنباط که "هرچه فشار حفاری بالاتر باشد، سایش مته کوچکتر است" از طریق آزمایش سنگ زنی مرطوب گرانیت برش برجک برجک عمودی تأیید شد (تست VTL). نتایج آزمایش نشان می‌دهد که تحت پارامترهای برش یکسان، هر چه عمق نفوذ دندان‌های برش PDC بیشتر باشد (که نشان دهنده فشار حفاری بالاتر است)، حجم سایش کوچک‌تر است، که صحت استنباط را ثابت می‌کند.

1. هنگامی که مته PDC در حالت شکستن سنگ کارآمد است، افزایش فشار حفاری می تواند سایش مته را کاهش دهد.
2 "بیت مته PDC + فشار حفاری بالا" همراه با ابزارهای حفاری قدرتی (مانند پیچ ​​های با گشتاور بالا و غیره) می تواند به طور موثر سرعت حفاری مکانیکی را افزایش دهد و سایش مته را کاهش دهد.
3. در سازندهای سنگ سخت (مانند گرانیت)، سرعت حفاری مکانیکی مته PDC و فشار حفاری همچنان یک رابطه خطی را حفظ می‌کنند و افزایش فشار حفاری می‌تواند به طور موثر سایش مته را کاهش دهد.
4. اجرای خاص "بیت مته PDC + فشار حفاری بالا" توسط شرایط حفاری واقعی محدود شده است، اما می توان آن را با تکنولوژی و تجهیزات پیشرفته حفاری حل کرد.

رابطه بین سرعت چرخش و سایش برش PDC با استفاده از آزمون VTL (گرانیت برش برش PDC) مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج آزمایش نشان داد که حجم سایش برش‌های PDC با افزایش سرعت خطی (سرعت چرخش) افزایش می‌یابد و زمانی که سرعت خطی از آستانه معینی فراتر می‌رود، حجم سایش برش‌ها دیگر ارتباط خطی با فاصله سفر ندارد و نرخ سایش به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. تحقیقات National Oilwell Corporation نشان داد که در شرایط "سرعت بالا و برش کم-"، دمای کاترها به سرعت افزایش می‌یابد و باعث فرسودگی و از کار افتادن آنها در فاصله بسیار کوتاهی می‌شود. با این حال، کیفیت فعلی برش های PDC می تواند به طور کامل نیازهای حفاری طولانی مدت و کارآمد در اکثر سازندها را با سرعت بالای 400-500 دور در دقیقه برآورده کند. ابزارهای حفاری با سرعت بالا با مته های PDC نیز به یک گزینه رایج برای حفاری خارجی تبدیل شده اند. به همین دلیل، یک راه حل فناوری سه{10}سرعت بالا{14}«فشار حفاری بالا + سرعت بالا + مته PDC با تراکم دندان بالا» پیشنهاد شد. آزمایشات میدانی ثابت کرده است که این راه حل فیلم حفاری تک سفره و سرعت حفاری مکانیکی مته های PDC را تا حد زیادی بهبود بخشیده است.

به منظور بررسی رابطه بین تراکم دندان مته (تعداد تیغه ها، اندازه دندان برش) و نرخ نفوذ مکانیکی، یک آزمایش میدانی در بلوک Luojia از میدان نفتی Shengli انجام شد. نتایج نشان داد که مته کامپوزیت φ19.0 میلی متری چهار-تیغه SK419- مته PDC کمترین میزان نفوذ مکانیکی را داشت، در حالی که قطعه کامپوزیت φ19.0 میلی متری پنج-تیغه SK519{{11}YS bit PDC بهتر عمل کرد. بالاترین نرخ نفوذ مکانیکی قطعه کامپوزیت φ22.0 میلی‌متری مته پنج تیغه‌ای SK522-YS PDC بود که از طراحی سریع برش دندان بزرگ استفاده کرد.
1. مزایای بیت مته "چند تیغه، تیغه های بزرگ" را می توان به طور کامل از طریق افزایش پارامتر حفاری متوجه شد.
2. تا زمانی که فشار حفاری، گشتاور، فشار پمپ و جابجایی کافی برای اطمینان از تعادل دینامیکی "خوردن، بریدن و تخلیه به موقع" فراهم شود، حتی یک مته PDC با چگالی بالا با "چند تیغه و دندانه های کوچک" می تواند حفاری بهینه و سریع یک مته با عمق{2}} را به دست آورد.

بر اساس دستگاه آزمایش VTL، آزمایش‌های داخلی بر روی سیلندرهای بلوک الماس نانو پلی کریستالی (NPD) φ6.0 میلی‌متر انجام شد. نتایج نشان داد که NPD پس از تماس با گرانیت به سرعت شکسته شد و شکستگی نسبتاً صاف بود. در مقایسه با برش‌های PDC، اگرچه NPD دارای سختی بالایی است (NPD دارای سختی 130-140 GPa است، در حالی که برش‌های PDC دارای سختی تنها 50-70 GPa هستند)، NPD مقاومت ضربه‌ای ضعیفی دارد و هنوز برآورده کردن نیازهای بالاتر حفاری و شکستن سنگ دشوار است. بنابراین، مواد سنگ شکن برای حفاری نفت و گاز نمی توانند کورکورانه سختی فوق العاده بالا را دنبال کنند، بلکه باید به دنبال بهترین تعادل بین سختی و چقرمگی باشند و سطح فنی استحکام مواد و یکپارچگی چقرمگی نیاز به بهبود مستمر دارد.

اثر حذف کبالت بر مقاومت به سایش و مقاومت در برابر ضربه برش‌های PDC با استفاده از آزمون‌های VTL مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که مقاومت به سایش و پایداری حرارتی برش‌های PDC به طور موثر پس از دکوبالت‌زدایی بهبود می‌یابد، اما مقاومت ضربه‌ای برش‌های PDC decobalted نسبتاً ضعیف است. سایش سریع برش‌های PDC به دو شرط بستگی دارد: یکی این که برش‌ها لبه‌های سنگ‌زنی بزرگی داشته باشند و لبه‌های آسیاب وارد ناحیه غیر-دکوبالت‌زدایی شده باشند. دیگر اینکه گرمای تولید شده از اصطکاک بین لبه های سنگ زنی و سنگ کافی است. توصیه می شود در مرحله اولیه ورود کاترهای PDC به داخل چاه از تقویت پارامتر حفاری (افزایش فشار حفاری، افزایش جابجایی و غیره) استفاده شود تا مسافت طی شده لازم برای به دست آوردن فیلم مشابه کاهش یابد و به موقع برش ها و گرمای اصطکاک تخلیه شود و در نتیجه سایش کاترها کاهش یابد.

به طور خلاصه می توان به نتایج زیر دست یافت:
1.افزایش فشار حفاری می تواند به افزایش سرعت حفاری دست یابد.
2. افزایش پارامتر حفاری برای افزایش سرعت سنگ سخت مناسب است.
3. افزایش سرعت چرخش باعث افزایش سرعت حفاری مکانیکی مته می شود.
4. تراکم دندان (تعداد تیغه ها، اندازه کاتر، فاصله دندانه ها و غیره) یکی از عوامل موثر بر سرعت مته مکانیکی مته های PDC است، اما عامل مستقیمی نیست.
5. در حال حاضر، مقاومت سایشی برش‌های PDC به اندازه‌ای خوب است که از حفاری طولانی‌مدت مته‌ها در سازندهای سنگ‌های سخت همگن مانند ماسه سنگ و گرانیت اطمینان حاصل کند.
6. هنگام حفاری در سازندهای عمومی، برش های PDC نیازی به دکوبالت زدایی ندارند یا فقط به دکوبالت زدایی متوسط ​​نیاز دارند. برای سازندهای بسیار ساینده، توصیه می‌شود از برش‌های PDC با پایداری حرارتی خوب و مقاومت در برابر سایش قوی و دکوبالت‌زدایی عمیق استفاده کنید.