مناقشة حول تحسين أداء لقمة الحفر PDC لتحقيق زيادة في سرعة الحفر
في هندسة الحفر، يعد إطلاق العنان لأقصى تأثير لقم الثقب PDC (مركب الماس متعدد البلورات) أحد الطرق الرئيسية لتحسين كفاءة الحفر. سوف تستكشف هذه الورقة بعمق العوامل المباشرة التي تؤثر على زيادة سرعة الحفر لقم الثقب PDC، وتحلل العلاقة بين ضغط الحفر العالي وسرعة الدوران العالية وكثافة الأسنان على سرعة الحفر وتآكل لقم الثقب PDC لاستكشاف أسباب الفشل المبكر لقم الثقب PDC وآلية تآكلها.
أظهرت الدراسات النظرية أن ضغط الحفر (أي عمق اختراق لقمة الحفر) وسرعة الدوران هما أكثر العوامل المباشرة التي تؤثر على سرعة الحفر الميكانيكية لقمة الحفر، وعادة ما تكون هناك علاقة خطية بين الاثنين وسرعة الحفر الميكانيكية. ومع ذلك، في التطبيقات الفعلية، غالبًا ما تحدث استجابات غير خطية بين ضغط الحفر وسرعة الحفر الميكانيكية. غالبًا ما يعزو الفنيون الميدانيون ذلك إلى فشل لقمة الحفر أو عوامل التكوين، ولكن في الواقع السبب هو عوامل "غير طبيعية" تحدث أثناء الحفر.
وتشمل هذه العوامل:
1. تشمل العوامل التي تؤثر بشكل مباشر على أداء لقمة الحفر الاهتزازات المحورية والالتوائية والجانبية لقمة الحفر (الدوامة، انزلاق العصا-، قفز الحفر، وما إلى ذلك)، سوء تنظيف القاع، والتعبئة الطينية لأسنان القطع أو لقمة الحفر، وعدم تجانس التكوين، وعدم التطابق بين طريقة تكسير الصخور وعلم التكوين الصخري.
2.تتضمن العوامل غير - التي تؤثر على مدخلات طاقة الحفر البنية الجيولوجية المعقدة التي تحد من استخدام أدوات الحفر الكهربائية في قاع البئر، وتأثير انبعاج الأنابيب في قاع البئر، والحد الالتوائي المنخفض للمحرك العلوي والأدوات، وزاوية ميل البئر الكبيرة التي تتطلب ضغطًا ورفعًا خفيفين، وجمع إشارات MWD وغيرها من الأدوات، ومشاكل حمل الصخور ودعم الضغط في المقاطع الأفقية الطويلة.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 كيلو نيوتن)، تم تحسين سرعة الحفر لقم الثقب PDC بشكل ملحوظ دون زيادة التآكل. تتعارض هذه النتيجة مع مبدأ استخدام لقمة الحفر PDC "ضغط الحفر المنخفض والسرعة العالية" الذي التزم به فنيو الحفر الصينيون منذ فترة طويلة. تم التحقق من الاستنتاج القائل بأنه "كلما زاد ضغط الحفر، قل تآكل لقمة الحفر" من خلال اختبار الطحن الرطب لمخرطة البرج العمودي لقطع الجرانيت (اختبار VTL). تظهر نتائج الاختبار أنه في ظل نفس معلمات القطع، كلما زاد عمق اختراق أسنان القطع PDC (التي تمثل ضغط الحفر الأعلى)، قل حجم التآكل، مما يثبت صحة الاستدلال.
1. عندما تكون لقمة الحفر PDC في حالة كسر الصخور بكفاءة، فإن زيادة ضغط الحفر يمكن أن تقلل من تآكل لقمة الحفر.
2. "ريشة الحفر PDC + ضغط الحفر العالي" مع أدوات الحفر الكهربائية في قاع البئر (مثل مسامير عزم الدوران العالية، وما إلى ذلك) يمكن أن تزيد بشكل فعال من سرعة الحفر الميكانيكية وتقليل تآكل لقمة الحفر.
3. في التكوينات الصخرية الصلبة (مثل الجرانيت)، لا تزال سرعة الحفر الميكانيكية لقمة الحفر PDC وضغط الحفر تحافظ على علاقة خطية، ويمكن أن تؤدي زيادة ضغط الحفر إلى إبطاء تآكل لقمة الحفر بشكل فعال.
4. إن التنفيذ المحدد لـ "ريشة الحفر PDC + ضغط الحفر العالي" محدود بظروف الحفر الفعلية، ولكن يمكن حلها عن طريق تكنولوجيا ومعدات الحفر المتقدمة.
تمت دراسة العلاقة بين سرعة الدوران وتآكل قطع PDC باستخدام اختبار VTL (قطع الجرانيت PDC). أظهرت نتائج الاختبار أن حجم تآكل قواطع PDC يزداد مع زيادة السرعة الخطية (سرعة الدوران)، وعندما تتجاوز السرعة الخطية عتبة معينة، لم يعد حجم تآكل القواطع مرتبطًا خطيًا بمسافة السفر، ويزيد معدل التآكل بشكل ملحوظ. توصلت الأبحاث التي أجرتها شركة National Oilwell Corporation إلى أنه في ظل ظروف "السرعة العالية والقطع المنخفض-"، سترتفع درجة حرارة القواطع بسرعة، مما يؤدي إلى تآكلها وفشلها خلال مسافة سفر قصيرة جدًا. ومع ذلك، فإن الجودة الحالية لقواطع PDC يمكن أن تلبي بشكل كامل احتياجات الحفر طويل الأمد والفعال-في معظم التكوينات بسرعة عالية تبلغ 400-500 دورة/دقيقة. أصبحت أدوات الحفر الكهربائية عالية السرعة المزودة بلقم الثقب PDC أيضًا خيارًا شائعًا للحفر الخارجي. ولهذا السبب، تم اقتراح حل تكنولوجي ثلاثي-عالي السرعة- يتمثل في "ضغط الحفر العالي + السرعة العالية + لقمة الثقب PDC ذات الكثافة العالية للأسنان". أثبتت الاختبارات الميدانية أن هذا الحل قد أدى إلى تحسين كبير في لقطات الحفر أحادية الرحلة وسرعة الحفر الميكانيكية لقم الثقب PDC.
من أجل استكشاف العلاقة بين كثافة أسنان لقمة الحفر (عدد الشفرات، حجم أسنان القطع) ومعدل الاختراق الميكانيكي، تم إجراء اختبار ميداني في كتلة Luojia في حقل Shengli للنفط. أظهرت النتائج أن القطعة المركبة φ19.0 مم ذات الأربع-شفرة SK419-YS PDC ذات أقل معدل اختراق ميكانيكي، في حين أن القطعة المركبة φ19.0 مم ذات الخمس-شفرة SK519-YS PDC كان أداؤها أفضل. كان أعلى معدل اختراق ميكانيكي هو لقمة الحفر SK522-YS PDC ذات الخمس شفرات للقطعة المركبة φ22.0 مم، والتي اعتمدت تصميمًا كبيرًا لتسريع القطع السريع.
1. يمكن تحقيق مزايا لقمة الحفر "الشفرات القليلة والشفرات الكبيرة" بشكل كامل من خلال تحسين معلمات الحفر.
2. طالما تم توفير ما يكفي من ضغط الحفر وعزم الدوران وضغط المضخة والإزاحة لضمان التوازن الديناميكي لـ "الأكل والقطع والتفريغ في الوقت المناسب"، فحتى لقمة الحفر PDC ذات الكثافة - ذات الأسنان العالية مع "شفرات متعددة وأسنان صغيرة" يمكن أن تحقق الحفر الأمثل والسريع لقمة الحفر ذات الكثافة العالية - ذات الأسنان
استنادًا إلى جهاز اختبار VTL، تم إجراء اختبارات داخلية على أسطوانات كتلة الماس متعددة البلورات النانوية (NPD) مقاس φ6.0 مم. أظهرت النتائج أن NPD ينكسر بسرعة بعد ملامسته للجرانيت، وكان الكسر سلسًا نسبيًا. بالمقارنة مع قواطع PDC، على الرغم من أن NPD يتمتع بصلابة عالية (NPD لديه صلابة تبلغ 130-140 GPa، بينما تتمتع قواطع PDC بصلابة تتراوح بين 50-70 GPa فقط)، إلا أن NPD يتمتع بمقاومة ضعيفة للصدمات ولا يزال من الصعب تلبية المتطلبات الأعلى للحفر وتكسير الصخور. لذلك، لا يمكن لمواد تكسير الصخور المستخدمة في التنقيب عن النفط والغاز أن تسعى بشكل أعمى إلى تحقيق صلابة عالية جدًا، ولكن يجب أن تسعى إلى تحقيق أفضل توازن بين الصلابة والمتانة، ويجب تحسين المستوى الفني لقوة المواد وتكامل المتانة بشكل مستمر.
تمت دراسة تأثير إزالة الكوبالت على مقاومة التآكل ومقاومة الصدمات لقواطع PDC باستخدام اختبارات VTL. أظهرت النتائج أن مقاومة التآكل والثبات الحراري لقواطع PDC قد تم تحسينها بشكل فعال بعد عملية فصل الكوبالت، لكن مقاومة الصدمات لقواطع PDC منزوعة الكوبالت تكون ضعيفة نسبيًا. يعتمد التآكل السريع لقواطع PDC على شرطين: الأول هو أن القواطع لها حواف طحن كبيرة وأن حواف الطحن قد دخلت المنطقة غير -المنقوعة من الكوبالت؛ والآخر هو أن الحرارة الناتجة عن الاحتكاك بين حواف الطحن والصخور كافية. يوصى باستخدام تحسين معامل الحفر (زيادة ضغط الحفر، زيادة الإزاحة، وما إلى ذلك) في المرحلة الأولية لقواطع PDC التي تدخل البئر لتقصير مسافة السفر المطلوبة للحصول على نفس اللقطات، ولتفريغ القطع وحرارة الاحتكاك في الوقت المناسب، وبالتالي إبطاء تآكل القواطع.
وباختصار يمكننا استخلاص الاستنتاجات التالية:
1. زيادة ضغط الحفر يمكن أن يؤدي إلى زيادة سرعة الحفر.
2. تحسين معلمة الحفر مناسب لزيادة سرعة الصخور الصلبة.
3. زيادة سرعة الدوران ستزيد من سرعة الحفر الميكانيكية لقمة الحفر.
4. تعد كثافة الأسنان (عدد الشفرات، وحجم القاطع، وتباعد الأسنان، وما إلى ذلك) أحد العوامل التي تؤثر على سرعة الحفر الميكانيكي لقم الثقب PDC، ولكنها ليست عاملاً مباشرًا.
5.في الوقت الحاضر، تعتبر مقاومة التآكل لقواطع PDC جيدة بما يكفي لضمان الحفر على المدى الطويل-لقم الثقب في التكوينات الصخرية الصلبة المتجانسة مثل الحجر الرملي والجرانيت.
6. عند الحفر في التكوينات العامة، لا تحتاج قواطع PDC إلى تفكيك الكوبالت أو تحتاج فقط إلى تفكيك معتدل للكوبالت. بالنسبة للتكوينات شديدة الكشط، يوصى باستخدام قواطع PDC ذات ثبات حراري جيد ومقاومة تآكل قوية وتفكيك عميق للكوبالت.
