Onderzoek naar gereedschappen die de boorsnelheid verhogen

Momenteel worden boormachines die de boorsnelheid verhogen hoofdzakelijk in twee categorieën verdeeld: mechanische en hydraulische machines. Mechanische machines gebruiken het gewicht op de boorbeitel (WOB) om slagkracht te genereren, wat de gesteente-breekefficiëntie in harde formaties effectief verbetert. Er kleven echter problemen aan, zoals sterke trillingen, een hoog energieverbruik en gevoeligheid voor vermoeidheidsschade. Hydraulische machines gebruiken boorvloeistof om slaghamers aan te drijven, waarbij impact, rotatie en waterstraal gecombineerd worden om gesteente te breken. Ze bieden aanzienlijke voordelen, zoals een hogere boorsnelheid (ROP), betere controle van de boorgatafwijking en een langere levensduur van de boorbeitel. Over het algemeen hebben ze echter problemen zoals een enkele slagfrequentie en de moeilijkheid om ze aan te passen aan de behoeften van verschillende formaties.

Impactboortechnologie wordt hoofdzakelijk in drie categorieën verdeeld op basis van de werkingswijze: torsie-impacttechnologie, axiale impacttechnologie en axiaal-torsie gecombineerde impacttechnologie. De essentie van impactboren om de snelheid te verhogen, is het omzetten van de drukenergie van gas of vloeistof in axiale of torsie-impactmechanische energie door middel van een impactor. Deze energie wordt direct op het achterste uiteinde van de boorbeitel overgebracht, waardoor de snijconditie van de boorbeitel verbetert en de gesteentebrekende efficiëntie ervan toeneemt.

Torsie-impactboring is een opkomende technologie die de boorsnelheid de laatste jaren verhoogt. Deze technologie wordt voornamelijk gebruikt om de "stick-slip"-trillingen te verhelpen die worden veroorzaakt door PDC-boren. Tijdens het boren wordt de torsie-impactcilinder aan het uiteinde van de boorkop gemonteerd. Door de interne structuur kan deze de hydraulische energie van de vloeistof omzetten in mechanische torsie-impactenergie. De boorkop breekt het gesteente door de gecombineerde werking van het constante koppel van de boorstreng en het impactkoppel dat door de impactcilinder wordt gegenereerd.

De volgende voorbeelden introduceren twee innovatieve tools.

1. Boorsnelheidsverhogend gereedschap met instelbare slagfrequentie

Het frequentie-instelbare hydraulische boorgereedschap voor snelheidsverhoging heeft een kernstructuur bestaande uit lagers, een onderas, zuigerparen, een slaghamer, een smoormondstuk en andere componenten.

Werkingsprincipe:Het maakt gebruik van het periodieke drukverschil dat ontstaat door de boorvloeistof in de boven- en onderkamer van de slaghamer. Hierdoor beweegt de slaghamer met hoge snelheid heen en weer, waardoor een axiale slagkracht ontstaat die direct op de boorbeitel wordt overgebracht om het gesteente te breken. Het belangrijkste is dat de slagfrequentie van dit gereedschap kan worden aangepast door het aantal symmetrische gaten in het onderste deel van de schacht te wijzigen, waardoor het kan worden afgestemd op de boorbehoeften van verschillende formaties.

Toepassing van een boorsnelheidsverhogend gereedschap met instelbare slagfrequentie

Veldtest in middelharde formatie: Op basis van de optimale impactfrequentie (16 Hz) die door numerieke simulatie is geselecteerd, is dit gereedschap getest in put X1 van het Xinjiang-olieveld. In het formatiegedeelte met sterke abrasie en een lage boorsnelheid (ROP) laat een vergelijking met de aangrenzende put waar een schroefboor werd gebruikt zien dat na gebruik van dit gereedschap de boordiepte per boring met 53% is toegenomen en de mechanische ROP met 27,0%. Dit resulteert in een effectieve vermindering van het aantal boorbeurten en een verkorting van de bouwtijd.

Veldtest in harde formatie: Op basis van de optimale impactfrequentie (18 Hz) die door numerieke simulatie is geselecteerd, is dit gereedschap getest in de Carboon-andesiet- en basaltformaties met slechte boorbaarheid in put X3 van het Xinjiang-olieveld.

Conclusie: De resultaten tonen aan dat na gebruik van dit gereedschap de mechanische boorsnelheid (ROP) significant met 103,2% is toegenomen ten opzichte van aangrenzende putten. Dit bewijst dat het de boorefficiëntie aanzienlijk kan verbeteren en de boorcyclus in verschillende formaties kan verkorten.

2. Ontwerp van een composiet gereedschap voor het verhogen van de boorsnelheid bij impactboren

Er is een hydraulisch torsie-impactmechanisme ontworpen, waarvan de kern uit drie onderdelen bestaat: een stroomverdeelmechanisme, een omkeermechanisme en een impactmechanisme.

Bewegingsproces: Aanvankelijk (toestand a) stroomt hogedrukvloeistof via het linker stroomkanaal van de omkeerklepkern de linker holte van de hydraulische hamer binnen. Hierdoor draaien de hydraulische hamer en de klepkern samen met de klok mee totdat de hydraulische hamer de zitting raakt (toestand b). Na de impact stroomt de hogedrukvloeistof via het rechter regelkanaal de rechter holte binnen, gevormd door de hydraulische hamer en de klepkern. Hierdoor draait de klepkern verder met de klok mee naar de omkeerpositie (toestand c). Vervolgens schakelt de hogedrukvloeistof over naar het rechter stroomkanaal en stroomt de rechter holte van de hydraulische hamer binnen, waardoor de hydraulische hamer en de klepkern tegen de klok in draaien (toestand c). Totdat de hydraulische hamer de zitting opnieuw raakt (toestand d), stroomt de hogedrukvloeistof via het linker regelkanaal de linker holte binnen. Hierdoor draait de klepkern tegen de klok in, waardoor de omkeerpositie wordt bereikt en de vloeistof terugkeert naar de begintoestand (toestand a). Deze cyclus herhaalt zich, waardoor een hoogfrequente heen-en-weergaande torsiebeweging ontstaat door de continue omkeerbeweging en impact die door de vloeistof wordt veroorzaakt.

Werkingsprincipe:Nadat de vloeistof (modder) via de bovenste verbinding en de geleidingsbuis in de stroomverdeelhuls is gestroomd, wordt deze verdeeld over het omkeermechanisme en het slagmechanisme. De twee vloeistofstromen worden gescheiden door de stroomverdeelplaat. Vervolgens stroomt de vloeistof door het mondstuk in de doorn, waardoor er hoge- en lagedrukzones ontstaan. De kern van de omkeerklep roteert onder invloed van het drukverschil, waardoor de linker- en rechterholtes van de hydraulische hamer afwisselend verbinding maken met de hoge- en lagedrukzones. Hierdoor beweegt de hydraulische hamer heen en weer en slaat tegen de hamerzitting onder invloed van het drukverschil, waardoor een hoogfrequente heen-en-weergaande torsieslag ontstaat.

1-Bovenste sub; 2-Buitenmantel; 3-Geleidingsbuis; 4-Stroomverdeelhuls; 5-Stroomverdeelplaat; 6-Bout; 7-Bovenste steunring; 8-Zitting hydraulische hamer; 9-Hydraulische hamer; 10-Kern van omkeerklep; 11-Onderste steunring; 12-Doorn; 13-Onderste sub;

Schematisch diagram van de structuur van het torsie-impactmechanisme

Bewegingsproces van het torsie-impactmechanisme

Er is een axiaal impactmechanisme ontworpen. Hydraulische axiale impactoren worden hoofdzakelijk onderverdeeld in twee typen: met klep en zonder klep. De interne structuur van impactoren met klep is complex en hun betrouwbaarheid is laag; het type zonder klep omvat hoofdzakelijk straal- en straalzuigtypen, waarbij het straaltype een korte levensduur heeft. De hydraulische straalzuigimpactor heeft een eenvoudige structuur, realiseert impact door middel van straalaanzuiging en waterslagoscillatie, heeft weinig interne bewegende onderdelen en geen kwetsbare onderdelen, en kan zich beter aanpassen aan complexe omstandigheden in het boorgat.

1-Bovenste sproeierzitting; 2-Bovenste sproeier; 3-Bovenste klep; 4-Bovenste klephuls; 5-Secundaire sproeier; 6-Axiale buitenbehuizing; 7-Steunhuls; 8-Slaghamer; 9-Hamerkop; 10-Hamerzitting; 11-Beschermkap; 12-Zeshoekig scharnier. Werkingsprincipe van het axiale slagmechanisme.

Vorming van de initiële stroming en het drukverschil: Een hogedrukvloeistof vormt een hogesnelheidsstraal door het bovenste mondstuk. Door de gecombineerde werking van de straalaanzuiging en het smooreffect ontstaan ​​drukverschillen in de bovenste en onderste kamers van de bovenste klep, evenals tussen de buitenste bovenste kamer van de slaghamer en het onderste uiteinde van de hamerkop.

Opwaartse beweging van componenten en afdichting van het stroomkanaal: Door de respectievelijke drukverschillen beweegt de bovenste klep omhoog, en de slagcomponenten (secundaire sproeier, slaghamer en hamerkop) bewegen eveneens omhoog totdat de secundaire sproeier de bovenste klep raakt en het stroomkanaal afdicht.

Waterhamervorming en gezamenlijke neerwaartse beweging: De plotselinge afsluiting van het stroomkanaal veroorzaakt waterhamertrillingen, waardoor de druk in de kamer sterk stijgt en de bovenste klep en de impactcomponenten samen met een versnelling naar beneden worden gedrukt.

Inertie-impact en cyclusherstel: Nadat de bovenste klep naar de onderste eindpositie is bewogen, blijven de impactcomponenten door inertie naar beneden bewegen en raken uiteindelijk de hamerzitting, waarmee de axiale impact is voltooid. Na de impact keert het stromingskanaal terug naar een gladde toestand en reset het mechanisme zich onder invloed van het boorgewicht (WOB), waarna de volgende cyclus begint.

Contact:Jessie Zhou

Mobiel/WhatsApp:+0086-18109206861
E-mail:energy@landrilltools.com