דיון על אופטימיזציה של ביצועי מקדח PDC כדי להשיג עלייה במהירות הקידוח
בהנדסת קידוח, מתן משחק מלא להשפעה המקסימלית של מקדחי PDC (polycrystalline diamond composite) היא אחת הדרכים המרכזיות לשיפור יעילות הקידוח. מאמר זה יחקור לעומק את הגורמים הישירים המשפיעים על עליית מהירות הקידוח של מקדחי PDC, וינתח את הקשר בין לחץ קידוח גבוה, מהירות סיבוב גבוהה וצפיפות שיניים על מהירות הקידוח והבלאי של מקדחי PDC כדי לחקור את הגורמים לכשל מוקדם של מקדחי PDC ומנגנון הבלאי שלהם.
מחקרים תיאורטיים הראו שלחץ הקידוח (כלומר עומק החדירה של המקדחה) ומהירות הסיבוב הם הגורמים הישירים ביותר המשפיעים על מהירות הקידוח המכאנית של המקדחה, ולרוב יש קשר ליניארי בין השניים לבין מהירות הקידוח המכאנית. עם זאת, ביישומים בפועל, לעתים קרובות מתרחשות תגובות לא ליניאריות בין לחץ הקידוח ומהירות הקידוח המכאנית. טכנאי שטח לרוב מייחסים זאת לכשל במקדחים או לגורמי היווצרות, אך למעשה, הסיבה היא גורמים "חריגים" המתרחשים במהלך הקידוח.
גורמים אלה כוללים:
1. גורמים המשפיעים ישירות על הביצועים של המקדחה כוללים תנודות ציריות, פיתול, רוחביות של המקדחה (מערבולת, החלקה מקל, קפיצת מקדחה וכו'), ניקוי תחתון לקוי, אריזת בוץ של שיניים חותכות או מקדחה, הטרוגניות של היווצרות וחוסר התאמה בין שיטת שבירת הסלע לבין היווצרות.
2. גורמי קידוח שאינם- המשפיעים על הזנת אנרגיית הקידוח כוללים מבנה גיאולוגי מורכב שמגביל את השימוש בכלי קידוח כוח למטה, אפקט התכווצות של צינורות למטה, מגבלת פיתול נמוכה של ההנעה העליונה והכלים, זווית נטיית באר גדולה דורשת לחץ והרמה קלה, איסוף אותות MWD וכלים אחרים, ובעיות נשיאת סלע אופקי ותמיכת קטעים בלחץ.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 קילוואן), מהירות הקידוח של מקדחי PDC משופרת משמעותית מבלי להגדיל את הבלאי. ממצא זה מנוגד לעקרון השימוש במקדחי PDC "לחץ קידוח נמוך, מהירות גבוהה" שטכנאי קידוח סינים דבקים בו זמן רב. ההסקה ש"ככל שלחץ הקידוח גבוה יותר, השחיקה של המקדחה קטנה יותר" אומתה באמצעות מבחן השחזה הרטובה של גרניט לחיתוך צריח אנכי (מבחן VTL). תוצאות הבדיקה מראות כי תחת אותם פרמטרי חיתוך, ככל שעומק החדירה של שיני החיתוך PDC גדול יותר (המייצג את לחץ הקידוח הגבוה יותר), כך נפח הבלאי קטן יותר, מה שמוכיח את נכונות ההסקה.
1. כאשר מקדח PDC נמצא במצב יעיל של שבירת סלעים, הגברת לחץ הקידוח יכולה להפחית את בלאי המקדחה.
2"מקדח PDC + לחץ קידוח גבוה" בשילוב עם כלי קידוח חשמליים למטה (כגון ברגים עם מומנט גבוה וכו') יכולים להגביר ביעילות את מהירות הקידוח המכאני ולהפחית את בלאי המקדחה.
3. בתצורות סלע קשיח (כגון גרניט), מהירות הקידוח המכנית של מקדח ה-PDC ולחץ הקידוח עדיין שומרים על קשר ליניארי, והגדלת לחץ הקידוח יכולה למעשה להאט את בלאי המקדחה.
4. היישום הספציפי של "מקדחה PDC + לחץ קידוח גבוה" מוגבל על ידי תנאי הקידוח בפועל, אך ניתן לפתור זאת על ידי טכנולוגיית קידוח וציוד מתקדמים.
הקשר בין מהירות הסיבוב לבלאי חותך PDC נחקר באמצעות מבחן VTL (PDC cutter cutter granite). תוצאות הבדיקה הראו שנפח הבלאי של חותכי PDC גדל עם עליית המהירות הליניארית (מהירות הסיבוב), וכאשר המהירות הליניארית עולה על סף מסוים, נפח הבלאי של החותכים אינו קשור יותר למרחק הנסיעה, וקצב הבלאי עולה באופן משמעותי. המחקר של National Oilwell Corporation מצא כי בתנאים של "מהירות גבוהה וחיתוך נמוך-", הטמפרטורה של החותכים תעלה במהירות, מה שיגרום להם להישחק ולהיכשל במרחק נסיעה קצר מאוד. עם זאת, האיכות הנוכחית של חותכי PDC יכולה לענות באופן מלא על הצרכים של קידוח-לטווח ארוך ויעיל ברוב התצורות במהירות גבוהה של 400-500 סל"ד לדקה. כלי קידוח מהירים- עם מקדחי PDC הפכו גם הם לאופציה נפוצה עבור קידוחים זרים. מסיבה זו, הוצע פתרון טכנולוגי של שלוש-מהירות גבוהה-מעלה של "לחץ קידוח גבוה + מהירות גבוהה + מקדח PDC בצפיפות שיניים גבוהה". בדיקות שטח הוכיחו שפתרון זה שיפר מאוד את צילומי הקידוח הבודדים ואת מהירות הקידוח המכאני של מקדחי PDC.
על מנת לחקור את הקשר בין צפיפות שן המקדחה (מספר להבים, גודל שן חיתוך) וקצב החדירה המכאנית, בוצעה בדיקת שדה בבלוק Luojia של Shengli Oilfield. התוצאות הראו כי המקדח המרוכב הנפוץ φ19.0 מ"מ עם ארבע-להב SK419-YS PDC היה בעל קצב החדירה המכאני הנמוך ביותר, בעוד שמקדח YS PDC φ19.0 מ"מ עם חמישה-להבים SK519-תפקד טוב יותר. קצב החדירה המכאני הגבוה ביותר היה מקדח SK522-YS PDC בעל חמישה להבים φ22.0 מ"מ, שאימץ עיצוב מהיר של חיתוך גדול בשיניים.
1. ניתן לממש את היתרונות של מקדח "כמה להבים, להבים גדולים" במלואם באמצעות שיפור פרמטרי קידוח.
2. כל עוד מסופקים מספיק לחץ קידוח, מומנט, לחץ משאבה ותזוזה כדי להבטיח את האיזון הדינמי של "אכילה, חיתוך ופריקה בזמן", אפילו מקדח PDC בצפיפות שיניים- גבוהה עם "מספר להבים ושיניים קטנות" יכול להשיג את הקידוח האופטימלי ומהיר של צפיפות קידוח גבוהה-
בהתבסס על מכשיר הבדיקה של VTL, בוצעו בדיקות פנימיות על גלילי φ6.0 מ"מ ננו polycrystalline Diamond Block (NPD). התוצאות הראו כי NPD נשבר במהירות לאחר מגע עם גרניט, והשבר היה חלק יחסית. בהשוואה לחותכי PDC, למרות של-NPD יש קשיות גבוהה (ל-NPD קשיות של 130-140 GPa, בעוד שחותכי PDC הם בעלי קשיות של 50-70 GPa בלבד), ל-NPD יש עמידות בפני פגיעה חלשה ועדיין קשה לעמוד בדרישות הגבוהות יותר של קידוח ושבירת סלעים. לכן, חומרים לשבירת סלעים לקידוחי נפט וגז אינם יכולים לרדוף באופן עיוור אחר קשיות גבוהה במיוחד, אלא צריכים לחפש את האיזון הטוב ביותר בין קשיות וקשיחות, ויש לשפר ללא הרף את הרמה הטכנית של שילוב חוזק החומרים והקשיחות.
ההשפעה של הסרת קובלט על עמידות הבלאי ועמידות הפגיעה של חותכי PDC נחקרה באמצעות מבחני VTL. התוצאות מראות שעמידות הבלאי והיציבות התרמית של חותכי PDC משתפרים ביעילות לאחר דה-קובלט, אך עמידות הפגיעה של חותכי PDC דה-קובלט נמוכה יחסית. השחיקה המהירה של חותכי PDC תלויה בשני תנאים: האחד הוא שלחותכים יש קצוות שחיקה גדולים וקצוות השחזה נכנסו לאזור שאינו-הקובלט; השני הוא שהחום שנוצר מהחיכוך בין קצוות השחזה לסלע מספיק. מומלץ להשתמש בשיפור פרמטרי קידוח (הגברת לחץ הקידוח, הגדלת תזוזה וכו') בשלב הראשוני של כניסת חותכי PDC לבאר כדי לקצר את מרחק הנסיעה הנדרש כדי להשיג את אותו מדה, ולפרוק בזמן את הגזם וחום החיכוך, ובכך להאט את הבלאי של החותכים.
לסיכום, אנו יכולים להסיק את המסקנות הבאות:
1. הגדלת לחץ הקידוח יכולה להשיג עלייה במהירות הקידוח.
2.שיפור פרמטר קידוח מתאים להגדלת מהירות סלע קשה.
3. הגדלת מהירות הסיבוב תגביר את מהירות הקידוח המכני של המקדח.
4. צפיפות השיניים (מספר להבים, גודל חותך, מרווח שיניים וכו') היא אחד הגורמים המשפיעים על מהירות הקידוח המכאנית של מקדחי PDC, אך היא אינה גורם ישיר.
5. נכון להיום, עמידות הבלאי של חותכי PDC טובה מספיק כדי להבטיח-קידוח ארוך טווח של מקדחים בתצורות סלע קשיח הומוגניות כגון אבן חול וגרניט.
6. בעת קידוח בתצורות כלליות, חותכי PDC אינם צריכים להיות דה-קובלט או רק זקוקים ל-decobalting מתון. עבור תצורות שוחקות מאוד, מומלץ להשתמש בחותכי PDC בעלי יציבות תרמית טובה ועמידות בפני שחיקה חזקה, ו-decobalting עמוק.
