PDC Core Bit как инструмент с высокими показателями в нефтегазовой, геологоразведочной, гидрологической и горнодобывающей отраслях. В этой статье систематически анализируются основные характеристики и структурные принципы, а также рассказывается об идеях повышения эффективности резцов PDC.

Характеристики ядра PDC Core Bits

• Сверхвысокая твердость и износостойкость: Его режущие зубья изготовлены из синтетического поликристаллического алмаза (PDC). Алмаз известен своей чрезвычайной твердостью, и при реальном ударе по твердым и твердым образованиям, по результатам анализа износа в полевых условиях, его износостойкость действительно чрезвычайно высока.
• Устойчивость к ударам и высокая прочность: Чистый алмаз слишком хрупок, поэтому в качестве основы используется цементированный карбид. Такая композитная конструкция, сочетающая в себе твердость алмаза и прочность твердосплавной подложки, хорошо выдерживает ударную нагрузку на дне скважины, не подвержена масштабным разрушениям.
• Хорошая самозатачивающаяся заточка: Это ключевой момент. В процессе износа алмазный слой будет постоянно отслаиваться и обнажать новые острые частицы. Если вы не сможете поддерживать остроту, скорость сверления вскоре снизится.
• Плавные кадры и высокое качество ядра: керновое долото идет по пути кольцевой резки. Полученные цилиндрические керны обычно очень полные, что наиболее важно для геологического анализа.

Основная структура и разборка корончатых долот PDC

Если разобрать коронку на верстаке, то она будет состоять в основном из этих частей:

• Корпус бура: как правило, стальной корпус или матрица, которая эквивалентна скелету сверла.
• Режущие зубья (зубья PDC): Это основной компонент для спекания многослойного синтетического алмазного микропорошка на цементированной карбидной подложке при сверхвысоком давлении и высокой температуре. Он также является непосредственной частью породы “голова к голове”. Форма зубьев (круглые, клиновые), размер и угол расположения, каждый дизайн мы должны быть многократно скорректированы в соответствии с конкретной формации.
• Система водных путей: включая сопла и проходной канал. По ним циркулирует буровой раствор, который не только охлаждает буровое долото, но и удаляет шлам из породы и защищает стенки скважины.
• Зона защиты манометра: внешняя часть сверла обычно инкрустируется износостойкими материалами (например, алмазными блоками с пропиткой или твердым сплавом). Если износ будет чрезмерным, скважина сузится, и проблемы будут продолжаться.
• Соединительная нить: Верхний конец используется для подсоединения бурильной трубы или инструмента для отбора керна.

Принцип работы шарошечных долот PDC

На самом деле, принцип работы не сложен: буровое долото вращается на высокой скорости под действием веса на долото и крутящего момента, а острые зубья PDC разрушают породу путем “срезания“. В то же время буровой раствор уносит шлам со дна скважины по водоводу и попутно охлаждает зубья. Поскольку центральная часть бурового долота не участвует в резании, по мере того как долото опускается вниз и ”бурит вперед", цилиндрический керн естественным образом попадает в верхнюю керноприемную трубу.

Основные сценарии применения битов ядра PDC

• Разведка нефти и газа: Получение кернов из пласта и их повторная обработка для расчета физических свойств, содержания нефти и структуры пласта.
• Геологическая разведка и разведка полезных ископаемых: бурение керна рудного тела, используется для определения содержания, подсчета запасов.
• Инженерно-геологические изыскания: Мосты, плотины, высотные здания перед закладкой фундамента, как правило, нуждаются в нем для проведения испытаний на отбор проб грунта и породы.
• Бурение гидрологических скважин: отбор проб при поиске источника воды или строительстве мониторинговой скважины.
• Научное бурение: Например, бурение глубоких скважин для континентальных научных исследований или морских научных исследований для изучения внутренней структуры Земли.

Меры предосторожности при выборе и использовании корончатых сверл PDC

• Стратиграфическая адаптивность: PDC предпочитает однородные осадочные породы средней мягкости и средней твердости (например, сланцы, песчаники, известняки). Если встречаются чрезвычайно мягкие, сильно абразивные или межпластовые трещиноватые породы, производительность традиционных конструкций будет значительно снижена. В таких условиях форсированное бурение не рекомендуется, необходимо выполнять специальную настройку.
• Оптимизация параметров: вес долота, скорость и рабочий объем должны быть хорошо согласованы. При этом необходимо найти точку равновесия, чтобы учесть скорость бурения и срок службы долота.
• Очистка нижнего отверстия: Если гидравлическая очистка не будет выполнена должным образом, горная крошка заблокирует буровое долото, образуя “шарошку”, за которой последует серьезное термическое повреждение, и буровое долото будет в основном заброшено.

Как повысить эффективность использования алмазных фрез в коронках PDC

Эта часть - главная. Если вы хотите повысить эффективность, вам нужно начать с трех измерений: материалы, дизайн и эксплуатация:

1. Оптимизация самого композитного листа PDC (фундамент должен быть прочным)

Теперь технология PDC уже давно не является традиционной “слой алмазного сплава на подложке”.

• Повышенная износостойкость и термостойкость: Для значительного увеличения срока службы можно использовать крупнозернистый или смешанный алмаз. Кроме того, очень эффективно добавлять жаропрочный переходный слой (например, керамику или специальный сплав) между алмазом и сплавом. Когда буровое долото трется при высокой температуре на дне скважины, кобальт из сплава мигрирует, и алмаз графитизируется, что является наиболее уязвимой зоной для разрушения PDC. Теперь многие проводят обработку с целью удаления кобальта (выщелачивание и т. д.), чтобы непосредственно уменьшить источник термического повреждения.
• Повышение ударопрочности и вязкости: Обычно мы делаем поверхность соединения непланарной (волнистой или зигзагообразной), чтобы увеличить площадь соединения и предотвратить расслоение. В то же время повышается прочность подложки из сплава.
• Оптимизация профиля зуба и фаски: использовать обтекаемые/параболические зубья для снижения сопротивления резанию. Соответствие угла заднего и бокового скоса также должно быть рассчитано в соответствии с формацией. Здесь я всегда подчеркивал, что очень маленькая фаска на режущей кромке может значительно улучшить сопротивление удару и предотвратить скол зубьев, а влияние на остроту минимально.

2. Оптимизируйте конструкцию сверла (позвольте лезвию использовать максимальный потенциал)

• Индивидуальное распределение зубьев и баланс сил: Обычно мы используем CFD и конечные элементы для моделирования и следуем “принципу равного износа” - регулируем радиальное, окружное положение и высоту воздействия зубьев, чтобы они изнашивались одновременно, насколько это возможно, и избегали преждевременной отбраковки некоторых зубьев. Еще один принцип - балансировка силы, сведение боковой и радиальной силы к минимуму. Сильная вибрация - главный виновник растрескивания зубьев PDC.
• Эффективная гидравлика и проектирование проточных каналов: Поток должен напрямую и в достаточной степени очищать заднюю и лицевую поверхности каждого зуба. Если тепло не может быть отведено, тепловое повреждение наступит незамедлительно. Канал потока должен быть способен быстро перемещать обломки с переднего ряда зубьев, чтобы избежать повторного резания. Хорошее или плохое удаление стружки напрямую отражается на механическом ROP (Rate of Penetration).
• Усиление структуры защиты калибра: использование вторичных материалов для защиты калибров более высокого порядка (например, поликристаллических алмазных блоков) позволяет предотвратить уменьшение размера и преждевременное сверление из-за разрушения защиты калибров.

3. Оптимизация процесса и операций бурения (правильное использование)

• Выбор соответствия: такова предпосылка. Буровые коронки подбираются в зависимости от прочности пласта на сжатие, абразивности и наличия прослоек.
• Точные параметры управления: давление бурения должно быть в пределах рекомендуемого диапазона, слишком низкое давление приведет к завихрению долота, слишком высокое - к проскальзыванию. Скорость вращения должна быть согласована с давлением долота, чтобы найти оптимальную точку “механической удельной энергии” (то есть точку, где разрушение единицы объема породы является наиболее трудосберегающим). В случае высокого образования шлифов соответствующее снижение скорости может спасти жизнь. Наконец, перемещение должно быть достаточным для охлаждения и удаления стружки.
• Плавный ход для уменьшения вибрации: проверить вибрацию (осевую, боковую и крутильную) с помощью скважинных инструментов MWD, чтобы избежать резонансных точек. Доставка должна быть стабильной, чтобы избежать ударной нагрузки. Кроме того, очень важна подготовка скважины. Для подавления вибрации используйте подходящие амортизаторы и центраторы.

Подводя итог, можно сказать, что алмазная композитная коронка - это один из представителей современной технологии бурения. По сути, это высокоинтегрированная совокупность материаловедения, механического проектирования, механики жидкостей и технологии бурения в полевых условиях. Для достижения максимальной эффективности бурения единственным выходом является комплексное проектирование “пластовое долото-параметр”. При выборе типа важно многократно согласовывать требования с инженером в соответствии с конкретными геологическими особенностями. Кстати, если у вас есть конкретные требования к проекту, компания Field Diamond может предоставить очень профессиональные и хорошо подобранные резцы PDC и буровые коронки с индивидуальным профилем зубьев, распределением зубьев и гидравлическим дизайном, что также является высококачественным выбором для двойной страховки проекта.