Belangrijkste gereedschappen voor in de boorgat: een complete gids voor de classificatie en toepassing van rollenkegelboren en diamantboren.

Bij olieboringen is de boorbeitel het belangrijkste gereedschap voor het breken van gesteente, en de prestaties ervan hebben een directe invloed op de boorefficiëntie en -kosten. Gezien de complexe en variabele formatieomstandigheden is de juiste keuze van rollenkegelboren en diamantboren een cruciale taak geworden voor boortechnici.

01 Rolkegelboren: Veelzijdige gereedschappen die zich aanpassen aan verschillende formaties

Sinds hun introductie in 1909 zijn rolconusboren het meest gebruikte type boor bij roterend boren. Hun unieke structuur met meerdere conussen stelt ze in staat zich aan te passen aan diverse formatieomstandigheden, van zacht tot extreem hard.

Structuur en kerntechnologie

Een kegelvormige boor bestaat uit vijf hoofdonderdelen:

• Boorlichaam: Drie kegelvormige poten aan elkaar gelast, met een verbindingsdraad aan de bovenkant.

• Kegels: taps toelopende metalen lichamen met gefreesde tanden of wolfraamcarbide-inzetstukken (TCI) op het oppervlak.

• Lagersysteem: Omvat vier sets lagers: grote, middelgrote, kleine en druklagers.

• Spuitmonden: Meestal 3,4 spuitmonden met een diameter van 7,14 mm.

• Smeer- en afdichtingssysteem: Rubberen of metalen afdichtingen in combinatie met een drukcompensatie-inrichting.

De technologie van de lagerafdichting is een belangrijke doorbraak in rollenconusboren. Moderne boren maken gebruik van een drukgecompenseerd smeersysteem dat een dynamisch evenwicht handhaaft tussen de smeermiddeldruk in de lagerkamer en de druk van de boorvloeistofkolom in het boorgat door middel van een druktransmissiekanaal, een drukcompensatiemembraan en een smeerbeker.

Classificatiesysteem en IADC-code

De International Association of Drilling Contractors (IADC) heeft een wereldwijde standaard vastgesteld voor de classificatie van rollenconusboren, waarbij gebruik wordt gemaakt van een driecijferig codesysteem:

• Eerste cijfer: Tandtype en toepasselijke formatie

· 1: Gefreesde tand, zachte formatie

· 2: Gefreesde tand, middelharde tot halfharde formatie

· 3: Gefreesde tand, harde, schurende formatie

· 5: TCI, zachte tot middelzware formatie

· 6: TCI, middelharde formatie

· 7: TCI, harde, schurende formatie

· 8: TCI, extreem harde, zeer schurende formatie

• Tweede cijfer: Hardheidsgraad van de ondergrond van de formatie (1,4, een hoger getal duidt op een hardere formatie)

· Derde cijfer: Bitstructuurkenmerken

· 4: Afgedicht rollager

· 6: Afgedicht glijlager

· 7: Afgedicht glijlager + bescherming met TCI

· 8: Startboor voor directionele putten

Vereenvoudigd IADC-classificatiesysteem voor rollenconusboren

Mechanisme en bewegingskenmerken van gesteentebreuk

Wanneer een kegelboor met rollen in werking is, vertoont deze drie samengestelde bewegingen:

• Omwenteling: De kegels draaien met de klok mee met het boorlichaam.

• Rotatie: De tanden draaien tegen de klok in rond de as van de kegel.

• Schuifbeweging: Omvat radiale en tangentiële schuifbeweging.

Deze gecombineerde beweging zorgt voor een dubbel rotsbrekend effect:

1. Impactvergruizing: Door het afwisselende contact van enkele en dubbele tanden ontstaat verticale trilling, waardoor een impactbelasting wordt gegenereerd.

2. Afschuifsnijden: Dit wordt bereikt door overhang, offset en een multi-conische geometrie, waardoor het mogelijk is om gesteente af te schuiven.

Bitselectiestrategie en formatie-matching

Basisprincipes voor het selecteren van rollenkegelboren op basis van gesteente-eigenschappen:

• Zachte formaties: Kies boren met een offset, overhang en multi-conus ontwerp; voorzien van hoge, brede, wijd uit elkaar geplaatste gefreesde tanden of TCI.

• Middelharde formaties: Verlaag de offset-, overhang- en multi-cone-waarden; gebruik korte, smalle, dicht bij elkaar geplaatste tanden.

• Harde en schurende formaties: Gebruik een enkelvoudige kegelgeometrie, zonder overhang of offset; voorzie de machine van een bolvormige of conisch-bolvormige TCI.

• Vormingen die gevoelig zijn voor kromme gaten: Kies boren met korte tanden, weinig of geen offset en geen bescherming tegen overbelasting, en kies een boor die iets zachter is dan de werkelijke formatie.

• Afwisselende zachte en harde formaties: Kies de boor op basis van het hardere gesteente en pas de boorparameters dynamisch aan.

Reacties onder speciale voorwaarden:

• Smalle gaten (<177 mm): Gebruik enkelvoudige conische boren, die grotere conussen, tanden en lagers hebben voor een hogere sterkte.

• Directioneel boren: Kies boren met een IADC-nummer van 8 als derde cijfer (speciaal ontworpen afstartboren).

02 Diamantboren: Het ultieme gereedschap voor harde formaties

Diamant heeft de hoogste natuurlijke hardheid (Mohs-hardheid 10, druksterkte tot 8800 MPa, slijtvastheid 9000 keer die van staal). Diamantboren benutten deze eigenschap om het ultieme wapen te worden voor het bewerken van harde gesteenteformaties.

Classificatie en technologische evolutie

Moderne diamantboren worden hoofdzakelijk in drie typen verdeeld:

1. Diamantboren met opbouwmontage

• Diamantdeeltjes zichtbaar op het kroonoppervlak.

• Geschikt voor middelharde tot harde formaties.

• Diamantgrootteclassificatie:

• Zachte formaties: 2 stenen per karaat (ongeveer 4 mm diameter)

• Middelharde formaties: 3-4 stenen per karaat (ongeveer 3,6 mm)

• Harde formaties: 10-15 stenen/karaat (ongeveer 2,0 mm)

2. Geïmpregneerde diamantboren

• Diamanten ingebed in de matrix (60-400 stenen/karaat).

• Geschikt voor zeer harde en schurende gesteenten (vuursteen, siliciumhoudend dolomiet, enz.).

• Zelfslijping bereikt door slijtage van de matrix.

3. PDC-bits (Polycrystalline Diamond Compact)

• Voor het eerst geïntroduceerd door General Electric in 1973.

• Structuur van de snijder: diamantlaag + wolfraamcarbide substraat.

• Toepasselijke gesteenteformaties: zachte tot middelharde homogene gesteenteformaties.

Structuur en belangrijkste ontwerpparameters

Diamantboren hebben een integraal lichaam zonder bewegende onderdelen en bestaan ​​hoofdzakelijk uit:

• Stalen behuizing: Middelmatig koolstofstaal, met schroefdraad aan de bovenkant.

• Matrix: wolframcarbidepoeder + koperhoudend bindmetaal, hardheid HRC 30-45.

• Slijpelementen: Natuurlijke/synthetische diamanten of PDC-slijpers.

• Hydraulisch ontwerp: Sproeiers, waterkanalen (radiaal, spiraalvormig, enz.).

Belangrijkste ontwerpparameters:

• Diamantconcentratie: Aanpassen aan de schurende werking van de formatie – hogere concentratie voor meer schurende formaties.

• Belichtingshoogte:

• Zachte formaties: 1/3 van de diamantdiameter

• Harde formaties: 1/6 tot 1/10 van de diameter van een diamant

• Kroonvorm: Plat (homogene formaties), rond (harde formaties), gekarteld (schurende formaties).

Mechanisme van gesteentebreuk en reactie van de formatie

De manier waarop diamantboren gesteente breken, verandert met de eigenschappen van de formatie:

• Plastische formaties (moddersteen, gips, enz.) – Vergelijkbaar met een “ploegproces”; diamanten dringen door en veroorzaken plastische vervorming van het gesteente.

• Broze formaties (kwartszandsteen, enz.) – Produceert volumetrische breekputten; de grootte van het boorsel is 2-4 keer de diamantblootstelling, zeer efficiënt.

• Harde gesteenten (vuursteen, siliciumhoudend gesteente) – Gebruik geïmpregneerde boren; het breken gebeurt door middel van microsnijden en krassen, vergelijkbaar met slijpen met een slijpschijf.

Voordelen en beperkingen van PDC-bits

Als revolutionair product binnen de familie van diamantboren hebben PDC-boren unieke voordelen:

Structurele kenmerken:

• Stalen PDC-bit: Gemaakt uit één stuk middelmatig koolstofstaal, oppervlaktegehard.

• PDC-boor met matrixlichaam: Bovenlichaam van staal + onderlichaam van wolfraamcarbide – betere prestaties.

Profielontwerp:

• Parabolisch: Zachte formaties, grote vlieghoogte, hoge ROP (Rate of Performance).

• Rond: Geschikt voor boren met een draaitafel, helpt bij het doordringen van harde tussenlagen.

• Conisch: Boren met hoge snelheid, goede penetratie.

Beperkingen:

• Niet geschikt voor grindbedden of formaties met afwisselende zachte en harde lagen.

• Temperatuurlimiet (boven 350 °C versnelt de slijtage; bij 700 °C begeeft de sterkte het).

• Lagere slagvastheid; nieuwe snijbladen zijn gevoelig voor afbrokkeling van de snijkant.

Vergelijking van de toepasbaarheid van diamantboren per formatie

03 Wetenschappelijke selectiegids: Afstemming van formatie- en operationele behoeften

Gouden regels voor de selectie van een rolbeitel

1. Afstemming van de hardheid van de formatie

• Zachte formaties: kies boren met een grote offset, overhang, multi-conus en wigvormige of schepvormige tanden.

• Harde formaties: gebruik een enkele kegel, geen offset, en bolvormige of conisch-bolvormige tanden.

2. Omgaan met schurende eigenschappen

• Voor abrasieve formaties, kies TCI-boren met bescherming tegen slijtage.

• Als de tanden van de buitenste rij afgerond zijn terwijl de binnenste tanden weinig slijtage vertonen, verhoog dan de beschermingsgraad van de volgende boor.

3. Reacties op bijzondere omstandigheden

• Bij formaties die gevoelig zijn voor kromme gaten: kies boren met korte tanden en weinig of geen offset; selecteer een boor die iets zachter is dan de formatie zelf.

• Zachte en harde lagen afgewisseld: selecteer de boor op basis van het hardere gesteente en pas de parameters dynamisch aan.

• Diepe gedeelten: kies stukken met een grote totale lengte om het tijdverlies door struikelen te compenseren.

Strategie voor het selecteren van een diamantboor

1. Wanneer PDC-bits te gebruiken

• Beste toepassing: lange, homogene, zachte tot middelharde formaties (schalie, moddersteen, gips, enz.).

• Verboden toepassingen: grindbedden, vuursteenlagen, formaties met afwisselende zachte en harde gesteentelagen.

• Parameterinstellingen: lage WOB (30-60 kN), hoog toerental (100-300 rpm), hoge doorstroomsnelheid.

2. Wanneer natuurlijke/synthetische diamantboren te gebruiken?

• Harde tot zeer harde gesteenteformaties (graniet, kwartszandsteen, enz.).

• Zeer schurende formaties (vuursteen, kiezelhoudend dolomiet).

• Turboboren, diepe en ultradiepe putten, kernboringen.

3. Bijzondere eisen voor kernboren

• Boorkoppen met rolconus: vierconus (conisch/cilindrisch) of zesconus (volledig rond) ontwerp.

• Diamantboren: de snijbladen moeten symmetrisch geplaatst zijn en een constante slijtvastheid hebben.

• Belangrijkste indicator: de binnendiameter moet concentrisch zijn met de buitendiameter om een ​​elliptische kern te voorkomen.

Diagnose en behandeling van afwijkingen in het boorgat

Het vaststellen van de bedrijfsomstandigheden van de rollenkegelboor:

• Lagerdefect: De cyclische draaitafel stuitert, wat verergert bij een hoog werkvermogen (WOB), het toerental daalt, maar de pompdruk blijft normaal.

• Verloren kegel: Ernstige koppelfluctuatie, gewichtsindicator slingert wild heen en weer, verandering in snaarlengte bij het oppakken.

• Tanden afgesleten: Verminderde belasting van de draaitafel, geen trillingen, scherpe daling van het draaibereik.

Verboden gebruik van diamantboren:

• Het gat aan de onderkant moet schoon zijn voordat u het erin draait; zorg ervoor dat er geen metaalresten in zitten.

• Begin met boren met een lichte boordruk en een laag toerental voor het inboren (0,5 m bodemboring).

• Vermijd ruimen; voer indien nodig een lichte werkdruk, een laag toerental en een stabiele werking uit.

4. Actuele trends en praktijkpunten

Richtingen van technologische innovatie

Hogedrukstraalboortechnologie:

• Maakt gebruik van ultrahogedrukstralen (150-200 MPa) om het breken van gesteente te vergemakkelijken.

• Boorgatversterkers vormen een belangrijk onderzoeksgebied; tests tonen aan dat de boorsnelheid 3 tot 5 keer zo hoog kan worden.

• Technische uitdagingen omvatten onder meer afdichting en transmissie onder ultrahoge druk.

Intelligente bitsystemen:

• Ingebouwde sensoren bewaken de bitstatus in realtime.

• Adaptieve aanpassing van de snijparameters aan veranderingen in de formatie.

• Big data-analyse om de bitselectie te optimaliseren en de levensduur te voorspellen.

Gouden regels in het veld

1. Beslissen wanneer je uit het gat moet komen

• Continue afname van de ROP (in homogene formaties).

• Plotselinge daling van de ROP-waarde met ineffectieve corrigerende maatregelen (verandering in de formatie).

• Sterke koppeltoename gepaard met ROP-daling (beschadiging van de boorkop).

• Plotselinge drukval in de pomp (verlies van sproeier of weggespoelde boorstreng).

2. Maatregelen om de levensduur van de bit te verlengen

• Laat de nieuwe boor inlopen met een lichte boordruk en een laag toerental.

• Gebruik een bitbeschermer (anti-stuiterapparaat).

• Periodieke korte vaartochten om vuil en puin van de bodem van het boorgat te verwijderen.

• Vermijd overmatig draaien op de bodem.

3. Economische analyse

• Bereken de kosten per meter = (kosten boor + kosten boortijd) / strekkende meter.

• Hoewel PDC-boren per stuk duurder zijn, kan een enkele PDC-boor in geschikte formaties 3 tot 5 keer zoveel meters boren als een rollenkegelboor.

• In diepe secties is het raadzaam om stukken met een hoge totale lengte te prioriteren om het tijdverlies door onderbrekingen te compenseren.

De keuze van een boorbeitel is een precieze techniek die wetenschappelijke theorie combineert met praktijkervaring. Rolkegelboren, met hun brede toepasbaarheid, blijven tot op de dag van vandaag het meest voorkomende type boorbeitel. Diamantboren, met name PDC-boren, tonen een ongeëvenaarde efficiëntie in specifieke formaties.

Door het IADC-classificatiesysteem te beheersen, de gesteentebrekende mechanismen van verschillende boren te begrijpen en de lithologie, boorgatconfiguratie en operationele vereisten uitgebreid te evalueren, wordt de perfecte match tussen boor en formatie bereikt. Met de toepassing van ondergrondse sensoren, big data-analyse en kunstmatige intelligentie verschuift de boorkeuze van op ervaring gebaseerde beslissingen naar intelligente, nauwkeurige afstemming, wat continu leidt tot revolutionaire verbeteringen in de boorefficiëntie.

Contactpersoon: Jessie Zhou

Mobiel/WhatsApp: +0086-18109206861

Email: energy@landrilltools.com