시추 및 생산 기술 | 시추 속도 향상 도구란 무엇일까요? 시추 효율을 효과적으로 높이고 비용을 절감하는 방법은 무엇일까요?

1고온 내성, 균일한 벽 두께, 드릴링 속도 향상 기술

고온 내성 등심 두께 스크류는 드릴링 산업에서 요구되는 고성능과 높은 신뢰성을 충족하도록 특별히 설계된 속도 향상 공구입니다. 기존 드릴링 스크류는 고온 환경과 복잡한 작업 조건으로 인해 심각한 마모와 피로 손상이 발생하여 드릴링 효율이 저하되는 경우가 많습니다. 그러나 고온 내성 등심 두께 스크류는 탁월한 고온 내성을 갖추고 있어 고온 환경에서도 안정적인 기계적 특성을 유지하고 고온으로 인한 장비 고장을 줄여 드릴링 속도를 향상시킬 수 있습니다.

1.1 기술적 원리

다운홀 모터는 드릴 비트를 직접 구동하여 암석을 파쇄하고 드릴링 작업을 수행하므로, 드릴 비트에 동력을 더욱 효율적으로 전달하고 에너지 손실을 줄여 다운홀 장비의 작업 성능을 최적화할 수 있습니다. 모터가 드릴 비트를 직접 구동하기 때문에 변속 시스템의 손실로 인한 동력 손실을 방지하여 암석 파쇄 드릴링에 더 많은 에너지를 사용할 수 있으므로 드릴링 속도와 효율이 향상됩니다. 장비의 고온 내성을 더욱 향상시키기 위해 고온 내성 등벽 두께 스크류에는 특수 고온 소재와 표면 처리 기술이 적용되었습니다. 예를 들어, 고합금강을 주재료로 사용하거나 장비 표면에 열처리 또는 코팅 처리를 하여 고온 내성을 향상시켰습니다. 스테이터는 특정 단면 형상의 사전 제작된 강철 쉘을 채택한 후 접착제를 주입하여 얇고 균일한 두께의 고무층을 형성함으로써 더 큰 토크 출력을 제공하고 다양한 복잡한 지질 조건에 적응할 수 있습니다. 이 구조는 모터의 고정자와 회전자 사이의 간격을 줄여 마찰과 마모를 감소시키고 장비의 수명과 신뢰성을 향상시킵니다. 또한, 기계식 잠금 또는 마찰 감소 메커니즘을 채택하여 장비의 회전 정확도와 안정성을 높이고 나사 진동이나 편심으로 인한 드릴링 효율 저하를 방지합니다.

1.2 적응성 분석

성능 면에서 고온 내성 균일 벽 두께 나사드릴링 공구이 스크류 모터는 일반 스크류 모터의 모든 특성을 갖추고 있을 뿐만 아니라, 큰 토크, 손쉬운 시동, 강력한 과부하 저항성 등의 특성을 지니고 있어 고온 심층 지층 시추 작업에 더욱 적합합니다. 경사가 심한 지층에서 소형 진자형 드릴링 공구를 장착한 직선 스크류를 사용하면 낮은 시추 압력으로 높은 시추 속도를 달성할 수 있으며, 편차를 크게 줄이고 방지할 수 있습니다. 동시에 직선 스크류 설계는 경사가 심한 지층에서 드릴 비트의 편차를 방지하는 안정적인 지지력을 제공하여 시추 안정성을 향상시킵니다. 이론적 연구와 현장 적용 사례 모두 고온 내성 등벽 두께 스크류를 사용한 고속 시추 기술이 시추공 하부에서 드릴 비트의 회전 속도를 크게 증가시키고, 시추공 내 고온 환경에 적응하며, 시추공 품질 관리를 효과적으로 최적화할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 상부 구동 장치 부하와 드릴링 공구 토크를 줄여 드릴링 공구의 수명을 연장할 수 있습니다. 기존의 PDC 드릴링 툴 어셈블리와 비교했을 때, 이 방법은 드릴링 효율을 크게 향상시키고 탁월한 경제적, 기술적 효과를 보여줍니다.

2터빈 + 함침 다이아몬드 비트 속도 향상 - 기술 발전

터보드릴은 유체의 유압 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하여 드릴 비트를 회전시키고 충격을 가함으로써 고속 고효율 시추를 가능하게 하는 시추공 동력 공구입니다. 터보드릴은 주로 터빈부, 유니버설 샤프트, 구동축의 세 부분으로 구성됩니다. 함침 다이아몬드 비트는 다이아몬드 비트의 일종으로, 매트릭스 외부에 다결정 다이아몬드 입자를 소결하여 제작되어 절삭력을 향상시킵니다. 매트릭스는 일정한 높이를 가지며, 외경은 비트 본체의 외경보다 약간 크고 내경은 비트 본체의 내경보다 약간 작습니다. 매트릭스의 외측, 내측 및 바닥면에는 암석 절삭물을 배출하고 세척액을 통해 비트를 냉각하기 위한 배수 홈이 있습니다. 매트릭스는 충분한 압축 및 충격 강도와 높은 경도 및 내마모성을 갖추고 있습니다. 터보드릴과 함침 다이아몬드 비트는 석유 시추 공정에서 중요한 공구이며, 이들을 함께 사용하면 시추 효율과 품질을 동시에 향상시킬 수 있습니다.

2.1 기술적 원리

터빈 부분은 터보드릴의 핵심 구성 요소로, 터빈 고정자(스테이터)와 회전자(로터), 중앙 베어링, 주축, 케이싱으로 이루어져 있습니다. 이 부분은 시추액의 유체 에너지를 주축 회전의 기계 에너지로 변환합니다. 내부 구조는 여러 단계의 고정자와 회전자가 쌍을 이루는 형태로 구성되어 있습니다. 시추액이 시추 공구를 따라 고정자로 들어가면, 고정자는 시추액을 특정 방향과 속도로 유도한 후 회전자로 보냅니다. 회전자에서 시추액은 블레이드에 충격을 가하여 일정한 압력 차이를 발생시키고, 이 압력 차이가 회전자를 회전시킵니다. 이러한 메커니즘을 통해 시추액의 에너지가 기계 에너지로 변환되어 터빈축을 회전시킵니다.

다이아몬드가 함침된 드릴 비트의 주된 암석 파쇄 방식은 연마 파쇄입니다. 즉, 축 방향의 힘과 토크 작용 하에서 다이아몬드 입자가 암석을 지속적으로 연마, 긁어내고 마모시켜 암석을 파쇄하는 방식입니다. 이러한 파쇄 방식을 주로 사용하는 다이아몬드 비트는 내마모성이 뛰어나며, 경질에서 초경질에 이르는 마모성이 높은 지층의 암석을 효과적으로 처리할 수 있어 시추 효율과 드릴 비트의 수명을 향상시킵니다.

2.2 적응성 분석

터보드릴과 함침 다이아몬드 비트는 전체 금속 구조를 채택하여 고온 저항성이 뛰어나고 드릴링 효과가 더욱 안정적입니다. 따라서 극한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있으며, 이는 심정 및 초심정 시추 작업에 특히 중요합니다. 이 장비 조합은 축 균형 성능이 우수하여 횡방향 진동을 줄이고, 매끄러운 시추 궤적을 생성하며, 시추공 벽면 손상을 최소화하여 드릴 비트 및 기타 시추공 장비를 보호하고 후속 작업에 유리합니다. 터보드릴의 고속 회전 특성 덕분에 함침 다이아몬드 비트와 고속 터빈의 조합은 경도가 높고 마모성이 강한 심부 지층에서 매우 높은 드릴링 효율을 발휘하여 시추 능력을 크게 향상시킵니다.

3토크 임팩터 드릴링 속도 향상 - 기술 발전

토크 임팩터는 PDC 비트의 보조 암석 파쇄에 주로 사용되는 순수 기계식 동력 공구입니다. 이 공구는 가변 유량 노즐을 통해 압력 강하를 발생시켜 내부에 고압 영역과 저압 영역을 형성합니다. 압력 차이가 공구에 작용하면 유로가 전환되어 공구 내부의 임팩트 해머와 스타팅 해머가 고속으로 역회전합니다. 임팩트 해머는 충격면을 지속적으로 타격하여 드릴 비트에 충격력을 전달하고 고주파 펄스 토크를 발생시킵니다. 이 장치는 시추 유체의 유체 에너지를 비틀림, 고주파, 균일하고 안정적인 기계적 충격 에너지로 변환하여 PDC 비트에 직접 전달함으로써 드릴 비트와 시추공 바닥면이 항상 밀착되도록 유지합니다.

3.1 기술적 원리

토크 임팩터가 제공하는 분당 750회에서 1500회의 고주파 안정 충격력은 분당 여러 번 지층을 절삭하는 것과 같은 효과를 냅니다. 이는 드릴 비트가 충분한 비틀림 에너지를 축적할 때까지 기다릴 필요 없이 지층을 절삭할 수 있도록 하여 드릴 비트의 작동 방식을 완전히 바꿔놓습니다. 이때 드릴 비트는 회전 테이블에서 제공되는 토크와 토크 임팩터에서 제공되는 충격력, 두 가지 힘을 동시에 받아 지층을 절삭할 수 있습니다. 이 두 힘은 드릴 비트에 직접 전달되므로 드릴 파이프에서 전달되는 토크를 낭비 없이 지층 절삭에 최대한 활용할 수 있습니다. 이러한 토크와 충격력의 결합 작용은 시추 속도를 크게 향상시킬 뿐만 아니라, 단단한 지층 시추 시 드릴 비트의 유해한 진동을 효과적으로 감소 또는 제거하여 드릴 비트를 보호하고 수명을 연장하며, 동시에 다른 시추 공구의 피로 강도를 줄여 수명을 연장합니다. 그림 1은 기존 드릴링 도구와 토크 임팩터의 시추공 내 드릴 스트링의 응력 상태를 보여줍니다.

3.2 적응성 분석

첨단 드릴링 공구인 토크 임팩터는 합리적인 내부 기계 구조를 갖추고 있으며, 고무 부품이나 전자 부품이 없고 부품 수도 적습니다. 고장이 발생하더라도 PDC 비트와 함께 연속적으로 회전하는 드릴 비트와 동일한 효과를 내므로 연속 드릴링에 영향을 주지 않고 드릴을 정지시킬 필요가 없어 신뢰성이 높습니다. 토크 임팩터는 다양한 복잡한 지층, 특히 마모성이 강하고 드릴링이 어려운 화성암 지층에 적합합니다. 또한 조작이 간편합니다. 토크 임팩터를 사용할 때는 회전식 또는 방향 드릴링 공구에 직접 연결하기만 하면 되므로 사용이 매우 간편합니다.

4복합 충격기

복합 임팩터는 내부에 에너지 변환 장치가 설계된 첨단 드릴링 장비로, 드릴링 유체의 유체 에너지를 펄스 충격 에너지로 변환하여 안정적인 고주파 원주 방향 및 축 방향 충격력을 발생시킵니다. 이러한 작동 방식은 드릴 비트의 암석 파쇄 효율을 크게 향상시키고, 드릴링 중 스틱-슬립 및 압력 유지 문제를 효과적으로 해결하여 드릴링 속도 향상이라는 목표를 달성합니다. 복합 임팩터는 토크 임팩터의 비틀림 충격 특성과 장점을 가질 뿐만 아니라, 축 방향 충격 기능까지 혁신적으로 결합했습니다..

복합 충격기

4.1 기술적 원리

복합 임팩터의 내부 구조는 순수 금속 기계로 구성되어 있습니다. 이는 역전 메커니즘을 통해 시추액의 유체 에너지를 고주파의 안정적인 원주 방향 및 축 방향 충격 에너지로 변환합니다. 기존 시추 공구 조립체의 시추 과정에서 PDC 비트가 지층에 진입한 후 상부 시추 공구의 에너지 축적이 특정 임계값을 초과해야 암석 파쇄가 시작됩니다. 반면, 복합 임팩터는 시추액의 유체 에너지를 충격 에너지로 변환하여 드릴 비트에 고주파의 안정적인 충격력을 제공합니다. 이러한 방식으로 암석 파쇄 응력이 지층 파쇄에 필요한 임계 응력에 빠르게 도달하여 PDC 비트의 파쇄 효율을 크게 향상시킵니다. 또한, 암석 파쇄 응력 및 토크의 변동이 감소하여 드릴 비트가 시추공 바닥에서 균일한 절삭을 수행하는 데 도움이 되며, 기존 시추 공구에서 발생하는 PDC 비트에 대한 순간적인 극심한 응력을 제거합니다. 따라서 드릴 비트에 가해지는 응력이 더욱 균일하고 안정적으로 분산되어 PDC 비트의 수명이 연장되고 단일 드릴 비트의 작업량이 증가합니다.

4.2 적응성 분석

토크 임팩터와 비교했을 때, 복합 임팩터는 종방향 충격 에너지를 증가시킵니다. 이론적으로 암반 파쇄 효율이 더 높으며, 밀도가 낮은 지층에서의 사용에 더 적합합니다. 동일한 크기에서 복합 임팩터의 최적 시추 압력은 토크 임팩터보다 약간 높습니다. 복합 임팩터 사용 시에는 충격 저항성이 강한 드릴 비트를 사용해야 하며, 드릴 비트의 주 절삭날 옆에 충격 흡수날이 배치되어 있어 드릴 비트를 효과적으로 보호합니다. 단단하고 마모성이 높은 지층을 시추할 때는 HPM 시리즈 PDC 비트를 선택하면 시추 속도와 시추량 사이의 최적의 균형을 얻을 수 있습니다.

5결론 및 전망

본 논문에서는 일반적인 시추 속도 증가 도구들을 연구하고 소개합니다. 이러한 도구들의 원리, 특징 및 적용 범위를 분석한 결과, 다양한 유형의 시추 속도 증가 도구들이 각기 다른 지질 조건과 시추 요구 사항에 적합함을 알 수 있습니다. 또한, 각 도구의 사용 비용이 다르기 때문에 시추 속도 증가 도구를 선택할 때는 경제적인 측면도 고려해야 합니다.

향후 연구에서는 다음과 같은 측면에서 연구를 진행할 것을 제안합니다. 시추 속도 증가 장비의 작동 메커니즘을 심층적으로 연구하고, 장비 설계를 최적화하여 적응성과 효율성을 향상시켜야 합니다. 인공지능 및 빅데이터 등의 기술을 결합하여 시추 속도 증가 장비의 지능형 원격 모니터링을 구현하고 시추 작업의 안전성과 효율성을 높여야 합니다. 또한, 시추 속도 증가 장비를 지하수정, 가스정, 지열정 등 다른 분야로 확대 적용하여 사회경제적 발전에 필요한 수요를 충족시켜야 합니다.

연락처: 제시 저우

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