Raziskave orodij za povečanje hitrosti vrtanja

Trenutno so orodja za povečanje hitrosti vrtanja razdeljena predvsem v dve kategoriji: mehanski in hidravlični. Mehanska orodja uporabljajo težo na svedru (WOB) za ustvarjanje udarne sile, kar učinkovito izboljša učinkovitost lomljenja kamnin v trdih formacijah, vendar obstajajo težave, kot so močne vibracije, visoka poraba energije in lahka poškodba zaradi utrujenosti. Hidravlična orodja uporabljajo vrtalno tekočino za pogon udarnih kladiv, ki združujejo udarec, vrtenje in curek za lomljenje kamnin. Imajo znatne prednosti pri povečanju hitrosti prodiranja (ROP), nadzoru odstopanja vrtine in podaljševanju življenjske dobe svedra, vendar imajo na splošno težave, kot so pogostost posameznih udarcev in težave pri prilagajanju potrebam različnih formacij.

Tehnologija udarnega vrtanja se glede na način delovanja v glavnem deli na tri kategorije: torzijska udarna tehnologija, aksialna udarna tehnologija in aksialno-torzijska kompozitna udarna tehnologija. Bistvo udarnega vrtanja za povečanje hitrosti je pretvorba tlačne energije plina ali tekočine v aksialno ali torzijsko mehansko energijo udarca s pomočjo udarnega elementa, ki se neposredno nanaša na zadnji konec svedra, kar izboljša rezalne pogoje svedra in poveča učinkovitost lomljenja kamnin.

Tehnologija torzijskega udarnega vrtanja je nova tehnologija za povečanje hitrosti vrtanja v zadnjih letih, ki se uporablja predvsem za reševanje vibracij "stick-slip", ki jih povzročajo svedri PDC. Med uporabo je torzijski udarni element nameščen na zadnjem koncu svedra. Zaradi svoje notranje zasnove lahko pretvori hidravlično energijo tekočine v mehansko energijo torzijskega udara. Sveder lomi kamnino pod skupnim delovanjem ustaljenega navora vrtalne kolone in udarnega navora, ki ga ustvarja udarni element.

Naslednji primeri predstavljajo dve inovativni orodji

1. Orodje za povečanje hitrosti vrtanja z nastavljivo frekvenco udarcev

Frekvenčno nastavljivo hidravlično orodje za povečanje hitrosti vrtanja ima osrednjo udarno strukturo, sestavljeno iz ležajev, spodnjega dela gredi, batnih parov, udarnega kladiva, dušilne šobe in drugih komponent.

Načelo delovanja:Izkorišča periodično razliko v tlaku, ki jo ustvarja vrtalna tekočina v zgornji in spodnji komori udarnega kladiva, da poganja udarno kladivo, ki se premika z veliko hitrostjo, kar ustvarja aksialno udarno silo, ki se neposredno prenaša na sveder in pomaga pri lomljenju kamnine. Ključno je, da lahko to orodje prilagodi frekvenco udarca s spreminjanjem števila simetričnih lukenj v spodnjem telesu gredi in se s tem prilagodi potrebam vrtanja različnih formacij.

Uporaba orodja za povečanje hitrosti vrtanja z nastavljivo udarno frekvenco

Terenski preizkus v srednje trdi formaciji: Na podlagi optimalne frekvence udarca (16 Hz), izbrane z numerično simulacijo, je bilo to orodje preizkušeno v vrtini X1 naftnega polja Xinjiang. V odseku formacije z močno abrazivnostjo in nizko hitrostjo prodiranja (ROP) je primerjava s sosednjo vrtino z uporabo vijačnega vrtalnega orodja pokazala, da se je po uporabi tega orodja dolžina posameznega vrtanja povečala za 53 %, mehanska ROP pa za 27,0 %, kar je učinkovito zmanjšalo število vrtanj in skrajšalo čas gradnje.

Terenski preizkus v trdi formaciji: Glede na optimalno frekvenco udarca (18 Hz), izbrano z numerično simulacijo, je bilo to orodje preizkušeno v karbonskih andezitnih in bazaltnih formacijah s slabo vrtljivostjo v vrtini X3 naftnega polja Xinjiang.

Zaključek: Rezultati kažejo, da se je po uporabi tega orodja mehanska ROP znatno povečala za 103,2 % v primerjavi s sosednjimi vrtinami, kar učinkovito dokazuje, da lahko znatno izboljša učinkovitost vrtanja in skrajša cikel vrtanja v različnih formacijah.

2. Zasnova orodja za povečanje hitrosti udarnega vrtanja iz kompozitnih materialov

Zasnovan je hidravlični torzijski udarni mehanizem, katerega jedro je sestavljeno iz treh delov: mehanizma za porazdelitev pretoka, mehanizma za obračanje in udarnega mehanizma.

Postopek gibanja: Sprva (stanje a) visokotlačna tekočina vstopi v levo votlino hidravličnega kladiva skozi levi pretočni kanal jedra povratnega ventila in potisne hidravlično kladivo in jedro ventila, da se vrtita skupaj v smeri urinega kazalca, dokler hidravlično kladivo ne udari v sedež hidravličnega kladiva (stanje b). Po udarcu visokotlačna tekočina nato vstopi v desno votlino, ki jo tvorita hidravlično kladivo in jedro ventila, skozi desni krmilni pretočni kanal in potisne jedro ventila, da se še naprej vrti v smeri urinega kazalca v vzvratni položaj (stanje c), tako da visokotlačna tekočina preklopi v desni pretočni kanal in vstopi v desno votlino hidravličnega kladiva, kar poganja hidravlično kladivo in jedro ventila, da se vrtita v nasprotni smeri urinega kazalca (stanje c). Dokler hidravlično kladivo ponovno ne udari v sedež hidravličnega kladiva (stanje d), visokotlačna tekočina vstopi v levo votlino skozi levi krmilni pretočni kanal in potisne jedro ventila, da se vrti v nasprotni smeri urinega kazalca za vzvratno vrtenje in vrnitev v začetno stanje (stanje a). To se ciklično vrti in ustvarja visokofrekvenčni recipročni torzijski udar z neprekinjenim vzvratnim vrtenjem in udarcem, ki ga poganja tekočina.

Načelo delovanja:Ko tekočina (blato) steče v tulec za porazdelitev pretoka skozi zgornji spoj in vodilno cev, se porazdeli v mehanizem za obračanje in udarni mehanizem, obe poti tekočine pa loči plošča za porazdelitev pretoka. Nato tekočina prehaja skozi šobo znotraj trna, pri čemer pred in za njo tvori cone visokega in nizkega tlaka. Jedro povratnega ventila se vrti pod vplivom tlačne razlike in krmili levo in desno votlino hidravličnega kladiva, da se izmenično povezujeta z območji visokega in nizkega tlaka, zaradi česar se hidravlično kladivo pod vplivom tlačne razlike premika nazaj in udarja ob sedež hidravličnega kladiva, kar ustvarja visokofrekvenčni povratni torzijski udar.

1-Zgornji premostitveni element; 2-Zunanje ohišje; 3-Vodilna cev; 4-Tuh za porazdelitev pretoka; 5-Plošča za porazdelitev pretoka; 6-Vijak; 7-Zgornji podporni obroč; 8-Sedež hidravličnega kladiva; 9-Hidravlično kladivo; 10-Jedro povratnega ventila; 11-Spodnji podporni obroč; 12-Trn; 13-Spodnji premostitveni element;

Shematski diagram strukture torzijskega udarnega mehanizma

Gibalni proces torzijskega udarnega mehanizma

Zasnovan je neke vrste aksialni udarni mehanizem. Hidravlični aksialni udarni elementi so v glavnem razdeljeni na dve vrsti: ventilski in brezventilski. Notranja struktura ventilskih udarnih elementov je kompleksna in njihova zanesljivost slaba; brezventilski tip vključuje predvsem curkove in curkovo-sesalne elemente, med katerimi ima curkov tip kratko življenjsko dobo. Curkovo-sesalni hidravlični udarni element ima preprosto strukturo, udarec se izvaja na podlagi uvajanja curka in nihanja vodnega udara, ima malo notranjih gibljivih delov in nima ranljivih delov ter se lahko bolje prilagodi kompleksnim pogojem v vrtini.

1-Zgornji sedež šobe; 2-Zgornja šoba; 3-Zgornji ventil; 4-Zgornji tulec ventila; 5-Sekundarni tulec; 6-Aksialno zunanje ohišje; 7-Nosilni tulec; 8-Udarno kladivo; 9-Glava kladiva; 10-Sedež kladiva; 11-Zaščitni pokrov; 12-Šesterokotni spoj Načelo delovanja aksialnega udarnega mehanizma.

Nastanek začetnega pretoka in tlačne razlike: Visokotlačna tekočina tvori visokohitrostni curek skozi zgornjo šobo. Pod skupnim delovanjem uvlačevanja curka in dušilnega učinka nastanejo tlačne razlike v zgornji in spodnji komori zgornjega ventila, pa tudi med zunanjo zgornjo komoro udarnega kladiva in spodnjim koncem glave kladiva.

Gibanje komponent navzgor in tesnjenje pretočnega kanala: Zaradi razlik v tlaku se zgornji ventil premakne navzgor, udarne komponente (sekundarna šoba, udarno kladivo in glava kladiva) pa se prav tako premaknejo navzgor, dokler se sekundarna šoba ne dotakne zgornjega ventila in zatesni pretočni kanal.

Generiranje vodnega udara in gibanje sklepa navzdol: Takojšnja zapora pretočnega kanala sproži nihanje vodnega udara, tlak v komori pa se močno poveča, zaradi česar zgornji ventil in komponente udarca skupaj pospešijo navzdol.

Inercijski udar in obnovitev cikla: Ko se zgornji ventil premakne v spodnji končni položaj, se komponente udarca pod vplivom inercije še naprej premikajo navzdol in končno udarijo ob sedež kladiva, da dokončajo aksialni udar. Po udarcu se pretočni kanal vrne v gladko stanje in mehanizem se pod vplivom teže na svedru (WOB) ponovno vrne v prvotno stanje, s čimer se začne naslednji cikel.

Kontakt:Jessie Zhou

Mobilni telefon/Whatsapp:+0086-18109206861
E-pošta:energy@landrilltools.com