드릴링 속도 향상 도구에 대한 연구

현재 시추 속도 향상 도구는 크게 기계식과 유압식 두 가지로 나뉩니다. 기계식 도구는 비트 하중(WOB)을 이용하여 충격력을 발생시켜 단단한 지층에서 암반 파쇄 효율을 효과적으로 향상시키지만, 강한 진동, 높은 에너지 소비, 피로 손상 용이성 등의 문제점이 있습니다. 유압식 도구는 시추액을 이용하여 임팩트 해머를 구동하고, 충격, 회전, 분사력을 결합하여 암반을 파쇄합니다. 시추 속도(ROP) 향상, 시추공 편향 제어, 비트 수명 연장에 상당한 이점이 있지만, 단일 충격 빈도 제한, 다양한 지층의 조건에 적응하기 어려움 등의 문제점이 있습니다.

충격식 드릴링 기술은 작동 방식에 따라 크게 비틀림 충격 기술, 축 방향 충격 기술, 축-비틀림 복합 충격 기술의 세 가지 범주로 나뉩니다. 충격식 드릴링의 핵심 원리는 기체 또는 액체의 압력 에너지를 임팩터를 통해 축 방향 또는 비틀림 방향의 기계적 충격 에너지로 변환하여 드릴 비트의 후단에 직접 가함으로써 비트의 절삭 조건을 개선하고 암석 파쇄 효율을 높이는 것입니다.

비틀림 충격 드릴링 기술은 최근 몇 년 동안 드릴링 속도를 향상시키는 데 주목받는 기술로, 주로 PDC 비트에서 발생하는 "스틱-슬립" 진동 문제를 해결하기 위해 사용됩니다. 이 기술을 사용할 때, 비트 후단에 비틀림 임팩터가 설치됩니다. 임팩터는 내부 구조 설계를 통해 유체의 유압 에너지를 비틀림 충격 기계 에너지로 변환합니다. 드릴 스트링의 정상 상태 토크와 임팩터에서 발생하는 충격 토크가 결합되어 비트가 암석을 파쇄합니다.

다음 예시에서는 두 가지 혁신적인 도구를 소개합니다.

1. 타격 빈도 조절 기능이 있는 드릴링 속도 증가 공구

주파수 조절식 유압 드릴링 속도 증가 공구는 베어링, 하부 샤프트 본체, 피스톤 쌍, 임팩트 해머, 스로틀 노즐 및 기타 구성 요소로 이루어진 핵심 충격 구조를 가지고 있습니다.

작동 원리:이 장비는 임팩트 해머의 상부 및 하부 챔버에서 드릴링 유체에 의해 발생하는 주기적인 압력 차이를 이용하여 임팩트 해머를 고속으로 왕복 운동시켜 축 방향 충격력을 발생시키고, 이 충격력을 드릴 비트에 직접 전달하여 암석 파쇄를 돕습니다. 핵심은 하부 샤프트 본체의 대칭 구멍 개수를 변경하여 충격 빈도를 조절할 수 있으므로 다양한 지층의 드릴링 요구에 맞춰 사용할 수 있다는 점입니다.

타격 빈도 조절이 가능한 드릴링 속도 증가 공구의 적용

중경질 지층 현장 시험: 수치 시뮬레이션을 통해 선정된 최적 충격 주파수(16Hz)를 기반으로, 이 공구를 신장 유전의 X1 유정에서 시험했습니다. 마모성이 강하고 시추 속도(ROP)가 낮은 지층 구간에서, 스크류 드릴 공구를 사용한 인접 유정과 비교했을 때, 이 공구를 사용한 후 1회 시추량은 53% 증가했고, 기계적 시추 속도는 27.0% 증가하여, 시추 횟수를 효과적으로 줄이고 공사 기간을 단축할 수 있었습니다.

경질 지층에서의 현장 시험: 수치 시뮬레이션을 통해 선정된 최적의 충격 주파수(18Hz)에 따라, 이 장비는 신장 유전의 X3번 유정에서 시추성이 낮은 석탄기 안산암 및 현무암 지층에서 시험되었습니다.

결론: 연구 결과에 따르면 이 도구를 사용한 후 기계적 시추 속도(ROP)가 인접 유정 대비 103.2%显著하게 증가했으며, 이는 다양한 지층에서 시추 효율을 크게 향상시키고 시추 주기를 단축할 수 있음을 효과적으로 입증합니다.

2. 복합 충격 드릴링 속도 향상 공구 설계

유압식 비틀림 충격 메커니즘이 설계되었으며, 그 핵심은 유량 분배 메커니즘, 역전 메커니즘 및 충격 메커니즘의 세 부분으로 구성됩니다.

동작 과정: 초기 상태(상태 a)에서 고압 유체가 역전 밸브 코어의 왼쪽 유로를 통해 유압 해머의 왼쪽 공동으로 유입되어 유압 해머와 밸브 코어를 함께 시계 방향으로 회전시킵니다. 유압 해머가 유압 해머 시트에 충돌할 때까지 이 과정이 반복됩니다(상태 b). 충돌 후, 고압 유체는 오른쪽 제어 유로를 통해 유압 해머와 밸브 코어로 형성된 오른쪽 공동으로 유입되어 밸브 코어를 시계 방향으로 계속 회전시켜 역전 위치(상태 c)에 도달하게 합니다. 그러면 고압 유체는 오른쪽 유로로 이동하여 유압 해머의 오른쪽 공동으로 유입되고, 유압 해머와 밸브 코어를 반시계 방향으로 회전시킵니다(상태 c). 유압 해머가 다시 유압 해머 시트에 충돌할 때까지(상태 d), 고압 유체는 왼쪽 제어 유로를 통해 왼쪽 공동으로 유입되어 밸브 코어를 반시계 방향으로 회전시켜 역전되고 초기 상태(상태 a)로 돌아갑니다. 이러한 과정이 반복되면서 유체에 의해 구동되는 연속적인 역전 및 충돌을 통해 고주파 왕복 비틀림 충격이 발생합니다.

작동 원리:유체(진흙)가 상부 연결부와 안내관을 통해 유동 분배 슬리브로 유입된 후, 역전 메커니즘과 충격 메커니즘으로 분배되며, 유동 분배판에 의해 두 유체 흐름 경로가 분리됩니다. 이후 유체는 맨드릴 내부의 노즐을 통과하면서 노즐 앞뒤에 고압 및 저압 영역을 형성합니다. 역전 밸브 코어는 압력 차이에 의해 회전하며, 유압 해머의 좌우 캐비티가 고압 및 저압 영역에 교대로 연결되도록 제어합니다. 이로써 유압 해머는 압력 차이에 의해 왕복 운동하여 유압 해머 시트에 충격을 가하고, 고주파 왕복 비틀림 충격을 발생시킵니다.

1-상부 서브; 2-외부 케이싱; 3-가이드 파이프; 4-유량 분배 슬리브; 5-유량 분배 플레이트; 6-볼트; 7-상부 지지 링; 8-유압 해머 시트; 9-유압 해머; 10-역전 밸브 코어; 11-하부 지지 링; 12-맨드릴; 13-하부 서브;

비틀림 충격 메커니즘 구조의 개략도

비틀림 충격 메커니즘의 운동 과정

축 방향 충격 메커니즘이 설계되었습니다. 유압식 축 방향 충격기는 크게 밸브형과 무밸브형으로 나뉩니다. 밸브형 충격기는 내부 구조가 복잡하고 신뢰성이 떨어지며, 무밸브형은 주로 제트형과 제트 흡입형으로 구분되는데, 제트형은 수명이 짧습니다. 제트 흡입형 유압식 충격기는 구조가 간단하고 제트 유입 및 수격 진동 효과를 이용하여 충격을 발생시키며, 내부 가동 부품이 적고 취약 부품이 없어 복잡한 시추공 환경에 더욱 잘 적응할 수 있습니다.

1-상부 노즐 시트; 2-상부 노즐; 3-상부 밸브; 4-상부 밸브 슬리브; 5-보조 노즐; 6-축 방향 외부 케이스; 7-지지 슬리브; 8-충격 해머; 9-해머 헤드; 10-해머 시트; 11-보호 캡; 12-축 방향 충격 메커니즘의 육각형 조인트 작동 원리.

초기 유동 및 압력차 형성: 고압 유체가 상부 노즐을 통해 고속 제트를 형성합니다. 제트 유입 및 스로틀링 효과의 복합적인 작용으로 상부 밸브의 상부 및 하부 챔버, 그리고 임팩트 해머의 외부 상부 챔버와 해머 헤드 하단 사이에 압력차가 발생합니다.

구성 요소의 상향 이동 및 유로 밀봉: 각 구성 요소의 압력 차이에 의해 상부 밸브가 위로 이동하고, 충격 구성 요소(보조 노즐, 충격 해머 및 해머 헤드)도 위로 이동하여 보조 노즐이 상부 밸브에 닿아 유로를 밀봉합니다.

수격 현상 발생 및 공동 하강 운동: 유로가 순간적으로 닫히면서 수격 진동이 발생하고, 챔버 내부 압력이 급격히 상승하여 상부 밸브와 충격 부품이 함께 하강 가속 운동을 하게 됩니다.

관성 충격 및 사이클 복구: 상부 밸브가 하한 위치로 이동한 후, 충격 구성 요소는 관성에 의해 계속 하강하여 최종적으로 해머 시트를 타격하여 축 방향 충격을 완료합니다. 충격 후 유로가 평탄해지고, 비트 하중(WOB) 작용으로 메커니즘이 재설정되어 다음 사이클을 시작합니다.

연락하다 :제시 저우

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