در حال حاضر، ابزارهای افزایش سرعت حفاری عمدتاً به دو دسته تقسیم میشوند: نوع مکانیکی و نوع هیدرولیکی. ابزارهای مکانیکی از نیروی ضربهای روی مته (WOB) برای تولید نیروی ضربهای استفاده میکنند که به طور مؤثر راندمان شکست سنگ را در سازندهای سخت بهبود میبخشد، اما مشکلاتی مانند لرزش شدید، مصرف انرژی بالا و آسیب خستگی آسان وجود دارد. ابزارهای هیدرولیکی از سیال حفاری برای هدایت چکشهای ضربهای استفاده میکنند و ضربه، چرخش و جت را برای شکستن سنگ ترکیب میکنند. آنها مزایای قابل توجهی در افزایش نرخ نفوذ (ROP)، کنترل انحراف چاه و افزایش عمر مته دارند، اما عموماً مشکلاتی مانند فرکانس ضربه تکی و دشواری در سازگاری با نیازهای سازندهای مختلف دارند.
فناوری حفاری ضربهای عمدتاً بر اساس نحوه عملکرد به سه دسته تقسیم میشود: فناوری ضربه پیچشی، فناوری ضربه محوری و فناوری ضربه مرکب محوری-پیچشی. اساس حفاری ضربهای برای افزایش سرعت، تبدیل انرژی فشار گاز یا مایع به انرژی مکانیکی ضربه محوری یا پیچشی از طریق یک ضربهزن است که مستقیماً به انتهای عقب مته اعمال میشود و شرایط برش مته را بهبود میبخشد و راندمان سنگشکنی مته را افزایش میدهد.
فناوری حفاری ضربهای پیچشی، یک فناوری نوظهور برای افزایش سرعت حفاری در سالهای اخیر است که عمدتاً برای حل مشکل ارتعاش "چسبندگی-لغزش" ایجاد شده توسط متههای PDC استفاده میشود. در هنگام استفاده، ضربهگیر پیچشی در انتهای عقب مته نصب میشود. این ضربهگیر از طریق طراحی ساختار داخلی خود، میتواند انرژی هیدرولیکی سیال را به انرژی مکانیکی ضربهای پیچشی تبدیل کند. مته تحت عمل ترکیبی گشتاور حالت پایدار رشته حفاری و گشتاور ضربهای ایجاد شده توسط ضربهگیر، سنگ را میشکند.
| نوع ابزار | ویژگیهای اصلی | اثر کاربرد |
| ابزار حفاری ضربهای کوپل محوری-پیچشی | ایجاد ضربههای محوری و پیچشی به طور همزمان | بهبود راندمان شکستن سنگ و جلوگیری از ارتعاش ناشی از لغزش |
| چکش ضربهای محوری-پیچشی | طراحی ساختاری کاملاً جدید | نرخ نفوذ مکانیکی (ROP) به میزان ۱۰۵.۱٪ تا ۱۶۳.۴٪ افزایش یافته است. |
| ابزار جدید PDM ضربهای چرخشی | ارتعاش قابل کنترل چند جهته | کاهش اصطکاک چاه و افزایش سرعت حفاری |
| ابزار مته پیچ ضربه ای کامپوزیت | موتور پیچ و عملکرد ضربه را ادغام کنید | حل مشکل راندمان پایین حفاری در سازندهای سنگ سخت |
| چکش ضربهای محوری-پیچشی دما بالا | مقاومت در برابر آببند مکانیکی با دمای بالای 200 درجه سانتیگراد | سرعت بخشیدن به حفاری چاههای زمین گرمایی، با عمر مفید طولانیتر نسبت به ابزارهای حفاری برقی |
مثالهای زیر دو ابزار نوآورانه را معرفی میکنند
۱. ابزار افزایش سرعت حفاری با فرکانس ضربه قابل تنظیم
ابزار افزایش سرعت حفاری هیدرولیکی با قابلیت تنظیم فرکانس، دارای ساختار ضربهای هستهای متشکل از یاتاقانها، بدنه شفت پایینی، جفت پیستونها، چکش ضربهای، نازل دریچه گاز و سایر اجزا است.
اصل کار:این دستگاه از اختلاف فشار دورهای ایجاد شده توسط سیال حفاری در محفظههای بالایی و پایینی چکش ضربهای برای حرکت رفت و برگشتی چکش ضربهای با سرعت بالا استفاده میکند و نیروی ضربه محوری ایجاد میکند که مستقیماً به مته منتقل میشود تا به شکستن سنگ کمک کند. نکته کلیدی این است که این ابزار میتواند فرکانس ضربه را با تغییر تعداد سوراخهای متقارن در بدنه شفت پایینی تنظیم کند و در نتیجه با نیازهای حفاری سازندهای مختلف سازگار شود.
کاربرد ابزار افزایش سرعت حفاری با فرکانس ضربه قابل تنظیم
آزمایش میدانی در سازند با سختی متوسط: بر اساس فرکانس ضربه بهینه (16 هرتز) که توسط شبیهسازی عددی انتخاب شده است، این ابزار در چاه X1 میدان نفتی سینکیانگ آزمایش شد. در بخش سازند با سایش قوی و نرخ نفوذ (ROP) پایین، مقایسه با چاه مجاور با استفاده از ابزار مته پیچی نشان میدهد که پس از استفاده از این ابزار، فیلم حفاری تک مرحلهای 53 درصد افزایش یافته، نرخ نفوذ مکانیکی 27 درصد افزایش یافته و به طور موثری تعداد سفرها را کاهش داده و در دوره ساخت و ساز صرفهجویی میکند.
آزمایش میدانی در سازند سخت: با توجه به فرکانس ضربه بهینه (18 هرتز) که توسط شبیهسازی عددی انتخاب شده است، این ابزار در سازندهای آندزیت و بازالت کربنیفر با قابلیت حفاری ضعیف در چاه X3 میدان نفتی سین کیانگ آزمایش شد.
نتیجهگیری: نتایج نشان میدهد که پس از استفاده از این ابزار، نرخ نفوذ مکانیکی (ROP) در مقایسه با چاههای مجاور به طور قابل توجهی 103.2 درصد افزایش یافته است، که به طور موثری ثابت میکند که میتواند راندمان حفاری را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و چرخه حفاری را در سازندهای مختلف کوتاه کند.
۲. طراحی ابزار افزایش سرعت حفاری ضربهای کامپوزیتی
یک مکانیزم ضربه پیچشی هیدرولیکی طراحی شده است که هسته آن از سه بخش تشکیل شده است: مکانیزم توزیع جریان، مکانیزم معکوس کننده و مکانیزم ضربه.
فرآیند حرکت: در ابتدا (حالت الف)، سیال پرفشار از طریق کانال جریان چپ هسته شیر معکوس وارد حفره چپ چکش هیدرولیکی میشود و چکش هیدرولیکی و هسته شیر را به چرخش در جهت عقربههای ساعت با هم سوق میدهد تا زمانی که چکش هیدرولیکی به نشیمنگاه چکش هیدرولیکی برخورد کند (حالت ب). پس از برخورد، سیال پرفشار سپس از طریق کانال جریان کنترل راست وارد حفره راست تشکیل شده توسط چکش هیدرولیکی و هسته شیر میشود و هسته شیر را به چرخش در جهت عقربههای ساعت به موقعیت معکوس (حالت ج) هل میدهد، به طوری که سیال پرفشار به کانال جریان راست تغییر مسیر میدهد و وارد حفره راست چکش هیدرولیکی میشود و چکش هیدرولیکی و هسته شیر را به چرخش در خلاف جهت عقربههای ساعت سوق میدهد (حالت ج). تا زمانی که چکش هیدرولیکی دوباره به نشیمنگاه چکش هیدرولیکی برخورد کند (حالت د)، سیال پرفشار از طریق کانال جریان کنترل چپ وارد حفره چپ میشود و هسته شیر را به چرخش در خلاف جهت عقربههای ساعت برای معکوس شدن و بازگشت به حالت اولیه سوق میدهد (حالت الف). این چرخه، ضربه پیچشی رفت و برگشتی با فرکانس بالا را از طریق معکوس شدن مداوم و ضربه ناشی از سیال تشکیل میدهد.
اصل کار:پس از اینکه سیال (گل) از طریق مفصل بالایی و لوله راهنما به داخل غلاف توزیع جریان جریان یافت، به مکانیزم معکوس کننده و مکانیزم ضربه توزیع میشود و دو مسیر سیال توسط صفحه توزیع جریان از هم جدا میشوند. متعاقباً، سیال از طریق نازل داخل مندرل عبور میکند و مناطق پرفشار و کمفشار را قبل و بعد از خود تشکیل میدهد. هسته شیر معکوس کننده تحت تأثیر اختلاف فشار میچرخد و حفرههای چپ و راست چکش هیدرولیکی را کنترل میکند تا به طور متناوب به مناطق پرفشار و کمفشار متصل شوند و باعث میشوند چکش هیدرولیکی تحت تأثیر اختلاف فشار به صندلی چکش هیدرولیکی ضربه بزند و در نتیجه ضربه پیچشی رفت و برگشتی با فرکانس بالا ایجاد شود.
۱-زیردریایی بالایی؛ ۲-پوشش بیرونی؛ ۳-لوله راهنما؛ ۴-غلاف توزیع جریان؛ ۵-صفحه توزیع جریان؛ ۶-پیچ؛ ۷-حلقه نگهدارنده بالایی؛ ۸-نشیمنگاه چکش هیدرولیکی؛ ۹-چکش هیدرولیکی؛ ۱۰-هسته شیر معکوس؛ ۱۱-حلقه نگهدارنده پایینی؛ ۱۲-ماندرل؛ ۱۳-زیردریایی پایینی؛
نمودار شماتیک ساختار مکانیزم ضربه پیچشی
فرآیند حرکت مکانیزم ضربه پیچشی
نوعی مکانیزم ضربه محوری طراحی شده است. ضربه گیرهای محوری هیدرولیکی عمدتاً به دو نوع تقسیم میشوند: نوع دریچهدار و نوع بدون دریچه. ساختار داخلی ضربه گیرهای دریچهدار پیچیده است و قابلیت اطمینان آنها ضعیف است. نوع بدون دریچه عمدتاً شامل نوع جت و نوع جت-مکش است که در بین آنها نوع جت عمر کوتاهی دارد. ضربه گیر هیدرولیکی جت-مکش ساختار سادهای دارد، ضربه را با تکیه بر مکش جت و اثر نوسان چکش آبی انجام میدهد، قطعات متحرک داخلی کمی دارد و هیچ قطعه آسیبپذیر ندارد و میتواند با شرایط پیچیده درون چاه بهتر سازگار شود.
۱-محل قرارگیری نازل بالایی؛ ۲-نازل بالایی؛ ۳-شیر بالایی؛ ۴-آستین سوپاپ بالایی؛ ۵-نازل ثانویه؛ ۶-پوشش بیرونی محوری؛ ۷-آستین نگهدارنده؛ ۸-چکش ضربهای؛ ۹-سرچکش؛ ۱۰-محل قرارگیری چکش؛ ۱۱-کلاهک محافظ؛ ۱۲-مفصل شش ضلعی. اصول کار مکانیزم ضربه محوری.
تشکیل جریان اولیه و اختلاف فشار: سیال پرفشار، جتی پرسرعت را از طریق نازل بالایی تشکیل میدهد. تحت اثر ترکیبی مکش جت و اثر خفگی، اختلاف فشار در محفظههای بالایی و پایینی دریچه بالایی و همچنین بین محفظه بالایی بیرونی چکش ضربهای و انتهای پایینی سر چکش ایجاد میشود.
حرکت رو به بالای اجزا و آببندی کانال جریان: شیر بالایی تحت تأثیر اختلاف فشار مربوطه به سمت بالا حرکت میکند و اجزای ضربهگیر (نازل ثانویه، چکش ضربهگیر و سر چکش) نیز به سمت بالا حرکت میکنند تا اینکه نازل ثانویه با شیر بالایی تماس پیدا کرده و کانال جریان را آببندی کند.
ایجاد ضربه قوچ و حرکت رو به پایین مفصل: بسته شدن آنی کانال جریان، نوسان ضربه قوچ را تحریک میکند و فشار در محفظه به شدت افزایش مییابد و شیر بالایی و اجزای ضربهگیر را به سمت پایین هل میدهد تا با هم شتاب بگیرند.
ضربه اینرسی و بازیابی چرخه: پس از اینکه شیر بالایی به موقعیت حد پایین حرکت میکند، اجزای ضربه تحت اینرسی به حرکت رو به پایین ادامه میدهند و در نهایت به نشیمنگاه چکش ضربه میزنند تا ضربه محوری کامل شود. پس از ضربه، کانال جریان به حالت صاف برمیگردد و مکانیزم تحت عمل وزن روی مته (WOB) مجدداً تنظیم میشود و چرخه بعدی را شروع میکند.
تماس:جسی ژو
موبایل/واتساپ:+۰۰۸۶-۱۸۱۰۹۲۰۶۸۶۱
ایمیل:energy@landrilltools.com
زمان ارسال: ۱۸ نوامبر ۲۰۲۵
۵-۱۲۰۳، شهرک صنعتی داهوا، جاده یونشوی شماره ۲، منطقه توسعه فناوری پیشرفته، شیآن، ۷۱۰۰۶۵، چین
۸۶-۱۳۶۰۹۱۵۳۱۴۱
