Forschung zu Werkzeugen zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit

Aktuell werden Werkzeuge zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: mechanische und hydraulische. Mechanische Werkzeuge nutzen das Gewicht auf dem Bohrmeißel (WOB), um Schlagkraft zu erzeugen. Dies verbessert die Gesteinsbrechleistung in harten Formationen effektiv, weist jedoch Nachteile wie starke Vibrationen, hohen Energieverbrauch und erhöhte Ermüdungsneigung auf. Hydraulische Werkzeuge verwenden Bohrflüssigkeit, um Schlaghämmer anzutreiben. Durch die Kombination von Schlag, Rotation und Strahl wird das Gestein gebrochen. Sie bieten deutliche Vorteile hinsichtlich der Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit (ROP), der Kontrolle der Bohrlochabweichung und der Verlängerung der Meißelstandzeit. Allerdings weisen sie im Allgemeinen Nachteile wie eine feste Schlagfrequenz und Schwierigkeiten bei der Anpassung an die Anforderungen unterschiedlicher Formationen auf.

Die Schlagbohrtechnologie lässt sich anhand ihrer Wirkungsweise in drei Hauptkategorien unterteilen: Torsionsschlagbohren, Axialschlagbohren und kombiniertes Axial-Torsionsschlagbohren. Das Prinzip der Geschwindigkeitssteigerung beim Schlagbohren besteht darin, die Druckenergie von Gas oder Flüssigkeit mittels eines Schlagkörpers in axiale oder Torsionsschlagenergie umzuwandeln. Diese Energie wirkt direkt auf das hintere Ende des Bohrers und verbessert so dessen Schneidleistung und Gesteinszerkleinerungseffizienz.

Die Torsionsschlagbohrtechnik ist eine in den letzten Jahren aufkommende Technologie zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit, die hauptsächlich zur Behebung der durch PDC-Meißel verursachten Stick-Slip-Vibrationen eingesetzt wird. Im Einsatz wird der Torsionsschlagkörper am hinteren Ende des Meißels installiert. Durch seine interne Struktur wandelt er die hydraulische Energie der Flüssigkeit in mechanische Torsionsschlagenergie um. Der Meißel bricht das Gestein unter der kombinierten Wirkung des stationären Drehmoments des Bohrgestänges und des vom Schlagkörper erzeugten Drehmoments.

Die folgenden Beispiele stellen zwei innovative Werkzeuge vor.

1. Werkzeug zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit mit einstellbarer Schlagfrequenz

Das frequenzverstellbare hydraulische Bohrgeschwindigkeitserhöhungswerkzeug verfügt über eine Kernschlagstruktur, die aus Lagern, unterem Schaftkörper, Kolbenpaaren, Schlaghammer, Drosseldüse und anderen Komponenten besteht.

Funktionsprinzip:Das System nutzt den periodischen Druckunterschied, der durch die Bohrflüssigkeit in den oberen und unteren Kammern des Schlaghammers entsteht, um diesen mit hoher Geschwindigkeit hin und her zu bewegen. Dadurch wird eine axiale Schlagkraft erzeugt, die direkt auf den Bohrmeißel übertragen wird und so das Gesteinsbrechen unterstützt. Der Clou: Dieses Werkzeug kann die Schlagfrequenz durch die Anzahl der symmetrischen Bohrungen im unteren Schaftkörper anpassen und sich so den Bohranforderungen verschiedener Gesteinsformationen anpassen.

Anwendung eines Werkzeugs zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit mit einstellbarer Schlagfrequenz

Feldtest in mittelhartem Gestein: Basierend auf der durch numerische Simulation ermittelten optimalen Schlagfrequenz (16 Hz) wurde dieses Werkzeug in Bohrung X1 des Ölfelds Xinjiang getestet. Im stark abrasiven Gesteinsabschnitt mit geringer Bohrgeschwindigkeit (ROP) zeigte der Vergleich mit einer benachbarten Bohrung, die mit einem Schraubbohrgerät gebohrt wurde, dass die Bohrstrecke pro Bohrvorgang um 53 % und die mechanische Bohrgeschwindigkeit um 27,0 % gesteigert werden konnte. Dadurch wurden die Anzahl der Bohrvorgänge effektiv reduziert und die Bauzeit verkürzt.

Feldtest in hartem Gestein: Gemäß der durch numerische Simulation ermittelten optimalen Impulsfrequenz (18 Hz) wurde dieses Werkzeug in den karbonischen Andesit- und Basaltformationen mit schlechter Bohrbarkeit im Bohrloch X3 des Ölfelds Xinjiang getestet.

Fazit: Die Ergebnisse zeigen, dass sich die mechanische Bohrgeschwindigkeit nach dem Einsatz dieses Werkzeugs im Vergleich zu benachbarten Bohrungen signifikant um 103,2 % erhöht. Dies beweist eindrucksvoll, dass es die Bohreffizienz deutlich verbessern und den Bohrzyklus in verschiedenen Formationen verkürzen kann.

2. Konstruktion eines Werkzeugs zur Geschwindigkeitssteigerung beim Schlagbohren mit Verbundwerkstoffen

Es wird ein hydraulischer Torsionsstoßmechanismus entwickelt, dessen Kern aus drei Teilen besteht: einem Strömungsverteilungsmechanismus, einem Umkehrmechanismus und einem Stoßmechanismus.

Bewegungsablauf: Zu Beginn (Zustand a) strömt Hochdruckflüssigkeit durch den linken Strömungskanal des Umkehrventils in den linken Hohlraum des Hydraulikhammers und versetzt diesen zusammen mit dem Ventilkern in eine Drehung im Uhrzeigersinn, bis der Hydraulikhammer auf den Hammersitz trifft (Zustand b). Nach dem Aufprall strömt die Hochdruckflüssigkeit durch den rechten Steuerströmungskanal in den rechten Hohlraum, der vom Hydraulikhammer und dem Ventilkern gebildet wird. Der Ventilkern dreht sich weiter im Uhrzeigersinn in die Umkehrposition (Zustand c), wodurch die Hochdruckflüssigkeit in den rechten Strömungskanal wechselt und in den rechten Hohlraum des Hydraulikhammers strömt. Dadurch drehen sich Hydraulikhammer und Ventilkern gegen den Uhrzeigersinn (Zustand c). Bis der Hydraulikhammer erneut auf den Hammersitz trifft (Zustand d), strömt die Hochdruckflüssigkeit durch den linken Steuerströmungskanal in den linken Hohlraum und versetzt den Ventilkern in eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn, um die Umkehrposition einzunehmen und in den Ausgangszustand (Zustand a) zurückzukehren. Dieser Zyklus wiederholt sich und erzeugt durch die kontinuierliche Drehung und den Aufprall, angetrieben von der Flüssigkeit, eine hochfrequente, oszillierende Torsionsbewegung.

Funktionsprinzip:Nachdem die Flüssigkeit (Schlamm) durch das obere Gelenk und das Führungsrohr in die Strömungsverteilerhülse gelangt ist, wird sie dem Umkehrmechanismus und dem Schlagmechanismus zugeführt. Die Strömungsverteilerplatte trennt die beiden Strömungswege. Anschließend durchströmt die Flüssigkeit die Düse im Inneren des Dorns und bildet dabei vor und nach ihr Hoch- und Niederdruckzonen. Der Umkehrventilkern rotiert unter dem Einfluss der Druckdifferenz und steuert so die Verbindung der linken und rechten Kammer des Hydraulikhammers mit den Hoch- und Niederdruckzonen. Dadurch wird der Hydraulikhammer unter dem Einfluss der Druckdifferenz hin- und herbewegt und schlägt auf den Hammersitz, wodurch ein hochfrequenter, oszillierender Torsionsschlag entsteht.

1-Oberes Hilfsteil; 2-Außengehäuse; 3-Führungsrohr; 4-Durchflussverteilerhülse; 5-Durchflussverteilerplatte; 6-Schraube; 7-Oberer Stützring; 8-Hydraulikhammersitz; 9-Hydraulikhammer; 10-Umkehrventileinsatz; 11-Unterer Stützring; 12-Dorn; 13-Unteres Hilfsteil;

Schematische Darstellung der Struktur des Torsionsstoßmechanismus

Bewegungsprozess des Torsionsstoßmechanismus

Es wurde ein axialer Schlagmechanismus entwickelt. Hydraulische Axialschlagwerker werden im Wesentlichen in zwei Typen unterteilt: mit und ohne Ventil. Schlagwerk mit Ventil ist komplex aufgebaut und weist eine geringe Zuverlässigkeit auf. Schlagwerkslose Schlagwerker umfassen hauptsächlich Strahl- und Strahlsaugschlagwerker, wobei Strahlschlagwerker eine kurze Lebensdauer haben. Strahlsaugschlagwerker zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, erzielen den Schlag durch Strahlmitführung und Wasserschlagoszillation, besitzen wenige bewegliche und keine anfälligen Teile und eignen sich besser für komplexe Bohrlochbedingungen.

1-Oberer Düsensitz; 2-Obere Düse; 3-Oberes Ventil; 4-Obere Ventilhülse; 5-Sekundärdüse; 6-Axiales Außengehäuse; 7-Stützhülse; 8-Schlaghammer; 9-Hammerkopf; 10-Hammersitz; 11-Schutzkappe; 12-Sechskantgelenk. Funktionsprinzip des axialen Schlagmechanismus.

Entstehung des Anfangsstroms und des Druckunterschieds: Hochdruckfluid bildet einen Hochgeschwindigkeitsstrahl durch die obere Düse. Durch die kombinierte Wirkung von Strahlmitführung und Drosseleffekt entstehen Druckunterschiede in der oberen und unteren Kammer des oberen Ventils sowie zwischen der äußeren oberen Kammer des Prallhammers und dem unteren Ende des Hammerkopfes.

Aufwärtsbewegung der Komponenten und Abdichtung des Strömungskanals: Angetrieben durch die jeweiligen Druckdifferenzen bewegt sich das obere Ventil nach oben, und die Aufprallkomponenten (Sekundärdüse, Aufprallhammer und Hammerkopf) bewegen sich ebenfalls nach oben, bis die Sekundärdüse das obere Ventil berührt und den Strömungskanal abdichtet.

Entstehung des Wasserschlags und gemeinsame Abwärtsbewegung: Durch das plötzliche Schließen des Strömungskanals wird eine Wasserschlagschwingung ausgelöst, und der Druck in der Kammer steigt sprunghaft an, wodurch das obere Ventil und die Aufprallkomponenten gemeinsam nach unten beschleunigt werden.

Trägheitsaufprall und Zykluswiederherstellung: Nachdem das obere Ventil die untere Endposition erreicht hat, bewegen sich die Aufprallkomponenten aufgrund ihrer Trägheit weiter nach unten und treffen schließlich auf den Hammersitz, um den axialen Aufprall abzuschließen. Nach dem Aufprall kehrt der Strömungskanal in seinen Normalzustand zurück, und der Mechanismus wird durch die Einwirkung des Gewichts auf den Meißel (WOB) zurückgesetzt, wodurch der nächste Zyklus beginnt.

Kontakt:Jessie Zhou

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