Ricerca sugli utensili per aumentare la velocità di perforazione

Attualmente, gli strumenti per aumentare la velocità di perforazione si dividono principalmente in due categorie: meccanici e idraulici. Gli strumenti meccanici utilizzano il peso sulla punta (WOB, Weight on Bit) per generare la forza d'impatto, migliorando efficacemente l'efficienza di frantumazione della roccia in formazioni dure, ma presentano problemi quali forti vibrazioni, elevato consumo energetico e facile usura per fatica. Gli strumenti idraulici utilizzano il fluido di perforazione per azionare i martelli a impatto, combinando impatto, rotazione e getto per frantumare la roccia. Offrono vantaggi significativi nell'aumentare la velocità di penetrazione (ROP), nel controllare la deviazione del pozzo e nel prolungare la durata della punta, ma generalmente presentano problemi quali la frequenza di impatto univoca e la difficoltà di adattamento alle esigenze di formazioni diverse.

La tecnologia di perforazione a percussione si divide principalmente in tre categorie in base alla modalità di azione: tecnologia a impatto torsionale, tecnologia a impatto assiale e tecnologia a impatto composito assiale-torsionale. L'essenza della perforazione a percussione, per aumentare la velocità, consiste nel convertire l'energia di pressione del gas o del liquido in energia meccanica di impatto assiale o torsionale tramite un impattore, che viene applicata direttamente all'estremità posteriore della punta, migliorando le condizioni di taglio della punta e aumentando l'efficienza di frantumazione della roccia.

La tecnologia di perforazione a impatto torsionale è una tecnologia emergente per l'aumento della velocità di perforazione, utilizzata principalmente per risolvere le vibrazioni "stick-slip" generate dalle punte PDC. Durante l'utilizzo, l'impattore torsionale viene installato all'estremità posteriore della punta. Grazie alla sua struttura interna, è in grado di convertire l'energia idraulica del fluido in energia meccanica da impatto torsionale. La punta frantuma la roccia sotto l'azione combinata della coppia costante della batteria di perforazione e della coppia d'impatto generata dall'impattore.

I seguenti esempi introducono due strumenti innovativi

1. Utensile per aumentare la velocità di foratura con frequenza di impatto regolabile

L'utensile idraulico per l'aumento della velocità di perforazione a frequenza regolabile ha una struttura di impatto centrale composta da cuscinetti, corpo dell'albero inferiore, coppie di pistoni, martello d'impatto, ugello di strozzatura e altri componenti.

Principio di funzionamento:Questo strumento sfrutta la differenza di pressione periodica creata dal fluido di perforazione nelle camere superiore e inferiore del martello a percussione per azionarlo, facendolo oscillare ad alta velocità e generando una forza d'impatto assiale che viene trasmessa direttamente alla punta per favorire la frantumazione della roccia. La caratteristica principale è la possibilità di regolare la frequenza d'impatto modificando il numero di fori simmetrici nel corpo inferiore dell'albero, adattandosi così alle esigenze di perforazione di diverse formazioni rocciose.

Applicazione di un utensile per l'aumento della velocità di foratura con frequenza di impatto regolabile

Test sul campo in formazione medio-dura: Sulla base della frequenza di impatto ottimale (16 Hz) selezionata tramite simulazione numerica, questo strumento è stato testato nel pozzo X1 del giacimento petrolifero di Xinjiang. Nella sezione di formazione con forte abrasività e bassa velocità di penetrazione (ROP), il confronto con il pozzo adiacente utilizzando una perforatrice a vite mostra che, dopo l'utilizzo di questo strumento, la lunghezza di perforazione per singola corsa è aumentata del 53%, la ROP meccanica è aumentata del 27,0%, riducendo efficacemente il numero di corse e risparmiando tempo di costruzione.

Test sul campo in formazione dura: in base alla frequenza di impatto ottimale (18 Hz) selezionata tramite simulazione numerica, questo strumento è stato testato nelle formazioni di andesite e basalto del Carbonifero, caratterizzate da scarsa perforabilità, nel pozzo X3 del giacimento petrolifero dello Xinjiang.

Conclusione: I risultati mostrano che, dopo l'utilizzo di questo strumento, la velocità di penetrazione meccanica (ROP) è aumentata significativamente del 103,2% rispetto ai pozzi adiacenti, il che dimostra efficacemente che può migliorare significativamente l'efficienza di perforazione e ridurre la durata del ciclo di perforazione in diverse formazioni.

2. Progettazione di un utensile composito per l'aumento della velocità di perforazione a impatto

È stato progettato un meccanismo idraulico torsionale ad impatto, il cui nucleo è costituito da tre parti: un meccanismo di distribuzione del flusso, un meccanismo di inversione e un meccanismo di impatto.

Processo di movimento: Inizialmente (stato a), il fluido ad alta pressione entra nella cavità sinistra del martello idraulico attraverso il canale di flusso sinistro del nucleo della valvola di inversione, spingendo il martello idraulico e il nucleo della valvola a ruotare in senso orario insieme fino a quando il martello idraulico non impatta sulla sede del martello idraulico (stato b). Dopo l'impatto, il fluido ad alta pressione entra quindi nella cavità destra formata dal martello idraulico e dal nucleo della valvola attraverso il canale di flusso di controllo destro, spingendo il nucleo della valvola a continuare a ruotare in senso orario fino alla posizione di inversione (stato c), in modo che il fluido ad alta pressione passi al canale di flusso destro ed entri nella cavità destra del martello idraulico, facendo ruotare il martello idraulico e il nucleo della valvola in senso antiorario (stato c). Quando il martello idraulico impatta nuovamente sulla sede del martello idraulico (stato d), il fluido ad alta pressione entra nella cavità sinistra attraverso il canale di flusso di controllo sinistro, spingendo il nucleo della valvola a ruotare in senso antiorario per invertire e tornare allo stato iniziale (stato a). Questo ciclo si ripete, generando un impatto torsionale alternato ad alta frequenza attraverso la continua inversione e l'impatto azionato dal fluido.

Principio di funzionamento:Dopo che il fluido (fango) fluisce nel manicotto di distribuzione del flusso attraverso il giunto superiore e il tubo guida, viene distribuito al meccanismo di inversione e al meccanismo di impatto, e i due percorsi del fluido sono separati dalla piastra di distribuzione del flusso. Successivamente, il fluido passa attraverso l'ugello all'interno del mandrino, formando zone di alta e bassa pressione prima e dopo di esso. Il nucleo della valvola di inversione ruota sotto l'azione della differenza di pressione, controllando le cavità sinistra e destra del martello idraulico in modo che si colleghino alternativamente alle zone di alta e bassa pressione, facendo sì che il martello idraulico si muova alternativamente per colpire la sede del martello idraulico sotto l'azione della differenza di pressione, generando così un impatto torsionale alternato ad alta frequenza.

1-Sottoparte superiore; 2-Carter esterno; 3-Tubo guida; 4-Manicotto di distribuzione del flusso; 5-Piastra di distribuzione del flusso; 6-Bullone; 7-Anello di supporto superiore; 8-Sede del martello idraulico; 9-Martello idraulico; 10-Nucleo della valvola di inversione; 11-Anello di supporto inferiore; 12-Mandrino; 13-Sottoparte inferiore;

Schema di diagramma della struttura del meccanismo di impatto torsionale

Processo di movimento del meccanismo di impatto torsionale

È stato progettato un meccanismo di impatto assiale. Gli impattori assiali idraulici si dividono principalmente in due tipi: a valvola e senza valvola. La struttura interna degli impattori a valvola è complessa e la loro affidabilità è scarsa; il tipo senza valvola comprende principalmente il tipo a getto e il tipo a getto-aspirazione, tra i quali il tipo a getto ha una durata di servizio limitata. L'impattore idraulico a getto-aspirazione ha una struttura semplice, realizza l'impatto basandosi sull'aspirazione del getto e sull'effetto di oscillazione del colpo d'ariete, ha poche parti mobili interne e nessuna parte vulnerabile, e può adattarsi meglio alle complesse condizioni di fondo pozzo.

1-Sede dell'ugello superiore; 2-Ugello superiore; 3-Valvola superiore; 4-Manicotto della valvola superiore; 5-Ugello secondario; 6-Involucro esterno assiale; 7-Manicotto di supporto; 8-Martello d'impatto; 9-Testa del martello; 10-Sede del martello; 11-Cappuccio di protezione; 12-Principio di funzionamento del giunto esagonale del meccanismo d'impatto assiale.

Formazione del flusso iniziale e della differenza di pressione: il fluido ad alta pressione forma un getto ad alta velocità attraverso l'ugello superiore. Sotto l'azione combinata dell'aspirazione del getto e dell'effetto di strozzamento, si creano differenze di pressione nelle camere superiore e inferiore della valvola superiore, nonché tra la camera superiore esterna del martello d'impatto e l'estremità inferiore della testa del martello.

Movimento verso l'alto dei componenti e sigillatura del canale di flusso: spinta dalle rispettive differenze di pressione, la valvola superiore si muove verso l'alto e i componenti di impatto (ugello secondario, martello d'impatto e testa del martello) si muovono anch'essi verso l'alto finché l'ugello secondario non entra in contatto con la valvola superiore e sigilla il canale di flusso.

Generazione del colpo d'ariete e movimento congiunto verso il basso: la chiusura istantanea del canale di flusso innesca l'oscillazione del colpo d'ariete e la pressione nella camera aumenta bruscamente, spingendo la valvola superiore e i componenti d'impatto ad accelerare insieme verso il basso.

Impatto inerziale e recupero del ciclo: Dopo che la valvola superiore si sposta nella posizione limite inferiore, i componenti d'impatto continuano a muoversi verso il basso per inerzia e infine colpiscono la sede del martello per completare l'impatto assiale. Dopo l'impatto, il canale di flusso torna regolare e il meccanismo si ripristina sotto l'azione del peso sulla punta (WOB), avviando il ciclo successivo.

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