Thảo luận về việc tối ưu hóa hiệu suất mũi khoan PDC để tăng tốc độ khoan
Trong kỹ thuật khoan, việc phát huy tối đa tác dụng tối đa của mũi khoan PDC (hỗn hợp kim cương đa tinh thể) là một trong những cách quan trọng để cải thiện hiệu quả khoan. Bài viết này sẽ tìm hiểu sâu các yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến việc tăng tốc độ khoan của mũi khoan PDC và phân tích mối quan hệ giữa áp suất khoan cao, tốc độ quay cao và mật độ răng đến tốc độ khoan và độ mòn của mũi khoan PDC để khám phá nguyên nhân gây ra hỏng hóc sớm của mũi khoan PDC và cơ chế mài mòn của chúng.
Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng áp suất khoan (tức là độ sâu xuyên thấu của mũi khoan) và tốc độ quay là những yếu tố trực tiếp nhất ảnh hưởng đến tốc độ khoan cơ học của mũi khoan và thường có mối quan hệ tuyến tính giữa hai yếu tố này và tốc độ khoan cơ học. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, phản ứng phi tuyến thường xảy ra giữa áp suất khoan và tốc độ khoan cơ học. Các kỹ thuật viên hiện trường thường cho rằng nguyên nhân là do mũi khoan bị hỏng hoặc do yếu tố hình thành, nhưng trên thực tế, nguyên nhân là do các yếu tố “bất thường” xảy ra trong quá trình khoan.
Những yếu tố này bao gồm:
1.Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của mũi khoan bao gồm các rung động dọc trục, xoắn, ngang của mũi khoan (xoáy,{1}}trượt thanh, nhảy mũi khoan, v.v.), khả năng làm sạch đáy kém, bùn bịt kín của răng cắt hoặc mũi khoan, tính không đồng nhất trong quá trình hình thành và sự không phù hợp giữa phương pháp phá đá và thạch học hình thành.
2.Các yếu tố không-của mũi khoan ảnh hưởng đến năng lượng đầu vào của mũi khoan bao gồm cấu trúc địa chất phức tạp hạn chế việc sử dụng các dụng cụ khoan điện trong lỗ khoan, hiệu ứng oằn ống trong lỗ khoan, giới hạn xoắn thấp của bộ truyền động trên và dụng cụ, góc nghiêng của giếng lớn yêu cầu áp suất và nâng nhẹ, thu thập tín hiệu MWD và dụng cụ khác cũng như các vấn đề về vận chuyển đá và hỗ trợ áp suất ở các mặt cắt ngang dài.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN), tốc độ khoan của mũi khoan PDC được cải thiện đáng kể mà không làm tăng độ mài mòn. Phát hiện này trái ngược với nguyên tắc sử dụng mũi khoan PDC “áp suất khoan thấp, tốc độ cao” mà các kỹ thuật viên khoan Trung Quốc đã tuân thủ từ lâu. Suy luận rằng “áp suất khoan càng cao thì độ mòn mũi khoan càng nhỏ” đã được xác minh thông qua thử nghiệm mài ướt đá granit cắt bằng máy tiện tháp pháo thẳng đứng (thử nghiệm VTL). Kết quả thử nghiệm cho thấy trong cùng một thông số cắt, độ sâu xuyên thấu của răng cắt PDC càng lớn (thể hiện áp suất khoan càng cao), lượng mài mòn càng nhỏ, điều này chứng tỏ suy luận là đúng.
1.Khi mũi khoan PDC ở trạng thái phá đá hiệu quả, việc tăng áp suất khoan có thể làm giảm độ mòn của mũi khoan.
2. "Mũi khoan PDC + áp suất khoan cao" kết hợp với các dụng cụ khoan điện hạ cấp (chẳng hạn như vít mô-men xoắn cao, v.v.) có thể tăng tốc độ khoan cơ học một cách hiệu quả và giảm độ mòn của mũi khoan.
3. Trong các thành tạo đá cứng (chẳng hạn như đá granit), tốc độ khoan cơ học của mũi khoan PDC và áp suất khoan vẫn duy trì mối quan hệ tuyến tính và việc tăng áp suất khoan có thể làm chậm quá trình mài mòn của mũi khoan một cách hiệu quả.
4. Việc triển khai cụ thể "mũi khoan PDC + áp suất khoan cao" bị hạn chế bởi các điều kiện khoan thực tế, nhưng nó có thể được giải quyết bằng công nghệ và thiết bị khoan tiên tiến.
Mối quan hệ giữa tốc độ quay và độ mòn của dao cắt PDC đã được nghiên cứu bằng thử nghiệm VTL (đá granit cắt của dao cắt PDC). Kết quả thử nghiệm cho thấy mức độ mài mòn của máy cắt PDC tăng khi tốc độ tuyến tính (tốc độ quay) tăng lên và khi tốc độ tuyến tính vượt quá một ngưỡng nhất định, mức độ mài mòn của máy cắt không còn liên quan tuyến tính với khoảng cách di chuyển và tốc độ mài mòn tăng đáng kể. Nghiên cứu của National Oilwell Corporation đã phát hiện ra rằng trong điều kiện "tốc độ cao và tốc độ cắt thấp-", nhiệt độ của máy cắt sẽ tăng nhanh, khiến chúng bị mòn và hỏng trong khoảng cách di chuyển rất ngắn. Tuy nhiên, chất lượng máy cắt PDC hiện tại có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu khoan hiệu quả và-dài hạn ở hầu hết các hệ tầng ở tốc độ cao 400-500 vòng/phút. Dụng cụ khoan điện tốc độ cao có mũi khoan PDC cũng đã trở thành một lựa chọn phổ biến cho hoạt động khoan nước ngoài. Vì lý do này, giải pháp công nghệ tăng tốc ba{10}}tốc độ cao{14}}là "áp suất khoan cao + tốc độ cao + mũi khoan PDC mật độ răng cao" đã được đề xuất. Các thử nghiệm hiện trường đã chứng minh rằng giải pháp này đã cải thiện đáng kể cảnh khoan một chuyến và tốc độ khoan cơ học của mũi khoan PDC.
Để khám phá mối quan hệ giữa mật độ răng mũi khoan (số lượng lưỡi dao, kích thước răng cắt) và tốc độ xuyên cơ học, một thử nghiệm thực địa đã được thực hiện tại khối Luojia của Mỏ dầu Shengli. Kết quả cho thấy rằng mũi khoan mảnh composite φ19,0 mm bốn lưỡi-SK419-YS PDC thường được sử dụng có tỷ lệ xuyên thấu cơ học thấp nhất, trong khi mũi khoan mảnh composite φ19,0 mm năm lưỡi-SK519-YS PDC hoạt động tốt hơn. Tỷ lệ xuyên thấu cơ học cao nhất là mũi khoan SK522-YS PDC 5 lưỡi composite φ22,0 mm, sử dụng thiết kế tăng tốc độ cắt nhanh răng lớn.
1. Ưu điểm của mũi khoan "ít lưỡi, lưỡi lớn" có thể được nhận ra đầy đủ thông qua việc nâng cao thông số khoan.
2.Miễn là cung cấp đủ áp suất khoan, mô-men xoắn, áp suất bơm và chuyển vị để đảm bảo sự cân bằng động của việc "ăn vào, cắt giảm và xả kịp thời", ngay cả mũi khoan PDC mật độ răng-cao với "nhiều lưỡi và răng nhỏ" cũng có thể đạt được khả năng khoan nhanh chóng và tối ưu-của mũi khoan mật độ răng cao
Dựa trên thiết bị kiểm tra VTL, các thử nghiệm trong nhà đã được thực hiện trên các khối kim cương đa tinh thể nano (NPD) φ6,0 mm. Kết quả cho thấy NPD bị gãy nhanh sau khi tiếp xúc với đá granite, vết nứt tương đối trơn tru. So với máy cắt PDC, mặc dù NPD có độ cứng cao (NPD có độ cứng 130{6}}140 GPa, trong khi máy cắt PDC có độ cứng chỉ 50-70 GPa) nhưng NPD có khả năng chống va đập yếu và vẫn khó đáp ứng yêu cầu cao hơn về khoan, phá đá. Do đó, vật liệu phá đá để khoan dầu khí không thể mù quáng theo đuổi độ cứng cực cao mà phải tìm kiếm sự cân bằng tốt nhất giữa độ cứng và độ dẻo dai, đồng thời cần phải liên tục cải thiện trình độ kỹ thuật về độ bền vật liệu và độ bền.
Hiệu quả của việc loại bỏ coban đối với khả năng chống mài mòn và chống va đập của máy cắt PDC đã được nghiên cứu bằng các thử nghiệm VTL. Kết quả cho thấy khả năng chống mài mòn và độ ổn định nhiệt của máy cắt PDC được cải thiện hiệu quả sau khi khử cân bằng, nhưng khả năng chống va đập của máy cắt PDC đã khử cân bằng tương đối kém. Sự mài mòn nhanh chóng của máy cắt PDC phụ thuộc vào hai điều kiện: một là máy cắt có cạnh mài lớn và các cạnh mài đã đi vào vùng không-được khử coban; hai là nhiệt sinh ra do ma sát giữa các cạnh mài và đá là đủ. Nên sử dụng tính năng nâng cao thông số khoan (tăng áp suất khoan, tăng chuyển vị, v.v.) ở giai đoạn đầu khi máy cắt PDC đi vào giếng để rút ngắn khoảng cách di chuyển cần thiết để có được cùng một cảnh quay, đồng thời xả nhiệt kịp thời cho phần cắt và nhiệt ma sát, do đó làm chậm quá trình mài mòn của máy cắt.
Tóm lại, chúng ta có thể rút ra kết luận sau:
1. Tăng áp suất khoan có thể tăng tốc độ khoan.
2.Tăng cường thông số khoan phù hợp để tăng tốc độ đá cứng.
3. Tăng tốc độ quay sẽ tăng tốc độ khoan cơ học của mũi khoan.
4. Mật độ răng (số lượng lưỡi dao, kích thước dao cắt, khoảng cách răng, v.v.) là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khoan cơ học của mũi khoan PDC, nhưng nó không phải là yếu tố trực tiếp.
5. Hiện tại, khả năng chống mài mòn của máy cắt PDC đủ tốt để đảm bảo-khoan lâu dài các mũi khoan ở các dạng đá cứng đồng nhất như sa thạch và đá granit.
6.Khi khoan ở các dạng thông thường, máy cắt PDC không cần phải khử kiềm hoặc chỉ cần khử kiềm vừa phải. Đối với các cấu trúc có độ mài mòn cao, nên sử dụng máy cắt PDC có độ ổn định nhiệt tốt và khả năng chống mài mòn mạnh và khả năng khử kiềm sâu.
