Výzkum nástrojů pro zvýšení rychlosti vrtání

V současné době se nástroje pro zvyšování rychlosti vrtání dělí hlavně do dvou kategorií: mechanický typ a hydraulický typ. Mechanické nástroje využívají váhu vrtáku (WOB) k vytvoření rázové síly, což účinně zlepšuje účinnost rozbíjení hornin v tvrdých formacích, ale existují problémy, jako jsou silné vibrace, vysoká spotřeba energie a snadné poškození únavou materiálu. Hydraulické nástroje používají vrtnou kapalinu k pohonu rázových kladiv, která kombinují náraz, rotaci a tryskání k rozbíjení horniny. Mají významné výhody ve zvýšení rychlosti penetrace (ROP), kontrole odchylky vrtu a prodloužení životnosti vrtáku, ale obecně mají problémy, jako je frekvence jednotlivých nárazů a obtíže s přizpůsobením se potřebám různých formací.

Technologie vrtání s příklepem se podle způsobu působení dělí hlavně do tří kategorií: technologie torzního vrtání s příklepem, technologie axiálního vrtání s příklepem a technologie axiálně-torzního vrtání s kompozitním příklepem. Podstatou vrtání s příklepem pro zvýšení rychlosti je přeměna tlakové energie plynu nebo kapaliny na mechanickou energii axiálního nebo torzního vrtání pomocí impaktního tělesa, které působí přímo na zadní konec vrtáku, čímž se zlepšují řezné podmínky vrtáku a zvyšuje se jeho účinnost při lámání hornin.

Technologie torzního impaktního vrtání je v posledních letech nově vznikající technologií zvyšující rychlost vrtání, která se používá hlavně k řešení vibrací typu „stick-slip“ generovaných vrtáky PDC. Při použití je torzní impaktní těleso instalováno na zadním konci vrtáku. Díky své vnitřní konstrukci dokáže přeměnit hydraulickou energii kapaliny na mechanickou energii torzního impaktu. Vrták láme horninu kombinovaným působením ustáleného točivého momentu vrtací kolony a impaktního momentu generovaného impaktním tělesem.

Následující příklady představují dva inovativní nástroje

1. Nástroj pro zvýšení rychlosti vrtání s nastavitelnou frekvencí úderů

Frekvenčně nastavitelný hydraulický vrtací nástroj pro zvýšení rychlosti má jádro úderové struktury složenou z ložisek, spodního tělesa hřídele, párů pístů, úderového kladiva, škrticí trysky a dalších součástí.

Princip fungování:Využívá periodický tlakový rozdíl vytvářený vrtnou kapalinou v horní a dolní komoře kladiva k pohonu kladiva k vratnému pohybu vysokou rychlostí, čímž vytváří axiální rázovou sílu, která se přímo přenáší na vrták a pomáhá při lámání horniny. Klíčem je, že tento nástroj dokáže upravit frekvenci rázů změnou počtu symetrických otvorů ve spodním tělese hřídele, a tím se přizpůsobit potřebám vrtání různých formací.

Použití nástroje pro zvýšení rychlosti vrtání s nastavitelnou frekvencí úderů

Polní test ve středně tvrdé formaci: Na základě optimální frekvence nárazů (16 Hz) zvolené numerickou simulací byl tento nástroj testován ve vrtu X1 ropného pole Xinjiang. V sekci formace se silnou abrazivností a nízkou rychlostí průniku (ROP) ukázalo srovnání se sousedním vrtem s použitím vrtacího nástroje se závitovým vrtákem, že po použití tohoto nástroje se délka jednoho běhu zvýšila o 53 % a mechanická ROP se zvýšila o 27,0 %, což efektivně snížilo počet výjezdů a zkrátilo dobu výstavby.

Polní test v tvrdé formaci: Tento nástroj byl testován v karbonských andezitových a čedičových formacích se špatnou vrtatelností ve vrtu X3 ropného pole Xinjiang v rámci optimální frekvence nárazů (18 Hz) zvolené numerickou simulací.

Závěr: Výsledky ukazují, že po použití tohoto nástroje se mechanická ROP výrazně zvýšila o 103,2 % ve srovnání se sousedními vrty, což účinně dokazuje, že může výrazně zlepšit efektivitu vrtání a zkrátit vrtací cyklus v různých formacích.

2. Návrh kompozitního nástroje pro zvýšení rychlosti vrtání s příklepem

Je navržen hydraulický torzní úderový mechanismus, jehož jádro se skládá ze tří částí: mechanismu pro rozdělování proudění, reverzního mechanismu a úderového mechanismu.

Proces pohybu: Zpočátku (stav a) vstupuje vysokotlaká kapalina do levé dutiny hydraulického kladiva levým průtokovým kanálem jádra reverzního ventilu a tlačí hydraulické kladivo a jádro ventilu k společnému otáčení ve směru hodinových ručiček, dokud hydraulické kladivo nenarazí na sedlo hydraulického kladiva (stav b). Po nárazu vstupuje vysokotlaká kapalina do pravé dutiny tvořené hydraulickým kladivem a jádrem ventilu pravým řídicím průtokovým kanálem a tlačí jádro ventilu k jeho dalšímu otáčení ve směru hodinových ručiček do reverzní polohy (stav c), takže se vysokotlaká kapalina přepne do pravého průtokového kanálu a vstoupí do pravé dutiny hydraulického kladiva a pohání hydraulické kladivo a jádro ventilu k otáčení proti směru hodinových ručiček (stav c). Dokud hydraulické kladivo znovu nenarazí na sedlo hydraulického kladiva (stav d), vstupuje vysokotlaká kapalina do levé dutiny levým řídicím průtokovým kanálem a tlačí jádro ventilu k otáčení proti směru hodinových ručiček pro reverzaci a návrat do počátečního stavu (stav a). Toto se cykluje a vytváří vysokofrekvenční vratný torzní náraz prostřednictvím nepřetržitého reverzování a nárazu poháněného kapalinou.

Princip fungování:Poté, co kapalina (kal) proudí do rozdělovacího pouzdra proudění přes horní spoj a vodicí trubku, je rozdělována do reverzního mechanismu a úderového mechanismu a obě dráhy kapaliny jsou odděleny deskou pro rozdělování proudění. Následně kapalina prochází tryskou uvnitř trnu a vytváří před ní a za ní zóny vysokého a nízkého tlaku. Jádro reverzního ventilu se otáčí pod vlivem tlakového rozdílu a ovládá levou a pravou dutinu hydraulického kladiva tak, aby se střídavě připojovaly k zónám vysokého a nízkého tlaku, čímž se hydraulické kladivo pohybuje vratně a naráží na sedlo hydraulického kladiva působením tlakového rozdílu, čímž vzniká vysokofrekvenční vratný torzní náraz.

1-Horní převodník; 2-Vnější plášť; 3-Vodicí trubka; 4-Objímka pro rozvod průtoku; 5-Deska pro rozvod průtoku; 6-Šroub; 7-Horní opěrný kroužek; 8-Sedlo hydraulického kladiva; 9-Hydraulické kladivo; 10-Jádro reverzního ventilu; 11-Spodní opěrný kroužek; 12-Trn; 13-Spodní převodník;

Schéma konstrukce torzního nárazového mechanismu

Proces pohybu torzního nárazového mechanismu

Je navržen určitý druh axiálního nárazového mechanismu. Hydraulické axiální impaktory se dělí hlavně na dva typy: ventilový typ a bezventilový typ. Vnitřní struktura ventilových impaktorů je složitá a jejich spolehlivost je nízká; bezventilový typ zahrnuje hlavně tryskový typ a tryskově-sací typ, z nichž tryskový typ má krátkou životnost. Tryskově-sací hydraulický impaktor má jednoduchou konstrukci, realizuje náraz na základě strhávání trysky a kmitání vodního rázu, má málo vnitřních pohyblivých částí a žádné zranitelné části a dokáže se lépe přizpůsobit složitým podmínkám ve vrtu.

1-Horní sedlo trysky; 2-Horní tryska; 3-Horní ventil; 4-Horní pouzdro ventilu; 5-Sekundární tryska; 6-Axiální vnější pouzdro; 7-Opěrné pouzdro; 8-Rázové kladivo; 9-Hlava kladiva; 10-Sedlo kladiva; 11-Ochranná krytka; 12-Šestihranný kloub Princip fungování axiálního rázového mechanismu.

Vznik počátečního proudění a tlakového rozdílu: Vysokotlaká kapalina vytváří vysokorychlostní proud proudící horní tryskou. V důsledku kombinovaného působení strhávání proudu a škrcení vznikají tlakové rozdíly v horní a dolní komoře horního ventilu, jakož i mezi vnější horní komorou úderového kladiva a dolním koncem hlavy kladiva.

Pohyb součástí směrem nahoru a utěsnění průtokového kanálu: V důsledku příslušných tlakových rozdílů se horní ventil pohybuje nahoru a nárazové komponenty (sekundární tryska, úderové kladivo a hlava kladiva) se také pohybují nahoru, dokud se sekundární tryska nedotkne horního ventilu a neutěsní průtokový kanál.

Generování vodního rázu a pohyb kloubu směrem dolů: Okamžité uzavření průtokového kanálu spouští oscilaci vodního rázu a tlak v komoře prudce stoupá, což tlačí horní ventil a nárazové komponenty ke společnému zrychlení směrem dolů.

Setrvačný náraz a obnovení cyklu: Poté, co se horní ventil přesune do dolní koncové polohy, se nárazové komponenty dále pohybují směrem dolů vlivem setrvačnosti a nakonec narazí na sedlo kladiva, čímž dokončí axiální náraz. Po nárazu se průtokový kanál vrátí do vyrovnaného stavu a mechanismus se resetuje působením hmotnosti na vrtáku (WOB), čímž se spustí další cyklus.

Kontakt:Jessie Zhou

Mobil/Whatsapp:+0086-18109206861
E-mail:energy@landrilltools.com