Bohr- und Produktionstechnologie | Was sind Werkzeuge zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit? Wie lassen sich die Bohreffizienz effektiv verbessern und Kosten senken?

1Hochtemperaturbeständige Schrauben mit gleicher Wandstärke – Steigende Bohrgeschwindigkeit

Die hochtemperaturbeständige Schraube mit gleicher Wandstärke ist ein Werkzeug zur Geschwindigkeitssteigerung, das speziell für die Anforderungen an hohe Leistung und Zuverlässigkeit in der Bohrindustrie entwickelt wurde. Bei der Verwendung herkömmlicher Bohrschrauben kommt es aufgrund der hohen Temperaturen und der komplexen Arbeitsbedingungen häufig zu starkem Verschleiß und Materialermüdung, was die Bohrleistung mindert. Die hochtemperaturbeständige Schraube mit gleicher Wandstärke hingegen zeichnet sich durch eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit aus. Sie behält ihre stabilen mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei, reduziert temperaturbedingte Geräteausfälle und steigert somit die Bohrgeschwindigkeit.

1.1 Technisches Prinzip

Der Bohrlochmotor treibt den Bohrmeißel direkt an, um Gestein zu brechen und zu bohren. Dadurch wird die Kraft effizienter auf den Bohrmeißel übertragen, Energieverluste werden reduziert und die Leistung der Bohrlochwerkzeuge optimiert. Da der Motor den Bohrmeißel direkt antreibt, werden Leistungsverluste durch das Getriebe vermieden. So steht mehr Energie für das Gesteinsbrechen und Bohren zur Verfügung, was die Bohrgeschwindigkeit und -effizienz erhöht. Um die Hochtemperaturbeständigkeit der Anlage weiter zu verbessern, werden für die hochtemperaturbeständige Schraube mit gleicher Wandstärke spezielle hochtemperaturbeständige Materialien und Oberflächenbehandlungstechnologien verwendet. Beispielsweise wird hochlegierter Stahl als Hauptmaterial eingesetzt oder die Oberfläche der Anlage einer Wärmebehandlung oder Beschichtung unterzogen, um die Hochtemperaturbeständigkeit zu verbessern. Da der Stator aus einem vorgefertigten Stahlgehäuse mit spezifischem Querschnitt besteht, das anschließend mit Klebstoff verklebt wird, um eine dünne und gleichmäßige Gummischicht zu bilden, verfügt der Motor über ein höheres Drehmoment und kann sich an verschiedene komplexe geologische Bedingungen anpassen. Diese Konstruktion verringert den Spalt zwischen Stator und Rotor des Motors, wodurch Reibung und Verschleiß reduziert und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlage erhöht werden. Das Werkzeug verfügt außerdem über einen mechanischen Verriegelungs- bzw. Reibungsreduzierungsmechanismus, um die Rotationsgenauigkeit und Stabilität des Geräts zu verbessern und eine Verringerung der Bohrleistung durch Schraubenvibrationen oder Exzentrizität zu vermeiden.

1.2 Anpassungsfähigkeitsanalyse

Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit ist die hochtemperaturbeständige Schraube mit gleicher WandstärkeBohrwerkzeugDiese Technologie vereint alle Eigenschaften herkömmlicher Schraubenmotoren mit hohem Drehmoment, leichtem Anlaufverhalten und starker Überlastfestigkeit und eignet sich daher besonders für Bohrarbeiten in tiefen, hochtemperierten Formationen. Durch den Einsatz einer geraden Schraube mit einem kleinen Pendelbohrwerkzeug in steil einfallenden Formationen lassen sich hohe Bohrgeschwindigkeiten bei geringem Bohrdruck erzielen und Abweichungen deutlich reduzieren und verhindern. Gleichzeitig bietet die Konstruktion der geraden Schraube eine stabile Stützkraft, die ein Abweichen des Bohrers in steil einfallenden Formationen verhindert und so die Bohrstabilität verbessert. Sowohl theoretische Untersuchungen als auch praktische Anwendungen zeigen, dass die Schnellbohrtechnologie mit hochtemperaturbeständigen Schrauben gleicher Wandstärke die Drehzahl des Bohrers am Bohrlochgrund deutlich erhöht, sich an die hohen Temperaturen im Bohrloch anpasst und die Bohrlochqualitätskontrolle effektiv optimiert. Gleichzeitig werden die Belastung des Top Drives und das Drehmoment des Bohrwerkzeugs reduziert und dessen Lebensdauer verlängert. Im Vergleich zur herkömmlichen PDC-Bohrwerkzeuganordnung kann diese Methode die Bohreffizienz erheblich steigern und weist hervorragende umfassende wirtschaftliche und technische Effekte auf.

2Turbine + imprägnierter Diamantmeißel – Steigerung der Drehzahl

Der Turbobohrer ist ein Bohrwerkzeug, das die hydraulische Energie der Flüssigkeit in Rotationsenergie umwandelt und so den Bohrmeißel antreibt, wodurch schnelles und effizientes Bohren ermöglicht wird. Er besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem Turbinenteil, der Universalwelle und der Antriebswelle. Der diamantimprägnierte Bohrmeißel ist eine spezielle Art von Diamantbohrmeißel. Seine Matrix besteht aus polykristallinen Diamantpartikeln, die auf der Außenseite der Matrix aufgesintert werden, was den Meißel aggressiver macht. Die Matrix hat eine bestimmte Höhe, ihr Außendurchmesser ist etwas größer und ihr Innendurchmesser etwas kleiner als der des Meißelkörpers. Außen-, Innen- und Unterseite der Matrix sind mit Kühlkanälen versehen, um das Bohrklein abzuführen und den Meißel durch Spülflüssigkeit zu kühlen. Die Matrix zeichnet sich durch hohe Druck- und Schlagfestigkeit sowie hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Turbobohrer und diamantimprägnierter Bohrmeißel sind wichtige Werkzeuge im Erdölbohrprozess. Ihr kombinierter Einsatz verbessert die Bohreffizienz und -qualität.

2.1 Technisches Prinzip

Die Turbinensektion ist die Kernkomponente des Turbobohrers und besteht aus Turbinenstatoren und -rotoren, Zentrierlagern, Hauptwellen und Gehäusen. Sie wandelt die Fluidenergie der Bohrflüssigkeit in die mechanische Energie der Hauptwellenrotation um. Ihr interner Aufbau umfasst mehrere Stufen von Stator-Rotor-Paaren. Wenn die Bohrflüssigkeit entlang des Bohrwerkzeugs in den Stator eintritt, lenkt dieser sie in eine bestimmte Richtung und Geschwindigkeit, bevor sie in den Rotor gelangt. Im Rotor prallt die Bohrflüssigkeit auf die Schaufeln und erzeugt so einen Druckunterschied, der den Rotor in Rotation versetzt. Durch diesen Mechanismus wird die Energie der Bohrflüssigkeit in mechanische Energie umgewandelt, die die Turbinenwelle antreibt.

Die wichtigste Methode zur Gesteinszerkleinerung mit diamantbesetzten Bohrmeißeln ist die abrasive Zerkleinerung. Dabei wird das Gestein durch die kontinuierliche Bearbeitung, das Schleifen und Abtragen des Gesteins mittels Diamantpartikeln unter Einwirkung von Axialkraft und Drehmoment zerkleinert, um es so zu brechen. Bohrmeißel, die hauptsächlich mit dieser Methode arbeiten, weisen eine hohe Verschleißfestigkeit auf und eignen sich daher ideal für die Bearbeitung stark abrasiver Gesteine ​​in harten bis extrem harten Formationen. Dies verbessert die Bohrleistung und die Standzeit des Bohrmeißels.

2.2 Anpassungsfähigkeitsanalyse

Der Turbobohrer mit diamantimprägniertem Meißel verfügt über eine Ganzmetallkonstruktion, die eine höhere Temperaturbeständigkeit und einen stabileren Bohreffekt ermöglicht und somit auch unter extremen Bedingungen zuverlässig arbeitet. Dies ist besonders wichtig bei Tief- und Ultratiefbohrungen. Die Kombination zeichnet sich durch eine hervorragende axiale Auswuchtung aus, wodurch seitliche Vibrationen reduziert, ein gleichmäßiger Bohrverlauf erzeugt und die Bohrlochwand geschont wird. Dies schützt den Meißel und andere Bohrlochwerkzeuge und wirkt sich positiv auf nachfolgende Arbeitsgänge aus. Dank der hohen Drehzahl des Turbobohrers erzielt die Kombination aus diamantimprägniertem Meißel und Hochgeschwindigkeitsturbine eine extrem hohe Bohrleistung in tiefen, harten und abrasiven Formationen und steigert die Bohrkapazität erheblich.

3Drehmomentoptimierte Bohrgeschwindigkeit – Steigerung der Technologie

Der Drehmomentschlagbohrer ist ein rein mechanisches Werkzeug, das hauptsächlich zur Unterstützung des Gesteinsabbaus an PDC-Meißeln eingesetzt wird. Das Werkzeug erzeugt durch eine Düse mit variablem Durchfluss einen Druckabfall, wodurch im Inneren eine Hochdruck- und eine Niederdruckzone entstehen. Sobald der Druckunterschied auf das Werkzeug wirkt, schaltet der Durchflusskanal um, sodass sich der Schlaghammer und der Anlaufhammer im Inneren mit hoher Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung drehen. Der Schlaghammer prallt kontinuierlich auf die Aufprallfläche und überträgt so die Schlagkraft auf den Bohrmeißel, wodurch ein hochfrequentes Drehmomentimpuls entsteht. Das Werkzeug wandelt die Fluidenergie der Bohrflüssigkeit geschickt in eine hochfrequente, gleichmäßige und stabile mechanische Schlagenergie um und überträgt diese direkt auf den PDC-Meißel. Dadurch wird der Bohrvorgang am Bohrmeißel und am Bohrlochgrund jederzeit reibungslos ablaufen.

3.1 Technisches Prinzip

Die vom Drehmomentimpaktor erzeugte, hochfrequente und stabile Schlagkraft von 750 bis 1500 Schlägen pro Minute entspricht einem mehrfachen Durchschneiden der Gesteinsformation pro Minute. Dadurch kann der Bohrmeißel die Formation durchtrennen, ohne dass die Torsion ausreichend Energie aufbauen muss. Dies verändert den Betriebszustand des Bohrmeißels grundlegend. Der Bohrmeißel wirkt nun mit zwei Kräften: dem Drehmoment des Drehtisches und der Schlagkraft des Drehmomentimpaktors. Diese beiden Kräfte werden direkt auf den Bohrmeißel übertragen, sodass das vom Bohrgestänge übertragene Drehmoment optimal für das Durchtrennen der Formation genutzt werden kann. Das Zusammenwirken von Drehmoment und Schlagkraft erhöht nicht nur die Bohrgeschwindigkeit deutlich, sondern reduziert oder eliminiert auch effektiv schädliche Vibrationen des Bohrmeißels beim Bohren in harten Formationen. Dies schützt den Bohrmeißel, verlängert seine Lebensdauer und verringert gleichzeitig die Ermüdungsfestigkeit anderer Bohrwerkzeuge, wodurch deren Lebensdauer ebenfalls verlängert wird. Abbildung 1 zeigt den Spannungszustand des Bohrgestänges im Bohrloch beim Einsatz eines konventionellen Bohrwerkzeugs und eines Drehmomentimpaktors.

3.2 Anpassungsfähigkeitsanalyse

Als fortschrittliches Bohrwerkzeug zeichnet sich der Drehmomentschlagbohrer durch eine durchdachte interne mechanische Struktur, den Verzicht auf Gummiteile und elektronische Komponenten sowie eine geringe Bauteilanzahl aus. Selbst im Fehlerfall entspricht er lediglich einem sich kontinuierlich mit dem PDC-Bohrmeißel weiterdrehenden Bohrmeißel, ohne den Bohrvorgang zu beeinträchtigen. Ein Abschalten des Bohrers ist nicht erforderlich, was eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet. Der Drehmomentschlagbohrer eignet sich für verschiedene komplexe Gesteinsformationen, insbesondere für stark abrasive und schwer zu bohrende magmatische Gesteine. Gleichzeitig ist das Werkzeug einfach zu bedienen. Für den Einsatz des Drehmomentschlagbohrers genügt die direkte Verbindung mit dem Dreh- oder Richtbohrgerät, was die Handhabung unkompliziert und komfortabel macht.

4Compound Impaktor

Der Verbundimpaktor ist ein fortschrittliches Bohrgerät mit einem integrierten Energieumwandlungsmechanismus. Dieser wandelt die Fluidenergie der Bohrflüssigkeit in Impulsimpulsenergie um und erzeugt so stabile, hochfrequente Umfangs- und Axialimpulse. Dieses Arbeitsprinzip verbessert die Gesteinszerkleinerungsleistung des Bohrers deutlich, löst effektiv die Probleme von Stick-Slip und Druckhaltung während des Bohrvorgangs und ermöglicht somit eine höhere Bohrgeschwindigkeit. Der Verbundimpaktor vereint die Torsionsimpulseigenschaften und -vorteile des Drehmomentimpaktors mit der innovativen Axialimpulsfunktion..

Verbundimpaktor

4.1 Technisches Prinzip

Die interne Struktur des Verbundimpaktors besteht aus reinen Metallkomponenten. Durch einen Umkehrmechanismus wandelt er die Fluidenergie der Bohrflüssigkeit in hochfrequente und stabile Umfangs- und Axial-Impulsenergie um. Beim Bohren mit herkömmlichen Bohrwerkzeugen muss die Energieakkumulation des oberen Bohrwerkzeugs nach dem Eindringen des PDC-Meißels in die Formation einen bestimmten kritischen Wert überschreiten, um den Gesteinsbruch einzuleiten. Im Gegensatz dazu wandelt der Verbundimpaktor die Fluidenergie der Bohrflüssigkeit in Impulsenergie um und liefert so eine hochfrequente und stabile Impulskraft für den Bohrmeißel. Dadurch erreicht die Gesteinsbruchspannung schnell die kritische Spannung für die Formationsscherung, was die Scherleistung des PDC-Meißels deutlich verbessert. Gleichzeitig ermöglicht die Reduzierung der Schwankungen von Gesteinsbruchspannung und Drehmoment einen gleichmäßigen Schnitt am Bohrlochgrund und eliminiert die bei herkömmlichen Bohrwerkzeugen auftretenden kurzzeitigen extremen Spannungen auf den PDC-Meißel. Die Spannung auf den Bohrmeißel wird somit gleichmäßiger und stabiler, was die Standzeit des PDC-Meißels verlängert und die Arbeitslänge eines einzelnen Bohrmeißels erhöht.

4.2 Anpassungsfähigkeitsanalyse

Im Vergleich zum Drehmomentimpaktor erhöht der Verbundimpaktor die Längsaufprallenergie. Theoretisch ist seine Gesteinsbrechleistung höher, wodurch er sich besser für den Einsatz in engen Gesteinsformationen eignet. Bei gleicher Größe ist der optimale Bohrdruck des Verbundimpaktors etwas höher als der des Drehmomentimpaktors. Für den Einsatz mit dem Verbundimpaktor muss der verwendete Bohrmeißel eine höhere Schlagfestigkeit aufweisen. Stoßdämpfende Zähne neben den Hauptschneidezähnen des Bohrmeißels schützen diesen effektiv. Beim Bohren in harten und stark abrasiven Gesteinsformationen erzielt man mit PDC-Meißeln der HPM-Serie ein optimales Verhältnis zwischen Bohrgeschwindigkeit und Bohrtiefe.

5Schlussfolgerungen und Ausblick

Dieser Artikel untersucht und stellt gängige Werkzeuge zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit vor. Die Analyse ihrer Funktionsprinzipien, Eigenschaften und Anwendungsbereiche zeigt, dass verschiedene Werkzeugtypen für unterschiedliche geologische Bedingungen und Bohranforderungen geeignet sind. Aufgrund der unterschiedlichen Kosten der verschiedenen Werkzeuge muss die Auswahl auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgen.

Für zukünftige Forschungsarbeiten wird vorgeschlagen, folgende Aspekte zu berücksichtigen: die Funktionsweise von Werkzeugen zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit weiter zu untersuchen, das Werkzeugdesign zu optimieren und deren Anpassungsfähigkeit und Effizienz zu verbessern; Technologien wie künstliche Intelligenz und Big Data zu kombinieren, um die intelligente Fernüberwachung von Werkzeugen zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit zu realisieren und die Sicherheit und Effizienz von Bohrarbeiten zu verbessern; die Anwendung von Werkzeugen zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit auf andere Bereiche wie Wasserbrunnen, Gasbrunnen und Geothermiebrunnen auszuweiten, um den Bedürfnissen der sozioökonomischen Entwicklung gerecht zu werden.

Kontakt: Jessie Zhou

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