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TerrAdapt智能钻头轻松解决粘滑问题

TerrAdapt智能钻头轻松解决粘滑问题

传统的钻头切削深度是固定的,而目前这款新的智能钻头能够根据地层性质的变化,主动地调节切削结构,优化切削深度,避免粘滑。

来自 | E&P
编译 | 周诗雨

在钻井过程中,绝大部分井段会穿过大量的薄互地层,而这些地层中岩性变化较快,这样就对常规的PDC钻头设计带来了挑战。传统的钻头通常只有一个固定的切削深度,并且它的设计也只针对了一种岩石类型进行了优化。一旦安装在了井下钻具组合上,然后下放到了井筒后,就不能再改动了。

在某些区域内,使用固定切削深度的钻头也能稳定钻进,但是在其他区域就可能出现不稳定、效率低的情况。这是因为钻头在不同岩石类型中过渡时,会产生扭转振动,从而导致 “粘滑”现象。这时钻头的咬合会变得非常激进,导致钻头被“粘”住,停止钻进。同时,钻头后面的钻杆会继续像根弹簧一下扭紧,直到钻头脱落或“滑脱”,然后钻杆就会开始不受控地旋转。

“粘滑”现象会导致钻速降低,严重损坏钻头及其他部件,从而导致钻井成本大增。油田常常需要进行额外的起下钻来更换钻头或BHA。这无疑会增加大量的钻井时间。或者作业者也可能会选择就这样将就着继续钻井,但是会有达不到目标深度的风险。

更智能的钻头

之所以在这些井中会出现“粘滑”的现象,是因为这些切削深度固定的钻头是不能够感知、适应井下情况的变化。石油圈之前介绍了一款来自贝克休斯的自适应钻头—TerrAdapt钻头,从DOC层面简要描述了这款业界首个智能钻头。本文将通过对比缓解粘滑效应的不同方式来分析TerrAdapt钻头,并利用应用案例来说明该钻头的突出性能。

传统控制粘滑现象的方法是,基于对可能钻遇的岩石组分和硬度的预期,为整个钻井过程设计具有精确切削深度的PDC钻头。但在大多数情况下,这都是一种猜测,特别是当储层的变化超出预期时。如果将DOC的极限设置得太高,则可能会大大降低钻速,延长钻井时间。相反,设的太低,则可能不会无法防止某些井段内的粘滑现象。

第二种常用的缓解粘滑的方法,是钻井人员从地面调整钻压(WOB)或转速。如果疑似发生粘滑,那么司钻通常会减少钻压或提高钻速。但是这样的话,钻头会以另外一种振动模式来响应地面的调整,可能会加速钻头的磨损,甚至会对井下钻具的其他硬件或电子元件造成损坏。

这种方法还存在一个问题,那就是精度不够。司钻是不能够很快地准确知道钻头到底发生了什么事情,毕竟钻头可能远在几千英尺下的井筒内。而一旦制定了解决方案,方案是否真的解决了问题也需要时间来验证。

而现在,这种新型钻头能够根据钻井条件调整DOC,智能响应扭转振动。控制元件的调节速度非常快,能够有效缓解井下的作业障碍。而且这种响应是实时的,因此司钻不需要等到井下的问题反馈至地面后,然后再等更长时间来采取纠正措施。

这种钻头的设计还能将冲击损伤降低到最小。钻头中设计有一个液压机械卵形元件,可以吸收任何突然出现的过载或冲击,从而防止其威胁到切割结构的完整性。而通过防止这种动态的不稳定和刀具损坏,有助于延长钻头和井下钻具的寿命,增加了钻头进尺,减少了非生产时间。

这种可调节钻头的可选尺寸范围从8-3/8in到12-1/4in都有,可满足全球大部分的钻井需求,刀片数量和切削齿尺寸都可以不同。

应用效果

自2014年成功地证明了这种可调节的概念后,贝克休斯的开发团队开始研究现场版的工具。在通过了自己测试设备的资格认证后,贝克在几家受到扭矩振动问题困扰,愿意参与钻头评价的油公司内进行了应用。

在一口井中,与近邻井的平均钻速相比,在相同薄互层地层中钻进时,可调节钻头的钻速提高了27%,扭矩振动变化量减少了90%,显著缓解了粘滑现象。同时钻进深度增加了217米(713英尺),即提高了27%,同时与传统PDC相比耗能明显减少。

在另一家公司,在德克萨斯州东南部的奥斯丁白垩纪地层的造斜段和水平段使用了该钻头。油公司想在整个造斜段和稳斜段只用一个BHA完成。在之前的尝试中,由于在下钻之间钻头会不时发生钝化,使得地面作业人员对钻头的损伤情况和性能表现不清楚,因此成功率不到20%,同时马达和井下工具故障也常常出现。

油服和油公司对过去的钻井表现和钝化情况一同进行了分析,他们怀疑是粘滑和其他动态不稳定性导致了钻头性能受限。最终选择采用一个8-1/2in、六刀翼的可调节钻头,以减少扭转振动和粘滑现象,提高整体性能和稳定性。

TerrAdapt智能钻头轻松解决粘滑问题

图1.该日线比较了钻井和TerrAdapt钻头的之间差异。可以看出TerrAdapt钻头节省100多个小时的钻井时间,帮助整个钻井时间缩短了150个小时。

可调节钻头在78小时内钻进了1,508米(4,949英尺),总钻速为19米/小时(63.4英尺/小时)。在成功到达造斜点后,钻进了近1,219米(4000英尺)的水平段,然后因为一些非钻头问题被起出。

与之前的井相比,在相同的钻井时间内,新钻头节省了超过100小时的钻井时间,完成井段所需的时间缩短了150小时(图1)。而可调节钻头的钝化情况也好于临近井。Inbit振动测量证实,在钻进过程中钻头没有出现粘滑现象,总体振动水平也很低。切削结构状态保持良好,这也帮助钻头取得了更好的钻井效益,即在更短的时间里钻更多的井。

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