Discussion sur l'optimisation des performances du foret PDC pour augmenter la vitesse de forage
Dans l'ingénierie du forage, tirer pleinement parti de l'effet maximal des forets PDC (composite de diamant polycristallin) est l'un des principaux moyens d'améliorer l'efficacité du forage. Cet article explorera en profondeur les facteurs directs qui affectent l'augmentation de la vitesse de forage des forets PDC et analysera la relation entre la pression de forage élevée, la vitesse de rotation élevée et la densité des dents sur la vitesse de forage et l'usure des forets PDC pour explorer les causes de défaillance prématurée des forets PDC et leur mécanisme d'usure.
Des études théoriques ont montré que la pression de forage (c'est-à-dire la profondeur de pénétration du trépan) et la vitesse de rotation sont les facteurs les plus directs affectant la vitesse de forage mécanique du trépan, et il existe généralement une relation linéaire entre les deux et la vitesse de forage mécanique. Cependant, dans les applications réelles, des réponses non linéaires se produisent souvent entre la pression de forage et la vitesse de forage mécanique. Les techniciens sur le terrain attribuent souvent cela à une défaillance du trépan ou à des facteurs de formation, mais en fait, la raison réside dans des facteurs « anormaux » qui se produisent pendant le forage.
Ces facteurs comprennent :
1. Les facteurs qui affectent directement les performances du trépan comprennent les vibrations axiales, de torsion et latérales du trépan (vortex, stick-glissade, saut de foret, etc.), un mauvais nettoyage du fond, l'emballage de boue des dents de coupe ou du trépan, l'hétérogénéité de la formation et l'inadéquation entre la méthode de rupture de roche et la lithologie de la formation.
2. Les facteurs non- liés aux trépans de forage qui affectent l'apport d'énergie de forage comprennent une structure géologique complexe qui limite l'utilisation d'outils de forage électriques de fond de trou, l'effet de flambage des tubes de fond de trou, la faible limite de torsion de l'entraînement supérieur et des outils, le grand angle d'inclinaison du puits nécessite une légère pression et un levage, la collecte de signaux MWD et autres outils, ainsi que les problèmes de transport de roches et de support de pression dans les longues sections horizontales.
Field practice abroad shows that under high drilling pressure (>200 kN), la vitesse de perçage des forets PDC est considérablement améliorée sans augmenter l'usure. Cette découverte est contraire au principe d'utilisation des forets PDC « faible pression de forage, haute vitesse » auquel les techniciens de forage chinois adhèrent depuis longtemps. L'inférence selon laquelle « plus la pression de forage est élevée, plus l'usure du foret est faible » a été vérifiée grâce à l'essai de meulage humide du granit de coupe sur tour à tourelle verticale (essai VTL). Les résultats des tests montrent que pour les mêmes paramètres de coupe, plus la profondeur de pénétration des dents de coupe PDC est grande (représentant une pression de forage plus élevée), plus le volume d'usure est petit, ce qui prouve l'exactitude de l'inférence.
1. Lorsque le foret PDC est dans un état de rupture de roche efficace, l'augmentation de la pression de forage peut réduire l'usure du foret.
2. « Foret PDC + pression de forage élevée » combiné à des outils de forage électriques de fond (tels que des vis à couple élevé, etc.) peuvent augmenter efficacement la vitesse de forage mécanique et réduire l'usure du foret.
3. Dans les formations de roches dures (telles que le granit), la vitesse de forage mécanique du foret PDC et la pression de forage maintiennent toujours une relation linéaire, et l'augmentation de la pression de forage peut effectivement ralentir l'usure du foret.
4. La mise en œuvre spécifique du « foret PDC + pression de forage élevée » est limitée par les conditions réelles de forage, mais elle peut être résolue par une technologie et un équipement de forage avancés.
La relation entre la vitesse de rotation et l’usure de la fraise PDC a été étudiée à l’aide du test VTL (PDC cutter cuting granite). Les résultats des tests ont montré que le volume d'usure des fraises PDC augmente avec l'augmentation de la vitesse linéaire (vitesse de rotation), et lorsque la vitesse linéaire dépasse un certain seuil, le volume d'usure des fraises n'est plus linéairement lié à la distance de déplacement et le taux d'usure augmente de manière significative. Les recherches de la National Oilwell Corporation ont révélé que dans des conditions de « vitesse élevée et de démarrage faible - », la température des couteaux augmentera rapidement, provoquant leur usure et leur défaillance sur une très courte distance de déplacement. Cependant, la qualité actuelle des fraises PDC peut répondre pleinement aux besoins d'un forage efficace à long terme - dans la plupart des formations à une vitesse élevée de 400 - 500 tr/min. Les outils de forage électriques à grande vitesse avec forets PDC sont également devenus une option courante pour le forage à l'étranger. Pour cette raison, une solution technologique à trois-haute vitesse-up : "haute pression de perçage + haute vitesse + foret PDC haute densité de dents" a été proposée. Les tests sur le terrain ont prouvé que cette solution a considérablement amélioré la durée de forage en un seul passage et la vitesse de forage mécanique des forets PDC.
Afin d'explorer la relation entre la densité des dents du trépan (nombre de lames, taille des dents de coupe) et le taux de pénétration mécanique, un test sur le terrain a été effectué dans le bloc Luojia du champ pétrolifère de Shengli. Les résultats ont montré que le foret à quatre lames composites de φ19,0 mm couramment utilisé SK419-YS PDC avait le taux de pénétration mécanique le plus bas, tandis que le foret à pièces composites de φ19,0 mm à cinq-lames SK519-YS PDC fonctionnait mieux. Le taux de pénétration mécanique le plus élevé a été celui du foret PDC SK522-YS à cinq lames en pièce composite de φ22,0 mm, qui a adopté une conception d'accélération de coupe rapide à grandes dents.
1. Les avantages du foret « quelques lames, grandes lames » peuvent être pleinement réalisés grâce à l'amélioration des paramètres de forage.
2. Tant qu'une pression de forage, un couple, une pression de pompe et un déplacement suffisants sont fournis pour assurer l'équilibre dynamique de « manger, couper et décharger dans le temps », même un foret PDC à haute densité de dents avec « plusieurs lames et petites dents » peut obtenir le perçage optimal et rapide d'un foret à haute densité de dents-.
Sur la base du dispositif de test VTL, des tests en intérieur ont été effectués sur des cylindres de bloc de diamant polycristallin (NPD) nano de φ6,0 mm. Les résultats ont montré que le NPD s'est brisé rapidement après avoir contacté le granit et que la fracture était relativement lisse. Par rapport aux fraises PDC, bien que le NPD ait une dureté élevée (le NPD a une dureté de 130-140 GPa, tandis que les fraises PDC ont une dureté de seulement 50 à 70 GPa), le NPD a une faible résistance aux chocs et est toujours difficile à répondre aux exigences plus élevées de forage et de bris de roches. Par conséquent, les matériaux de rupture de roche pour le forage pétrolier et gazier ne peuvent pas rechercher aveuglément une dureté ultra élevée, mais doivent rechercher le meilleur équilibre entre dureté et ténacité, et le niveau technique d'intégration de la résistance et de la ténacité des matériaux doit être continuellement amélioré.
L'effet de l'élimination du cobalt sur la résistance à l'usure et la résistance aux chocs des fraises PDC a été étudié à l'aide de tests VTL. Les résultats montrent que la résistance à l'usure et la stabilité thermique des fraises PDC sont efficacement améliorées après le décobaltage, mais que la résistance aux chocs des fraises PDC décobaltées est relativement faible. L'usure rapide des fraises PDC dépend de deux conditions : l'une est que les fraises ont de grandes arêtes de meulage et que les arêtes de meulage sont entrées dans la zone non décobaltée ; l'autre est que la chaleur générée par le frottement entre les arêtes de meulage et la roche est suffisante. Il est recommandé d'utiliser l'amélioration des paramètres de forage (augmentation de la pression de forage, augmentation du déplacement, etc.) au stade initial de l'entrée des couteaux PDC dans le puits pour raccourcir la distance de déplacement requise pour obtenir le même métrage et pour évacuer en temps opportun les déblais et la chaleur de friction, ralentissant ainsi l'usure des couteaux.
En résumé, nous pouvons tirer les conclusions suivantes :
1. L'augmentation de la pression de forage peut entraîner une augmentation de la vitesse de forage.
2. L'amélioration des paramètres de forage convient à l'augmentation de la vitesse des roches dures.
3. L'augmentation de la vitesse de rotation augmentera la vitesse de perçage mécanique du foret.
4. La densité des dents (nombre de lames, taille de coupe, espacement des dents, etc.) est l'un des facteurs affectant la vitesse de perçage mécanique des forets PDC, mais ce n'est pas un facteur direct.
5.À l'heure actuelle, la résistance à l'usure des fraises PDC est suffisamment bonne pour garantir le forage à long terme -des forets dans des formations de roches dures homogènes telles que le grès et le granit.
6. Lors du forage dans des formations générales, les fraises PDC n'ont pas besoin d'être décobaltées ou n'ont besoin que d'un décobaltage modéré. Pour les formations très abrasives, il est recommandé d'utiliser des fraises PDC avec une bonne stabilité thermique et une forte résistance à l'usure, ainsi qu'un décobaltage en profondeur.
