掘削・生産技術｜掘削速度向上ツールとは？掘削効率を効果的に向上させ、コストを削減するには？

1高温耐性等肉厚ねじ穴あけ速度向上技術

耐高温等肉厚ねじは、掘削業界における高性能と高信頼性のニーズを満たすために特別に設計された、速度向上ツールです。従来のドリルねじでは、高温環境や複雑な作業条件により、摩耗や疲労による損傷が頻繁に発生し、掘削効率の低下を招いていました。しかし、耐高温等肉厚ねじは優れた耐高温性を備えているため、高温環境下でも安定した機械的特性を維持し、高温による機器の故障を低減することで、掘削速度を向上させることができます。

1.1 技術原理

ダウンホールモーターはドリルビットを直接駆動して岩を破砕し、掘削するため、ドリルビットへの動力伝達効率が向上し、エネルギー損失が低減され、ダウンホールツールの作業性能が最適化されます。これは、モーターがドリルビットを直接駆動するため、伝達システムの損失による動力損失を回避でき、岩石破砕掘削により多くのエネルギーが使用され、掘削速度と効率が向上するためです。さらに、機器の耐高温性を向上させるため、耐高温等肉厚スクリューには、特殊な耐高温材料と表面処理技術が採用されています。例えば、高合金鋼を主材料として使用したり、機器の表面に熱処理やコーティング処理を施して耐高温性を向上させたりしています。ステータは特定の断面形状のプレファブリケーション鋼製シェルを採用し、接着剤を注入して薄く均一な厚さのゴム層を形成するため、モーターのトルク出力が大きく、さまざまな複雑な地質条件に適応できます。この構造により、モーターの固定子と回転子の間の隙間が小さくなり、摩擦と摩耗が低減され、装置の耐用年数と信頼性が向上します。また、この工具は機械的なロック機構または摩擦低減機構を採用することで、装置の回転精度と安定性を向上させ、ねじの振動や偏心による穴あけ効率の低下を防ぎます。

1.2 適応性分析

性能面では、耐熱性等肉厚ねじドリルツール通常のスクリューモーターのすべての特性を備えているだけでなく、大きなトルク、容易な始動、および強力な過負荷耐性という特性も備えているため、高温の深層地層での掘削作業により適しています。傾斜の大きい地層で小型振り子式掘削ツールとストレートスクリューを使用することで、低い掘削圧力で高い掘削速度を実現でき、偏向の低減と防止に大きな効果が得られます。同時に、ストレートスクリューの設計により、傾斜の大きい地層でドリルビットが偏向するのを防ぐための安定した支持力も提供でき、掘削の安定性が向上します。理論研究と現場での適用の両方で、耐高温等肉厚スクリューを使用した高速掘削技術は、坑底でのドリルビットの回転速度を大幅に向上させ、坑底の高温環境に適応し、坑井品質管理を効果的に最適化できることが示されています。同時に、トップドライブ負荷と掘削ツールのトルクを低減し、掘削ツールの耐用年数を延ばすこともできます。従来のPDC掘削ツールアセンブリと比較して、この方法は掘削効率を大幅に向上させることができ、優れた総合的な経済効果と技術効果を発揮する。

2タービン＋含浸ダイヤモンドビット速度 – 技術の向上

ターボドリルは、流体の水力エネルギーを回転機械エネルギーに変換し、ドリルビットを回転させて衝撃を与え、高速かつ効率的な掘削を実現する坑内動力工具です。主にタービン部、ユニバーサルシャフト、伝動軸の3つの部分で構成されています。含浸ダイヤモンドビットは、ダイヤモンドビットの一種です。マトリックスは、マトリックスの外側にダイヤモンド多結晶粒子を焼結して作られており、ビットの攻撃性を高めています。マトリックスには一定の高さがあり、外径はビット本体の外径よりわずかに大きく、内径はビット本体の内径よりわずかに小さくなっています。マトリックスの外側、内側、底部には、切削屑を排出し、洗浄液を通してビットを冷却するための水溝が設けられています。マトリックスは、十分な圧縮強度と衝撃強度、高い硬度と耐摩耗性を備えています。ターボドリルと含浸ダイヤモンドビットは、石油掘削プロセスにおいて重要なツールであり、これらを併用することで、掘削効率と掘削品質を共同で向上させることができます。

2.1 技術原理

タービン部はターボドリルの中核部品であり、タービンステータとローター、センタリングベアリング、メインシャフト、ケーシングで構成されています。掘削流体の流体エネルギーをメインシャフトの回転による機械エネルギーに変換します。内部構造は、複数の段階のステータとローターのペアで構成されています。掘削流体が掘削ツールに沿ってステータに入ると、ステータは掘削流体を一定の方向と速度で誘導し、ローターへと送ります。ローター内では、掘削流体がブレードに衝突して一定の圧力差が生じ、ローターが回転します。このメカニズムにより、掘削流体のエネルギーがタービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換されます。

含浸ダイヤモンドビットの主な岩石破砕方法は、研磨破砕です。これは、軸方向の力とトルクの作用下で、ダイヤモンド粒子を用いて岩石を連続的に研削、引っ掻き、摩耗させることで岩石を破砕するものです。この岩石破砕方法を主とするダイヤモンドビットは耐摩耗性が高く、硬質～超硬質の研磨性岩石層における高研磨性岩石にも効果的に対応でき、掘削効率とドリルビットの寿命を向上させます。

2.2 適応性分析

ターボドリルと含浸ダイヤモンドビットの組み合わせは、全金属構造を採用しており、耐熱性が高く、掘削効果がより安定しているため、過酷な環境下でも安定して作業できます。これは、深井戸や超深井戸の掘削作業において特に重要です。このツールの組み合わせは、優れた軸方向バランス性能を備えており、横方向の振動を低減し、滑らかな坑井軌道を生成し、坑壁への損傷を軽減することで、ドリルビットやその他の坑内ツールを保護し、後続の作業に有利です。ターボドリルの高速回転特性により、含浸ダイヤモンドビットと高速タービンの組み合わせは、高硬度で摩耗性の高い深層地層において極めて高い掘削効率を発揮し、掘削能力を大幅に向上させます。

3トルクインパクターによる穴あけ速度 – 技術の向上

トルクインパクターは、主にPDCビットの補助的な岩盤破砕に使用される純粋な機械式動力工具です。この工具は、可変流量ノズルを通して圧力降下を発生させ、内部に高圧ゾーンと低圧ゾーンを形成します。圧力差が工具に作用すると、流路が切り替わり、工具内部のインパクトハンマーとスターティングハンマーが高速で逆回転します。インパクトハンマーは衝撃面に連続的に衝突し、衝撃力をドリルビットに伝達することで、高周波パルストルクを発生させます。掘削流体の流体エネルギーを、ねじり、高周波、均一かつ安定した機械的衝撃エネルギーに巧みに変換し、PDCビットに直接伝達することで、ドリルビットと坑底との連続性を常に維持します。

3.1 技術原理

トルクインパクターによって提供される毎分750回から1500回の高周波で安定した衝撃力は、毎分複数回地層を切削することに相当します。これにより、ドリルビットはねじりが十分なエネルギーを蓄積するのを待つことなく地層を切削することができ、ドリルビットの動作状態が完全に変わります。このとき、ドリルビットは地層を切削するために2つの力を持ちます。1つは回転テーブルによって提供されるトルク、もう1つはトルクインパクターによって提供される衝撃力です。これらの2つの力はドリルビット自体に直接伝達されるため、ドリルパイプによって伝達されるトルクを無駄なく地層切削に完全に利用できます。このトルクと衝撃力の複合作用により、掘削速度が大幅に向上するだけでなく、硬い地層での掘削中にドリルビットの有害な振動を効果的に低減または除去し、ドリルビットを保護し、ドリルビットの耐用年数を延ばし、同時に他の掘削ツールの疲労強度を低減し、他の掘削ツールの耐用年数を延ばすことができます。図1は、従来型掘削ツールとトルクインパクターのダウンホールドリルストリングの応力状態を示しています。

3.2 適応性分析

先進的な掘削ツールであるトルクインパクターは、合理的な内部機械構造を持ち、ゴム部品や電子部品がなく、部品点数も少ない。万が一故障しても、ドリルビットがPDCビットと共に連続的に回転するだけで、連続掘削には影響せず、ドリルをトリップさせる必要もないため、高い信頼性を誇る。トルクインパクターは、様々な複雑な地層、特に摩耗性が高く掘削性の低い火成岩層に適している。同時に、操作も容易である。トルクインパクターを使用する際は、回転式または方向制御式の掘削ツールに直接接続するだけでよく、操作は簡単で便利である。

4複合衝撃装置

複合インパクターは、内部にエネルギー変換装置を組み込んだ先進的な掘削装置であり、掘削流体の流体エネルギーをパルス衝撃エネルギーに変換することで、安定した高周波の周方向および軸方向の衝撃力を発生させます。この動作方式により、ドリルビットの岩石破砕効率が大幅に向上し、掘削中のスティックスリップや圧力保持の問題を効果的に解決し、速度向上という目標を達成します。複合インパクターは、トルクインパクターのねじり衝撃特性と利点を備えているだけでなく、軸方向衝撃機能も革新的に組み合わせています。.

複合インパクター

4.1 技術原理

複合インパクターの内部構造は純金属製の機械で構成されています。反転機構により、掘削流体の流体エネルギーを高周波かつ安定した周方向および軸方向の衝撃エネルギーに変換します。従来の掘削ツールアセンブリの掘削プロセスでは、PDCビットが地層に到達した後、上部掘削ツールのエネルギー蓄積が一定の臨界値を超えると、岩盤のせん断破壊が開始されます。これに対し、複合インパクターは掘削流体の流体エネルギーを衝撃エネルギーに変換し、ドリルビットに高周波かつ安定した衝撃力を提供します。これにより、岩盤破壊応力が地層せん断の臨界応力に迅速に達し、PDCビットのせん断効率が大幅に向上します。同時に、岩盤破壊応力とトルクの変動が低減されるため、ドリルビットが坑底で均一な切削を行うのに有利であり、従来の掘削ツールで発生するPDCビットへの瞬間的な極めて高い応力を排除します。したがって、ドリルビットにかかる応力がより均一かつ安定し、PDCビットの耐用年数が延び、1本のドリルビットの作業距離が増加する。

4.2 適応性分析

トルクインパクターと比較して、コンパウンドインパクターは縦方向の衝撃エネルギーを増加させます。理論的には、岩石破砕効率が高く、タイトな地層での使用に適しています。同じサイズの場合、コンパウンドインパクターの最適掘削圧力はトルクインパクターよりもわずかに高くなります。コンパウンドインパクターの場合、使用するドリルビットはより強い耐衝撃性を備えている必要があり、ドリルビットの主切削歯の横に衝撃吸収歯が配置されているため、ドリルビットを効果的に保護します。硬い地層や摩耗性の高い地層を掘削する場合、HPMシリーズのPDCビットを選択すると、掘削速度と掘削距離の完璧なバランスを実現できます。

5結論と展望

本稿では、一般的な掘削速度向上ツールについて考察し、紹介する。これらのツールの原理、特性、適用範囲を分析した結果、異なるタイプの掘削速度向上ツールは、異なる地質条件や掘削要件に適していることが明らかになった。同時に、各種ツールの使用コストが異なるため、掘削速度向上ツールの選定は経済的な観点からも検討する必要がある。

今後の研究については、以下の点から取り組むことが推奨される。掘削速度増加ツールの動作メカニズムをさらに研究し、ツールの設計を最適化し、その適応性と効率性を向上させる。人工知能やビッグデータなどの技術を組み合わせて、掘削速度増加ツールのインテリジェント化と遠隔監視を実現し、掘削作業の安全性と効率性を向上させる。社会経済発展のニーズを満たすために、水井戸、ガス井戸、地熱井戸などの他の分野にも掘削速度増加ツールの適用範囲を拡大する。

連絡先：ジェシー・チョウ

携帯電話/WhatsApp:+0086-18109206861
メール:landrill@landrilltools.com
ウェブ：www.landrilltools.com