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到底什么样的钻头获得了2015世界油气工程技术创新特别贡献奖

由于切削齿及其钻头切削结构中心的旋转速度降低,常规PDC钻头中心切削齿的破岩效率便会减弱,尤其是在硬岩层,这种劣势尤为明显。而且切削齿中心承受最大负荷,加之运转速率以及地层上的改变,都会导致切削深度及钻头扭矩波动产生较大变化。

斯伦贝谢旗下史密斯钻头公司的工程师们完美地解决了这一难题。

2013年3月1日,斯伦贝谢旗下史密斯钻头公司宣布了一项新的钻头技术——Stinger锥形金刚石技术。2014年该公司又推出了大量分布锥形金刚石切削齿的StingBlade钻头。

在实地测试中,将常规PDC钻头和装有针对不同类型岩石以及操作参数的Stinger锥形金刚石钻头对比,后者则表现出更强的稳定性和持久性,同时机械钻速提升46%,并提高了钻头的耐磨性。

Stinger锥形金刚石是通过使用公司人造金刚石制造的专有技术而研制出的。它有着超厚的聚晶金刚石层,比常规聚晶金刚石切削齿要厚得多。

该元件通过优化形状增强了轴压强度,将它安装在PDC钻头切削结构的中央,有效地增加了岩石破碎坑内局部应力的集中,在切削齿的重复切割下,岩石更加容易破碎,显著提高了钻进进尺和机械钻速。

三大特点

与常规PDC切削齿相比,Stinger切削齿有着更厚的金刚石层,因而其抗冲击强度更强。在18000磅的直接对比测试中,PDC切削齿(左)在第一次冲击时便损坏,而Stinger切削齿(右)在失效前的冲击次数超过100次。

▲18000磅的直接对比测试

随着机械钻速的增加,与常规PDC钻头相比,Stinger切削齿钻头的扭矩平均减少了26%,因而具有更好的定向响应和更平滑的工具面控制能力。

▲总扭矩低于常规PDC钻头26%

通过大量的建模和仿真,Stinger切削齿比PDC切削齿有着更加平衡的切削响应,因而使得Stinger钻头的冲击和振动更少。

获奖钻头:StingBlade

继2013年史密斯公司推出Stinger技术之后,2014年该公司又推出了大量分布锥形金刚石切削齿的StingBlade钻头。

每一款StingBlade钻头都是采用IDEAS集成钻头设计平台设计,根据各种不同地层特性及钻进需求将锥形切削齿布齿在钻头面上,形成各种独特布齿的锥形切削齿钻头。

▲利用IDEAS集成钻头设计平台设计不同布齿钻头

StingBlade钻头应用Stinger锥形金刚石切削齿。结合Stinger切削齿更强的抗冲击强度和耐磨性,StingBlade钻头可在常规钻头常常遭受冲击损坏的地层中钻进。该钻头在钻进过程中的扭矩比传统圆柱形切削齿更低,在定向钻井过程中可利用较小的工具面变化实现更高的造斜率。

StingBlade钻头VS常规PDC钻头

①显著提高钻进进尺与ROP。锥形切削齿可以将载荷更好地集中于一点进行破岩,较厚的切削齿金刚石面提高了钻头切削强度,同时也提高钻头耐磨性,显著提高进尺与ROP。在Permian盆地,StingBlade钻头提高进尺77%,提高ROP29%。

②造斜率更高,工具面控制更好。StingBlade钻头总扭矩低于常规PDC钻头26%,可降低钻头扭矩波动,使StingBlade达到更高的造斜率,更快地定向钻达靶位。在南得克萨斯夹层地层曲线段钻进时,StingBlade钻头以比其他钻头高23%的造斜率和低扭矩完钻该曲线段。

▲StingBlade钻头比其他钻头高23%的造斜率

③增强钻头稳定性,降低底部钻具组合振动。由于锥形切削齿能更好地平衡钻头周围钻屑,所以振动低,能以更高的ROP钻进更长井段,延长钻头及其他BHA组件寿命。与常规PDC钻头相比,StingBlade钻头产生的横向振动降低53%,轴向振动降低37%。

④钻屑块更大,便于现场更好地进行精确的地面地层评价。锥形切削齿的载荷集中于一点,可使StingBlade钻头钻出更大块的钻屑,便于在井场现场进行矿物学、孔隙度、渗透率及烃含量分析。在哈萨克斯坦,在保持最佳钻进速度的同时,现场地质师利用StingBlade钻头取得的大块硬质碳酸盐岩钻屑,在现场就进行了岩性及特性鉴定分析。

▲StingBlade钻头钻出更大块的钻屑

⑤更强更有效的切削齿:在给定钻压下,锥形切削齿比一块PDC切削齿更能将载荷集中于一点作用到岩石上,这种高集中力再结合高切削度和耐磨性,使StingBlade钻头可以钻穿采用常规钻头易出问题的地层。

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