Об авторе：Стив Деверо, C.Eng, FCIArb

Стив Деверо, C.Eng, FCIArb, - инженер и консультант по бурению с более чем 40-летним международным опытом работы в нефтегазовой отрасли. Он специализируется на проектировании скважин, оптимизации работы долот и эффективности бурения. Стив является автором книг Практическое руководство по планированию и бурению скважин и Технология бурения нетехническим языкомОн продолжает делиться своим опытом с инженерами и специалистами по всему миру, консультируя, обучая и составляя технические статьи.

В современной буровой технике развитие технологии буровых долот практически определяет верхний предел эффективности и стоимости всего бурения. Среди множества типов сверл, Сверло PDC постепенно становится основным выбором в бурении нефтяных и газовых скважин, геотермальном бурении и разработке нетрадиционных ресурсов благодаря своей высокой эффективности, износостойкости и стабильности.

От первых экспериментальных инструментов до современных высокопроизводительных буровых инструментов, широко используемых в сложных пластах, технологическая эволюция долот PDC представляет собой сплав материаловедения, механической конструкции и опыта эксплуатации. Она не только изменила способ разрушения горных пород, но и перестроила экономическую модель буровых работ.

В этой статье мы систематически представим структурный состав, метод классификации, адаптивность формирования, метод оптимизации параметров и система оценки эффективности PDC, и объединить инженерную практику, с точки зрения теории и практики, объяснить, почему PDC долото может выделиться в современной буровой техники и стать основным оборудованием для эффективного бурения.

Основание и структура PDC Bit

Что такое долото PDC?

PDC, полное название - поликристаллический алмазный компакт. Проще говоря, это не традиционное буровое долото со стальным зубом или вставкой, а "ножницы", которые "срезают" породу через алмазные частицы на композитном листе PDC. Компакт PDC образуется путем спекания слоя чрезвычайно твердого поликристаллического алмаза на подложке из карбида вольфрама. По твердости он уступает только природному алмазу, но по прочности превосходит его, а его стоимость более контролируема.

Я лично думаю, что причина, по которой долото PDC может стать основным, заключается в том, что оно имеет высокую эффективность резания, высокую скорость бурения и долгий срок службы. Основное различие между ним и традиционным конусным долотом заключается в принципе работы "резания" и "дробления". Традиционное сверло - это больше ударное дробление, а PDC - непрерывная резка, эффективность, естественно, разная.

Структурный состав долота PDC

Сверло PDC выглядит довольно сложным, но состоит всего из нескольких основных компонентов.

1. Корпус биты: Это "скелет" сверла". Существует два основных типа: стальные и матричные сверла.
   • Сверло со стальным корпусом: основной корпус изготовлен из стали, а композитный лист PDC приварен к стальному корпусу. Его преимуществами являются высокая прочность и относительно хороший контроль точности обработки, но его недостатком является относительно низкая износостойкость, особенно в высокоабразивных пластах. Как правило, мы чаще используем его в относительно стабильных пластах или там, где требуется высокая точность размеров.
   • Матричное сверло: Это через процесс порошковой металлургии, порошок карбида вольфрама спекания формования. Компактный PDC непосредственно встраивается в матрицу. Преимущество матрицы бит является отличная износостойкость и сильная эрозионная стойкость, особенно подходит для бурения в твердой породе или абразивных образований. Недостатком является сложность производственного процесса, высокая стоимость и более сложный ремонт. Какой из них выбрать, зависит в основном от конкретной ситуации в подземном пласте и нашего бюджета.
2. Водяной глазок: Его основные функции три:
   • Охлаждение: Фреза PDC выделяет много тепла при резке породы на высокой скорости, а буровой раствор, распыляемый из водяного отверстия, может эффективно охлаждать композитный лист PDC и предотвращать перегрев, вызывая поломку.
   • Вывоз мусора: обломки бурового раствора должны быть своевременно удалены со дна скважины, иначе они будут многократно измельчаться, влияя на эффективность бурения и даже застревая. Буровой раствор, нагнетаемый водяной скважиной, может эффективно вымывать обломки и выносить их из ствола скважины.
   • Очистка дна колодца: Держите дно скважины чистым, чтобы резец PDC мог лучше контактировать с породой и играть режущую роль. Конструкция водяного глазка, включая количество, размер и угол впрыска, точно рассчитана для формирования наилучшего поля потока и повышения эффективности бурения.
3. Протектор и лезвие: Эта часть находится в непосредственном контакте с "рабочей поверхностью" породы.
   • Протектор: относится к той части корпуса бура, где установлена фреза PDC. Его геометрическая форма и расположение PDC-фрезы напрямую влияют на эффективность резания и устойчивость бурового долота.
   • Нож-крыло: Это рельефная конструкция на протекторе, на которую также инкрустирована фреза PDC. Конструкция лопастей, включая их количество, высоту и угол спирали, имеет решающее значение для управления долотом (контроль направления движения долота в стволе скважины), способности противостоять эксцентрическому износу и пути удаления обломков. Хорошая конструкция лопастей может обеспечить более устойчивое и прямолинейное движение бурового долота в скважине и в то же время улучшить отвод вырезанного шлама вверх.

Классификация долот PDC

Существует множество типов долот PDC, и их классификация в основном основана на нескольких основных элементах: материал корпуса долота, тип и расположение режущих зубьев, количество и форма лезвий.

В соответствии с классификацией материалов корпуса бура:

Это одна из самых основных и критических классификаций, которая напрямую определяет прочность, износостойкость и ремонтопригодность бурового долота.

Долота PDC со стальным корпусом:

Этот вид буров мы чаще всего видим в нашей повседневной работе. Корпус дрели изготовлен из высокопрочной легированной стали, структура более гибкая, дизайн потока воды может быть очень свободным. Больше всего мне нравится то, что буры со стальным корпусом очень ремонтопригодны. Если он немного изношен или поврежден, мы можем отремонтировать его и использовать повторно. Это большое преимущество в контроле затрат.

Обычно я использую их в пластах средней мягкости и средней твердости, особенно на участках, требующих частых спусков для ремонта. Конечно, если абразивность пласта слишком высока или в нем слишком много трещин, срок службы стального долота будет ограничен. На данный момент приходится рассматривать другие варианты.

Долота Matrix Body PDC:

Корпус сверла спекается из порошка карбида вольфрама при высокой температуре. Его твердость и износостойкость просто несравнимы со стальными сверлами, а его эрозионная стойкость особенно сильна.

Столкнувшись с особенно твердыми, высокоабразивными породами или глубокими скважинами, сложными скважинами, требующими длительной эксплуатации, с высокими требованиями к эрозии, я первым делом подумал о матричном долоте. Хотя первоначальная стоимость действительно намного выше, чем у стального бурового долота, его длительный срок службы часто может принести более высокие комплексные преимущества.

Классифицируются по типу и расположению фрез PDC:

PDC Cutter - это "зубы" долота PDC. Его тип и расположение напрямую влияют на эффективность разрушения породы и стабильность долота.

Сверло с фрезой PDC с общей плоскостью:

Это, вероятно, самый распространенный, PDC Фреза является плоской, преимущество является простым и надежным, возможность разбить породу непосредственно.

Вогнутая/выпуклая фреза PDC:

Теперь мы используем все больше и больше зубьев такой формы. Я заметил, что вогнутый резец PDC может лучше "схватить" породу в процессе бурения, оптимизировать распределение силы резания и уменьшить износ резца PDC, особенно в некоторых пластах с сильной пластичностью. А выпуклые зубья могут в определенной степени повысить агрессивность бура, помочь разбить более твердую породу, а также повысить эффективность удаления стружки. Я чувствую, что эта небольшая корректировка геометрии может часто приносить неожиданные улучшения производительности.

Асимметричное сверло PDC Cutter Layout Drill:

Буровое долото с таким расположением дает мне ощущение "стабильности". Благодаря несимметричному расположению резцов PDC можно эффективно снизить вибрацию бурового долота на забое скважины и предотвратить преждевременный выход из строя режущих зубьев. На мой взгляд, вибрация - один из главных убийц срока службы бура, поэтому асимметричная компоновка играет незаменимую роль в повышении стабильности бура и продлении срока службы.

По количеству и форме лезвия классифицируются:

Количество и форма лопастей влияют на скорость сверления, способность удаления стружки и направление сверла.

Многолезвийные резцы PDC:

Большее количество лопастей означает большее количество резцов PDC, поэтому в более мягких породах скорость проходки будет очень высокой, а буровое долото - более устойчивым. Я обычно использую многолопастные буровые долота в неглубоких скважинах или мягких породах с хорошей однородностью, что может эффективно повысить эффективность проектирования.

Долота PDC с несколькими лезвиями:

Относительно говоря, долото с меньшей лопастью имеет больше преимуществ в очистке шлама, особенно в вязких породах, склонных к эффекту грязевого мешка или необходимости прикладывать большее давление при бурении для разрушения породы. Оно может обеспечить своевременный выброс шлама из породы и предотвратить "проскальзывание" или "грязевой мешок" бурового долота.

Долота PDC со спиральным лезвием:

Конструкция спирального лезвия, на мой взгляд, очень грамотно оптимизирована. Она может обеспечить лучшее направление, благодаря чему буровое долото более плавно движется в стволе скважины, значительно снижая вибрацию. Мне особенно нравится использовать это долото при бурении наклонно-направленных или горизонтальных скважин. Оно помогает мне более точно контролировать траекторию ствола скважины и снижает риск нестабильности ствола.

Применение долот PDC в буровой технике

Возможность адаптации к формам и выбор типа долота PDC

• Мягкие образования: Для мягких, пластичных образований, таких как аргиллит или неконсолидированный песчаник, я предпочитаю использовать долота PDC с более крупными резцами и более агрессивным дизайном лезвия. Как вы можете себе представить, это похоже на использование острой лопаты для копания мягкой почвы, требующей большей площади резания и более эффективного удаления стружки. Такие буры обычно обладают высокой проникающей способностью и отличными возможностями удаления стружки, что может значительно увеличить скорость проходки (ROP), а именно это мы больше всего ценим в мягких породах.
• Образование средней твердости: Когда речь идет о пластах средней твердости, таких как сланцы и плотные песчаники, стратегия выбора становится более взвешенной. Нельзя слепо гнаться за высокой скоростью бурения в ущерб сроку службы бурового долота, в конце концов, частая замена долота отнимает много времени и сил. Я бы предпочел PDC-фрезу с умеренным размером и дизайном лезвия, сочетающим инвазивность и стабильность. Такое сверло должно обладать достаточной износостойкостью и при этом обеспечивать определенную скорость сверления. Грубо говоря, нужно найти оптимальный "десерт", чтобы скорость сверления и срок службы достигли удовлетворительного уровня.
• Твердые пласты и абразивные пласты: Для твердых гранитов, кварцитов и даже пластов, содержащих большое количество абразивных минералов, это испытание для сверл PDC. В это время я больше всего ценю износостойкость и прочность сверла. Мы будем выбирать долота с высокой износостойкостью PDC Cutter, а конструкция корпуса долота должна быть очень прочной, чтобы выдерживать сильные ударные нагрузки и истирание.

Оптимизация рабочих параметров долота PDC

Выбор правильного долота PDC - это только половина успеха. Как его эксплуатировать и позволить ему полностью реализовать свой потенциал - вот что действительно необходимо учитывать нашим инженерам. Давление в долоте, скорость, крутящий момент и гидравлические параметры - любая неправильная настройка повлияет на конечный результат.

• Вес на бите (WOB): Разумный вес на долоте является необходимым условием для эффективной работы долот PDC. Если WOB слишком мал, резец PDC не сможет эффективно внедриться в пласт, что приведет к повышенному заносу и износу, а скорость бурения не сможет быть увеличена естественным образом. Если вес на долоте слишком высок, это может привести к перегрузке PDC Cutter и даже к повреждению корпуса долота. Это также повышает риск изгиба бурильной колонны и неровностей отверстия. Мой опыт заключается в том, чтобы найти оптимальный диапазон WOB на основе твердости пласта, типа и размера долота, а также мониторинга скорости бурения, крутящего момента и других данных в режиме реального времени. На практике я постепенно увеличиваю вес долота и наблюдаю за кривой подъема скорости бурения. Когда кривая станет плоской или начнет появляться аномальная вибрация, я пойму, что приближается предел.
• Скорость вращения (RPM): Скорость вращения тесно связана со скоростью бурения, вибрацией и износом фрезы PDC. Вообще говоря, увеличение скорости вращения может увеличить скорость бурения, но слишком высокая скорость вращения приведет к сильной вибрации бурового долота, что не только повлияет на качество скважины, но и ускорит износ и даже высыпание PDC-фрезы. В мягком пласте скорость вращения может быть соответствующим образом увеличена для повышения скорости бурения; в то время как в твердом пласте необходимо снизить скорость и увеличить вес долота для достижения стабильного эффекта резания. Я часто использую данные о вибрации, предоставляемые скважинными инструментами, для регулировки скорости, насколько это возможно, чтобы избежать резонанса.
• Крутящий момент: Крутящий момент - это важный показатель, по которому мы можем судить о рабочем состоянии сверла. Нормальные колебания крутящего момента указывают на то, что бур эффективно режет. Если крутящий момент внезапно увеличивается, это может означать, что буровое долото заблокировано, на дне скважины скапливается шлам или пласт внезапно стал твердым; если крутящий момент внезапно уменьшается, это может означать, что буровое долото соскакивает и эффективность резания снижается. Обычно я устанавливаю верхний и нижний предел крутящего момента, и как только он выходит за пределы диапазона, я сразу же регулирую вес долота или скорость. Важно избегать блокировки бурового долота, так как это может привести к повреждению бурильной колонны или даже к аварии на забое.
• Гидравлические параметры: Производительность бурового раствора, мощность насоса и размер водяного отверстия имеют решающее значение для эффективности охлаждения и удаления стружки при использовании долот PDC. Буровой раствор должен обладать достаточной несущей способностью для своевременного выноса шлама на дно скважины. Производительность насоса и размер водяного отверстия определяют гидравлическую мощность на забое скважины, что напрямую влияет на эффект охлаждения резца PDC и чистоту забоя скважины. Если охлаждение плохое, фреза PDC перегреется и выйдет из строя; если удаление стружки происходит неравномерно, стружка будет неоднократно перемалываться на дне скважины, что приведет к повышенному износу бурового долота и даже к "грязевому мешку" на буровом долоте. Обычно я выбираю соответствующую комбинацию водяных скважин и мощность насоса в соответствии с конструкцией водяной скважины и пластовыми условиями бурового долота, чтобы дно скважины всегда было чистым и прохладным.
• Так называемый "Параметрический десерт" - это оптимальное сочетание таких параметров, как давление на долото, скорость, крутящий момент и производительность насоса в конкретных условиях пласта. Это не фиксированное значение, и оно динамически изменяется по мере изменения пласта. Я буду продолжать уделять внимание параметрам бурения в реальном времени, совмещать их с данными геологического каротажа, на основе опыта судить об изменениях в пласте, а затем небольшими, постепенными корректировками параметров. Например, когда обнаружится, что пласт становится твердым, я соответствующим образом увеличу вес долота и уменьшу скорость; когда пласт станет мягким, я увеличу скорость и немного уменьшу вес долота. Такая возможность динамической регулировки является ключом к эффективному бурению.

Оценка производительности и анализ отказов долота PDC

Как ведет себя буровое долото в скважине? Как определить и решить проблему? Это требует от нас наличия системы строгой оценки и метода анализа отказов.

• Ключевые показатели эффективности: Скорость проходки (ROP), несомненно, является наиболее интуитивно понятным показателем, который напрямую связан с циклом бурения и стоимостью. Однако, помимо ROP, следует обратить внимание на срок службы бурового долота (общий метраж). Ведь бур быстрый, но срок службы короткий, и частая замена нерентабельна. Качество скважины также является важным показателем, ведь неровные стволы могут стать причиной проблем при спуске обсадных труб. Эти данные являются нашими жесткими критериями для оценки производительности долот PDC.
• Режим ношения:
  • Абразия: Это наиболее распространенный износ, при котором рабочая поверхность резца PDC постепенно сплющивается. Обычно это связано с высокими абразивными свойствами пласта или несоответствием давления долота и скорости вращения, в результате чего режущие зубья многократно шлифуют пласт без эффективного резания.
  • Разбивающийся: На кромке резца PDC образуются сколы. Часто это происходит из-за чрезмерных ударных нагрузок (например, отскок долота, столкновение с прослойками или твердыми конкрециями) или слишком большого веса долота, превышающего ударную стойкость фрезы PDC.
  • Падение: Вся фреза PDC Cutter отвалилась от корпуса долота. Это может быть вызвано слабой сваркой режущих зубьев или деформацией корпуса долота при экстремальных нагрузках, что приводит к концентрации напряжения в корне PDC-фрезы и ее отваливанию.
  • Термическое повреждение: Рабочие характеристики слоя PDC ухудшаются из-за перегрева, который обычно проявляется в виде потемнения цвета слоя PDC или даже трещин. Это происходит из-за недостаточного охлаждения, чрезмерной скорости сверления или чрезмерного давления сверления, что приводит к выделению тепла при трении, и тепло не успевает отводиться.
• Устранение неполадок: Когда сверло вынимается, я всегда тщательно проверяю его на износ. Если обнаруживается, что режущие зубья, как правило, сильно изношены, но не обломаны, это может означать, что износостойкость используемого нами долота недостаточна, или необходимо отрегулировать параметры бурения (особенно долото и скорость) для повышения эффективности резания. Если обвалов много, то, скорее всего, ударная нагрузка слишком велика в твердом пласте, или возникает серьезная вибрация, и необходимо скорректировать параметры или заменить буровое долото на более ударопрочное. По этим "шрамам" можно проследить реальную ситуацию в скважине, чтобы улучшить следующий участок программы бурения.

Перед бурением я тщательно проверяю целостность режущих зубьев PDC, качество сварки и наличие трещин в корпусе долота. В процессе бурения параметры в реальном времени постоянно контролируются и сравниваются с историческими данными. Как только обнаруживаются аномальные тенденции, немедленно вносятся коррективы, чтобы пресечь мелкие проблемы в зародыше. Эти, казалось бы, тривиальные шаги могут эффективно продлить срок службы бурового долота и избежать ненужных потерь.

Будь то высокоскоростное бурение в мягких породах или длительная работа в высокоабразивных твердых породах, долота PDC демонстрируют высокую адаптивность и экономическую выгоду. В будущем, с дальнейшим развитием материаловедения, анализа моделирования и интеллектуальных технологий бурения, характеристики долот PDC будут продолжать оптимизироваться, двигаясь в направлении повышения эффективности, увеличения срока службы и более интеллектуального адаптивного направления.

В системе современного бурового оборудования долото PDC является не только инструментом, но и ключевой технологией, обеспечивающей эффективность и инновации.