Discusión sobre la optimización del rendimiento de la broca PDC para lograr un aumento de la velocidad de perforación
En la ingeniería de perforación, aprovechar al máximo el efecto máximo de las brocas de PDC (compuesto de diamante policristalino) es una de las formas clave de mejorar la eficiencia de la perforación. Este artículo explorará en profundidad los factores directos que afectan el aumento de la velocidad de perforación de las brocas PDC y analizará la relación entre la alta presión de perforación, la alta velocidad de rotación y la densidad de los dientes en la velocidad de perforación y el desgaste de las brocas PDC para explorar las causas de falla prematura de las brocas PDC y su mecanismo de desgaste.
Los estudios teóricos han demostrado que la presión de perforación (es decir, la profundidad de penetración de la broca) y la velocidad de rotación son los factores más directos que afectan la velocidad de perforación mecánica de la broca, y generalmente existe una relación lineal entre los dos y la velocidad de perforación mecánica. Sin embargo, en aplicaciones reales, a menudo ocurren respuestas no lineales entre la presión de perforación y la velocidad de perforación mecánica. Los técnicos de campo a menudo atribuyen esto a fallas de la broca o factores de formación, pero, de hecho, la razón son factores "anormales" que ocurren durante la perforación.
Estos factores incluyen:
1. Los factores que afectan directamente el rendimiento de la broca incluyen vibraciones axiales, torsionales y laterales de la broca (vórtice, deslizamiento -de la broca, salto de la broca, etc.), limpieza deficiente del fondo, empaquetamiento de lodo en los dientes cortantes o en la broca, heterogeneidad de la formación y falta de coincidencia entre el método de rotura de roca y la litología de la formación.
2. Los factores no-de las brocas de perforación que afectan la entrada de energía de perforación incluyen una estructura geológica compleja que limita el uso de herramientas eléctricas de perforación de fondo de pozo, el efecto de pandeo de la tubería de fondo de pozo, un límite de torsión bajo del mando superior y las herramientas, un ángulo de inclinación grande del pozo que requiere presión y elevación ligeras, recolección de señales de MWD y otras herramientas, y problemas de transporte de roca y soporte de presión en secciones horizontales largas.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN), la velocidad de perforación de las brocas PDC mejora significativamente sin aumentar el desgaste. Este hallazgo es contrario al principio de uso de brocas PDC de "baja presión de perforación, alta velocidad" al que los técnicos de perforación chinos se han adherido durante mucho tiempo. La inferencia de que "cuanto mayor es la presión de perforación, menor es el desgaste de la broca" se verificó mediante la prueba de molienda húmeda de granito de corte con torno de torre vertical (prueba VTL). Los resultados de la prueba muestran que bajo los mismos parámetros de corte, cuanto mayor es la profundidad de penetración de los dientes de corte PDC (que representa la mayor presión de perforación), menor es el volumen de desgaste, lo que demuestra la exactitud de la inferencia.
1. Cuando la broca PDC se encuentra en un estado eficiente para romper rocas, aumentar la presión de perforación puede reducir el desgaste de la broca.
2. "Broca PDC + alta presión de perforación" combinada con herramientas eléctricas de perforación de fondo de pozo (como tornillos de alto torque, etc.) pueden aumentar efectivamente la velocidad de perforación mecánica y reducir el desgaste de la broca.
3. En formaciones de roca dura (como granito), la velocidad de perforación mecánica de la broca PDC y la presión de perforación aún mantienen una relación lineal, y el aumento de la presión de perforación puede ralentizar efectivamente el desgaste de la broca.
4.La implementación específica de "broca PDC + alta presión de perforación" está limitada por las condiciones reales de perforación, pero puede resolverse mediante tecnología y equipos de perforación avanzados.
La relación entre la velocidad de rotación y el desgaste del cortador PDC se estudió mediante el ensayo VTL (cortador PDC cortando granito). Los resultados de las pruebas mostraron que el volumen de desgaste de las fresas PDC aumenta con el aumento de la velocidad lineal (velocidad de rotación), y cuando la velocidad lineal excede un cierto umbral, el volumen de desgaste de las fresas ya no está relacionado linealmente con la distancia recorrida y la tasa de desgaste aumenta significativamente. La investigación de National Oilwell Corporation encontró que bajo condiciones de "alta velocidad y bajo corte-", la temperatura de los cortadores aumentará rápidamente, provocando que se desgasten y fallen en una distancia de recorrido muy corta. Sin embargo, la calidad actual de los cortadores de PDC puede satisfacer plenamente las necesidades de perforación eficiente y a largo plazo-en la mayoría de las formaciones a una alta velocidad de 400-500 r/min. Las herramientas de perforación eléctricas de alta-velocidad con brocas PDC también se han convertido en una opción común para la perforación en el exterior. Por esta razón, se propuso una solución tecnológica de tres-alta velocidad-: "alta presión de perforación + alta velocidad + broca PDC de alta densidad de dientes". Las pruebas de campo han demostrado que esta solución ha mejorado en gran medida el metraje de perforación de un solo viaje y la velocidad de perforación mecánica de las brocas PDC.
Para explorar la relación entre la densidad de los dientes de la broca (número de hojas, tamaño de los dientes de corte) y la tasa de penetración mecánica, se llevó a cabo una prueba de campo en el bloque Luojia del campo petrolífero de Shengli. Los resultados mostraron que la broca SK419-YS PDC de pieza compuesta de φ19,0 mm de cuatro-hojas de uso común tenía la tasa de penetración mecánica más baja, mientras que la broca SK519-YS PDC de pieza compuesta de φ19,0 mm de cinco-hojas tuvo un mejor rendimiento. La tasa de penetración mecánica más alta fue la broca PDC SK522-YS de cinco hojas de pieza compuesta de φ22,0 mm, que adoptó un diseño de velocidad de corte rápido de dientes grandes.
1. Las ventajas de la broca de "pocas hojas, hojas grandes" se pueden aprovechar plenamente mediante la mejora de los parámetros de perforación.
2. Siempre que se proporcione suficiente presión de perforación, torsión, presión de la bomba y desplazamiento para garantizar el equilibrio dinámico de "comer, cortar y descargar a tiempo", incluso una broca PDC de alta-densidad de dientes con "múltiples hojas y dientes pequeños" puede lograr la perforación óptima y rápida de una broca de alta-densidad de dientes
Con base en el dispositivo de prueba VTL, se llevaron a cabo pruebas en interiores en cilindros de bloque de diamante nanopolicristalino (NPD) de φ6,0 mm. Los resultados mostraron que el NPD se rompió rápidamente después de entrar en contacto con el granito y la fractura fue relativamente suave. En comparación con los cortadores de PDC, aunque el NPD tiene una dureza alta (NPD tiene una dureza de 130-140 GPa, mientras que los cortadores de PDC tienen una dureza de solo 50-70 GPa), el NPD tiene una resistencia al impacto débil y aún es difícil cumplir con los requisitos más altos de perforación y rotura de rocas. Por lo tanto, los materiales para romper rocas para la perforación de petróleo y gas no pueden perseguir ciegamente una dureza ultra alta, sino que deben buscar el mejor equilibrio entre dureza y tenacidad, y el nivel técnico de integración de resistencia y tenacidad del material debe mejorarse continuamente.
El efecto de la eliminación de cobalto sobre la resistencia al desgaste y la resistencia al impacto de las cortadoras de PDC se estudió mediante pruebas VTL. Los resultados muestran que la resistencia al desgaste y la estabilidad térmica de las cortadoras de PDC mejoran efectivamente después del descobaltado, pero la resistencia al impacto de las cortadoras de PDC decobaltadas es relativamente pobre. El rápido desgaste de los cortadores de PDC depende de dos condiciones: una es que los cortadores tienen grandes bordes abrasivos y los bordes abrasivos han entrado en el área no-descobaltada; la otra es que el calor generado por la fricción entre los bordes abrasivos y la roca sea suficiente. Se recomienda utilizar la mejora de los parámetros de perforación (aumento de la presión de perforación, aumento del desplazamiento, etc.) en la etapa inicial de los cortadores de PDC que ingresan al pozo para acortar la distancia de recorrido requerida para obtener el mismo metraje y descargar oportunamente los recortes y el calor de fricción, disminuyendo así el desgaste de los cortadores.
En resumen, podemos sacar las siguientes conclusiones:
1.El aumento de la presión de perforación puede lograr un aumento de la velocidad de perforación.
2.La mejora de los parámetros de perforación es adecuada para aumentar la velocidad de la roca dura.
3. Aumentar la velocidad de rotación aumentará la velocidad de perforación mecánica de la broca.
4.La densidad de los dientes (número de hojas, tamaño de la fresa, espacio entre los dientes, etc.) es uno de los factores que afectan la velocidad de perforación mecánica de las brocas PDC, pero no es un factor directo.
5. En la actualidad, la resistencia al desgaste de las cortadoras de PDC es lo suficientemente buena como para garantizar la perforación a largo plazo-de brocas en formaciones de roca dura homogéneas como arenisca y granito.
6. Al perforar en formaciones generales, los cortadores de PDC no necesitan ser descobaltados o solo necesitan un descobaltado moderado. Para formaciones altamente abrasivas, se recomienda utilizar cortadores de PDC con buena estabilidad térmica y fuerte resistencia al desgaste, y decobaltado profundo.
