การอภิปรายเกี่ยวกับการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของดอกสว่าน PDC เพื่อเพิ่มความเร็วในการเจาะ
ในงานวิศวกรรมการขุดเจาะ การใช้ดอกสว่าน PDC (วัสดุผสมเพชรโพลีคริสตัลไลน์) ให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดเป็นหนึ่งในวิธีสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการขุดเจาะ บทความนี้จะสำรวจปัจจัยโดยตรงที่ส่งผลต่อการเพิ่มความเร็วการเจาะของดอกสว่าน PDC อย่างลึกซึ้ง และวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันการเจาะสูง ความเร็วในการหมุนสูง และความหนาแน่นของฟันต่อความเร็วการเจาะและการสึกหรอของดอกสว่าน PDC เพื่อสำรวจสาเหตุของความล้มเหลวก่อนกำหนดของดอกสว่าน PDC และกลไกการสึกหรอ
การศึกษาทางทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าแรงดันในการเจาะ (เช่น ความลึกในการเจาะของดอกสว่าน) และความเร็วในการหมุนเป็นปัจจัยโดยตรงที่สุดที่ส่งผลต่อความเร็วของการเจาะเชิงกลของดอกสว่าน และมักจะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างทั้งสองกับความเร็วในการเจาะเชิงกล อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง การตอบสนองแบบไม่เชิงเส้นมักเกิดขึ้นระหว่างแรงดันในการเจาะและความเร็วของการเจาะเชิงกล ช่างเทคนิคภาคสนามมักถือว่าสิ่งนี้เกิดจากความล้มเหลวของดอกสว่านหรือปัจจัยการก่อตัว แต่ในความเป็นจริงแล้ว สาเหตุก็คือปัจจัย "ผิดปกติ" ที่เกิดขึ้นระหว่างการเจาะ
ปัจจัยเหล่านี้ได้แก่:
1. ปัจจัยที่ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของดอกสว่าน ได้แก่ แรงสั่นสะเทือนในแนวแกน แรงบิด ด้านข้างของดอกสว่าน (กระแสน้ำวน แท่ง-สลิป การกระโดดของสว่าน ฯลฯ) การทำความสะอาดก้นบ่อที่ไม่ดี การรวมตัวของโคลนของฟันตัดหรือดอกสว่าน ความแตกต่างของชั้นหิน และความไม่ตรงกันระหว่างวิธีการทำลายหินและวิทยาหินของชั้นหิน
2.ปัจจัยที่ไม่ใช่-ดอกสว่านที่ส่งผลต่อพลังงานป้อนเข้าในการขุดเจาะ ได้แก่ โครงสร้างทางธรณีวิทยาที่ซับซ้อนซึ่งจำกัดการใช้เครื่องมือขุดเจาะที่ใช้กำลังในหลุมเจาะ ผลกระทบจากการโก่งงอของท่อในหลุมเจาะ ขีดจำกัดแรงบิดต่ำของตัวขับด้านบนและเครื่องมือ มุมเอียงของบ่อขนาดใหญ่ต้องใช้แรงกดและการยกเล็กน้อย MWD และการรวบรวมสัญญาณเครื่องมืออื่นๆ และการแบกหินและปัญหาการรองรับแรงดันในส่วนแนวนอนยาว
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN) ความเร็วในการเจาะของดอกสว่าน PDC ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญโดยไม่เพิ่มการสึกหรอ การค้นพบนี้ตรงกันข้ามกับหลักการใช้ดอกสว่าน PDC "แรงดันเจาะต่ำ ความเร็วสูง" ที่ช่างเจาะของจีนยึดถือมายาวนาน การอนุมานว่า "ยิ่งแรงดันการเจาะสูง การสึกหรอของดอกสว่านก็จะน้อยลง" ได้รับการตรวจสอบโดยการทดสอบการเจียรแบบเปียกของเครื่องกลึงป้อมปืนแนวตั้งที่ตัดหินแกรนิต (การทดสอบ VTL) ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าภายใต้พารามิเตอร์การตัดเดียวกัน ยิ่งความลึกในการเจาะของฟันตัด PDC มากขึ้น (ซึ่งแสดงถึงแรงดันการเจาะที่สูงขึ้น) ปริมาณการสึกหรอก็จะน้อยลง ซึ่งพิสูจน์ความถูกต้องของการอนุมาน
1. เมื่อดอกสว่าน PDC อยู่ในสถานะทำลายหินที่มีประสิทธิภาพ การเพิ่มแรงดันในการเจาะสามารถลดการสึกหรอของดอกสว่านได้
2. "ดอกสว่าน PDC + แรงดันการเจาะสูง" รวมกับเครื่องมือเจาะแบบ downhole (เช่นสกรูแรงบิดสูง ฯลฯ ) สามารถเพิ่มความเร็วในการเจาะเชิงกลได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดการสึกหรอของดอกสว่าน
3. ในการก่อตัวของหินแข็ง (เช่นหินแกรนิต) ความเร็วในการเจาะเชิงกลของดอกสว่าน PDC และแรงดันการเจาะยังคงรักษาความสัมพันธ์เชิงเส้น และการเพิ่มความดันในการเจาะสามารถชะลอการสึกหรอของดอกสว่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ
4. การใช้งานเฉพาะของ "ดอกสว่าน PDC + ความดันการเจาะสูง" ถูกจำกัดโดยเงื่อนไขการขุดเจาะจริง แต่สามารถแก้ไขได้ด้วยเทคโนโลยีและอุปกรณ์การเจาะขั้นสูง
ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการหมุนและการสึกหรอของเครื่องตัด PDC โดยใช้การทดสอบ VTL (หินแกรนิตในการตัดเครื่องตัด PDC) ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าปริมาณการสึกหรอของหัวกัด PDC เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความเร็วเชิงเส้น (ความเร็วในการหมุน) และเมื่อความเร็วเชิงเส้นเกินเกณฑ์ที่กำหนด ปริมาณการสึกหรอของหัวกัดจะไม่สัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับระยะการเคลื่อนที่อีกต่อไป และอัตราการสึกหรอจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก การวิจัยของ National Oilwell Corporation พบว่าภายใต้เงื่อนไขของ "ความเร็วสูงและการตัดต่ำ-ใน" อุณหภูมิของหัวกัดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการสึกหรอและเสียหายภายในระยะการเคลื่อนที่ที่สั้นมาก อย่างไรก็ตาม คุณภาพปัจจุบันของหัวกัด PDC สามารถตอบสนองความต้องการการเจาะระยะยาว-ได้อย่างเต็มที่และมีประสิทธิภาพในการขึ้นรูปส่วนใหญ่ที่ความเร็วสูง 400-500 รอบ/นาที เครื่องมือเจาะกำลังความเร็วสูง-ที่มีดอกสว่าน PDC ได้กลายเป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับการเจาะในต่างประเทศ ด้วยเหตุนี้ จึงเสนอโซลูชันเทคโนโลยีที่เพิ่ม-ความเร็วสูง-สามรายการ ได้แก่ "ดอกสว่าน PDC ที่มีความดันการเจาะสูง + ความเร็วสูง + ดอกสว่าน PDC ที่มีความหนาแน่นของฟันสูง" การทดสอบภาคสนามได้พิสูจน์แล้วว่าโซลูชันนี้ได้ปรับปรุงฟุตเทจการเจาะแบบเที่ยวเดียวและความเร็วการเจาะเชิงกลของดอกสว่าน PDC อย่างมาก
เพื่อสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของฟันของดอกสว่าน (จำนวนใบมีด ขนาดฟันตัด) และอัตราการเจาะเชิงกล จึงมีการทดสอบภาคสนามในบล็อก Luojia ของแหล่งน้ำมัน Shengli ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าดอกสว่าน YS PDC ชิ้นคอมโพสิต φ19.0 มม. สี่-ใบมีด SK419- YS PDC ที่ใช้กันทั่วไปมีอัตราการเจาะเชิงกลต่ำที่สุด ในขณะที่ดอกสว่าน YS PDC ของชิ้นคอมโพสิต φ19.0 มม. ห้า-ใบมีด SK519- ทำงานได้ดีกว่า อัตราการเจาะเชิงกลสูงสุดคือดอกสว่าน PDC ห้าใบมีด SK522-YS ที่เป็นชิ้นส่วนคอมโพสิต φ22.0 มม. ซึ่งใช้การออกแบบที่เร่งความเร็วการตัดอย่างรวดเร็วของฟันขนาดใหญ่
1. ข้อดีของดอกสว่าน "ใบมีดไม่กี่ใบ ใบมีดขนาดใหญ่" สามารถรับรู้ได้อย่างเต็มที่ผ่านการปรับปรุงพารามิเตอร์การเจาะ
2.ตราบใดที่มีแรงดันการเจาะ แรงบิด แรงดันปั๊ม และการเคลื่อนตัวที่เพียงพอเพื่อให้มั่นใจถึงความสมดุลแบบไดนามิกของการ "กินเข้าไป การตัดลง และการคายประจุตามเวลา" แม้แต่ดอกสว่าน PDC ที่มีความหนาแน่นของฟันสูง-ที่มี "ใบมีดหลายใบและฟันซี่เล็ก" ก็สามารถเจาะดอกสว่านที่มีความหนาแน่นของฟันสูง-ได้อย่างเหมาะสมและรวดเร็ว
ตามอุปกรณ์ทดสอบ VTL การทดสอบในร่มได้ดำเนินการกับกระบอกสูบบล็อกเพชรโพลีคริสตัลไลน์ (NPD) ขนาดนาโน φ6.0 มม. ผลการวิจัยพบว่า NPD แตกหักอย่างรวดเร็วหลังจากสัมผัสกับหินแกรนิต และการแตกหักค่อนข้างเรียบ เมื่อเปรียบเทียบกับคัตเตอร์ PDC แม้ว่า NPD จะมีความแข็งสูง (NPD มีความแข็ง 130-140 GPa ในขณะที่คัตเตอร์ PDC มีความแข็งเพียง 50-70 GPa) NPD มีความทนทานต่อแรงกระแทกต่ำ และยังเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการที่สูงขึ้นในการเจาะและการแตกหิน ดังนั้น วัสดุทำลายหินสำหรับการขุดเจาะน้ำมันและก๊าซไม่สามารถติดตามความแข็งสูงเป็นพิเศษได้สุ่มสี่สุ่มห้า แต่ควรแสวงหาความสมดุลที่ดีที่สุดระหว่างความแข็งและความเหนียว และระดับทางเทคนิคของความแข็งแรงของวัสดุและความเหนียวจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง
ศึกษาผลของการกำจัดโคบอลต์ต่อความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานแรงกระแทกของหัวกัด PDC โดยใช้การทดสอบ VTL ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความต้านทานการสึกหรอและความเสถียรทางความร้อนของหัวกัด PDC ได้รับการปรับปรุงอย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการแยกส่วน แต่ความต้านทานแรงกระแทกของหัวกัด PDC ที่แยกส่วนนั้นค่อนข้างต่ำ การสึกหรออย่างรวดเร็วของหัวกัด PDC ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขสองประการ: ประการแรกคือหัวกัดมีคมเจียรขนาดใหญ่ และคมเจียรได้เข้าไปในพื้นที่ที่ไม่-แยกโคบอลต์แล้ว อีกอย่างคือความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานระหว่างขอบเจียรกับหินก็เพียงพอแล้ว ขอแนะนำให้ใช้การปรับปรุงพารามิเตอร์การเจาะ (เพิ่มความดันในการเจาะ เพิ่มระยะการเคลื่อนที่ ฯลฯ) ในระยะเริ่มต้นของเครื่องตัด PDC ที่เข้าสู่บ่อ เพื่อลดระยะการเคลื่อนที่ที่จำเป็นเพื่อให้ได้ภาพเดียวกัน และเพื่อระบายการตัดและความร้อนจากการเสียดสีได้ทันเวลา ซึ่งจะช่วยชะลอการสึกหรอของเครื่องตัด
โดยสรุปเราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:
1. การเพิ่มความดันในการเจาะสามารถเพิ่มความเร็วในการเจาะได้
2. การปรับปรุงพารามิเตอร์การเจาะเหมาะสำหรับการเพิ่มความเร็วของฮาร์ดร็อค
3.การเพิ่มความเร็วในการหมุนจะเพิ่มความเร็วในการเจาะเชิงกลของสว่าน
4.ความหนาแน่นของฟัน (จำนวนใบมีด ขนาดเครื่องตัด ระยะห่างของฟัน ฯลฯ) เป็นปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อความเร็วในการเจาะเชิงกลของดอกสว่าน PDC แต่ไม่ใช่ปัจจัยโดยตรง
5.ในปัจจุบัน ความต้านทานการสึกหรอของหัวกัด PDC ดีพอที่จะรับประกัน-การเจาะดอกสว่านในระยะยาวในชั้นหินแข็งที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น หินทรายและหินแกรนิต
6. เมื่อทำการเจาะในรูปแบบทั่วไป เครื่องตัด PDC ไม่จำเป็นต้องทำการแยกส่วนหรือต้องการการแยกส่วนในระดับปานกลางเท่านั้น สำหรับการขึ้นรูปแบบที่มีการเสียดสีสูง ขอแนะนำให้ใช้หัวกัด PDC ที่มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีและทนทานต่อการสึกหรอสูง และการแยกตัวออกลึก
