Ключови инструменти за сондажи: Пълно ръководство за класификация и приложение на ролкови конусни и диамантени битове

При сондирането на нефт, свредлото е основният инструмент за разрушаване на скали, а неговата производителност пряко влияе върху ефективността и разходите за сондиране. Изправени пред сложни и променливи условия на образуване, правилният избор на ролкови конусни и диамантени коронки се е превърнал в ключова задача за сондажните инженери.

01 Ролкови конусни свредла: Универсални инструменти, адаптиращи се към формациите

От въвеждането им през 1909 г., ролковите конусни коронки са се превърнали в най-широко използвания тип коронки при ротационно сондиране. Тяхната уникална многоконусна структура им позволява да се адаптират към различни условия на формация - от меки до изключително твърди.

Структура и основна технология

Ролковият конусен бит се състои от пет основни компонента:

· Тяло на бита: Три конусовидни крака, заварени заедно, с резбова връзка в горната част.

· Конуси: Конусовидни метални тела с фрезовани зъби или вложки от волфрамов карбид (TCI) на повърхността.

· Лагерна система: Включва четири комплекта лагери: големи, средни, малки и аксиални.

· Дюзи: Обикновено 3·4 дюзи с диаметър 7·14 мм.

· Система за смазване и уплътняване: Гумени или метални уплътнения, комбинирани с устройство за компенсиране на налягането.

Технологията за уплътняване на лагери е ключов пробив в ролково-конусните бормашини. Съвременните бормашини използват система за смазване с компенсирано налягане, която поддържа динамичен баланс между налягането на смазката в камерата на лагера и налягането в колоната с флуид за сондаж чрез канал за предаване на налягане, мембрана за компенсиране на налягането и чаша за смазка.

Система за класификация и IADC код

Международната асоциация на сондажните изпълнители (IADC) е установила глобален стандарт за класифициране на ролкови конусни бормашини, използвайки трицифрена кодова система:

· Първа цифра: Вид зъб и приложима форма

· 1: Фрезован зъб, мека формация

· 2: Фрезован зъб, средна до средно твърда формация

· 3: Фрезован зъб, твърда, абразивна формация

· 5: TCI, мека до средна формация

· 6: TCI, средно твърда формация

· 7: TCI, твърда, абразивна формация

· 8: TCI, изключително твърда, силно абразивна формация

· Втора цифра: Твърдост на земната основа (1·4, по-голямото число показва по-твърда формация)

· Трета цифра: Структурни характеристики на бита

· 4: Запечатан търкалящ лагер

· 6: Запечатан плъзгащ се лагер

· 7: Запечатан плъзгащ се лагер + защита на манометъра с TCI

· 8: Начално бургия за насочени кладенци

Опростена система за класификация на IADC за ролкови конусни свредла

Механизъм за разрушаване на скали и характеристики на движението

Когато ролковият конусен бормашина работи, тя извършва три комбинирани движения:

· Революция: Конусите се въртят по посока на часовниковата стрелка заедно с тялото на бита.

· Въртене: Зъбите се въртят обратно на часовниковата стрелка около оста на конуса.

· Плъзгане: Включва радиално и тангенциално плъзгане.

Това комбинирано движение създава двоен ефект на разрушаване на скали:

1. Ударно смачкване: Редуващият се контакт на единични и двойни зъби създава вертикална вибрация, генерирайки ударно натоварване.

2. Срязване: Постига се чрез надвесване, отместване и многоконусна геометрия, което позволява срязване на скалата.

Стратегия за избор на битове и съпоставяне на формациите

Основни принципи за избор на ролкови конусни коронки според свойствата на скалата:

· Меки формации: Изберете свредла с отместен, надвесен и многоконусен дизайн; оборудвани с високи, широки, широко разположени фрезовани зъби или TCI.

· Средно твърди формации: Намалете стойностите на отместването, надвеса и многоконусността; използвайте къси, тесни, близко разположени зъби.

· Твърди и абразивни формации: Използвайте геометрия с един конус, без надвес, без отместване; оборудвайте със сферична или конично-сферична TCI.

· Формации, предразположени към криви отвори: Изберете свредла с къси зъби, с малко или никакво отместване и без защита на калибра, и изберете малко по-мека форма от действителната форма.

· Вплетени меко-твърди формации: Изберете бит въз основа на по-твърдата скала и динамично регулирайте параметрите на пробиване.

Реакции при специални условия:

· Тънки отвори (<177 мм): Използвайте едноконусни свредла, които имат по-големи конуси, зъби и лагери за по-висока якост.

· Насоченото сондиране: Изберете битове с трета цифра 8 по IADC (специализирани битове за начално сондиране).

02 Диамантени свредла: Най-добрият инструмент за твърди формации

Диамантът има най-високата естествена твърдост (твърдост по Моос 10, якост на натиск до 8800 MPa, износоустойчивост 9000 пъти по-голяма от тази на стоманата). Диамантените бормашини използват това свойство, за да се превърнат в най-доброто оръжие за справяне с твърди образувания.

Класификация и технологична еволюция

Съвременните диамантени бургии се разделят основно на три вида:

1. Диамантени бургии с повърхностно нарязан диамант

· Диамантени частици, открити върху повърхността на короната.

· Подходящ за средно твърди до твърди формации.

· Размер на диамантите:

· Меки образувания: 2 камъка/карат (приблизително 4 мм диаметър)

· Средно твърди образувания: 3‑4 камъка/карат (приблизително 3,6 мм)

· Твърди образувания: 10‑15 камъка/карат (приблизително 2,0 мм)

2. Импрегнирани диамантени свредла

· Диаманти, вградени в матрицата (60‑400 камъка/карат).

· Подходящ за много твърди и абразивни образувания (кремав, силициев доломит и др.).

· Самозаточване, постигнато чрез износване на матрицата.

3. PDC битове (поликристален диамантено-компактен)

· За първи път представен от General Electric през 1973 г.

· Структура на режещия инструмент: диамантен слой + волфрамов карбид субстрат.

· Приложими формации: меки до средно твърди хомогенни формации.

Структура и ключови параметри на дизайна

Диамантените свредла имат цялостно тяло без движещи се части, състоящо се главно от:

· Стоманено тяло: Средно въглеродна стомана, резбован връх.

· Матрица: Волфрамов карбид на прах + свързващ метал на медна основа, твърдост HRC 30‑45.

· Режещи елементи: Естествени/синтетични диаманти или PDC режещи инструменти.

· Хидравлично проектиране: Дюзи, водни пътища (радиални, спирални и др.).

Ключови параметри на дизайна:

· Концентрация на диаманти: Регулирайте според абразивността на формацията – по-висока концентрация за по-абразивни формации.

· Височина на експозицията:

· Меки образувания: 1/3 от диаметъра на диаманта

· Твърди образувания: 1/6‑1/10 от диаметъра на диаманта

· Форма на короната: Плоска (хомогенни образувания), кръгла (твърди образувания), назъбена (абразивни образувания).

Механизъм за разрушаване на скалите и реакция на образуванието

Режимът на разрушаване на скалата от диамантените коронки се променя в зависимост от свойствата на формацията:

· Пластични образувания (глинисти камъни, гипс и др.) – Подобно на процеса на „оран“; диамантите проникват и причиняват пластично течение на скалата.

· Крехки образувания (кварцов пясъчник и др.) – Образуват обемни раздробяващи ями; размерът на шлама е 2‑4 пъти по-голям от облицовката на диаманта, много ефикасно.

· Твърди скали (кременеца, силициева скала) – Използвайте импрегнирани стърготини; чупенето става чрез микрорязане и надраскване, подобно на шлифоване с колело.

Предимства и ограничения на PDC битовете

Като революционен продукт в семейството на диамантените бургии, PDC бургиите имат уникални предимства:

Структурни характеристики:

· PDC бит със стоманено тяло: Еднокомпонентна средновъглеродна стомана, повърхностно закалена.

· Матрично тяло PDC бит: Горно стоманено тяло + долна волфрамова карбидна матрица – по-добра производителност.

Дизайн на профила:

· Параболични: Меки формации, висок футуристичен участък, висока ROP.

· Кръгъл: Подходящ за пробиване с въртяща се маса, помага за проникване в твърди междинни слоеве.

· Коничен: Високоскоростно пробиване, добро проникване.

Ограничения:

· Не е подходящ за чакълести пластове или меко-твърди прослойки.

· Температурно ограничение (над 350°C износването се ускорява; при 700°C якостта се губи).

· По-ниска устойчивост на удар; новите фрези са склонни към отчупване на ръбовете.

Сравнение на приложимостта на диамантените битове по форма

03 Ръководство за научен подбор: Съчетаване на формационни и оперативни нужди

Златни правила за избор на ролкови конусни фрези

1. Съпоставяне на твърдостта на формацията

· Меки формации: изберете свредла с голямо отместване, надвес, многоконусни и клиновидни или лъскавообразни зъби.

· Твърди формации: използвайте зъби с един конус, без отместване и сферични или конично-сферични.

2. Работа с абразивност

· За абразивни формации изберете TCI битове със защита на калибра.

· Ако зъбите на външния ред са заоблени, докато вътрешните зъби са леко износени, увеличете защитата на калибра на следващата фреза.

3. Реакции при специални условия

· Формации, предразположени към криви дупки: изберете свредла с къси зъби с малко или никакво отместване; изберете малко по-меки от действителната формация.

· Меко-твърди прослойки: изберете бит въз основа на по-твърдата скала, настройте параметрите динамично.

· Дълбоки участъци: изберете участъци с голям общ метър, за да компенсирате загубата на време за изкачване.

Стратегия за избор на диамантено битове

1. Кога да използвате PDC битове

· Най-добро приложение: дълги хомогенни меки до средно твърди образувания (шисти, глинести камъни, гипс и др.).

· Забранени приложения: чакълести пластове, прослойки от кремък, меко-твърди прослоести формации.

· Настройка на параметрите: ниско WOB (30‑60 kN), високи обороти (100‑300 об/мин), висок дебит.

2. Кога да използвате естествени/синтетични диамантени бургии

· Твърди до много твърди образувания (гранит, кварцов пясъчник и др.).

· Силно абразивни образувания (кремен, силициев доломит).

· Турбосондаж, дълбоки и ултрадълбоки кладенци, операции по вземане на проби.

3. Специални изисквания за боркорони

· Ролкови конусни боркорони: четириконусна (конична/цилиндрична) или шестконусна (пълноцевна) конструкция.

· Диамантени боркорони: режещите инструменти трябва да са симетрично разположени с постоянна износоустойчивост.

· Ключов индикатор: вътрешен отвор концентричен с външния диаметър, за да се избегне елиптично ядро.

Диагностика и справяне с аномалии в сондажа

Идентифициране на работните условия на ролковия конусен бит:

· Повреда на лагера: Циклично подскачане на въртящата се маса, влошаване при високо WOB, ROP спада, но налягането на помпата е нормално.

· Загубен конус: Силни колебания на въртящия момент, индикаторът за тегло се люлее рязко, промяна в дължината на струната при повдигане.

· Износени зъби: Намалено натоварване на въртящата се маса, без подскачане, рязък спад на ROP.

Забрани за употреба на диамантени бормашини:

· Долният отвор трябва да е чист преди пускане в експлоатация; уверете се, че няма метални отпадъци.

· Започнете пробиване с леко WOB (момент на добива), ниски обороти за „разработка“ (профилиране на дъното на отвора от 0,5 м).

· Избягвайте разпробиване; ако е необходимо, работете с леко накланяне на струята, ниски обороти и стабилна работа.

04 Авангардни тенденции и практически практически опит

Насоки за технологични иновации

Технология за пробиване с високо налягане:

· Използва струи с ултрависоко налягане (150‑200 MPa), за да подпомогне разрушаването на скали.

· Усилвателите на газообразни материали в сондажите са във фокуса на научноизследователската и развойна дейност; тестовете показват, че ROP може да се увеличи 3‑5 пъти.

· Техническите предизвикателства включват уплътняване и предаване под свръхвисоко налягане.

Интелигентни битови системи:

· Вградените сензори следят състоянието на бита в реално време.

· Адаптивно настройване на параметрите на рязане, за да се съобразят с промените във формацията.

· Анализ на големи данни за оптимизиране на избора на битове и прогнозиране на експлоатационния живот.

Златни правила в полето

1. Решение кога да се измъкнете от дупката

· Непрекъснат спад на ROP (в хомогенни формации).

· Внезапен спад на ROP с неефективни коригиращи мерки (промяна на формацията).

· Рязко увеличение на въртящия момент, съпроводено със спад на ROP (повреда на битовете).

· Внезапен спад на налягането на помпата (загубена дюза или измита сондажна колона).

2. Мерки за удължаване на живота на бита

· Пуснете новото бургия с леко накланяне и ниски обороти, за да се разработи.

· Използвайте предпазител за накрайници (устройство против отскачане).

· Периодични кратки пътувания за почистване на отломки от дъното на сондажа.

· Избягвайте прекомерното въртене на дъното.

3. Икономически анализ

· Изчислете цената на метър = (цена на бит + цена на времето за пробиване) / футове.

· Въпреки че PDC бургиите имат по-висока единична цена, в подходящи формации една PDC бургия може да пробие 3‑5 пъти повече фута от ролково-конусната бургия.

· В дълбоки участъци, давайте приоритет на късовете с голям общ метър, за да компенсирате загубите на време за изкачване.

Изборът на битове е прецизна технология, съчетаваща научна теория и практически опит. Ролково-конусните битове, с широката си адаптивност, остават най-разпространеният тип битове днес. Диамантените битове, особено PDC битовете, демонстрират несравнима ефективност в специфични формации.

Овладяването на системата за класификация на IADC, разбирането на механизмите за разрушаване на скалите при различните видове битове и цялостната оценка на литологията, конфигурацията на сондажа и оперативните изисквания ще постигнат перфектното съответствие между битовете и формацията. С прилагането на сензори в сондажите, анализ на големи данни и изкуствен интелект, изборът на битове преминава от решения, основани на опит, към интелигентно прецизно съчетаване, което непрекъснато води до революционни подобрения в ефективността на сондирането.

Контакт: Джеси Джоу

Мобилен/Whatsapp: +0086-18109206861

Email: energy@landrilltools.com