Výskum nástrojov na zvýšenie rýchlosti vŕtania

V súčasnosti sa nástroje na zvyšovanie rýchlosti vŕtania delia hlavne na dve kategórie: mechanický typ a hydraulický typ. Mechanické nástroje využívajú na generovanie nárazovej sily systém zaťaženia vrtáka (WOB), čo účinne zlepšuje účinnosť rozbíjania hornín v tvrdých formáciách, ale existujú problémy, ako sú silné vibrácie, vysoká spotreba energie a ľahké poškodenie únavou materiálu. Hydraulické nástroje používajú vrtnú kvapalinu na pohon nárazových kladív, pričom kombinujú náraz, rotáciu a prúd na rozbíjanie hornín. Majú významné výhody pri zvyšovaní rýchlosti penetrácie (ROP), kontrole odchýlky vrtu a predlžovaní životnosti vrtáka, ale vo všeobecnosti majú problémy, ako je frekvencia jednotlivých nárazov a ťažkosti s prispôsobením sa potrebám rôznych formácií.

Technológia vŕtania s príklepom sa podľa spôsobu pôsobenia delí hlavne na tri kategórie: torzná technológia vŕtania s príklepom, axiálna technológia vŕtania s príklepom a axiálno-torzná kompozitná technológia vŕtania s príklepom. Podstatou vŕtania s príklepom na zvýšenie rýchlosti je premena tlakovej energie plynu alebo kvapaliny na axiálnu alebo torznú mechanickú energiu vŕtania pomocou nárazového telesa, ktoré sa priamo aplikuje na zadný koniec vrtáka, čím sa zlepšujú rezné podmienky vrtáka a zvyšuje sa účinnosť lámania hornín vrtákom.

Technológia torzného nárazového vŕtania je v posledných rokoch nová technológia zvyšujúca rýchlosť vŕtania, ktorá sa používa najmä na riešenie vibrácií typu „stick-slip“ generovaných vrtákmi PDC. Pri použití je torzný nárazový prvok nainštalovaný na zadnom konci vrtáka. Vďaka svojej vnútornej konštrukcii dokáže premeniť hydraulickú energiu kvapaliny na mechanickú torznú nárazovú energiu. Vrták láme horninu kombinovaným pôsobením ustáleného krútiaceho momentu vrtnej kolóny a nárazového krútiaceho momentu generovaného nárazovým prvokom.

Nasledujúce príklady predstavujú dva inovatívne nástroje

1. Nástroj na zvýšenie rýchlosti vŕtania s nastaviteľnou frekvenciou úderov

Frekvenčne nastaviteľný hydraulický nástroj na zvyšovanie rýchlosti vŕtania má jadrovú úderovú štruktúru zloženú z ložísk, spodného telesa hriadeľa, piestových párov, úderového kladiva, škrtiacej trysky a ďalších komponentov.

Princíp fungovania:Využíva periodický tlakový rozdiel vytvorený vrtnou kvapalinou v hornej a dolnej komore úderového kladiva na pohon úderového kladiva k vratnému pohybu vysokou rýchlosťou, čím vytvára axiálnu úderovú silu, ktorá sa priamo prenáša na vrták a pomáha pri lámaní hornín. Kľúčom je, že tento nástroj dokáže upraviť frekvenciu úderov zmenou počtu symetrických otvorov v spodnom tele hriadeľa, čím sa prispôsobí potrebám vŕtania rôznych formácií.

Použitie nástroja na zvýšenie rýchlosti vŕtania s nastaviteľnou frekvenciou úderov

Terénny test v stredne tvrdej formácii: Na základe optimálnej frekvencie nárazu (16 Hz) zvolenej numerickou simuláciou bol tento nástroj testovaný vo vrte X1 ropného poľa Xinjiang. V sekcii formácie so silnou abrazivitou a nízkou rýchlosťou penetrácie (ROP) porovnanie so susedným vrtom s použitím vrtáka so závitovkou ukazuje, že po použití tohto nástroja sa dĺžka jedného behového úseku zvýšila o 53 % a mechanická ROP sa zvýšila o 27,0 %, čím sa efektívne znížil počet ciest a skrátila sa doba výstavby.

Terénny test v tvrdej formácii: Podľa optimálnej frekvencie nárazu (18 Hz) zvolenej numerickou simuláciou bol tento nástroj testovaný v karbónskych andezitových a bazaltových formáciách so zlou vŕtateľnosťou vo vrte X3 ropného poľa Xinjiang.

Záver: Výsledky ukazujú, že po použití tohto nástroja sa mechanická ROP výrazne zvýšila o 103,2 % v porovnaní so susednými vrtmi, čo efektívne dokazuje, že dokáže výrazne zlepšiť účinnosť vŕtania a skrátiť cyklus vŕtania v rôznych formáciách.

2. Návrh nástroja na zvýšenie rýchlosti vŕtania s príklepom z kompozitu

Je navrhnutý hydraulický torzný nárazový mechanizmus, ktorého jadro pozostáva z troch častí: mechanizmu rozdeľovania prietoku, reverzného mechanizmu a nárazového mechanizmu.

Proces pohybu: Spočiatku (stav a) vstupuje vysokotlaková kvapalina do ľavej dutiny hydraulického kladiva cez ľavý prietokový kanál jadra reverzného ventilu a tlačí hydraulické kladivo a jadro ventilu k spoločnému otáčaniu v smere hodinových ručičiek, až kým hydraulické kladivo nenarazí na sedlo hydraulického kladiva (stav b). Po náraze vysokotlaková kvapalina vstupuje do pravej dutiny tvorenej hydraulickým kladivom a jadrom ventilu cez pravý riadiaci prietokový kanál a tlačí jadro ventilu k ďalšiemu otáčaniu v smere hodinových ručičiek do reverznej polohy (stav c), takže vysokotlaková kvapalina prepne do pravého prietokového kanála a vstúpi do pravej dutiny hydraulického kladiva, čím poháňa hydraulické kladivo a jadro ventilu k otáčaniu proti smeru hodinových ručičiek (stav c). Kým hydraulické kladivo opäť nenarazí na sedlo hydraulického kladiva (stav d), vysokotlaková kvapalina vstupuje do ľavej dutiny cez ľavý riadiaci prietokový kanál a tlačí jadro ventilu k otáčaniu proti smeru hodinových ručičiek pre reverzáciu a návrat do počiatočného stavu (stav a). Toto cykluje a vytvára vysokofrekvenčný vratný torzný náraz prostredníctvom nepretržitého reverzovania a nárazu poháňaného kvapalinou.

Princíp fungovania:Po tom, čo kvapalina (kal) vtečie do rozdeľovacej objímky cez horný spoj a vodiacu rúrku, je rozdeľovaná do reverzného mechanizmu a nárazového mechanizmu a tieto dve dráhy kvapaliny sú oddelené rozdeľovacou doskou. Následne kvapalina prechádza cez trysku vo vnútri tŕňa, čím vytvára pred a za ňou zóny vysokého a nízkeho tlaku. Jadro reverzného ventilu sa otáča pod vplyvom rozdielu tlakov a riadi ľavú a pravú dutinu hydraulického kladiva tak, aby sa striedavo pripájali k zónam vysokého a nízkeho tlaku, čím sa hydraulické kladivo pohybuje vratne a naráža na sedlo hydraulického kladiva pôsobením rozdielu tlakov, čím sa vytvára vysokofrekvenčný vratný torzný náraz.

1-Horný snímač; 2-Vonkajšie puzdro; 3-Vodiaca rúrka; 4-Plyn rozdeľovania prietoku; 5-Doska rozdeľovania prietoku; 6-Skrutka; 7-Horný oporný krúžok; 8-Sedlo hydraulického kladiva; 9-Hydraulické kladivo; 10-Jadro reverzného ventilu; 11-Spodný oporný krúžok; 12-Tŕň; 13-Spodný snímač;

Schematický diagram štruktúry mechanizmu torzného nárazu

Proces pohybu torzného nárazového mechanizmu

Je navrhnutý druh axiálneho nárazového mechanizmu. Hydraulické axiálne impaktory sa delia hlavne na dva typy: ventilový typ a bezventilový typ. Vnútorná štruktúra ventilových impaktorov je zložitá a ich spoľahlivosť je nízka; bezventilový typ zahŕňa hlavne prúdový typ a prúdovo-sací typ, pričom prúdový typ má krátku životnosť. Prúdovo-sací hydraulický impaktor má jednoduchú štruktúru, realizuje náraz spoliehajúc sa na strhávanie prúdu a kmitavý efekt vodného rázu, má málo vnútorných pohyblivých častí a žiadne zraniteľné časti a dokáže sa lepšie prispôsobiť zložitým podmienkam vo vrte.

1 – Horné sedlo trysky; 2 – Horná tryska; 3 – Horný ventil; 4 – Horné puzdro ventilu; 5 – Sekundárna tryska; 6 – Axiálny vonkajší kryt; 7 – Podporné puzdro; 8 – Úderové kladivo; 9 – Hlava kladiva; 10 – Sedlo kladiva; 11 – Ochranný kryt; 12 – Šesťuholníkový kĺb – Princíp fungovania axiálneho úderového mechanizmu.

Tvorba počiatočného prietoku a tlakového rozdielu: Vysokotlaková kvapalina vytvára vysokorýchlostný prúd cez hornú trysku. Kombinovaným pôsobením strhávania prúdu a škrtiaceho efektu sa vytvárajú tlakové rozdiely v hornej a dolnej komore horného ventilu, ako aj medzi vonkajšou hornou komorou úderového kladiva a dolným koncom hlavy kladiva.

Pohyb komponentov smerom nahor a utesnenie prietokového kanála: V dôsledku ich príslušných tlakových rozdielov sa horný ventil pohybuje smerom nahor a nárazové komponenty (sekundárna tryska, nárazové kladivo a hlava kladiva) sa tiež pohybujú smerom nahor, kým sa sekundárna tryska nedotkne horného ventilu a neutesní prietokový kanál.

Generovanie vodného rázu a pohyb kĺbu smerom nadol: Okamžité uzavretie prietokového kanála spúšťa kmitanie vodného rázu a tlak v komore prudko stúpa, čím sa horný ventil a nárazové komponenty spoločne zrýchľujú smerom nadol.

Zotrvačný náraz a obnovenie cyklu: Po presunutí horného ventilu do dolnej koncovej polohy sa nárazové komponenty naďalej pohybujú smerom nadol vplyvom zotrvačnosti a nakoniec narazia na sedlo kladiva, čím dokončia axiálny náraz. Po náraze sa prietokový kanál vráti do vyhladeného stavu a mechanizmus sa resetuje pôsobením závažia na vrtáku (WOB), čím sa spustí ďalší cyklus.

Kontakt:Jessie Zhou

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