Pesquisa sobre ferramentas para aumentar a velocidade de perfuração

Atualmente, as ferramentas para aumentar a velocidade de perfuração dividem-se principalmente em duas categorias: mecânicas e hidráulicas. As ferramentas mecânicas utilizam o Peso sobre a Broca (WOB, na sigla em inglês) para gerar força de impacto, o que melhora efetivamente a eficiência de quebra de rochas em formações duras, mas apresentam problemas como forte vibração, alto consumo de energia e facilidade de danos por fadiga. As ferramentas hidráulicas utilizam fluido de perfuração para acionar martelos de impacto, combinando impacto, rotação e jato para quebrar a rocha. Elas têm vantagens significativas no aumento da Taxa de Penetração (ROP, na sigla em inglês), no controle do desvio do poço e na extensão da vida útil da broca, mas geralmente apresentam problemas como frequência de impacto única e dificuldade de adaptação às necessidades de diferentes formações.

A tecnologia de perfuração por impacto divide-se principalmente em três categorias de acordo com o modo de ação: tecnologia de impacto torsional, tecnologia de impacto axial e tecnologia de impacto composto axial-torsional. A essência da perfuração por impacto para aumentar a velocidade reside na conversão da energia de pressão do gás ou líquido em energia mecânica de impacto axial ou torsional através de um impactor, que é aplicada diretamente na extremidade traseira da broca, melhorando as condições de corte e aumentando a eficiência de quebra da rocha.

A tecnologia de perfuração por impacto torsional é uma tecnologia emergente que aumenta a velocidade de perfuração nos últimos anos, sendo utilizada principalmente para solucionar a vibração "stick-slip" gerada pelas brocas PDC. Durante a perfuração, o impactor torsional é instalado na extremidade traseira da broca. Através de seu projeto estrutural interno, ele converte a energia hidráulica do fluido em energia mecânica de impacto torsional. A broca rompe a rocha sob a ação combinada do torque constante da coluna de perfuração e do torque de impacto gerado pelo impactor.

Os exemplos a seguir apresentam duas ferramentas inovadoras.

1. Ferramenta para aumentar a velocidade de perfuração com frequência de impacto ajustável

A ferramenta hidráulica de perfuração com frequência ajustável para aumento da velocidade possui uma estrutura central de impacto composta por rolamentos, corpo do eixo inferior, pares de pistões, martelo de impacto, bocal de estrangulamento e outros componentes.

Princípio de funcionamento:Utiliza a diferença de pressão periódica formada pelo fluido de perfuração nas câmaras superior e inferior do martelo de impacto para impulsionar o movimento de vaivém do martelo em alta velocidade, gerando uma força de impacto axial que é transmitida diretamente à broca para auxiliar na quebra da rocha. A principal vantagem dessa ferramenta é a capacidade de ajustar a frequência de impacto alterando o número de furos simétricos no corpo inferior da haste, adaptando-se, assim, às necessidades de perfuração de diferentes formações.

Aplicação de ferramenta para aumento da velocidade de perfuração com frequência de impacto ajustável

Teste de campo em formação de dureza média: Com base na frequência de impacto ideal (16 Hz) selecionada por simulação numérica, esta ferramenta foi testada no poço X1 do campo petrolífero de Xinjiang. Na seção da formação com alta abrasividade e baixa taxa de penetração (ROP), a comparação com o poço adjacente, utilizando uma ferramenta de perfuração helicoidal, mostrou que, após o uso desta ferramenta, a metragem percorrida em uma única operação aumentou em 53%, a ROP mecânica aumentou em 27,0%, reduzindo efetivamente o número de operações e o tempo de construção.

Teste de campo em formação dura: De acordo com a frequência de impacto ideal (18 Hz) selecionada por simulação numérica, esta ferramenta foi testada nas formações de andesito e basalto do Carbonífero, com baixa perfurabilidade, no poço X3 do campo petrolífero de Xinjiang.

Conclusão: Os resultados mostram que, após a utilização desta ferramenta, a taxa de penetração mecânica aumentou significativamente em 103,2% em comparação com poços adjacentes, o que comprova efetivamente que ela pode melhorar significativamente a eficiência da perfuração e reduzir o ciclo de perfuração em diferentes formações.

2. Projeto de uma ferramenta composta para aumento da velocidade de perfuração por impacto.

Foi projetado um mecanismo hidráulico de impacto torsional, cujo núcleo consiste em três partes: um mecanismo de distribuição de fluxo, um mecanismo de reversão e um mecanismo de impacto.

Processo de Movimento: Inicialmente (estado a), o fluido de alta pressão entra na cavidade esquerda do martelo hidráulico através do canal de fluxo esquerdo do núcleo da válvula de reversão, impulsionando o martelo hidráulico e o núcleo da válvula a girarem juntos no sentido horário até que o martelo hidráulico impacte a sede do martelo hidráulico (estado b). Após o impacto, o fluido de alta pressão entra na cavidade direita formada pelo martelo hidráulico e o núcleo da válvula através do canal de fluxo de controle direito, impulsionando o núcleo da válvula a continuar girando no sentido horário até a posição de reversão (estado c), de modo que o fluido de alta pressão muda para o canal de fluxo direito e entra na cavidade direita do martelo hidráulico, impulsionando o martelo hidráulico e o núcleo da válvula a girarem no sentido anti-horário (estado c). Até que o martelo hidráulico impacte novamente a sede do martelo hidráulico (estado d), o fluido de alta pressão entra na cavidade esquerda através do canal de fluxo de controle esquerdo, impulsionando o núcleo da válvula a girar no sentido anti-horário para reverter e retornar ao estado inicial (estado a). Este ciclo se repete, formando um impacto torsional recíproco de alta frequência através da reversão contínua e do impacto impulsionado pelo fluido.

Princípio de funcionamento:Após o fluido (lama) fluir para a manga de distribuição de fluxo através da junta superior e do tubo guia, ele é distribuído para o mecanismo de reversão e o mecanismo de impacto, sendo os dois caminhos do fluido separados pela placa de distribuição de fluxo. Posteriormente, o fluido passa pelo bocal dentro do mandril, formando zonas de alta e baixa pressão antes e depois dele. O núcleo da válvula de reversão gira sob a ação da diferença de pressão, controlando as cavidades esquerda e direita do martelo hidráulico para se conectarem alternadamente às zonas de alta e baixa pressão, fazendo com que o martelo hidráulico se movimente para frente e para trás, impactando a sede do martelo hidráulico sob a ação da diferença de pressão, formando assim um impacto torsional recíproco de alta frequência.

1-Substituto Superior; 2-Revestimento Externo; 3-Tubo Guia; 4-Luva de Distribuição de Fluxo; 5-Placa de Distribuição de Fluxo; 6-Parafuso; 7-Anel de Suporte Superior; 8-Sede do Martelo Hidráulico; 9-Martelo Hidráulico; 10-Núcleo da Válvula Reversora; 11-Anel de Suporte Inferior; 12-Mandril; 13-Substituto Inferior;

Diagrama esquemático da estrutura do mecanismo de impacto torsional

Processo de movimento do mecanismo de impacto torsional

Um mecanismo de impacto axial foi projetado. Os impactadores axiais hidráulicos são divididos principalmente em dois tipos: com válvula e sem válvula. A estrutura interna dos impactadores com válvula é complexa e sua confiabilidade é baixa; o tipo sem válvula inclui principalmente os tipos jato e jato-sucção, sendo que o tipo jato possui uma vida útil curta. O impactador hidráulico jato-sucção tem uma estrutura simples, realiza o impacto por meio do arrastamento do jato e do efeito de oscilação do golpe de aríete, possui poucas peças móveis internas e nenhuma peça vulnerável, podendo se adaptar melhor às complexas condições de fundo de poço.

1-Sede do Bocal Superior; 2-Bocal Superior; 3-Válvula Superior; 4-Luva da Válvula Superior; 5-Bocal Secundário; 6-Carcaça Externa Axial; 7-Luva de Suporte; 8-Martelo de Impacto; 9-Cabeça do Martelo; 10-Sede do Martelo; 11-Tampa de Proteção; 12-Junta Hexagonal. Princípio de Funcionamento do Mecanismo de Impacto Axial.

Formação do fluxo inicial e da diferença de pressão: O fluido de alta pressão forma um jato de alta velocidade através do bocal superior. Sob a ação combinada do arrastamento do jato e do efeito de estrangulamento, formam-se diferenças de pressão nas câmaras superior e inferior da válvula superior, bem como entre a câmara superior externa do martelo de impacto e a extremidade inferior da cabeça do martelo.

Movimento ascendente dos componentes e vedação do canal de fluxo: Impulsionada pelas respectivas diferenças de pressão, a válvula superior move-se para cima, e os componentes de impacto (bocal secundário, martelo de impacto e cabeça do martelo) também se movem para cima até que o bocal secundário entre em contato com a válvula superior e vede o canal de fluxo.

Geração de Golpe de Aríete e Movimento Descendente Conjunto: O fechamento instantâneo do canal de fluxo desencadeia a oscilação do golpe de aríete, e a pressão na câmara aumenta acentuadamente, empurrando a válvula superior e os componentes de impacto para baixo em conjunto.

Impacto Inercial e Recuperação do Ciclo: Após a válvula superior se mover para a posição limite inferior, os componentes de impacto continuam a se mover para baixo por inércia e, finalmente, atingem a sede do martelo para completar o impacto axial. Após o impacto, o canal de fluxo retorna à sua posição normal e o mecanismo é reiniciado pela ação do Peso na Broca (WOB), iniciando o próximo ciclo.

Contato:Jessie Zhou

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