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斯伦贝谢“会旋转的切削齿”让钻头更长寿

首图
通常,PDC钻头的切削齿需要固定地焊接在钻头上,与常规固定切削齿不同的是,ONYX 360°切削齿可以在钻井过程中进行360度的自由旋转,也就是说,它可以给岩石持续提供新的切削面。

旋转切削齿具有多种优势,不仅提高了机械钻速( ROP),还减少了切削齿的磨损速率,能够实现切削齿的及时散热,降低聚晶金刚石复合片石墨化燃烧的几率,延长钻头的寿命等。

ONYX 360°切削齿优点:增加了钻头的寿命;提高了钻头进尺长度和平均机械钻速;改善了散热情况,延长了切削齿寿命。

ONYX 360°切削齿特点:360°旋转可使切削齿具备更长的切削面;切削齿的数量和位置可进行合理设计,最大限度地提高钻头切削齿高磨损区域的耐磨性;在尺寸适用的前提下,切削齿可用于任何结构的PDC钻头;360°旋转切削齿尺寸为13mm和16mm。

ONYX 360°切削齿应用范围:导致并加快PDC切削齿磨损的钻井条件和耐磨性地层。

PDC钻头耐磨性的一次创新

插图1
ONYX 360°旋转齿钻头的切削齿旋转角度为360°,这有效的提高了PDC钻头的寿命。由于切削齿的边缘部位为高磨损区域,因此整个旋转切削齿的边缘由金刚石制成,用以切割坚硬地层。

创新:延长了切削齿的寿命

1、在高耐磨性地层中提高了切削齿的寿命;

2、可使用切削齿复合片的整个边缘进行切削,尽可能降低复合片的磨损;

3、保持钻头的高机械钻速。

研发:对新的切削齿进行设计

1、保证切削齿灵活转动的前提下,增强切削齿的稳定性;

2、探究旋转切削齿的功能性;

3、分析切削时对切削齿形成的旋转力。

模拟:通过钻头设计平台(IDEAS)对钻头切削齿的位置和布局进行分析

1、确定可以用旋转切削齿进行替换的切削齿;

2、确定刀翼上旋转切削齿的位置和排列布局。

评估:开展大量的现场实验对旋转切削齿进行评估

1、测量旋转切削齿的寿命;

2、评估旋转切削齿钻头的稳定性和强度;

3、进一步验证360°切削齿排列布局是否合理。

结论:对ONYX 360°旋转切削齿的有效性和持久性进行定量分析

1、增加了切削齿的寿命;

2、将钻头的机械钻速提高了44%;

3、将钻头的钻进长度增加了57%。

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综合评价旋转齿设计

ONYX 360度旋转齿在钻头破岩时,可以360度自由旋转,使切削齿均匀的切削地层。切削齿的转动可以使复合片具备更长的切削面,整个切削齿的磨损量均匀分布,避免切削齿与岩石接触部位产生偏磨,从而保证了切削齿的切削效率,大大提高了切削齿的耐磨性和钻头进尺,延长了钻头在高研磨性地层的使用寿命。

由于固定切削齿的切削部位主要集中在切削齿复合片边缘的小部分区域,经过了对测试岩层切削90次后,我们发现,固定切削齿的磨损位置磨损情况已经较为严重。然而,由于ONYX 360度旋转切削齿的可以使全部的金刚石边缘接触测试岩层,因此其磨损分布均匀,切削300次后几乎没有磨损,即使切削540次,也只出现了非常小的磨损量。并且由于切削齿的旋转,也避免了局部边缘的持续高温状况的发生。

此外,ONYX 360度切削齿的转轴完全包含在外部保护壳内,可有效防止转轴的磨损,以确保转轴及切削齿在钻井过程中的持续旋转。经现场数据比对,与固定切削齿钻头相比,装有ONYX 360°切削齿的PDC钻头,可将钻头钻进长度增加57%。

固定切削齿限制切削能力

PDC切削齿早在20世纪70年代就已经进行研发和应用,目前,PDC切削齿已经是钻井过程中最常用的切削工具,油气井中有将近80%的钻井进尺都是由PDC切削齿完成的。但是,PDC切削齿有一个很大的缺点,即大部分的切削齿边缘被固定在刀翼上,致使切削齿的大部分无法与地层进行接触,只有一定的少部分切削齿边缘可接触地层。在钻井过程中,60%以上的切削齿边缘都是无法使用的。

插图2

因此,固定切削齿在钻井时产生的磨损,往往集中在整个复合片边缘的部分区域,这会导致复合片的局部偏磨和局部高温,从而加速了切削齿的磨损和破裂。并且,切削齿发生偏磨后,其剪切速率大大降低,因而机械钻速降低,钻头寿命下降,钻头进尺也相应降低。

旋转切削齿延长了切削齿寿命

插图3
为了进行最直接的对比,我们在刀翼上将ONYX 360°旋转切削齿置于固定切削齿的旁边,然后进行实验。在耐磨性岩石水平钻进1800英尺后,将这两种切削齿进行比较后发现,固定切削齿已经严重磨损,而附近的旋转切削齿依然保持良好状态。旋转切削齿的边缘部位磨损量很小且磨损均匀。这说明,在钻进过程中,切削齿一直保持旋转状态,并且,将ONYX 360°旋转切削齿置于钻头的肩部可以起到增加钻头寿命的作用。

为了将旋转切削齿与传统固定PDC切削齿做对比,我们对其持久性做了大量的实验,将两种切削齿分别镶在测试装置上,对抗压强度达3000 psi的花岗岩层进行磨削。

插图4
从图中可以看出,为了保持机械钻速,固定切削齿加载的垂直压力从100磅快速增至1200磅以上,以保持其剪切速率,而ONYX 360°旋转切削齿却可以在较低的压力下保持较快的机械钻速。这说明,在整个测试过程中,与固定切削齿相比,旋转切削齿可以一直保持一个较为锋利的切削面。

IDEAS平台优化切削齿的排列分布

钻头设计师可以在IDEAS平台进行室内综合实验,完成对ONYX 360°切削齿的设计。通过这个实验,设计师可以根据PDC钻头的切削结构对切削齿进行合理布置。

经过测定切削齿的不同几何排列对其持久性、平衡钻压能力和切削能力三种性质的影响,确定切削齿的合理布局。

插图5
ONYX 360°旋转齿可放置在PDC钻头的最高磨损区域,将原来的固定切削齿替换掉。在研磨性地层,钻头的肩部区域是最大的磨损部位。由于IDEAS钻头设计平台可以测算出磨损程度,以及精确的磨损位置,因此成为了宝贵的设计工具。

通过确定PDC钻头的固定切削齿的高磨损区域,设计师就可以决定应该在刀翼上的哪些位置焊接旋转切削齿,才能延长切削齿和钻头的寿命。

创新设计增强切削齿的稳定性和可靠性

要将旋转切削齿与PDC钻头的切削结构合为一体,就需要创新性的对切削齿的稳定性和可靠性进行设计。史密斯钻头的研发工程师则实现了这一要求:他们将旋转切削齿安装在保护壳内,然后将保护壳焊接在刀翼上,在保护切削齿的同时,还能够允许其进行自由旋转。

旋转切削齿在其地层接触面的影响下顺势旋转,加上钻头钻削力的带动,从而驱使切削齿进行有效的转动。这可以大大减少切削齿的磨损,保证高钻井速率的持续性,并且减少了钻头的更换次数。

美国《E&P》杂志组织全球石油作业公司和咨询公司的工程师和工程管理人员组成专家评审小组,评定出了十八项“2014油气工程技术有特别贡献奖”的获得者,对油气服务公司和作业公司在上游石油工业的卓越成就表示认可。其中,斯伦贝谢史密斯钻头公司研制的ONYX 360°PDC钻头切削齿就获得了本次“世界石油奖”。

 

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评论 1

  1. #1

    微创新有大价值!

    孟伟6年前 (2015-12-03)回复