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油价回暖,钻头技术发展突飞猛进(下)

油价回暖,钻头技术发展突飞猛进(下)

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

改进切削齿的清岩能力

Ulterra钻井技术公司(Ulterra Drilling Technologies)最新的创新成果是正在申请专利的SplitBlade PDC钻头(图4),该钻头可通过重新配置切削齿的排屑槽,改善清岩和钻头冷却能力,来提高ROP和减少钻井时间。

油价回暖,钻头技术发展突飞猛进(下)

图4. SplitBlade钻头带有两个精确定位的喷嘴,以建立专用流道,改善水力参数、最大化ROP潜力。

通常,对于大多数PDC技术来说,重复循环的岩屑很容易卡在钻头冠部,累积起来堵塞排屑槽。重复切削本应该快速循环出井的岩屑不仅消耗能量,而且还加速钻头的磨损。

公司研究小组在研究了普通PDC钻头的物理限制因素后,工程师们提出了一个新的设计模式,可以使切削齿保持更清洁、温度更低的状态。钻头冠部热量管理的改进,将帮助实现延长钻头耐久性的目标,并提高整体性能。

使用CFD,团队创造出了独特的钻头本体,具有全新的刀翼几何形状、喷嘴和切削齿布局。通过将主刀翼的形状做一定角度的偏移,设计人员为流体和钻屑构建了指定的流道。精确定位的两个喷嘴,使关键区域内的切削元件能够利用钻头本体结构和水力控制的成果。在钻井过程中,与传统设计相比,SplitBlade技术的排屑能力快了7倍。

应用案例

在得克萨斯州南部Eagle Ford页岩的LaSalle县部分,一家钻井公司遇到了令人头疼的携岩和堵水眼问题。为了解决这些问题,下入了一只8-1/2-in的SplitBlade PDC钻头,钻井速度比邻井快了27%,本趟钻创造了公司的进尺记录,接近4267m,ROP超过45.7m/h,比井段超过3048m的邻井快了8%。

在Eagle Ford页岩东部,另一家钻井公司希望通过减少堵水眼来提高机械钻速,他们选择一只8-1/2-in的SplitBlade钻头。他们计划改善轨迹和提高整体ROP,同时保证更好的定向控制和清岩能力。钻头入井后,创造了钻机的进尺和ROP双记录,最高ROP为122m/h,68小时完成了井眼的钻进,进尺接近3658m。平均ROP为52.4m/h,比该钻机邻井ROP提高了56%。

松软地层的水力参数

精确的、根据具体应用优化的PDC钻头水力参数,改善了Permian盆地直井和斜井的钻井性能。采用弯曲喷嘴、蹼状刀翼和私有的设计特征,Varel油气钻头公司(Varel Oil&Gas Drill Bits)的HYDRA水力参数优化程序(图5)改进了松软粘土和页岩地层,以及砂岩和石灰石地层钻头的进尺和ROP。在一口Wolfcamp斜井的施工中,优化后的钻头ROP提高了58%,进尺增加了98%。

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图5. HYDRA水力参数计算流程利用一系列技术来改善松软地层的ROP和进尺。独特的弯曲喷嘴可改善清岩效果,不影响钻机的机泵性能。

HYDRA程序通过更好的钻头冷却和携岩能力来提高钻头性能,能更有效地清除钻屑。设计过程采用独特的弯曲喷嘴,蹼状刀翼和其他特征,利用CFD将设计与应用相匹配。弯曲的喷嘴减少了磨心、堵水眼和钻头泥包。蹼状刀翼限制了岩屑重复循环,提高了清岩、破岩能力。

钻机能力

钻屑体积、地层类型和钻机的机泵性能等限制因素,能大大降低PDC钻头的水力参数性能。在这些应用中,想要不牺牲钻头压力降,只单纯提高清岩效率是很困难的。为了尝试改善流体速度和冲击压力,公司已经使用了不同的方法,并取得不同程度的成功。

Varel的研究需要进行大量的建模,以重现各种弯曲喷嘴设计的效果和优势,从而将这些设计应用到各个尺寸范围的钻头。这需要CFD研究来理解每个喷嘴配置变化产生的结果,以及喷嘴如何在钻头上重定向流体方向和流速。

使用CFD建模的结果,公司优化了一系列独特的功能,包括专有的弯曲喷嘴、蹼状刀翼和其他设计特性。该程序成功地平衡了传统的优缺点,以优化针对特定应用的性能。

弯曲喷嘴

弯曲喷嘴产生的几种效果可以提高钻头性能。钻头稳定性得到了改善,因为流体对地层的冲击降低了,所以地层侵蚀得到了缓解。相反,流体被引导至切削齿表面以改善清洁和冷却,但并不影响钻机的水力状况。这减少磨心和其他问题,延长了钻头寿命。

蹼状刀翼使流体流向临近的排屑槽,防止钻屑重复循环,它还消除了临近喷嘴处的流体夹带,最大限度地提高了喷嘴效率。独特的排屑槽几何形状可以更有效地清理更多的钻屑。

应用案例

在新墨西哥州,粘土夹层、碳酸盐岩地层、灰岩和砂岩地层通常对PDC钻头的ROP和进尺带来挑战。钻头水力参数对于有效钻达目标层位尤为重要。一只针对特定应用经过优化的8-3/4-in PDC钻头,大幅提高了进尺,完成了2134m的直井段钻进,邻井平均进尺为2005m。ROP为40.5m/h,比邻井平均的32.3m/h更快,这是作业公司在钻达目标层位过程中最快的一套BHA。

在盆地的德克萨斯州一侧,HYDRA优化技术已经将钻头使用量减少了一半。之前需要4只钻头完成斜井段,目前只需2只6-1/8-in钻头。与邻井标准的PDC钻头相比,新钻头机械钻速快8.5%,进尺增加了8%,不仅降低了钻井的时间成本,而且减小了另外两趟钻的相关作业风险。

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