Công nghệ khoan và sản xuất | Các công cụ tăng tốc độ khoan là gì? Làm thế nào để nâng cao hiệu quả khoan và giảm chi phí một cách hiệu quả?

1Khả năng chịu nhiệt cao – Độ dày thành tương đương – Tốc độ khoan vít – Công nghệ tiên tiến

Vít khoan chịu nhiệt độ cao, thành dày đồng đều là một công cụ tăng tốc độ được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu về hiệu suất cao và độ tin cậy cao trong ngành khoan. Trong quá trình sử dụng các loại vít khoan truyền thống, do môi trường nhiệt độ cao và điều kiện làm việc phức tạp, thường xảy ra hiện tượng mài mòn và hư hỏng do mỏi nghiêm trọng, dẫn đến giảm hiệu quả khoan. Tuy nhiên, vít khoan chịu nhiệt độ cao, thành dày đồng đều có khả năng chịu nhiệt độ cao tuyệt vời, có thể duy trì các đặc tính cơ học ổn định trong môi trường nhiệt độ cao, giảm thiểu hư hỏng thiết bị do nhiệt độ cao gây ra, từ đó nâng cao tốc độ khoan.

1.1 Nguyên lý kỹ thuật

Động cơ khoan giếng trực tiếp dẫn động mũi khoan để phá đá và khoan, giúp truyền tải năng lượng đến mũi khoan hiệu quả hơn, giảm tổn thất năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất làm việc của dụng cụ khoan giếng. Điều này là do động cơ trực tiếp dẫn động mũi khoan, giúp tránh tổn thất năng lượng do hệ thống truyền động gây ra, nhờ đó năng lượng được sử dụng nhiều hơn cho việc khoan phá đá, cải thiện tốc độ và hiệu quả khoan. Để nâng cao hơn nữa khả năng chịu nhiệt độ cao của thiết bị, vít có thành dày đều chịu nhiệt độ cao sử dụng một số vật liệu chịu nhiệt độ cao đặc biệt và công nghệ xử lý bề mặt. Ví dụ, thép hợp kim cao được sử dụng làm vật liệu chính, hoặc bề mặt thiết bị được xử lý nhiệt hoặc phủ lớp để cải thiện khả năng chịu nhiệt độ cao. Do stato sử dụng vỏ thép đúc sẵn với hình dạng mặt cắt ngang cụ thể, sau đó được bơm keo để tạo thành một lớp cao su mỏng và đều, động cơ có mô-men xoắn đầu ra lớn hơn và có thể thích ứng với nhiều điều kiện địa chất phức tạp. Cấu trúc này làm cho khe hở giữa stato và rôto của động cơ nhỏ hơn, do đó giảm ma sát và mài mòn, cải thiện tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị. Công cụ này cũng sử dụng cơ cấu khóa cơ khí hoặc giảm ma sát để cải thiện độ chính xác và độ ổn định khi quay của thiết bị, đồng thời tránh tình trạng giảm hiệu suất khoan do rung động hoặc lệch tâm của vít.

1.2 Phân tích khả năng thích ứng

Về mặt hiệu năng, vít có độ dày thành bằng nhau, chịu nhiệt độ cao.dụng cụ khoanKhông chỉ sở hữu tất cả các đặc điểm của động cơ vít thông thường, mà còn có đặc điểm mô-men xoắn lớn, khởi động dễ dàng và khả năng chịu quá tải cao, làm cho nó phù hợp hơn cho các hoạt động khoan trong các tầng địa chất sâu và nhiệt độ cao. Bằng cách sử dụng vít thẳng với dụng cụ khoan con lắc nhỏ trong các tầng địa chất có độ dốc cao, có thể đạt được tốc độ khoan cao với áp suất khoan thấp, và đạt được hiệu quả đáng kể trong việc giảm thiểu và ngăn ngừa lệch hướng. Đồng thời, thiết kế vít thẳng cũng có thể cung cấp lực đỡ ổn định để ngăn mũi khoan bị lệch hướng trong các tầng địa chất có độ dốc cao, từ đó cải thiện tính ổn định của quá trình khoan. Cả nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế đều cho thấy công nghệ khoan nhanh sử dụng vít có thành đều chịu nhiệt độ cao có thể làm tăng đáng kể tốc độ quay của mũi khoan ở đáy giếng, thích ứng với môi trường nhiệt độ cao dưới lòng đất và tối ưu hóa hiệu quả việc kiểm soát chất lượng giếng khoan. Đồng thời, nó cũng có thể giảm tải trọng truyền động trên đỉnh và mô-men xoắn của dụng cụ khoan, và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ khoan. So với cụm dụng cụ khoan PDC thông thường, phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả khoan và cho thấy hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tổng thể vượt trội.

2Tuabin + Mũi khoan kim cương tẩm – Công nghệ tiên tiến

Máy khoan tuabin là một dụng cụ điện dưới lòng đất có khả năng chuyển đổi năng lượng thủy lực của chất lỏng thành năng lượng cơ học quay, từ đó làm cho mũi khoan quay và va đập, giúp khoan nhanh và hiệu quả. Nó chủ yếu bao gồm ba phần: phần tuabin, trục vạn năng và trục truyền động. Mũi khoan kim cương tẩm là một loại mũi khoan kim cương. Ma trận của nó được tạo ra bằng cách thiêu kết các hạt kim cương đa tinh thể ở bên ngoài ma trận, làm cho mũi khoan có khả năng mài mòn cao hơn. Ma trận có chiều cao nhất định, đường kính ngoài lớn hơn một chút so với đường kính ngoài của thân mũi khoan, và đường kính trong nhỏ hơn một chút so với đường kính trong của thân mũi khoan. Mặt ngoài, mặt trong và đáy của ma trận đều có các rãnh nước để thoát vụn đá và làm mát mũi khoan thông qua chất lỏng rửa. Ma trận có độ bền nén và va đập tốt, cũng như độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Máy khoan tuabin và mũi khoan kim cương tẩm là những dụng cụ quan trọng trong quá trình khoan dầu khí, và việc sử dụng kết hợp chúng có thể cùng nhau nâng cao hiệu quả và chất lượng khoan.

2.1 Nguyên lý kỹ thuật

Bộ phận tuabin là thành phần cốt lõi của máy khoan tuabin, bao gồm các stato và rôto tuabin, ổ trục định tâm, trục chính và vỏ máy. Nó có khả năng chuyển đổi năng lượng chất lỏng của dung dịch khoan thành năng lượng cơ học để làm quay trục chính. Cấu trúc bên trong của nó bao gồm nhiều tầng stato và rôto ghép đôi. Khi dung dịch khoan đi vào stato dọc theo dụng cụ khoan, stato sẽ dẫn hướng dung dịch khoan theo một hướng và tốc độ nhất định, sau đó đi vào rôto. Trong rôto, dung dịch khoan sẽ tác động vào các cánh quạt để tạo ra sự chênh lệch áp suất nhất định, làm cho rôto quay. Thông qua cơ chế này, năng lượng của dung dịch khoan được chuyển đổi thành năng lượng cơ học để làm quay trục tuabin.

Phương pháp phá đá chính của mũi khoan kim cương tẩm là phá đá bằng mài mòn, tức là sử dụng các hạt kim cương để liên tục mài, cào và làm mòn đá dưới tác động của lực dọc trục và mô-men xoắn, nhằm đạt được mục đích phá vỡ đá. Mũi khoan kim cương chủ yếu sử dụng phương pháp phá đá này có khả năng chống mài mòn cao, có thể xử lý hiệu quả các loại đá có độ mài mòn cao trong các tầng đá cứng - cực cứng, và nâng cao hiệu quả khoan cũng như tuổi thọ của mũi khoan.

2.2 Phân tích khả năng thích ứng

Máy khoan tuabin kết hợp mũi khoan kim cương tẩm sử dụng cấu trúc hoàn toàn bằng kim loại, có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn và hiệu quả khoan ổn định hơn, cho phép hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường khắc nghiệt. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hoạt động khoan giếng sâu và giếng siêu sâu. Sự kết hợp công cụ này có hiệu suất cân bằng trục tuyệt vời, có thể giảm rung động ngang, tạo ra quỹ đạo giếng khoan trơn tru, giảm hư hại thành giếng, do đó bảo vệ mũi khoan và các dụng cụ dưới giếng khác, và có lợi cho các hoạt động tiếp theo. Do đặc tính quay tốc độ cao của máy khoan tuabin, sự kết hợp giữa mũi khoan kim cương tẩm và tuabin tốc độ cao có thể đạt hiệu quả khoan cực cao trong các tầng địa chất sâu có độ cứng cao và khả năng mài mòn mạnh, và cải thiện đáng kể năng lực khoan.

3Tốc độ khoan bằng máy khoan búa momen xoắn – Công nghệ tiên tiến

Máy tạo momen xoắn là một dụng cụ cơ khí thuần túy chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ phá đá cho mũi khoan PDC. Dụng cụ này tạo ra sự giảm áp suất thông qua vòi phun có lưu lượng thay đổi, tạo thành vùng áp suất cao và vùng áp suất thấp bên trong. Khi chênh lệch áp suất tác động lên dụng cụ, kênh dẫn dòng sẽ chuyển đổi để làm cho búa tạo momen xoắn và búa khởi động bên trong dụng cụ quay ngược chiều nhau với tốc độ cao. Búa tạo momen xoắn liên tục tác động lên bề mặt cần khoan, từ đó truyền lực tác động đến mũi khoan, tạo thành momen xoắn xung tần số cao. Nó khéo léo chuyển đổi năng lượng chất lỏng của dung dịch khoan thành năng lượng tác động cơ học xoắn, tần số cao, đồng đều và ổn định, rồi truyền trực tiếp đến mũi khoan PDC, giữ cho mũi khoan và đáy giếng luôn được duy trì liên tục.

3.1 Nguyên lý kỹ thuật

Lực tác động ổn định tần số cao từ 750 lần/phút đến 1500 lần/phút do bộ tạo momen xoắn cung cấp tương đương với việc cắt địa tầng nhiều lần mỗi phút. Điều này cho phép mũi khoan cắt địa tầng mà không cần chờ momen xoắn tích lũy đủ năng lượng, hoàn toàn thay đổi trạng thái hoạt động của mũi khoan. Lúc này, mũi khoan chịu tác động của hai lực cắt địa tầng: một là momen xoắn do bàn xoay cung cấp, và hai là lực tác động do bộ tạo momen xoắn cung cấp. Hai lực này được truyền trực tiếp đến mũi khoan, nhờ đó momen xoắn truyền qua ống khoan có thể được sử dụng tối đa để cắt địa tầng mà không bị lãng phí. Sự kết hợp giữa momen xoắn và lực tác động này không chỉ giúp cải thiện đáng kể tốc độ khoan mà còn giảm thiểu hoặc loại bỏ hiệu quả rung động có hại của mũi khoan trong quá trình khoan địa tầng cứng, bảo vệ mũi khoan, kéo dài tuổi thọ của mũi khoan, đồng thời giảm độ bền mỏi của các dụng cụ khoan khác. Hình 1 thể hiện trạng thái ứng suất của chuỗi khoan dưới giếng của dụng cụ khoan thông thường và bộ tạo momen xoắn.

3.2 Phân tích khả năng thích ứng

Là một dụng cụ khoan tiên tiến, máy khoan búa momen xoắn có cấu trúc cơ khí bên trong hợp lý, không có bộ phận cao su và linh kiện điện tử, và có rất ít bộ phận. Ngay cả khi bị hỏng, nó chỉ tương đương với một mũi khoan phụ quay liên tục cùng với mũi khoan PDC mà không ảnh hưởng đến quá trình khoan liên tục, và không cần phải ngắt máy khoan, do đó nó có độ tin cậy cao. Máy khoan búa momen xoắn phù hợp với nhiều địa tầng phức tạp, đặc biệt là các địa tầng đá magma có độ mài mòn cao và khả năng khoan kém. Đồng thời, dụng cụ này dễ vận hành. Khi sử dụng máy khoan búa momen xoắn, chỉ cần kết nối trực tiếp với dụng cụ khoan quay hoặc khoan định hướng, rất đơn giản và thuận tiện khi sử dụng.

4Máy va đập hỗn hợp

Máy khoan va đập hỗn hợp là một thiết bị khoan tiên tiến được thiết kế với bộ chuyển đổi năng lượng bên trong, có khả năng chuyển đổi năng lượng chất lỏng của dung dịch khoan thành năng lượng va đập xung, từ đó tạo ra lực va đập chu vi và trục tần số cao ổn định. Phương pháp làm việc này cải thiện đáng kể hiệu quả phá đá của mũi khoan, giải quyết hiệu quả các vấn đề trượt dính và giữ áp suất trong quá trình khoan, từ đó đạt được mục tiêu tăng tốc độ. Máy khoan va đập hỗn hợp không chỉ có đặc tính và ưu điểm của máy khoan va đập mô-men xoắn mà còn kết hợp một cách sáng tạo chức năng va đập trục..

máy va đập hỗn hợp

4.1 Nguyên lý kỹ thuật

Cấu trúc bên trong của bộ va đập hỗn hợp được cấu tạo từ các máy móc kim loại nguyên chất. Nó chuyển đổi năng lượng chất lỏng của dung dịch khoan thành năng lượng va đập theo chu vi và trục với tần số cao và ổn định thông qua cơ chế đảo chiều. Trong quá trình khoan của bộ dụng cụ khoan thông thường, sau khi mũi khoan PDC đi vào tầng địa chất, sự tích lũy năng lượng của dụng cụ khoan phía trên cần phải vượt quá một giá trị tới hạn nhất định để bắt đầu phá vỡ đá bằng lực cắt. Ngược lại, bộ va đập hỗn hợp chuyển đổi năng lượng chất lỏng của dung dịch khoan thành năng lượng va đập, cung cấp lực va đập ổn định và tần số cao cho mũi khoan. Bằng cách này, ứng suất phá đá có thể nhanh chóng đạt đến ứng suất tới hạn để cắt tầng địa chất, cải thiện đáng kể hiệu quả cắt của mũi khoan PDC. Đồng thời, do giảm sự dao động của ứng suất và mô-men xoắn phá đá, nó có lợi cho mũi khoan thực hiện việc cắt đồng đều ở đáy giếng, loại bỏ ứng suất cực cao tức thời trên mũi khoan PDC như trong các dụng cụ khoan thông thường. Do đó, ứng suất tác động lên mũi khoan trở nên đồng đều và ổn định hơn, nhờ vậy kéo dài tuổi thọ của mũi khoan PDC và tăng chiều dài làm việc của một mũi khoan duy nhất.

4.2 Phân tích khả năng thích ứng

So với máy khoan búa kiểu momen xoắn, máy khoan búa kiểu phức hợp làm tăng năng lượng va đập theo chiều dọc. Về lý thuyết, hiệu quả phá đá của nó cao hơn và phù hợp hơn khi sử dụng trong các tầng đá cứng. Với cùng kích thước, áp suất khoan tối ưu của máy khoan búa kiểu phức hợp cao hơn một chút so với máy khoan búa kiểu momen xoắn. ​​Đối với máy khoan búa kiểu phức hợp, mũi khoan cần có khả năng chịu va đập tốt hơn, và có các răng giảm chấn được phân bố bên cạnh các răng cắt chính của mũi khoan, giúp bảo vệ mũi khoan hiệu quả. Khi khoan trong các tầng đá cứng và đá có độ mài mòn cao, việc lựa chọn mũi khoan PDC dòng HPM có thể đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa tốc độ khoan và chiều dài khoan.

5Kết luận và triển vọng

Bài viết này nghiên cứu và giới thiệu các dụng cụ tăng tốc độ khoan thông dụng. Thông qua phân tích nguyên lý, đặc điểm và phạm vi ứng dụng của các dụng cụ này, kết quả cho thấy các loại dụng cụ tăng tốc độ khoan khác nhau phù hợp với các điều kiện địa chất và yêu cầu khoan khác nhau. Đồng thời, do chi phí sử dụng khác nhau của các dụng cụ, việc lựa chọn dụng cụ tăng tốc độ khoan cũng cần được xem xét từ góc độ kinh tế.

Đối với nghiên cứu trong tương lai, cần thực hiện theo các khía cạnh sau: nghiên cứu sâu hơn cơ chế hoạt động của các công cụ tăng tốc độ khoan, tối ưu hóa thiết kế công cụ và nâng cao khả năng thích ứng cũng như hiệu quả của chúng; kết hợp các công nghệ như trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn để hiện thực hóa việc giám sát từ xa và thông minh các công cụ tăng tốc độ khoan, từ đó nâng cao an toàn và hiệu quả của các hoạt động khoan; mở rộng ứng dụng các công cụ tăng tốc độ khoan trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như giếng nước, giếng khí và giếng địa nhiệt, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội.

Liên hệ: Jessie Zhou

Di động/WhatsApp: +0086-18109206861
E-mail:landrill@landrilltools.com
Trang web:www.landrilltools.com