Об авторе:Гуодонг "Дэвид" Чжан, доктор философии.

Дэвид Чжан - старший консультант и руководитель группы по перспективным буровым инструментам в Центре перспективных исследований EXPEC компании Saudi Aramco.
Он имеет большой опыт в области материаловедения и сверлильных/режущих элементов, особенно в разработке новых материалов для фрез PDC, технологии безкатализаторных материалов PDC, повышения износостойкости и термостойкости.

Плоская фреза PDC, обладающая уникальной плоской геометрией и превосходными режущими свойствами, стала незаменимым основным компонентом современных высокопроизводительных буровых долот. Он не только выполняет важную задачу по повышению скорости проходки (ROP) и продлению срока службы бурового долота, но и является мощным оружием для адаптации к сложным пластам и преодоления серьезных проблем при бурении. Однако представленные на рынке модели (такие как 1313, 1613, 1308, 1916 и т. д.), а также сложные принципы материаловедения и инженерной механики, лежащие в их основе, часто приводят пользователей в замешательство при выборе и применении.

В этой статье будет проведен всесторонний глубокий анализ, начиная с технических принципов работы плоской PDC-фрезы, подробной классификации (охватывающей различные размеры и модели), ключевых показателей эффективности и заканчивая стратегией ее выбора в различных пластах и условиях эксплуатации. Моя цель - предоставить вам профессиональное руководство, которое является одновременно теоретическим и практическим, чтобы вы могли принимать наиболее обоснованные решения при столкновении с основной технологией "Плоская фреза PDC", чтобы действительно повысить эффективность бурения и экономическую выгоду.

Плоский резец PDC

A. Определение и состав

Flat PDC Cutter - это компактный PDC с плоской режущей кромкой. Вам может показаться, что название немного избыточно, ведь это все PDC Cutter? Но именно это "Flat" и отличает его от традиционных дуговых или чужеродных фрез. Его самая интуитивно понятная особенность заключается в том, что режущая поверхность плоская.

Его основной состав на самом деле похож на знакомый нам PDC Cutter, в основном два слоя: внешний слой - алмазный слой (PDC), который является основной силой нашей режущей породы, твердость очень высока. Ниже находится твердая подложка из сплава, которая в основном обеспечивает прочность и жесткость, так что весь резец не будет ломаться. Между двумя слоями существует связующий интерфейс. Не стоит недооценивать этот интерфейс. От его прочности напрямую зависит срок службы и производительность фрезы. Ведь если алмазный слой отделится от подложки, то его твердость станет бесполезной.

B. Основной принцип работы

Основное очарование плоской фрезы PDC заключается в ее "прочности" и "адаптивности".

Прежде всего, механизм резки алмазного слоя фактически является общим для PDC Cutter. Алмаз в настоящее время является самым твердым из известных материалов, в сочетании с цементированным карбидом под высоким давлением спекается, в результате чего достигается чрезвычайно высокая твердость и износостойкость. Когда буровое долото вращается и плоская фреза PDC касается породы, алмазный слой может эффективно "скрести" или "срезать" породу с минимальным износом, а не ударным способом, как это делают традиционные роликовые конусные буры. Этот метод резки позволяет сохранять стабильную производительность в условиях высокой температуры и высокого давления на забое, что не сравнится со многими другими материалами.

В частности, я хотел бы подчеркнуть один момент, а именно "самозатачиваемость". При сверлении алмазные зерна на переднем конце фрезы постепенно изнашиваются, но поскольку алмазный слой состоит из бесчисленных крошечных алмазных зерен, распределенных случайным образом, после определенной степени износа новые острые алмазные зерна будут обнажаться и продолжать обеспечивать режущую способность. Это похоже на никогда не тупящийся нож, поэтому срок службы сверла может быть значительно продлен. Если традиционная фреза изнашивается, она в принципе бесполезна, но фреза PDC может постоянно обеспечивать эффективную режущую поверхность, что является воплощением ее экономичности.

Когда долото вращается с этими фрезами на высокой скорости и давит вниз, каждая фреза делает дугу на породе. Геометрия Flat позволяет создавать большую радиальную силу при резании, что, на мой взгляд, особенно эффективно для повышения Rop (скорости проходки) и работы с некоторыми твердыми породами. Сила резания - это в основном сила реакции, возникающая при контакте алмазного слоя с породой. В сложных условиях работы при высокой температуре и высоком давлении на забое скважины, как сбалансировать силу резания, уменьшить тепловыделение и избежать преждевременного выхода фрезы из строя - это проблема, над которой мы, инженеры, думали и оптимизировали.

Типы и ключевые показатели эффективности плоской фрезы PDC

A. Классификация геометрических размеров и типов

• 1308 Фреза PDC: Диаметр 13 мм, толщина алмазного слоя всего 8 мм. Эта модель обычно используется в тех случаях, когда требования к силе резания не особенно высоки, но от сверла требуется хорошая прочность. Например, в некоторых хрупких или сложных породах тонкий алмазный слой может обеспечить лучшую защиту от растрескивания, чтобы избежать преждевременного разрушения.
• 1313 Фреза PDC: Диаметр этой модели составляет 13 мм, а толщина алмазного слоя - 13 мм. Это не только обеспечивает достаточную площадь резания, но и учитывает долговечность алмазного слоя. Мы обычно применяем его в пластах средней твердости, особенно при проведении некоторых операций с наклонно-направленными скважинами, требующих точного контроля ствола, и его работа была очень стабильной.
• 1613 Фреза PDC: По сравнению с 1313, диаметр 16 мм делает его режущую способность сильнее, но толщина алмазного слоя остается на уровне 13 мм. На мой взгляд, это предназначено для работы с более твердыми или абразивными образованиями. Больший диаметр означает, что можно работать с более крупным шламом, но в то же время требования к крутящему моменту на буровой коронке соответственно возрастают.
• Фреза 1916 PDC: Диаметр 19 мм, толщина алмазного слоя 16 мм, что, безусловно, является типичным представителем крупногабаритных режущих зубьев. Он имеет очевидные преимущества при работе с крупной горной породой, особенно для некоторых участков скважин с высокими требованиями к скорости бурения или необходимостью быстро проникать в мягкие, но крупные породы, залегающие в пластах. Однако при этом требуется повышенная прочность и способность корпуса долота к удалению стружки.
• Другие распространенные размеры (например, 1908 и т.д.): Конечно, есть 1908 таких большого диаметра тонких алмазных слоев, или некоторые меньшие модели, все они имеют свою собственную нишу рынка. 1908, например, может быть использован в погоне за высокой скоростью бурения, но при незначительном изменении твердости породы.

B. Глубокий анализ ключевых показателей эффективности

Помимо размера, ключевое значение имеет производительность фрезы PDC.

• Износостойкость: Это, безусловно, жизненная сила фрезы PDC. Мы повышаем ее, выбирая правильный размер алмазных частиц, их распределение и, что особенно важно, процесс спекания. Чем мельче частицы, чем равномернее их распределение, чем плотнее спекание, тем выше износостойкость. Это самое основное и ключевое требование.
• Ударная вязкость: Буровое долото вращается под землей с большой скоростью и постоянно ударяется о породу. Это невозможно без прочности. В основном она зависит от прочности сцепления алмазного слоя и цементированной карбидной подложки, а также от конструкции интерфейса между ними. Хорошая конструкция может эффективно рассеивать ударную нагрузку и предотвращать преждевременное отслаивание или растрескивание алмазного слоя.
• Термическая стабильность: В процессе бурения трение между режущими зубьями и породой приводит к выделению большого количества тепла. Если производительность слоя PDC резко падает при высоких температурах, он не будет работать. Поэтому термическая стабильность самого материала PDC очень важна. Некоторые новые материалы PDC очень хорошо справляются с этой задачей, сохраняя режущие свойства при высоких температурах.
• Самозатачивающийся: Это похоже на точилку для карандашей, которую мы используем: режущие зубья остаются острыми по мере износа. Когда идеальная фреза PDC изнашивается, алмазные частицы контролируемо отпадают, обнажая новые острые кромки, тем самым продлевая срок службы сверла и сохраняя стабильную скорость бурения. Для этого необходим продуманный баланс между внутренней структурой алмазного слоя и механизмом износа.
• Прочность сцепления (алмазный слой и подложка): Я лично считаю, что именно этот показатель определяет надежность PDC Cutter. Как бы хорошо ни было сказано, если алмазный слой и подложка не соединены прочно, все это пустые разговоры. Мы оптимизируем процесс спекания и технологию обработки интерфейса, чтобы обеспечить прочную металлургическую связь между ними и предотвратить разрушение при сдвиге в сложных условиях работы.

Сценарий применения и стратегия выбора плоской фрезы PDC

На мой взгляд, применение и выбор плоской фрезы PDC - это сочетание искусства и науки. В отличие от некоторых продуктов, он может решить проблему в целом, но мы должны тщательно рассмотреть его в соответствии с фактическим образованием и условиями работы.

A. Типичные места и условия применения

Годы практики подсказали мне, что мощность плоского резца PDC имеет свои достоинства в разных пластах:

• Мягкое образование: перед лицом мягкого образования, мы обычно склонны выбирать большой размер, высокий самозатачивающийся плоский PDC Cutter. Большая площадь резания, высокая эффективность резания, плюс отличная самозатачиваемость. Мой опыт показывает, что в этом пласте этот тип PDC Cutter может эффективно избежать грязевых пачек и улучшить ROP (скорость проходки).
• Образование средней твердости: С этим типом формации мы сталкиваемся чаще всего. Здесь могут проявить себя обычные модели, такие как 1313 и 1613. Они характеризуются износостойкостью и вязкостью, чтобы сделать очень сбалансированным, как для обеспечения определенного срока службы, но не потому, что слишком много внимания уделяется износостойкости и жертвуется вязкость. В подобных образованиях чрезмерная погоня за экстремальными характеристиками часто оказывается контрпродуктивной.
• Твердые образования/абразивные образованияЧтобы справиться с таким образованием, я должен выбрать специальные слои PDC с высокой износостойкостью, высокой прочностью и сильной термической стабильностью в сочетании с фрезой PDC большого размера. Большой размер позволяет рассеивать напряжение и уменьшать износ в одной точке; специальный слой PDC позволяет справляться с высокой температурой и высоким уровнем абразивного износа.
• Формирование комплекса: Моя практика заключается в гибкой настройке типа и расположения режущих зубьев в зависимости от изменений в пласте. Например, если встречается песчаник с сильными абразивными свойствами, я рассматриваю возможность установки большего количества режущих зубьев с хорошей износостойкостью на передней кромке бурового долота. Если прослойка часто меняется, может потребоваться подбор режущих зубьев с разной твердостью для достижения наилучшей производительности бурения. Это не простая свая, а глубокое понимание характеристик пласта.
• Наклонно-направленные и горизонтальные скважины: В наклонно-направленных и горизонтальных скважинах долото подвергается более сильным боковым усилиям и ударам. В это время сопротивление боковым силам и ударопрочность PDC-фрезы особенно важны. Я буду уделять особое внимание прочности сцепления слоя PDC фрезы с основой и прочности самой фрезы PDC. Если прочность сцепления недостаточна, то под действием боковой силы зубья могут легко разрушиться или даже выпасть.

B. Процесс отбора и соображения

Выбор - это как системная инженерия:

1. Оценка геологических условий: Это первый и самый важный шаг. Тип породы, твердость (я буду смотреть на твердость по Роквеллу, прочность на сжатие и т. д.), абразивность и загадочные индекс буримости (DSI) - это все данные, на которые я обращаю внимание. Эти данные помогут мне судить о состоянии пласта.
2. Подбор параметров бурения: Параметры бурения оказывают большое влияние на производительность плоской фрезы PDC. Скорость высокая, износ режущих зубьев ускоряется, но ROP может быть выше; WOB (вес на долоте) большой, глубина резания увеличивается, но сила удара также увеличивается; поток влияет на удаление стружки и охлаждение. Мой принцип заключается в том, что резец PDC должен быть подобран таким образом, чтобы идеально соответствовать ожидаемым параметрам бурения для создания эффективной системы.
3. Адаптация типа бита: Плоский резец PDC не может существовать самостоятельно, он должен быть прикреплен к долоту. В обычных долотах PDC они являются основной силой; в гибридных долотах они могут взаимодействовать с зубьями и дополнять друг друга. Поэтому при выборе типа следует учитывать расположение и роль плоской фрезы PDC во всей буровой системе.
4. Экономика и жизненный циклКаждый хочет использовать лучшее, но стоимость - это всегда тема, которую нельзя обойти стороной. Я буду балансировать между первоначальной стоимостью и комплексной стоимостью бурения. Иногда, казалось бы, дорогая плоская фреза PDC, благодаря своему долгому сроку службы и отличной производительности, может принести меньшую стоимость за метр.
5. Анализ историй успеха: Это особенно важно. Я часто просматриваю отчеты о предыдущих буровых работах и анализирую опыт успешного применения плоской фрезы PDC в сочетании с конкретными рабочими зонами и пластами. Опыт наших предшественников - это ценный актив, который позволяет нам избежать многих обходных путей.

Фреза PDC, являясь важным двигателем инновационных технологий бурения, развивается бесконечно. От ранних базовых моделей до сегодняшних разнообразных и высокопроизводительных плоских фрез PDC и даже более интеллектуальных и адаптивных режущих элементов, которые могут появиться в будущем, каждый прорыв воплощает в себе мудрость и пот бесчисленных инженеров. В этой статье мы подробно рассмотрели основные технологии, характеристики моделей (таких как 1313, 1613, 1308, 1916 и т.д.) плоского резца PDC и стратегию его применения в реальных боевых условиях, стремясь предоставить надежный справочник для коллег по отрасли с помощью профессиональных знаний, реального боевого опыта и тщательного анализа.

Я надеюсь, что этот обзор не только поможет вам лучше понять и применить плоские PDC-фрезы, но и стимулирует ваш энтузиазм к постоянному изучению этих технических областей. Будущие задачи бурения будут только усложняться, а технология фрез PDC будет продолжать развиваться в направлении повышения эффективности, увеличения срока службы и адаптивности.