Nghiên cứu về các công cụ tăng tốc độ khoan

Hiện nay, các công cụ tăng tốc độ khoan chủ yếu được chia thành hai loại: cơ khí và thủy lực. Công cụ cơ khí sử dụng trọng lượng tác dụng lên mũi khoan (WOB) để tạo lực va đập, giúp cải thiện hiệu quả phá đá trong các tầng đá cứng, nhưng lại có những vấn đề như rung động mạnh, tiêu hao năng lượng cao và dễ bị hư hỏng do mỏi. Công cụ thủy lực sử dụng dung dịch khoan để dẫn động búa va đập, kết hợp va đập, quay và phun tia để phá đá. Chúng có những ưu điểm đáng kể trong việc tăng tốc độ khoan (ROP), kiểm soát độ lệch giếng và kéo dài tuổi thọ mũi khoan, nhưng nhìn chung lại gặp các vấn đề như tần số va đập đơn lẻ và khó thích ứng với nhu cầu của các tầng đá khác nhau.

Công nghệ khoan va đập chủ yếu được chia thành ba loại theo phương thức hoạt động: công nghệ va đập xoắn, công nghệ va đập trục và công nghệ va đập kết hợp trục-xoắn. ​​Bản chất của việc khoan va đập để tăng tốc độ là chuyển đổi năng lượng áp suất của khí hoặc chất lỏng thành năng lượng cơ học va đập trục hoặc xoắn thông qua một bộ phận va đập, được tác dụng trực tiếp vào đầu sau của mũi khoan, cải thiện điều kiện cắt của mũi khoan và tăng hiệu quả phá đá của mũi khoan.

Công nghệ khoan va đập xoắn là một công nghệ mới nổi giúp tăng tốc độ khoan trong những năm gần đây, chủ yếu được sử dụng để giải quyết hiện tượng rung "trượt dính" do mũi khoan PDC tạo ra. Khi sử dụng, bộ phận va đập xoắn được lắp đặt ở đầu sau của mũi khoan. Thông qua thiết kế cấu trúc bên trong, nó có thể chuyển đổi năng lượng thủy lực của chất lỏng thành năng lượng cơ học va đập xoắn. ​​Mũi khoan phá vỡ đá dưới tác động kết hợp của mô-men xoắn ổn định của cần khoan và mô-men xoắn va đập do bộ phận va đập tạo ra.

Các ví dụ sau đây giới thiệu hai công cụ sáng tạo.

1. Dụng cụ tăng tốc độ khoan với tần số va đập có thể điều chỉnh

Dụng cụ tăng tốc khoan thủy lực điều chỉnh tần số có cấu trúc va đập cốt lõi bao gồm các ổ bi, thân trục dưới, cặp piston, búa va đập, vòi phun điều tiết và các bộ phận khác.

Nguyên lý hoạt động:Nó sử dụng sự chênh lệch áp suất định kỳ được tạo ra bởi dung dịch khoan trong khoang trên và khoang dưới của búa đập để dẫn động búa đập chuyển động tịnh tiến với tốc độ cao, tạo ra lực va đập hướng trục được truyền trực tiếp đến mũi khoan để hỗ trợ phá vỡ đá. Điểm mấu chốt là công cụ này có thể điều chỉnh tần số va đập bằng cách thay đổi số lượng lỗ đối xứng trong thân trục dưới, từ đó thích ứng với nhu cầu khoan của các tầng địa chất khác nhau.

Ứng dụng dụng cụ tăng tốc độ khoan với tần số va đập có thể điều chỉnh

Thử nghiệm thực địa trong tầng địa chất có độ cứng trung bình: Dựa trên tần số va đập tối ưu (16 Hz) được lựa chọn bằng mô phỏng số, công cụ này đã được thử nghiệm tại giếng X1 của mỏ dầu Tân Cương. Trong đoạn địa chất có độ mài mòn cao và tốc độ khoan thấp (ROP), so sánh với giếng liền kề sử dụng công cụ khoan vít cho thấy sau khi sử dụng công cụ này, chiều dài khoan một lần tăng 53%, tốc độ khoan cơ học tăng 27,0%, giúp giảm số lần khoan và tiết kiệm thời gian thi công.

Thử nghiệm thực địa trong địa tầng cứng: Dựa trên tần số va đập tối ưu (18 Hz) được lựa chọn bằng mô phỏng số, công cụ này đã được thử nghiệm trong các tầng đá Andesit và Bazan kỷ Carboniferous có khả năng khoan kém tại giếng X3 của mỏ dầu Tân Cương.

Kết luận: Kết quả cho thấy sau khi sử dụng công cụ này, tốc độ khoan cơ học (ROP) tăng đáng kể 103,2% so với các giếng liền kề, điều này chứng minh hiệu quả rằng nó có thể cải thiện đáng kể hiệu quả khoan và rút ngắn chu kỳ khoan trong các tầng địa chất khác nhau.

2. Thiết kế dụng cụ tăng tốc độ khoan va đập composite

Một cơ cấu va đập xoắn thủy lực được thiết kế, với cấu trúc cốt lõi gồm ba phần: cơ cấu phân phối dòng chảy, cơ cấu đảo chiều và cơ cấu va đập.

Quá trình chuyển động: Ban đầu (trạng thái a), chất lỏng áp suất cao đi vào khoang bên trái của búa thủy lực thông qua kênh dẫn dòng bên trái của lõi van đảo chiều, đẩy búa thủy lực và lõi van quay theo chiều kim đồng hồ cho đến khi búa thủy lực va chạm vào đế búa thủy lực (trạng thái b). Sau va chạm, chất lỏng áp suất cao sau đó đi vào khoang bên phải được tạo bởi búa thủy lực và lõi van thông qua kênh dẫn dòng điều khiển bên phải, đẩy lõi van tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ đến vị trí đảo chiều (trạng thái c), do đó chất lỏng áp suất cao chuyển sang kênh dẫn dòng bên phải và đi vào khoang bên phải của búa thủy lực, đẩy búa thủy lực và lõi van quay ngược chiều kim đồng hồ (trạng thái c). Cho đến khi búa thủy lực va chạm vào đế búa thủy lực một lần nữa (trạng thái d), chất lỏng áp suất cao đi vào khoang bên trái thông qua kênh dẫn dòng điều khiển bên trái, đẩy lõi van quay ngược chiều kim đồng hồ để đảo chiều và trở lại trạng thái ban đầu (trạng thái a). Chu kỳ này tạo ra tác động xoắn qua lại tần số cao thông qua sự đảo chiều và tác động liên tục được điều khiển bởi chất lỏng.

Nguyên lý hoạt động:Sau khi chất lỏng (bùn) chảy vào ống phân phối dòng chảy thông qua khớp nối phía trên và ống dẫn hướng, nó được phân phối đến cơ cấu đảo chiều và cơ cấu va đập, và hai đường dẫn chất lỏng được ngăn cách bởi tấm phân phối dòng chảy. Tiếp theo, chất lỏng đi qua vòi phun bên trong trục gá, tạo thành các vùng áp suất cao và thấp trước và sau nó. Lõi van đảo chiều quay dưới tác động của chênh lệch áp suất, điều khiển các khoang trái và phải của búa thủy lực để luân phiên kết nối với các vùng áp suất cao và thấp, làm cho búa thủy lực chuyển động tịnh tiến để va đập vào đế búa thủy lực dưới tác động của chênh lệch áp suất, do đó tạo ra va đập xoắn tịnh tiến tần số cao.

1-Bộ phận trên; 2-Vỏ ngoài; 3-Ống dẫn hướng; 4-Ống phân phối dòng chảy; 5-Tấm phân phối dòng chảy; 6-Bu lông; 7-Vòng đỡ trên; 8-Ghế búa thủy lực; 9-Búa thủy lực; 10-Lõi van đảo chiều; 11-Vòng đỡ dưới; 12-Trục gá; 13-Bộ phận dưới;

Sơ đồ cấu trúc cơ chế va đập xoắn

Quá trình chuyển động của cơ cấu va đập xoắn

Một loại cơ cấu va đập trục được thiết kế. Máy va đập trục thủy lực chủ yếu được chia thành hai loại: loại có van và loại không van. Cấu trúc bên trong của máy va đập loại có van phức tạp và độ tin cậy kém; loại không van chủ yếu bao gồm loại phun và loại phun hút, trong đó loại phun có tuổi thọ ngắn. Máy va đập thủy lực phun hút có cấu trúc đơn giản, thực hiện va đập dựa trên sự cuốn theo tia nước và hiệu ứng dao động búa nước, có ít bộ phận chuyển động bên trong và không có bộ phận dễ hỏng, và có thể thích ứng tốt hơn với các điều kiện phức tạp dưới lòng đất.

1-Đế vòi phun trên; 2-Vòi phun trên; 3-Van trên; 4-Ống lót van trên; 5-Vòi phun phụ; 6-Vỏ ngoài trục; 7-Ống đỡ; 8-Búa va đập; 9-Đầu búa; 10-Đế búa; 11-Nắp bảo vệ; 12-Nguyên lý hoạt động của khớp lục giác của cơ cấu va đập trục.

Sự hình thành dòng chảy ban đầu và chênh lệch áp suất: Chất lỏng áp suất cao tạo thành một tia tốc độ cao đi qua vòi phun phía trên. Dưới tác động kết hợp của sự cuốn theo tia và hiệu ứng tiết lưu, chênh lệch áp suất được hình thành trong buồng trên và buồng dưới của van phía trên, cũng như giữa buồng trên bên ngoài của búa đập và đầu dưới của đầu búa.

Sự chuyển động hướng lên của các bộ phận và việc làm kín kênh dẫn dòng: Được thúc đẩy bởi sự chênh lệch áp suất tương ứng, van phía trên di chuyển lên trên, và các bộ phận tác động (vòi phun phụ, búa tác động và đầu búa) cũng di chuyển lên trên cho đến khi vòi phun phụ tiếp xúc với van phía trên và làm kín kênh dẫn dòng.

Hiện tượng búa nước và chuyển động đồng thời hướng xuống: Việc đóng đột ngột kênh dẫn dòng gây ra dao động búa nước, và áp suất trong buồng tăng mạnh, đẩy van phía trên và các bộ phận chịu lực cùng tăng tốc hướng xuống.

Va đập quán tính và phục hồi chu kỳ: Sau khi van trên di chuyển đến vị trí giới hạn dưới, các bộ phận va đập tiếp tục di chuyển xuống dưới nhờ quán tính và cuối cùng va vào đế búa để hoàn thành va đập theo trục. Sau va đập, kênh dẫn dòng trở lại trạng thái trơn tru và cơ cấu được thiết lập lại dưới tác động của Trọng lượng lên Mũi khoan (WOB), bắt đầu chu kỳ tiếp theo.

Liên hệ :Jessie Zhou

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