Áp suất cao hơn có luôn cải thiện tốc độ khoan không?

Áp lực khoan, giống như lực dọc trục tác dụng lên mũi khoan, là điều kiện cần thiết để phá đá ở đáy giếng-nó cung cấp động lực để răng cắt của mũi khoan xuyên qua và cắt đá, trực tiếp xác định phương pháp và tác động của việc phá đá. Khi áp suất được kiểm soát trong phạm vi khoa học, tác dụng thúc đẩy tốc độ khoan của nó là rõ ràng, điều này chủ yếu được thể hiện qua ba giai đoạn phá đá:

Đầu tiên là giai đoạn nghiền bề mặt: Khi áp suất nhỏ hơn độ cứng nén của đá, răng cắt không thể cắt vào đá mà chỉ có thể làm vỡ bề mặt đá do ma sát, dẫn đến tốc độ khoan thấp nhưng tăng tỷ lệ thuận với áp suất. Thứ hai, giai đoạn nghiền mỏi: Khi áp suất gần với độ cứng của đá, bề mặt đá sẽ tạo ra một số lượng lớn các vết nứt dưới tác động lặp đi lặp lại của răng cắt, tạo ra vết nứt thể tích của đá. Thứ ba, giai đoạn nghiền khối: Khi áp suất vượt quá độ cứng của đá, răng cắt có thể cắt trực tiếp vào đá, hình thành quá trình nghiền khối hiệu quả, đây là trạng thái lý tưởng của khoan thông thường. Trong giai đoạn này, việc điều chỉnh áp suất bằng các mũi khoan-hiệu suất cao có thể tối đa hóa hiệu quả-ví dụ: Baker Hughes'mũi khoan PDCđã nâng cao độ bền của dao cắt và khi được sử dụng với áp suất thích hợp, chúng có thể cải thiện đáng kể ROP ở các dạng cứng và mài mòn.

Ngoài ra, công nghệ khoan-có hỗ trợ áp suất cao{1}}còn xác minh thêm vai trò tích cực của áp suất hợp lý: bằng cách sử dụng-bơm áp suất cao để tạo ra-các vòi phun chất lỏng khoan tốc độ cao, các vòi phun cắt các khe trong đá, giúp mũi khoan cắt đá dễ dàng hơn, có thể tăng tốc độ khoan lên 2 đến 4 lần ở nhiều giếng dầu khi áp suất được kiểm soát ở mức 10.000 đến 15.000 psi. Điều này cho thấy rằng với tiền đề là thiết bị và điều kiện hình thành phù hợp, áp suất thích hợp thực sự là một phương tiện hiệu quả để cải thiện tốc độ khoan.

Khi áp suất vượt quá phạm vi hợp lý, mối tương quan thuận giữa áp suất và tốc độ khoan bị phá vỡ, hàng loạt vấn đề sẽ xảy ra, cuối cùng làm giảm hiệu quả khoan và tăng chi phí. Biểu hiện cụ thể như sau:

1. Mũi khoan bị mài mòn nhanh hơn và tuổi thọ sử dụng bị rút ngắn

Vòng bi, răng cắt và các bộ phận khác của mũi khoan sẽ chịu tải lớn hơn dưới áp suất quá cao, làm tăng tốc độ mài mòn, cùn hoặc thậm chí hư hỏng-và tốc độ mài mòn của răng cắt sẽ tăng đáng kể khi áp suất tăng và thậm chí có xu hướng vô hạn khi áp suất đạt đến giá trị giới hạn. Ví dụ: khi sử dụng mũi khoan tricon để khoan các cấu trúc mài mòn, áp suất quá cao sẽ khiến các hạt cacbua vonfram bị mòn nhanh chóng, làm cho mũi khoan mất khả năng phá đá-trước, đòi hỏi phải thay mũi khoan thường xuyên, điều này không chỉ làm tăng thời gian-không hiệu quả mà còn làm tăng chi phí khoan. Ngược lại, việc lựa chọn mũi khoan phù hợp và áp suất hợp lý có thể giảm thiểu tình trạng mài mòn răng cắt và kéo dài tuổi thọ của mũi khoan.

2. Tốc độ khoan trì trệ hoặc suy giảm

Theo đường cong quan hệ giữa áp suất khoan và tốc độ khoan, khi áp suất tăng đến một giá trị nhất định thì tốc độ tăng tốc độ khoan sẽ chậm lại đáng kể, thậm chí ngừng tăng hoặc giảm. Điều này là do áp suất quá cao sẽ khiến mũi khoan bị quá tải, dẫn đến hoạt động của dụng cụ khoan không ổn định-chẳng hạn như nhảy mũi khoan ở các dạng nứt nẻ, điều này không những không cải thiện được tốc độ khoan mà còn khiến răng cắt bị sứt mẻ hoặc gãy, làm giảm hiệu quả khoan hơn nữa. Ngoài ra, đối với các loại đá mềm dính, áp lực quá lớn có thể gây ra hiện tượng tắc nước và vón cục mũi khoan, khiến mũi khoan không thể phá đá một cách hiệu quả và tốc độ khoan sẽ giảm mạnh.

3. Gia tăng rủi ro về lỗ khoan và hư hỏng thiết bị

Áp suất quá lớn sẽ làm tăng tải trọng lên dây khoan, giàn khoan và hệ thống thủy lực dễ dẫn đến hư hỏng thiết bị như biến dạng dây khoan, gãy, hư hỏng máy bơm. Trong quá trình khoan có hỗ trợ-áp suất cao{2}}bằng phản lực, nếu áp suất vượt quá khả năng chịu lực của ống cuộn và động cơ hạ cấp thì sẽ gây rò rỉ ở khớp nối ống khoan hoặc làm hỏng phốt động cơ, dẫn đến tai nạn khoan. Đồng thời, áp suất quá cao sẽ làm tăng chênh lệch áp suất ở đáy lỗ, dẫn đến hiệu ứng giữ áp suất-đá cắt khó rời khỏi lỗ đáy, dẫn đến hiện tượng nghiền nát lặp đi lặp lại, không chỉ làm giảm tốc độ khoan mà còn có thể gây ra sập giếng và các rủi ro khác.

Để tránh tác dụng phản tác dụng của áp lực quá mức và phát huy đầy đủ vai trò của áp lực trong việc cải thiện tốc độ khoan, cần xem xét toàn diện 3 yếu tố cốt lõi và phù hợp với các sản phẩm, thông số tương ứng:

1. Tính chất của đá: Cơ sở cơ bản cho việc điều chỉnh áp suất

Các loại đá khác nhau có phản ứng rất khác nhau trước áp lực. Đá cứng-trung bình (đá cấp 6 đến cấp 7) có tốc độ tăng tốc độ khoan cao nhất khi áp suất tăng; đá mềm (đá cấp 4 đến cấp 5) dễ bị vón cục nên cần giảm lực ép cho phù hợp; đá cứng (đá cấp 8 đến 9) có độ cứng nén cao và tốc độ tăng trưởng tốc độ khoan với áp suất nhỏ nên cần phải phù hợp với các mũi khoan hiệu suất cao thay vì chỉ tăng áp suất. Ví dụ: khi khoan các thành tạo địa nhiệt có đặc tính đá phức tạp, việc chọn mũi khoan địa nhiệt của Baker Hughes (bao gồm các loại tricon, PDC và hybrid) và điều chỉnh áp suất theo độ cứng của thành hệ có thể đạt được hiệu quả khoan tối ưu.

2. Loại mũi khoan: Áp lực phù hợp để phát huy lợi thế của sản phẩm

Các loại mũi khoan khác nhau có phạm vi thích ứng áp suất khác nhau. Mũi khoan PDC phù hợp với môi trường áp suất trung bình và cao, và tác động cắt liên tục của chúng có thể được phát huy tối đa dưới áp suất hợp lý để cải thiện tốc độ khoan; Mũi khoan tricon có độ bền nghiền đá-mạnh, nhưng áp suất quá cao sẽ làm tăng tốc độ mài mòn của ổ trục; Mũi khoan lai Kymera kết hợp các ưu điểm của côn lăn và mũi kim cương, đồng thời có thể thích ứng với các môi trường áp suất khác nhau, nhưng vẫn cần được điều chỉnh theo điều kiện hạ cấp. Ngoài ra, mũi khoan thích ứng có thể điều chỉnh độ sâu cắt theo sự thay đổi áp suất trong lỗ khoan, tự động tối ưu hóa hiệu quả khoan, là lựa chọn lý tưởng cho các hệ tầng phức tạp, nơi khó kiểm soát ổn định áp suất.

3. Hệ thống khoan và các điều kiện phụ trợ: Đảm bảo ổn định áp suất và hiệu quả

Hiệu suất của giàn khoan, chất lượng dung dịch khoan và sự kết hợp của các dụng cụ khoan đều sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả điều chỉnh áp suất. Ví dụ, công suất của giàn khoan quyết định áp suất tối đa có thể cung cấp ổn định; mật độ và độ nhớt của dung dịch khoan sẽ ảnh hưởng đến chênh lệch áp suất lỗ đáy và hiệu suất dung dịch khoan không hợp lý sẽ bù đắp cho tác động tích cực của việc điều chỉnh áp suất. Hệ thống khoan ống cuộn áp suất cao-{3}}tiên tiến do Phòng thí nghiệm công nghệ năng lượng quốc gia phát triển giải quyết vấn đề truyền chất lỏng áp suất cao-thông qua ống cuộn đồng tâm, tránh rò rỉ và đảm bảo rằng áp suất có thể được truyền đến mũi khoan một cách hiệu quả, từ đó cải thiện tốc độ khoan.