งานวิจัยเกี่ยวกับเครื่องมือเพิ่มความเร็วในการเจาะ

ปัจจุบัน เครื่องมือเพิ่มความเร็วในการเจาะแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ ประเภทกลไกและประเภทไฮดรอลิก เครื่องมือกลไกใช้แรงกดบนหัวเจาะ (Weight on Bit: WOB) เพื่อสร้างแรงกระแทก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำลายหินในชั้นหินแข็งได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ก็มีปัญหา เช่น การสั่นสะเทือนสูง การใช้พลังงานสูง และความเสียหายจากความล้าได้ง่าย ส่วนเครื่องมือไฮดรอลิกใช้ของเหลวในการเจาะเพื่อขับเคลื่อนค้อนกระแทก โดยผสมผสานแรงกระแทก การหมุน และการพ่นเพื่อทำลายหิน เครื่องมือประเภทนี้มีข้อดีอย่างมากในการเพิ่มอัตราการเจาะ (Rate of Penetration: ROP) ควบคุมการเบี่ยงเบนของหลุมเจาะ และยืดอายุการใช้งานของหัวเจาะ แต่โดยทั่วไปก็มีปัญหา เช่น ความถี่ในการกระแทกแต่ละครั้ง และความยากลำบากในการปรับให้เข้ากับความต้องการของชั้นหินที่แตกต่างกัน

เทคโนโลยีการเจาะกระแทกแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลักตามลักษณะการทำงาน ได้แก่ เทคโนโลยีการกระแทกแบบบิด เทคโนโลยีการกระแทกแบบแกน และเทคโนโลยีการกระแทกแบบผสมแกน-บิด หลักการสำคัญของการเจาะกระแทกเพื่อเพิ่มความเร็วคือการแปลงพลังงานความดันของก๊าซหรือของเหลวให้เป็นพลังงานกลของการกระแทกแบบแกนหรือบิดผ่านตัวกระแทก ซึ่งจะส่งตรงไปยังส่วนท้ายของดอกสว่าน ช่วยปรับปรุงสภาพการตัดของดอกสว่านและเพิ่มประสิทธิภาพการทำลายหินของดอกสว่าน

เทคโนโลยีการเจาะแบบกระแทกแรงบิดเป็นเทคโนโลยีเพิ่มความเร็วในการเจาะที่กำลังมาแรงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยส่วนใหญ่ใช้เพื่อแก้ปัญหาการสั่นสะเทือนแบบ "ติดๆ ขัดๆ" ที่เกิดจากดอกสว่าน PDC เมื่อใช้งาน ตัวกระแทกแรงบิดจะถูกติดตั้งที่ปลายด้านท้ายของดอกสว่าน ด้วยการออกแบบโครงสร้างภายใน มันสามารถแปลงพลังงานไฮดรอลิกของของเหลวให้เป็นพลังงานกลแบบกระแทกแรงบิดได้ ดอกสว่านจะเจาะหินภายใต้การทำงานร่วมกันของแรงบิดคงที่ของชุดสว่านและแรงบิดกระแทกที่เกิดจากตัวกระแทก

ตัวอย่างต่อไปนี้จะแนะนำเครื่องมือใหม่สองอย่าง

1. เครื่องมือเพิ่มความเร็วในการเจาะ พร้อมความถี่การกระแทกที่ปรับได้

เครื่องมือเพิ่มความเร็วในการเจาะแบบไฮดรอลิกที่ปรับความถี่ได้ มีโครงสร้างแรงกระแทกหลักที่ประกอบด้วยตลับลูกปืน ตัวเพลาล่าง ชุดลูกสูบ ค้อนกระแทก หัวฉีดควบคุม และส่วนประกอบอื่นๆ

หลักการทำงาน:เครื่องมือนี้ใช้ความแตกต่างของแรงดันเป็นระยะๆ ที่เกิดจากของเหลวในการเจาะในห้องบนและล่างของค้อนกระแทก เพื่อขับเคลื่อนค้อนกระแทกให้เคลื่อนที่ไปมาด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดแรงกระแทกตามแนวแกนซึ่งส่งตรงไปยังดอกสว่านเพื่อช่วยในการทำลายหิน จุดสำคัญคือ เครื่องมือนี้สามารถปรับความถี่ในการกระแทกได้โดยการเปลี่ยนจำนวนรูสมมาตรในตัวเพลาส่วนล่าง จึงสามารถปรับให้เข้ากับความต้องการในการเจาะของชั้นหินที่แตกต่างกันได้

การประยุกต์ใช้เครื่องมือเพิ่มความเร็วในการเจาะที่มีความถี่การกระแทกที่ปรับได้

การทดสอบภาคสนามในชั้นหินแข็งปานกลาง: จากความถี่การกระแทกที่เหมาะสมที่สุด (16 เฮิรตซ์) ที่เลือกโดยการจำลองเชิงตัวเลข เครื่องมือนี้ได้รับการทดสอบในบ่อ X1 ของแหล่งน้ำมันซินเจียง ในส่วนของชั้นหินที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงและอัตราการเจาะต่ำ (ROP) เมื่อเปรียบเทียบกับบ่อข้างเคียงที่ใช้เครื่องมือเจาะแบบเกลียว พบว่าหลังจากใช้เครื่องมือนี้แล้ว ระยะทางในการเจาะต่อครั้งเพิ่มขึ้น 53% อัตราการเจาะเชิงกลเพิ่มขึ้น 27.0% ช่วยลดจำนวนรอบการเจาะและประหยัดระยะเวลาการก่อสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การทดสอบภาคสนามในชั้นหินแข็ง: จากความถี่การกระแทกที่เหมาะสมที่สุด (18 เฮิรตซ์) ที่เลือกโดยการจำลองเชิงตัวเลข เครื่องมือนี้ได้รับการทดสอบในชั้นหินแอนดีไซต์และหินบะซอลต์ยุคคาร์บอนิเฟอรัส ซึ่งเจาะได้ยากในบ่อ X3 ของแหล่งน้ำมันซินเจียง

สรุป: ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า หลังจากใช้เครื่องมือนี้ อัตราการเจาะเชิงกล (ROP) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญถึง 103.2% เมื่อเทียบกับบ่อที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งพิสูจน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพว่าสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเจาะและลดระยะเวลาการเจาะในชั้นหินต่างๆ ได้อย่างมีนัยสำคัญ

2. การออกแบบเครื่องมือเพิ่มความเร็วในการเจาะกระแทกแบบคอมโพสิต

มีการออกแบบกลไกแรงกระแทกแบบบิดตัวด้วยระบบไฮดรอลิก โดยมีส่วนประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ กลไกการกระจายการไหล กลไกการกลับทิศทาง และกลไกแรงกระแทก

กระบวนการเคลื่อนที่: ในขั้นต้น (สถานะ a) ของเหลวแรงดันสูงจะไหลเข้าสู่ช่องด้านซ้ายของค้อนไฮดรอลิกผ่านช่องทางการไหลด้านซ้ายของแกนวาล์วกลับทิศทาง ผลักค้อนไฮดรอลิกและแกนวาล์วให้หมุนตามเข็มนาฬิกาไปพร้อมกัน จนกระทั่งค้อนไฮดรอลิกกระแทกกับที่นั่งค้อนไฮดรอลิก (สถานะ b) หลังจากการกระแทก ของเหลวแรงดันสูงจะไหลเข้าสู่ช่องด้านขวาที่เกิดจากค้อนไฮดรอลิกและแกนวาล์วผ่านช่องทางการไหลควบคุมด้านขวา ผลักแกนวาล์วให้หมุนตามเข็มนาฬิกาต่อไปจนถึงตำแหน่งกลับทิศทาง (สถานะ c) เพื่อให้ของเหลวแรงดันสูงเปลี่ยนไปใช้ช่องทางการไหลด้านขวาและเข้าสู่ช่องด้านขวาของค้อนไฮดรอลิก ขับเคลื่อนค้อนไฮดรอลิกและแกนวาล์วให้หมุนทวนเข็มนาฬิกา (สถานะ c) จนกระทั่งค้อนไฮดรอลิกกระแทกกับที่นั่งค้อนไฮดรอลิกอีกครั้ง (สถานะ d) ของเหลวแรงดันสูงจะไหลเข้าสู่ช่องด้านซ้ายผ่านช่องทางการไหลควบคุมด้านซ้าย ผลักแกนวาล์วให้หมุนทวนเข็มนาฬิกาเพื่อกลับทิศทางและกลับสู่สถานะเริ่มต้น (สถานะ a) กระบวนการนี้จะวนซ้ำ ทำให้เกิดการกระแทกแบบบิดตัวเป็นจังหวะความถี่สูงผ่านการกลับทิศทางและการกระแทกอย่างต่อเนื่องที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลว

หลักการทำงาน:หลังจากของเหลว (โคลน) ไหลเข้าสู่ปลอกกระจายการไหลผ่านข้อต่อด้านบนและท่อนำทางแล้ว ของเหลวจะถูกกระจายไปยังกลไกการกลับทิศทางและกลไกการกระแทก โดยแผ่นกระจายการไหลจะแยกเส้นทางการไหลของของเหลวทั้งสองออกจากกัน จากนั้นของเหลวจะไหลผ่านหัวฉีดภายในแกนหมุน ทำให้เกิดโซนแรงดันสูงและต่ำก่อนและหลังหัวฉีด แกนวาล์วกลับทิศทางจะหมุนภายใต้แรงขับของความแตกต่างของแรงดัน ควบคุมช่องซ้ายและขวาของค้อนไฮดรอลิกให้เชื่อมต่อกับโซนแรงดันสูงและต่ำสลับกัน ทำให้ค้อนไฮดรอลิกเคลื่อนที่ไปมาเพื่อกระแทกที่นั่งค้อนไฮดรอลิกภายใต้การทำงานของความแตกต่างของแรงดัน จึงทำให้เกิดการกระแทกแบบบิดตัวไปมาความถี่สูง

1-ชิ้นส่วนบน; 2-ปลอกหุ้มด้านนอก; 3-ท่อไกด์; 4-ปลอกกระจายการไหล; 5-แผ่นกระจายการไหล; 6-สลักเกลียว; 7-แหวนรองรับด้านบน; 8-ที่นั่งค้อนไฮดรอลิก; 9-ค้อนไฮดรอลิก; 10-แกนวาล์วกลับทิศทาง; 11-แหวนรองรับด้านล่าง; 12-แกนหมุน; 13-ชิ้นส่วนล่าง;

แผนภาพแสดงโครงสร้างกลไกการกระแทกแบบบิด

กระบวนการเคลื่อนที่ของกลไกการกระแทกแบบบิด

มีการออกแบบกลไกการกระแทกตามแนวแกนชนิดหนึ่ง เครื่องกระแทกตามแนวแกนแบบไฮดรอลิกส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบมีวาล์วและแบบไม่มีวาล์ว โครงสร้างภายในของเครื่องกระแทกแบบมีวาล์วนั้นซับซ้อนและมีความน่าเชื่อถือต่ำ ส่วนแบบไม่มีวาล์วส่วนใหญ่ประกอบด้วยแบบเจ็ทและแบบเจ็ทดูด ซึ่งแบบเจ็ทมีอายุการใช้งานสั้น เครื่องกระแทกแบบไฮดรอลิกแบบเจ็ทดูดมีโครงสร้างที่เรียบง่าย อาศัยแรงดึงจากเจ็ทและการสั่นสะเทือนของค้อนน้ำในการสร้างแรงกระแทก มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ภายในน้อยและไม่มีชิ้นส่วนที่เสียหายง่าย จึงสามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาพใต้ดินที่ซับซ้อนได้ดีกว่า

1-ที่นั่งหัวฉีดด้านบน; 2-หัวฉีดด้านบน; 3-วาล์วด้านบน; 4-ปลอกวาล์วด้านบน; 5-หัวฉีดรอง; 6-ตัวเรือนภายนอกแบบแกน; 7-ปลอกรองรับ; 8-ค้อนกระแทก; 9-หัวค้อน; 10-ที่นั่งค้อน; 11-ฝาครอบป้องกัน; 12-ข้อต่อหกเหลี่ยม หลักการทำงานของกลไกการกระแทกแบบแกน

การก่อตัวของกระแสเริ่มต้นและความแตกต่างของความดัน: ของเหลวที่มีแรงดันสูงจะก่อตัวเป็นเจ็ทความเร็วสูงผ่านหัวฉีดด้านบน ภายใต้การทำงานร่วมกันของการดึงเจ็ทและผลของการลดแรงดัน ทำให้เกิดความแตกต่างของความดันในห้องด้านบนและด้านล่างของวาล์วด้านบน รวมถึงระหว่างห้องด้านบนภายนอกของค้อนกระแทกและปลายด้านล่างของหัวค้อน

การเคลื่อนที่ขึ้นของส่วนประกอบและการปิดผนึกช่องทางการไหล: ด้วยแรงดันที่แตกต่างกัน วาล์วตัวบนจะเคลื่อนที่ขึ้น และส่วนประกอบที่ทำให้เกิดแรงกระแทก (หัวฉีดรอง ค้อนกระแทก และหัวค้อน) ก็จะเคลื่อนที่ขึ้นเช่นกัน จนกระทั่งหัวฉีดรองสัมผัสกับวาล์วตัวบนและปิดผนึกช่องทางการไหล

การเกิดปรากฏการณ์ค้อนน้ำและการเคลื่อนที่ลงของข้อต่อ: การปิดช่องทางการไหลอย่างฉับพลันจะกระตุ้นให้เกิดการสั่นของค้อนน้ำ และความดันในห้องจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ผลักวาล์วด้านบนและส่วนประกอบที่รับแรงกระแทกให้เคลื่อนที่ลงพร้อมกันด้วยความเร่ง

แรงกระแทกจากแรงเฉื่อยและการฟื้นตัวของวงจร: หลังจากวาล์วบนเคลื่อนไปยังตำแหน่งขีดจำกัดล่างแล้ว ชิ้นส่วนกระแทกจะยังคงเคลื่อนลงด้านล่างต่อไปด้วยแรงเฉื่อย และในที่สุดก็จะกระแทกกับที่นั่งค้อนเพื่อทำการกระแทกตามแนวแกนให้เสร็จสมบูรณ์ หลังจากกระแทกแล้ว ช่องทางการไหลจะกลับสู่สภาวะราบเรียบ และกลไกจะรีเซ็ตภายใต้การทำงานของน้ำหนักบนดอกสว่าน (WOB) เพื่อเริ่มต้นวงจรถัดไป

ติดต่อ :เจสซี่ โจว

มือถือ/WhatsApp:+0086-18109206861
อีเมล:energy@landrilltools.com