Diskussion über die Optimierung der Leistung des PDC-Bohrers zur Erzielung einer höheren Bohrgeschwindigkeit
In der Bohrtechnik ist es eine der wichtigsten Möglichkeiten, die Bohreffizienz zu verbessern, indem man die maximale Wirkung von PDC-Bohrern (Polykristalliner Diamantverbundstoff) voll ausschöpft. In diesem Artikel werden die direkten Faktoren, die die Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit von PDC-Bohrern beeinflussen, eingehend untersucht und der Zusammenhang zwischen hohem Bohrdruck, hoher Rotationsgeschwindigkeit und Zahndichte auf die Bohrgeschwindigkeit und den Verschleiß von PDC-Bohrern analysiert, um die Ursachen für vorzeitiges Versagen von PDC-Bohrern und deren Verschleißmechanismus zu untersuchen.
Theoretische Studien haben gezeigt, dass Bohrdruck (d. h. die Eindringtiefe des Bohrers) und Rotationsgeschwindigkeit die direktesten Faktoren sind, die die mechanische Bohrgeschwindigkeit des Bohrers beeinflussen, und dass normalerweise ein linearer Zusammenhang zwischen beiden und der mechanischen Bohrgeschwindigkeit besteht. In tatsächlichen Anwendungen treten jedoch häufig nichtlineare Reaktionen zwischen Bohrdruck und mechanischer Bohrgeschwindigkeit auf. Außendiensttechniker führen dies häufig auf Bohrkronenversagen oder Formationsfaktoren zurück, aber in Wirklichkeit sind „abnormale“ Faktoren, die während des Bohrens auftreten, der Grund.
Zu diesen Faktoren gehören:
1. Zu den Faktoren, die sich direkt auf die Leistung des Bohrmeißels auswirken, gehören Axial-, Torsions- und Quervibrationen des Bohrmeißels (Wirbel, Stick-Slip, Bohrspringen usw.), schlechte Bodenreinigung, Schlammansammlung der Schneidzähne oder des Bohrmeißels, Formationsheterogenität und die Diskrepanz zwischen Gesteinsbrechmethode und Formationslithologie.
2. Nicht-Bohrkronenfaktoren, die sich auf den Bohrenergieeintrag auswirken, umfassen eine komplexe geologische Struktur, die den Einsatz von Bohrwerkzeugen im Bohrloch einschränkt, den Knickeffekt der Bohrrohre, eine niedrige Torsionsgrenze des oberen Antriebs und der Werkzeuge, ein großer Neigungswinkel des Bohrlochs erfordert leichten Druck und Hebevorgänge, die Erfassung von MWD- und anderen Werkzeugsignalen sowie Probleme mit dem Gesteinstransport und der Druckunterstützung in langen horizontalen Abschnitten.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN) wird die Bohrgeschwindigkeit der PDC-Bohrkronen deutlich verbessert, ohne dass sich der Verschleiß erhöht. Diese Feststellung steht im Widerspruch zum PDC-Bohrerprinzip „Niedriger Bohrdruck, hohe Geschwindigkeit“, an dem chinesische Bohrtechniker seit langem festhalten. Die Schlussfolgerung, dass „je höher der Bohrdruck, desto geringer der Bohrerverschleiß“ ist, wurde durch den Vertikal-Revolver-Nassschleiftest zum Schneiden von Granit (VTL-Test) bestätigt. Die Testergebnisse zeigen, dass bei gleichen Schnittparametern das Verschleißvolumen umso kleiner ist, je größer die Eindringtiefe der PDC-Schneidzähne ist (was den höheren Bohrdruck darstellt), was die Richtigkeit der Schlussfolgerung beweist.
1.Wenn sich der PDC-Bohrer in einem effizienten Gesteinsbruchzustand befindet, kann eine Erhöhung des Bohrdrucks den Bohrerverschleiß verringern.
2. „PDC-Bohrer + hoher Bohrdruck“ in Kombination mit Bohrwerkzeugen im Bohrloch (z. B. Schrauben mit hohem Drehmoment usw.) können die mechanische Bohrgeschwindigkeit effektiv erhöhen und den Bohrerverschleiß verringern.
3. In Hartgesteinsformationen (z. B. Granit) besteht zwischen der mechanischen Bohrgeschwindigkeit des PDC-Bohrers und dem Bohrdruck immer noch ein lineares Verhältnis, und eine Erhöhung des Bohrdrucks kann den Bohrerverschleiß effektiv verlangsamen.
4. Die spezifische Implementierung von „PDC-Bohrer + hoher Bohrdruck“ ist durch die tatsächlichen Bohrbedingungen begrenzt, kann jedoch durch fortschrittliche Bohrtechnologie und -ausrüstung gelöst werden.
Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und PDC-Fräserverschleiß wurde mit dem VTL-Test (PDC-Fräser beim Schneiden von Granit) untersucht. Die Testergebnisse zeigten, dass das Verschleißvolumen von PDC-Fräsern mit zunehmender linearer Geschwindigkeit (Rotationsgeschwindigkeit) zunimmt. Wenn die lineare Geschwindigkeit einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, hängt das Verschleißvolumen der Fräser nicht mehr linear von der Verfahrstrecke ab und die Verschleißrate steigt deutlich an. Untersuchungen der National Oilwell Corporation ergaben, dass unter den Bedingungen „hoher Geschwindigkeit und geringem Einschnitt“ die Temperatur der Schneidwerkzeuge schnell ansteigt, was dazu führt, dass sie innerhalb einer sehr kurzen Verfahrstrecke verschleißen und ausfallen. Die aktuelle Qualität der PDC-Fräser kann jedoch die Anforderungen an langfristiges und effizientes Bohren in den meisten Formationen bei einer hohen Geschwindigkeit von 400 bis 500 U/min vollständig erfüllen. Hochgeschwindigkeits-Bohrwerkzeuge mit PDC-Bohrkronen sind auch für Bohrarbeiten im Ausland mittlerweile eine gängige Option. Aus diesem Grund wurde eine Drei-{10}}Hochgeschwindigkeits--Technologielösung mit einem PDC-Bohrer mit hohem Bohrdruck, hoher Geschwindigkeit und hoher Zahndichte vorgeschlagen. Feldtests haben gezeigt, dass diese Lösung die Einzelbohrlänge und die mechanische Bohrgeschwindigkeit von PDC-Bohrern erheblich verbessert hat.
Um den Zusammenhang zwischen der Zahndichte des Bohrmeißels (Anzahl der Klingen, Schneidzahngröße) und der mechanischen Penetrationsrate zu untersuchen, wurde ein Feldtest im Luojia-Block des Shengli-Ölfelds durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass der häufig verwendete PDC-Bohrer SK419-YS aus Verbundwerkstoff mit einem Durchmesser von 19,0 mm und vier -Blättern die niedrigste mechanische Durchdringungsrate aufwies, während der PDC-Bohrer SK519{11}YS aus Verbundwerkstoff mit einem Durchmesser von 19,0 mm und fünf -Blättern eine bessere Leistung erbrachte. Die höchste mechanische Durchdringungsrate erzielte der PDC-Bohrer SK522-YS aus Verbundwerkstoff mit einem Durchmesser von 22,0 mm und einem Fünfblatt-PDC-Bohrer, der über ein Design mit großen Zähnen und schneller Schnittgeschwindigkeit verfügte.
1.Die Vorteile des Bohrers „wenige Klingen, große Klingen“ können durch die Verbesserung der Bohrparameter voll ausgeschöpft werden.
2. Solange ausreichend Bohrdruck, Drehmoment, Pumpendruck und Verdrängung vorhanden sind, um das dynamische Gleichgewicht von „Zeitfressen, Fräsen und Entladen“ sicherzustellen, kann selbst ein PDC-Bohrer mit hoher Zahndichte und „mehreren Schneiden und kleinen Zähnen“ das optimale und schnelle Bohren eines Bohrers mit hoher Zahndichte erreichen
Basierend auf dem VTL-Testgerät wurden Innentests an nanopolykristallinen Diamantblockzylindern (NPD) mit einem Durchmesser von 6,0 mm durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass NPD nach dem Kontakt mit Granit schnell brach und der Bruch relativ glatt verlief. Obwohl NPD im Vergleich zu PDC-Fräsern eine hohe Härte aufweist (NPD hat eine Härte von 130-140 GPa, während PDC-Fräser nur eine Härte von 50-70 GPa haben), weist NPD eine schwache Schlagfestigkeit auf und ist immer noch schwierig, die höheren Anforderungen beim Bohren und Gesteinsbrechen zu erfüllen. Daher können Gesteinsbrechmaterialien für Öl- und Gasbohrungen nicht blind eine ultrahohe Härte anstreben, sondern sollten das beste Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit anstreben, und das technische Niveau der Integration von Materialfestigkeit und Zähigkeit muss kontinuierlich verbessert werden.
Die Auswirkung der Kobaltentfernung auf die Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit von PDC-Fräsern wurde mithilfe von VTL-Tests untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verschleißfestigkeit und die thermische Stabilität von PDC-Fräsern nach der Entkobaltung effektiv verbessert werden, die Schlagfestigkeit von entkobaltten PDC-Fräsern jedoch relativ schlecht ist. Der schnelle Verschleiß von PDC-Fräsern hängt von zwei Bedingungen ab: Zum einen haben die Fräser große Schleifkanten und die Schleifkanten sind in den nicht-entkobaltierten Bereich gelangt; Zum anderen reicht die durch die Reibung zwischen den Schleifkanten und dem Gestein erzeugte Wärme aus. Es wird empfohlen, die Verbesserung der Bohrparameter (Erhöhung des Bohrdrucks, Erhöhung der Verdrängung usw.) in der Anfangsphase des Eintretens der PDC-Fräser in das Bohrloch zu nutzen, um die erforderliche Verfahrstrecke zum Erreichen der gleichen Bohrlänge zu verkürzen und das Bohrklein und die Reibungswärme rechtzeitig abzuführen, wodurch der Verschleiß der Fräser verlangsamt wird.
Zusammenfassend können wir folgende Schlussfolgerungen ziehen:
1. Durch Erhöhen des Bohrdrucks kann eine Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit erreicht werden.
2. Die Verbesserung der Bohrparameter eignet sich zur Erhöhung der Geschwindigkeit von Hartgestein.
3. Durch Erhöhen der Drehzahl erhöht sich die mechanische Bohrgeschwindigkeit des Bohrers.
4. Die Zahndichte (Anzahl der Klingen, Fräsergröße, Zahnabstand usw.) ist einer der Faktoren, die die mechanische Bohrgeschwindigkeit von PDC-Bohrern beeinflussen, aber kein direkter Faktor.
5. Derzeit ist die Verschleißfestigkeit von PDC-Fräsern gut genug, um das langfristige Bohren von Bohrern in homogenen Hartgesteinsformationen wie Sandstein und Granit sicherzustellen.
6. Beim Bohren in allgemeinen Formationen müssen PDC-Fräser nicht oder nur mäßig entkobaltet werden. Für stark abrasive Formationen wird die Verwendung von PDC-Fräsern mit guter thermischer Stabilität und starker Verschleißfestigkeit sowie tiefer Entkobaltung empfohlen.
