드릴링 속도 증가를 달성하기 위해 PDC 드릴 비트 성능 최적화에 대한 논의
드릴링 엔지니어링에서 PDC(다결정 다이아몬드 복합재) 드릴 비트의 효과를 최대화하는 것은 드릴링 효율성을 향상시키는 핵심 방법 중 하나입니다. 본 논문에서는 PDC 드릴 비트의 드릴링 속도 증가에 영향을 미치는 직접적인 요인을 심층적으로 탐색하고 높은 드릴링 압력, 높은 회전 속도 및 치밀도가 드릴링 속도와 PDC 드릴 비트의 마모에 미치는 관계를 분석하여 PDC 드릴 비트의 조기 파손 원인과 마모 메커니즘을 탐색합니다.
이론적 연구에 따르면 드릴링 압력(즉, 드릴 비트의 침투 깊이)과 회전 속도는 드릴 비트의 기계적 드릴링 속도에 영향을 미치는 가장 직접적인 요소이며 일반적으로 둘과 기계적 드릴링 속도 사이에는 선형 관계가 있습니다. 그러나 실제 적용에서는 드릴링 압력과 기계적 드릴링 속도 사이에 비선형 반응이 종종 발생합니다. 현장 기술자들은 이를 드릴 비트의 고장이나 형성 요인에 기인하는 경우가 많지만 실제로 그 이유는 드릴링 중에 발생하는 "비정상적인" 요인입니다.
이러한 요소에는 다음이 포함됩니다.
1. 드릴 비트의 성능에 직접적인 영향을 미치는 요인으로는 드릴 비트의 축 방향, 비틀림, 측면 진동(와류, 스틱-슬립, 드릴 점핑 등), 바닥 청소 불량, 절단 치아 또는 드릴 비트의 진흙 패킹, 지층 이질성, 암석 파괴 방법과 지층 암석 간의 불일치 등이 있습니다.
2. 시추 에너지 입력에 영향을 미치는 비-시추 비트 요인에는 하향공 동력 시추 도구의 사용을 제한하는 복잡한 지질 구조, 하향공 튜빙 좌굴 효과, 상단 드라이브 및 도구의 낮은 비틀림 제한, 큰 유정 경사각에는 가벼운 압력 및 호이스팅이 필요함, MWD 및 기타 도구 신호 수집, 긴 수평 단면의 암석 운반 및 압력 지원 문제가 포함됩니다.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200kN), 마모 증가 없이 PDC 드릴 비트의 드릴링 속도가 크게 향상됩니다. 이 발견은 중국 드릴링 기술자들이 오랫동안 고수해온 "낮은 드릴링 압력, 고속" PDC 드릴 비트 사용 원칙에 위배됩니다. "드릴링 압력이 높을수록 드릴 비트 마모가 작아진다"는 추론은 수직 터렛 선반 절단 화강암 습식 연삭 테스트(VTL 테스트)를 통해 검증되었습니다. 테스트 결과에 따르면 동일한 절삭 매개변수에서 PDC 절삭날의 관통 깊이가 클수록(드릴링 압력이 높음을 나타냄) 마모량이 적어 추론의 정확성이 입증되었습니다.
1. PDC 드릴 비트가 효율적인 암석 파괴 상태에 있을 때 드릴링 압력을 높이면 드릴 비트 마모를 줄일 수 있습니다.
2. "PDC 드릴 비트 + 높은 드릴링 압력"은 다운홀 전동 드릴링 도구(예: 높은 토크 나사 등)와 결합되어 기계적 드릴링 속도를 효과적으로 높이고 드릴 비트 마모를 줄일 수 있습니다.
3. 화강암과 같은 단단한 암석에서는 PDC 드릴 비트의 기계적 드릴링 속도와 드릴링 압력이 여전히 선형 관계를 유지하며 드릴링 압력을 높이면 드릴 비트 마모를 효과적으로 늦출 수 있습니다.
4. "PDC 드릴 비트 + 높은 드릴링 압력"의 구체적인 구현은 실제 드릴링 조건에 따라 제한되지만 고급 드릴링 기술 및 장비로 해결할 수 있습니다.
회전 속도와 PDC 커터 마모 사이의 관계는 VTL 테스트(화강암을 절단하는 PDC 커터)를 사용하여 연구되었습니다. 테스트 결과, 선형 속도(회전 속도)가 증가함에 따라 PDC 커터의 마모량이 증가하고, 선형 속도가 특정 임계값을 초과하면 커터의 마모량이 더 이상 이동 거리와 선형적으로 관련되지 않고 마모율이 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. National Oilwell Corporation의 연구에 따르면 "고속 및 낮은 컷인" 조건에서는 커터의 온도가 급격하게 상승하여 매우 짧은 이동 거리 내에서 커터가 마모되고 파손될 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 현재 PDC 절단기의 품질은 400-500r/min의 고속에서 대부분의 지층에서 장기적이고 효율적인 드릴링 요구 사항을 완벽하게 충족할 수 있습니다.{4}} PDC 드릴 비트를 사용하는 고속 파워 드릴링 도구도 해외 드릴링을 위한 일반적인 옵션이 되었습니다. 이러한 이유로 "높은 드릴 압력 + 고속 + 높은 치밀도 PDC 드릴 비트"의 3가지{10}}고속-기술 솔루션이 제안되었습니다. 현장 테스트를 통해 이 솔루션이 PDC 드릴 비트의 단일 트립 드릴링 영상과 기계적 드릴링 속도를 크게 향상시켰음을 입증했습니다.
드릴 비트 톱니 밀도(블레이드 수, 절삭 톱니 크기)와 기계적 침투율 사이의 관계를 조사하기 위해 Shengli Oilfield의 Luojia 블록에서 현장 테스트가 수행되었습니다. 결과에 따르면 일반적으로 사용되는 Φ19.0mm 복합재 4개 블레이드 SK419-YS PDC 드릴 비트는 기계적 관통률이 가장 낮은 반면, Φ19.0mm 복합재 5개 블레이드 SK519-YS PDC 드릴 비트는 더 나은 성능을 보였습니다. 기계적 침투율이 가장 높은 것은 22.0mm 복합재 5날 SK522-YS PDC 드릴 비트로, 큰 톱니의 빠른 절단 속도 향상 설계를 채택했습니다.
1. "소수 블레이드, 대형 블레이드" 드릴 비트의 장점은 드릴링 매개변수 향상을 통해 완전히 실현될 수 있습니다.
2. 충분한 드릴링 압력, 토크, 펌프 압력 및 변위가 제공되어 "먹고, 자르고, 적시에 배출"하는 동적 균형을 보장하는 한, "다중 블레이드와 작은 톱니"가 있는 높은-치아 밀도 PDC 드릴 비트라도 높은-치아 밀도 드릴 비트의 최적의 빠른 드릴링을 달성할 수 있습니다.
VTL 테스트 장치를 기반으로 Φ6.0mm 나노 다결정 다이아몬드 블록(NPD) 실린더를 대상으로 실내 테스트를 수행했습니다. 결과에 따르면 NPD는 화강암과 접촉한 후 빠르게 파손되었으며 파손은 상대적으로 매끄러웠습니다. PDC 커터에 비해 NPD는 경도가 높지만(NPD의 경도는 130-140GPa이고 PDC 커터의 경도는 50-70GPa에 불과함), NPD는 내충격성이 약하고 드릴링 및 암석 파괴의 더 높은 요구 사항을 충족하기가 여전히 어렵습니다. 따라서 석유 및 가스 시추용 암석 파괴재료는 초고경도를 무작정 추구할 수 없으며, 경도와 인성의 최적의 균형을 추구해야 하며, 소재의 강도와 인성 일체화에 대한 기술수준을 지속적으로 향상시켜야 한다.
PDC 절단기의 내마모성과 내충격성에 대한 코발트 제거 효과는 VTL 테스트를 통해 연구되었습니다. 결과는 탈발트 후 PDC 절단기의 내마모성과 열 안정성이 효과적으로 향상되었지만 탈발화된 PDC 절단기의 내충격성은 상대적으로 열악하다는 것을 보여줍니다. PDC 절단기의 빠른 마모는 두 가지 조건에 따라 달라집니다. 하나는 절단기에 큰 연삭 모서리가 있고 연삭 모서리가 비-탈코발트 영역에 들어간 것입니다. 다른 하나는 연삭 모서리와 암석 사이의 마찰로 인해 발생하는 열이 충분하다는 것입니다. 동일한 영상을 얻는 데 필요한 이동 거리를 단축하고 절단 및 마찰열을 적시에 배출하여 절단기의 마모를 늦추기 위해 PDC 절단기가 우물에 들어가는 초기 단계에서 드릴링 매개변수 향상(드릴링 압력 증가, 변위 증가 등)을 사용하는 것이 좋습니다.
요약하면 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.
1. 드릴링 압력을 높이면 드릴링 속도가 향상됩니다.
2. 드릴링 매개 변수 향상은 단단한 암석 속도 증가에 적합합니다.
3. 회전 속도를 높이면 드릴 비트의 기계적 드릴링 속도가 높아집니다.
4. 톱니 밀도(블레이드 수, 커터 크기, 톱니 간격 등)는 PDC 드릴 비트의 기계적 드릴링 속도에 영향을 미치는 요인 중 하나이지만 직접적인 요인은 아닙니다.
5. 현재 PDC 커터의 내마모성은 사암 및 화강암과 같은 균일한 암석층에서 드릴 비트의 장기간 드릴링을 보장하기에 충분합니다.-
6. 일반 구조물에서 드릴링할 때 PDC 절단기는 발화 제거가 필요하지 않거나 적당한 발화 제거만 필요합니다. 마모성이 높은 구조물의 경우 열 안정성이 좋고 내마모성이 뛰어나며 발탈이 깊은 PDC 커터를 사용하는 것이 좋습니다.
