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油价回暖,钻头技术发展突飞猛进(上)

油价回暖,钻头技术发展突飞猛进(上)

油价上涨、钻井业务量的增加,促使制造商针对各种地层研发更高效的钻头水力参数,利于松软地层、硬/研磨性地层的清岩,另外钻头厂商还设计了提高定向钻井一次成功率的新技术。

来自 | World oil
编译 | 白小明 影子

随着PDC切削齿技术的不断发展和钻头稳定性的提高,PDC钻头已经成为全球钻头市场的主导产品,实际上已取代了古老的牙轮钻头。PDC钻头有着高机械钻速、无与伦比的耐久性,这使其成为高、低钻井成本预算下的首选工具。即使在复杂的、按常理须使用牙轮钻头的地层,PDC钻头也基本上打消了使用者的各种担忧。如今的PDC钻头技术更多的是带来积极的性能,并从根本上降低了每米成本。

切削深度控制元件

哈里伯顿的Cruzer滚动元件改善了对切削深度的控制,带来了多种性能优势,如图1所示。新的PDC钻头设计技术提高了对切削深度的控制(DOCC),减少了元件的能量损失,从而提高了钻井性能。它有助于最大限度地提高ROP,同时提供更好的工具面控制,保证轨迹控制的连续性。

众所周知,在钻井过程中保持PDC切削齿与地层的连续接触有助于最大限度地降低扭矩波动、振动和冲击引起的切削齿损坏。虽然这些DOCC元件确实有助于减小切削齿与地层接触的变化和降低相关钻井问题,但其却是以牺牲破岩能量为代价的。

新的DOCC元件可以滚动,可以降低由于地层变化或振动引起的切削齿与地层的过度接触,而不会影响破岩能量。由于其滚动性质,金刚石和硬质合金轴承降低了摩擦系数,确保了产生的热量较低并降低了扭矩。因此,切削齿用于剪切岩石的大部分扭矩都用于了破岩,这提高了钻井效率,而切削深度的连续性增强了对工具面的控制。

滚动轴承设计包含了一个新颖的锁紧机构,使元件在整趟钻进过程中保持原位,并在不妨碍其滚动动作的情况下提供连续的切削深度控制。除了增强耐磨性外,Cruzer也很容易修复,因此钻头可以多次重复使用,提高了成本效益。根据具体的应用要求,小尺寸的封装允许设计者将元件整合到现有或新钻头设计中。

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图1. Cruzer切削深度控制滚动元件,可以在不影响钻速的情况下提高钻头的耐用性和对工具面的控制。

为了针对特定的应用采用相应的技术,哈里伯顿的用户接口(DatCI)设计流程,首先从向作业人员获取信息输入开始。通过各种分析工具,如模拟仿真、分析和软件程序,设计团队可以选择适当的技术来帮助作业公司实现特定的目标。流程持续改进的特性使得应用专家能够不断提高钻井效率并降低成本,做到精益求精。

应用案例

在北达科他州,当地的DatCI团队认为将滚动DOCC元件引入到新的钻头设计中,可以解决一个复杂的定向控制问题,该定向段长285m,包括30米的直井段。钻井工程师非常希望通过该定向段优化井眼轨迹,因为这是他们第一次尝试完成三维井眼。

哈里伯顿的多特性钻头解决方案将DOCC滚动元件与8-3/4-in MMD55MU MegaForce PDC钻头结合。采用14m/h的控时ROP,钻头完成了315m的直井和定向段钻进,成功地实现了复杂井筒设计的所有定向要求。

钻头起出后,评级显示,与传统的元件相比,DOCC只有轻微的磨损。现场工程师对切削齿的评级为1-1-WT-S-X-I-NO-TD,这表明增加DOCC元件后,即使是钻完30m的直井段后,钻头尖锐的切削齿仍保持着攻击性。

用于夹层的切削齿

在钻遇不同的地层时,钻井公司仍在寻求降低成本、提高效率的方法。切削齿技术的进步使钻井公司能够比以往钻更长的分支井。尽管取得了这些进展,但有着不同UCS(无侧限抗压强度)的夹层仍然是许多切削技术面临的挑战。较软的页岩与较硬的砂岩互层时,会造成钻头研磨性磨损,而硬白云石和燧石会使钻头过度振动,增加冲击损坏的可能性。为了应对这些挑战,国民油井华高(NOV)公司研发了ION切削技术,扩充了其Tektonic系列PDC钻头。

ION切削技术包含高性能的PDC切削齿,专门设计用于克服夹层面临的挑战。精选的金刚石材料和烧结压力的提高,带来了一种更耐久、耐磨的切削齿,通过深浸技术保持热稳定性。为了获得完整的性能指标,新切削齿经过大量的测试,结果表明在复杂的钻井条件下,相比同类产品,新切削齿刀具可以取得更长的进尺,而磨损量更小。磨损量小可以带来更快的ROP,从而取得更多的进尺。在岩石地层带压测试前,开发人员还使用FEA对切削齿的几何形状进行了优化,从而减小了钻井扭矩和MSE,在相同WOB下提高了ROP。

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图2.出井后的检查显示,以60m/h的机械钻速钻进2961米后的ION切削齿仍状况良好。

应用案例

在俄克拉何马州Stephens县,一家钻井公司需要在不牺牲钻头耐久性的前提下,快速完成一个8-3/4-in分支的钻进。在研究了地层之后,公司认为所选的钻头需要平衡效率和性能,且切削齿需要更高的热稳定性。NOV选择了带有ION切削齿的TK63钻头,以提高ROP。下入钻头后,总共取得1209m进尺,平均ROP为27.5m/h。此外,与邻井平均值相比,配有ION切削齿的钻头磨损量少50%。前次入井的钻头ROP仅为9.6m/h,进尺为1015m。

在Williston盆地,一家钻井公司希望从表层套管开始,采用5趟钻,完成一口水平井的钻进。他们采用了带有ION切削齿的钻头,完成了上部直井段、下部直井段和水平段的钻进。在水平段,钻头表现非常好,钻头以60m/h的机械钻速,在49.6 IADC小时的周期内,完成了2961m井段的钻进,如图2所示。该趟钻创造了用户钻井速度最快的记录,公司还创造了最快钻达完钻井深的记录,钻井周期仅为8.18天。除去起下钻时间,整个钻井周期仅为5.04天,比邻井平均值快了近20%。

组合切削齿

斯伦贝谢史密斯钻头公司(Smith Bits)推出了一种新型PDC钻头,该钻头采用了ONYX 360滚动切削齿和Stinger锥形金刚石元件。这种设计采用IDEAS集成动态设计和分析平台完成,优化了切削结构,可以承受最恶劣的地层和井下条件。

将ONYX 360与切削结构结合,可以大大提高钻头的耐用性,因为切削齿可以360°旋转,从而可以均匀利用整个金刚石齿的一圈来切削地层。与传统的PDC切削齿相比,Stinger切削元件具有顶尖形状和较厚的金刚石层,具备更优异的抗冲击性。将这些元件放置在PDC钻头的主切削结构之后,可以保护PDC切削齿免受冲击损坏,如图3。通过结合独特的切削元件,史密斯钻头公司研发了一种专门针对硬夹层的PDC钻头。结合新切削齿并放置合理,可以最大限度地提高钻头的进尺和机械钻速。

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图3.带有滚动切削齿(镶在右边)和Stinger元件的钻头,无需专门使用孕镶钻头即可完成全井段的钻进。

应用案例

在钻进埃及的Kharita地层时,一家钻井公司遇到了研磨性砂岩、页岩夹层。地层的无侧限抗压强度介于18,000~5,000psi之间,一些井段高达30,000psi。在前一趟钻中,一只PDC钻头仅钻进97m,钻井公司不得不起钻,下入孕镶金刚石钻头来完成其余井段的钻进。因此,钻井公司最初形成了一个先采用滚动切削齿PDC钻头钻150m,后下入孕镶金刚石钻头完成余下井段钻进的计划。

然而,史密斯钻头公司设计了一种独特的PDC钻头,将滚动切削齿与锥形金刚石元件加入到切削结构中。这只定制的PDC取得了288m的进尺记录,平均ROP为3.7m/h,井斜介于5.75°~1.78°。钻头一次性钻达完钻井深,无需再下一趟孕镶金刚石钻头。与邻井相比,客户节省了大约3万美元,每米成本为最低。

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