Обговорення оптимізації продуктивності свердла PDC для збільшення швидкості свердління
У техніці свердління максимальний ефект PDC (полікристалічний алмазний композит) свердла є одним із ключових шляхів підвищення ефективності буріння. У цьому документі детально досліджуються прямі фактори, які впливають на збільшення швидкості свердління свердлами PDC, і аналізується взаємозв’язок між високим тиском свердління, високою швидкістю обертання та щільністю зубів на швидкість свердління та знос свердел PDC, щоб дослідити причини передчасного виходу з ладу свердла PDC та механізм їх зношування.
Теоретичні дослідження показали, що тиск свердління (тобто глибина проникнення свердла) і швидкість обертання є найбільш прямими факторами, що впливають на механічну швидкість свердління свердла, і зазвичай існує лінійна залежність між ними та механічною швидкістю свердління. Однак у реальних застосуваннях між тиском свердління та механічною швидкістю свердління часто виникають нелінійні реакції. Спеціалісти часто пояснюють це несправністю бурового долота або факторами формування, але насправді причиною є «ненормальні» фактори, які виникають під час буріння.
Ці фактори включають:
1. Фактори, які безпосередньо впливають на продуктивність бурового долота, включають осьові, крутильні, бічні вібрації бурового долота (завихрення, ковзання, стрибки бура тощо), погане очищення дна, ущільнення ріжучих зубців або бурового долота, неоднорідність пласта та невідповідність між методом руйнування породи та літологією пласта.
2. Не-фактори бурового долота, які впливають на споживання енергії при бурінні, включають складну геологічну структуру, яка обмежує використання свердловинних силових бурових інструментів, ефект викривлення свердловинної труби, низьку торсійну межу верхнього приводу та інструментів, великий кут нахилу свердловини потребує легкого тиску та підйому, збирання сигналів MWD та інших інструментів, а також проблеми з перенесенням породи та підтримкою тиску на довгих горизонтальних ділянках.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 кН), швидкість свердління свердла PDC значно покращується без збільшення зносу. Цей висновок суперечить принципу використання свердла PDC «низький тиск свердління, висока швидкість», якого вже давно дотримуються китайські бурильники. Висновок про те, що «чим вищий тиск свердління, тим менший знос свердла», було перевірено за допомогою випробування мокрого шліфування на вертикальному токарному верстаті для різання граніту (випробування VTL). Результати випробувань показують, що за однакових параметрів різання, чим більша глибина проникнення ріжучих зубів PDC (що означає вищий тиск свердління), тим менший об’єм зносу, що підтверджує правильність висновку.
1. Коли бурове долото PDC перебуває в стані ефективного руйнування породи, збільшення тиску буріння може зменшити знос бурового долота.
2. «Свердло PDC + високий тиск буріння» в поєднанні зі свердловинними електроприладами для буріння (такими як гвинти з високим крутним моментом тощо) може ефективно збільшити механічну швидкість буріння та зменшити знос бурового долота.
3. У твердих гірських породах (наприклад, граніті) механічна швидкість свердління бурового долота PDC і тиск свердління все ще зберігають лінійну залежність, а збільшення тиску свердління може ефективно сповільнити знос свердла.
4. Конкретна реалізація "свердла PDC + високий тиск буріння" обмежена фактичними умовами буріння, але це можна вирішити за допомогою передових технологій та обладнання для буріння.
Взаємозв'язок між швидкістю обертання та зносом різця PDC вивчали за допомогою тесту VTL (PDC cutter cutting granite). Результати випробувань показали, що обсяг зносу різців PDC збільшується зі збільшенням лінійної швидкості (швидкості обертання), і коли лінійна швидкість перевищує певний поріг, обсяг зносу різців більше не залежить лінійно від відстані переміщення, і швидкість зносу значно зростає. Дослідження National Oilwell Corporation виявили, що за умов «високої швидкості та низького врізання-» температура різців швидко зростатиме, спричиняючи їх зношування та вихід з ладу на дуже короткій відстані. Проте поточна якість різців PDC може повністю задовольнити потреби довгострокового й ефективного буріння більшості пластів із високою швидкістю 400-500 об/хв. Високошвидкісні електросвердлильні інструменти зі свердлами PDC також стали поширеним варіантом для буріння за кордоном. З цієї причини було запропоновано три-високошвидкісне-технологічне рішення «високий тиск свердління + висока швидкість + висока щільність зубів PDC свердло». Польові випробування довели, що це рішення значно покращило швидкість одноразового буріння та механічну швидкість буріння PDC-бурів.
Щоб дослідити взаємозв’язок між щільністю зубів бурового долота (кількістю лез, розміром ріжучого зуба) і швидкістю механічного проникнення, було проведено польове випробування на блоці Луоцзя на родовищі Шенлі. Результати показали, що свердло SK419-YS PDC із композитної частини діаметром φ19,0 мм із чотирма-лопатями має найнижчу швидкість механічного проникнення, тоді як свердло із композитної частини φ19,0 мм із п’ятьма-лопатями SK519-YS PDC показало кращі результати. Найвищий рівень механічного проникнення було у свердла SK522-YS PDC із п’яти лез φ22,0 мм із композитної частини, яке має конструкцію для швидкого різання з великим зубом.
1. Переваги свердла «кілька лез, великі леза» можна повністю реалізувати завдяки покращенню параметрів свердління.
2. Поки забезпечується достатній тиск свердління, крутний момент, тиск насоса та робочий об’єм для забезпечення динамічного балансу «поглинання, скорочення та вивантаження вчасно», навіть свердло PDC із високою-щільністю зубів із «кількома лезами та малими зубами» може досягти оптимального та швидкого свердління свердла з високою-щільністю зубів
На основі випробувального пристрою VTL випробування в приміщенні проводилися на циліндрах з нанополікристалічного алмазного блоку (NPD) діаметром φ6,0 мм. Результати показали, що NPD швидко ламається після контакту з гранітом, а злам був відносно гладким. Порівняно з різцями PDC, хоча NPD має високу твердість (твердість NPD становить 130-140 ГПа, тоді як різці PDC мають твердість лише 50-70 ГПа), NPD має слабку ударну стійкість і все ще важко відповідати вищим вимогам буріння та руйнування породи. Таким чином, матеріали, що руйнують породу для буріння нафти та газу, не можуть сліпо прагнути до надвисокої твердості, а повинні шукати найкращий баланс між твердістю та в’язкістю, а технічний рівень міцності матеріалу та інтеграції в’язкості потребує постійного вдосконалення.
Вплив видалення кобальту на зносостійкість і ударостійкість різців PDC вивчали за допомогою випробувань VTL. Результати показують, що зносостійкість і термічна стабільність різців PDC ефективно покращуються після декобальтування, але стійкість до ударів декобальтованих різців PDC відносно низька. Швидкий знос фрез PDC залежить від двох умов: одна полягає в тому, що фрези мають великі шліфувальні кромки, а шліфувальні кромки увійшли в не-декобальтовану зону; інший полягає в тому, що тепло, що утворюється тертям між шліфувальними кромками та каменем, є достатнім. Рекомендується використовувати покращення параметрів буріння (підвищення тиску буріння, збільшення об’єму тощо) на початковій стадії входу різців PDC у свердловину, щоб скоротити шлях проходження, необхідний для отримання того ж метражу, а також своєчасно відводити шлам і тепло тертя, тим самим уповільнюючи знос різців.
Підсумовуючи, можна зробити такі висновки:
1. Підвищення тиску буріння може досягти збільшення швидкості буріння.
2. Покращення параметрів буріння підходить для збільшення швидкості твердих порід.
3. Збільшення швидкості обертання збільшить механічну швидкість свердління свердла.
4. Щільність зубів (кількість лез, розмір фрези, відстань між зубцями тощо) є одним із факторів, що впливають на механічну швидкість свердління свердла PDC, але це не прямий фактор.
5. Наразі зносостійкість різців PDC є достатньо високою, щоб забезпечити довгострокове-свердління бурових коронок у однорідних твердих породах, таких як піщаник і граніт.
6. При бурінні в загальних пластах різці PDC не потребують декобальтування або потребують лише помірного декобальтування. Для високоабразивних утворень рекомендується використовувати різці PDC з хорошою термічною стабільністю та сильною зносостійкістю, а також глибоким декобальтуванням.
