Discussão sobre como otimizar o desempenho da broca PDC para aumentar a velocidade de perfuração
Na engenharia de perfuração, aproveitar ao máximo o efeito das brocas PDC (composto de diamante policristalino) é uma das principais maneiras de melhorar a eficiência da perfuração. Este artigo explorará profundamente os fatores diretos que afetam o aumento da velocidade de perfuração das brocas PDC e analisará a relação entre alta pressão de perfuração, alta velocidade de rotação e densidade de dentes na velocidade de perfuração e desgaste das brocas PDC para explorar as causas da falha prematura das brocas PDC e seu mecanismo de desgaste.
Estudos teóricos mostraram que a pressão de perfuração (ou seja, a profundidade de penetração da broca) e a velocidade de rotação são os fatores mais diretos que afetam a velocidade de perfuração mecânica da broca, e geralmente há uma relação linear entre os dois e a velocidade de perfuração mecânica. No entanto, em aplicações reais, muitas vezes ocorrem respostas não lineares entre a pressão de perfuração e a velocidade de perfuração mecânica. Os técnicos de campo geralmente atribuem isso à falha da broca ou a fatores de formação, mas, na verdade, o motivo são fatores "anormais" que ocorrem durante a perfuração.
Esses fatores incluem:
1. Os fatores que afetam diretamente o desempenho da broca incluem vibrações axiais, de torção e laterais da broca (vórtice, deslizamento-, salto da broca, etc.), má limpeza do fundo, acúmulo de lama nos dentes cortantes ou na broca, heterogeneidade da formação e incompatibilidade entre o método de quebra de rocha e a litologia de formação.
2. Os fatores não-da broca de perfuração que afetam a entrada de energia de perfuração incluem estrutura geológica complexa que limita o uso de ferramentas elétricas de perfuração de fundo de poço, efeito de flambagem da tubulação de fundo de poço, baixo limite de torção do acionamento superior e das ferramentas, grande ângulo de inclinação do poço requer leve pressão e içamento, MWD e outra coleta de sinal de ferramenta e problemas de transporte de rocha e suporte de pressão em longas seções horizontais.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN), a velocidade de perfuração das brocas PDC é significativamente melhorada sem aumentar o desgaste. Esta descoberta é contrária ao princípio de uso da broca PDC de "baixa pressão de perfuração e alta velocidade" que os técnicos de perfuração chineses aderem há muito tempo. A inferência de que “quanto maior a pressão de perfuração, menor o desgaste da broca” foi verificada através do teste de retificação úmida de granito de corte de torre vertical (teste VTL). Os resultados dos testes mostram que sob os mesmos parâmetros de corte, quanto maior a profundidade de penetração dos dentes cortantes do PDC (representando a maior pressão de perfuração), menor será o volume de desgaste, o que comprova a correção da inferência.
1.Quando a broca PDC está em um estado eficiente de quebra de rocha, aumentar a pressão de perfuração pode reduzir o desgaste da broca.
2. "Broca PDC + alta pressão de perfuração" combinada com ferramentas de perfuração elétrica de fundo de poço (como parafusos de alto torque, etc.) pode efetivamente aumentar a velocidade de perfuração mecânica e reduzir o desgaste da broca.
3.Em formações rochosas duras (como granito), a velocidade de perfuração mecânica da broca PDC e a pressão de perfuração ainda mantêm uma relação linear, e aumentar a pressão de perfuração pode efetivamente retardar o desgaste da broca.
4.A implementação específica de "broca PDC + alta pressão de perfuração" é limitada pelas condições reais de perfuração, mas pode ser resolvida por tecnologia e equipamentos avançados de perfuração.
A relação entre a velocidade de rotação e o desgaste da fresa PDC foi estudada através do ensaio VTL (cortadora PDC cortando granito). Os resultados do teste mostraram que o volume de desgaste das fresas PDC aumenta com o aumento da velocidade linear (velocidade de rotação), e quando a velocidade linear excede um certo limite, o volume de desgaste das fresas não está mais linearmente relacionado à distância percorrida, e a taxa de desgaste aumenta significativamente. A pesquisa da National Oilwell Corporation descobriu que sob condições de "alta velocidade e baixo corte-", a temperatura dos cortadores aumentará rapidamente, fazendo com que eles se desgastem e falhem em uma distância de deslocamento muito curta. No entanto, a qualidade atual das fresas PDC pode atender plenamente às necessidades de perfuração eficiente e de longo prazo na maioria das formações a uma alta velocidade de 400-500 r/min. Ferramentas de perfuração elétrica de alta-velocidade com brocas PDC também se tornaram uma opção comum para perfuração externa. Por esse motivo, foi proposta uma solução tecnológica de três{10}}altas velocidades-de "alta pressão de perfuração + alta velocidade + broca PDC de alta densidade dentária". Os testes de campo provaram que esta solução melhorou muito a filmagem de perfuração única e a velocidade de perfuração mecânica das brocas PDC.
A fim de explorar a relação entre a densidade dos dentes da broca (número de lâminas, tamanho do dente de corte) e a taxa de penetração mecânica, foi realizado um teste de campo no bloco Luojia do campo petrolífero de Shengli. Os resultados mostraram que a broca PDC de peça composta de φ19,0 mm comumente usada com quatro-lâminas SK419-YS teve a menor taxa de penetração mecânica, enquanto a broca PDC YS de peça composta de φ19,0 mm teve melhor desempenho. A maior taxa de penetração mecânica foi a broca PDC SK522-YS de cinco lâminas de peça composta de φ22,0 mm, que adotou um design de aceleração de corte rápido de dente grande.
1.As vantagens da broca "poucas lâminas, lâminas grandes" podem ser totalmente realizadas através do aprimoramento dos parâmetros de perfuração.
2. Contanto que pressão de perfuração, torque, pressão da bomba e deslocamento suficientes sejam fornecidos para garantir o equilíbrio dinâmico de "comer, reduzir e descarregar no tempo", mesmo uma broca PDC de alta-densidade dentária com "múltiplas lâminas e dentes pequenos" pode alcançar a perfuração ideal e rápida de uma broca de alta{2}}densidade dentária
Com base no dispositivo de teste VTL, testes internos foram realizados em cilindros de bloco de diamante nano policristalino (NPD) de φ6,0 mm. Os resultados mostraram que o NPD quebrou rapidamente após entrar em contato com o granito e a fratura foi relativamente suave. Comparado com os cortadores PDC, embora o NPD tenha uma dureza alta (NPD tem uma dureza de 130-140 GPa, enquanto os cortadores PDC têm uma dureza de apenas 50-70 GPa), o NPD tem uma resistência ao impacto fraca e ainda é difícil de atender aos requisitos mais elevados de perfuração e quebra de rochas. Portanto, os materiais de quebra de rochas para perfuração de petróleo e gás não podem buscar cegamente uma dureza ultra-alta, mas devem buscar o melhor equilíbrio entre dureza e tenacidade, e o nível técnico de resistência do material e integração de tenacidade precisa ser continuamente melhorado.
O efeito da remoção de cobalto na resistência ao desgaste e ao impacto das fresas PDC foi estudado utilizando testes VTL. Os resultados mostram que a resistência ao desgaste e a estabilidade térmica das fresas PDC são efetivamente melhoradas após o decobaltagem, mas a resistência ao impacto das fresas PDC descobaltadas é relativamente baixa. O rápido desgaste das fresas PDC depende de duas condições: uma é que as fresas possuem grandes arestas de desbaste e as arestas de desbaste entraram na área não-descobaltada; a outra é que o calor gerado pelo atrito entre as arestas de retificação e a rocha seja suficiente. Recomenda-se usar o aprimoramento dos parâmetros de perfuração (aumentando a pressão de perfuração, aumentando o deslocamento, etc.) no estágio inicial dos cortadores PDC que entram no poço para encurtar a distância de deslocamento necessária para obter a mesma metragem e para descarregar oportunamente os cascalhos e o calor de fricção, retardando assim o desgaste dos cortadores.
Em resumo, podemos tirar as seguintes conclusões:
1. Aumentar a pressão de perfuração pode aumentar a velocidade de perfuração.
2. O aprimoramento dos parâmetros de perfuração é adequado para aumentar a velocidade da rocha dura.
3. Aumentar a velocidade de rotação aumentará a velocidade de perfuração mecânica da broca.
4. A densidade do dente (número de lâminas, tamanho do cortador, espaçamento dos dentes, etc.) é um dos fatores que afetam a velocidade de perfuração mecânica das brocas PDC, mas não é um fator direto.
5. Atualmente, a resistência ao desgaste das fresas PDC é boa o suficiente para garantir a perfuração-de longo prazo de brocas em formações rochosas homogêneas, como arenito e granito.
6.Ao perfurar em formações gerais, as fresas PDC não precisam ser descobaltadas ou precisam apenas de descobaltagem moderada. Para formações altamente abrasivas, recomenda-se a utilização de fresas PDC com boa estabilidade térmica e forte resistência ao desgaste, além de decobaltagem profunda.
