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用涡轮钻具攻克硬、研磨性地层

用涡轮钻具攻克硬、研磨性地层

井下涡轮钻具是常规马达无法攻克的硬、研磨性地层的解决方案。

来自丨World Oil
编译丨白小明

对于作业公司来说,钻穿硬、研磨性地层常常意味着巨大和独特的挑战。“硬岩石”通常指侧限抗压强度大于20000psi。钻遇这种地层通常会遇到机械钻速(ROP)低、振动大、井下BHA组件失效风险增加、频繁起下钻更换钻头和马达等问题。所有这些问题都对增加钻井成本影响很大。

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图1. 涡轮钻具和孕镶金刚石钻头是硬、研磨性地层的一种解决方案。

通常,在这种恶劣的环境下,使用含泥浆马达(PDM)和PDC钻头的常规井下钻具组合(BHA)无法取得经济有效的进尺和可靠性。

在这些情况下,人们忽略了井下涡轮钻具是这种钻井挑战的一种有效的解决方案。通常,作业公司认为使用涡轮钻井的成本太高,而选择常规的泥浆马达,后者更经济且使用更普遍。然而,在许多案例中,这种选择并不经济。涡轮钻具具备多种优势,这使其非常适用于硬、研磨性地层,可比其他系统带来更加经济高效的表现。

例如,来自哈里伯顿Sperry 钻井公司的Turbopower涡轮钻具(图1),具备一些独特的优势,使操作人员能够更加高效地钻穿硬、研磨性地层,减少钻达完钻井深的起下钻次数,避免非生产时间(NPT),降低每米成本。

速度快动力大

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图2. 涡轮钻具的动力输出

涡轮钻具是动力非常强劲的驱动系统,能够在极端恶劣的环境下可靠地长时间运行。在相同的水力条件下,由于涡轮叶片驱动系统在将液压能转换为钻头处的旋转机械能过程的效率有了大幅提升,涡轮钻具比其他任何驱动系统输出的井下钻井动力更大。图2展示了涡轮钻具输出动力与RPM和压力的关系曲线。涡轮钻具的输入功率等于压力乘以排量;输出功率等于扭矩乘以角速度(或转速)。由于RPM和扭矩成反比,扭矩在制动时的最大和失速(速度最大)时为0之间波动。在给定的排量下,控制涡轮钻具组合的钻压(WOB),从而控制涡轮钻具的转速在输出功率最大的范围内,这样理论上可以取得最大的ROP。

涡轮钻具的大功率输出,主要表现为高RPM和相对低的扭矩形式,当配合研磨性的吃入深度较小的孕镶金刚石钻头时,使其成为硬、研磨性地层非常高效的钻井方式。由于除了轴承表面,再无其他运动组件接触,涡轮钻具全金属结构使其能够在整趟钻以最佳效率运行,不受那些通常会降低PDM性能的条件因素影响,如高温、定子磨损。这种运行效率和耐久性,延长了涡轮钻具的作业时间,极大地减少了与起下钻更换钻头和马达相关的NPT。涡轮钻具单趟钻运行超过300小时是很正常的。

与孕镶钻头配合利于控制

图3. 孕镶金刚石钻头非常适用于硬、研磨性地层。

图3. 孕镶金刚石钻头非常适用于硬、研磨性地层。

涡轮钻具与孕镶金刚石钻头(图3)配合,相比泥浆马达和PDC钻头,可以更好的控制工具面。这种组合具备同心和轴向平衡的设计,内部震动很小,能避免随钻测量(MWD)和其他BHA组件的失效。由于其反扭矩、内部震动很小,因此工具面波动很小,使得工具面连续和可预测,提高了导向性和滑动ROP。为了提高钻头寿命,厂家通过其客户接口(Customer Interface,简称DatCI)钻头设计服务,根据具体的应用来定制钻头。使用设计合理的钻头,可以得到光滑、居中的井眼轨迹,弯曲度低,减少了通井次数和下套管时的问题,同时提高了井眼清洁度和测井工况。

提高强度和通用性

Turbopower涡轮钻具引入最先进的轴承设计,包括带碳化钨镶齿(TCI)的径向轴承(图4),以及PDC金刚石止推轴承(图5),平均无故障时间(MTBF)超过8000小时。4种尺寸的工具都具备这种特性,尺寸范围涵盖5-5/8in-17-1/2in。入口叶片剖面降低50%的轴向反作用力,这对于大部分排量足够了,从而使用单一叶片设计即可满足多数应用情况,仅含一个动力端减少操作时间,提高了安全性,降低了维修和落井(LIH)成本,同时也使随钻测井(LWD)和定向传感器离钻头更近。而在相同的应用环境下,其他涡轮钻具厂家可能使用多种叶片设计,甚至是多个动力端。

图4. 带碳化钨镶齿(TCI)的径向轴承。

图4. 带碳化钨镶齿(TCI)的径向轴承。

图5. PDC金刚石止推轴承。

图5. PDC金刚石止推轴承。

专利设计减少落井事故

在卡钻头风险较高的硬、研磨性应用环境下,Turbopower涡轮钻具轴承端具有哈里伯顿的钻头防卡设计(ASD)专利来防止卡钻头。设计优化自原有的井下离合机构,ASD涡轮钻具不新增机械部件(图6)。当连接短保径公扣钻头时,ASD减小了钻头与井壁的接触面积,减少了由于钻头粘卡造成的落井事故,提高了震击解卡的能力,这可以大幅减少NPT和缩短钻井时间。

自2009年引入以来,ASD涡轮钻具已在全球许多地方应用超过了285趟钻,进尺约3.7万米。2009到2016年间,没有发生一起因钻头粘卡造成的落井事故,而同期行业预计每年发生了3-4起采用其他防卡设计的涡轮钻具落井的事故。

 图6. 左图:长保径母扣钻头和标准的涡轮钻具;相比右图:Turbopower ASD涡轮钻具及短保径母扣钻头。

图6. 左图:长保径母扣钻头和标准的涡轮钻具;相比右图:Turbopower ASD涡轮钻具及短保径母扣钻头。

定向控制和导向性

为了保证钻进期间精确的定向控制和导向性,服务公司可提供业内首款和唯一一款带钻头井斜(ABI)的涡轮钻具。井斜传感器靠钻头很近,作业人员可以更快做出定向决策,更加精准地按设计控制井眼轨迹(图7)。带有ABI的涡轮钻具减少了修正井眼轨迹的时间。图8展示了Turbopower ABI涡轮钻具的示例,其与MWD一同下入到一个硬、研磨性地层斜井段。同时记录ABI井斜与MWD井斜。在本案例中,客户可以快速对地层变化作出响应,保证井眼轨迹在油藏的最佳位置穿行。

降低每米成本

有许多理由可以解释涡轮钻具为什么能够在硬、研磨性地层钻井过程中为客户降低每米成本。重要的是要考虑钻整个井段的每米成本,而不是单趟钻的每米成本。通常,我们会忽略与频繁起下钻更换钻头和/或泥浆马达相关的等停时间,由于井况差进行的倒滑眼时间,以及由于BHA组件失效造成的NPT,这些都将严重影响分析结果。

卡塔尔案例研究。在卡塔尔深水作业的一个客户,找到哈里伯顿Sperry钻井公司,希望提供一种钻穿硬、研磨性pre-Khuff地层的解决方案。客户在两周内,采用泥浆马达和PDC钻头下入6趟钻,总进尺仅260m,每米成本大于12795美元。服务公司设计了一种钻井解决方案,采用涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头来钻剩下的455m。图9的结果显示,采用了4趟钻钻达完钻井深(TD),每米成本仅为6056美元;即每米成本降低超过了6000美元。最终,与采用常规钻井方式相比,客户由于使用了Turbopower涡轮钻具钻完该井段,节约了310万美元。

图7,Turbopower涡轮钻具特写展示了ABI元件短节。

图7. Turbopower涡轮钻具特写展示了ABI元件短节。

印度案例研究。在印度中部一个偏远地区, ONGC当时正在勘探Vindhyan油田的油气资源潜力。主要目标是用8-1/2in井眼钻穿1122m极硬的粉砂岩/石灰岩,以及研磨性砂岩(通常钻遇这些地层时钻井效果很差),同时保证在要求的半径内中所有靶。基于该地区邻井的经验,预计完成该井段需要65天,ROP约为0.91m/h,最多需要6趟钻。

图8. 从ABI传感器得到的井斜与MWD测量读数一致。

图8. 从ABI传感器得到的井斜与MWD测量读数一致。

为了提高钻井效率,ONGC需要一种可以减少钻头故障、起下钻次数,同时提高ROP和钻井性能的方案。技术专家与ONGC合作,同钻头专家一起设计了一种钻井解决方案,主要针对复杂的钻井环境。为了提供要求的导向性、低震动性、提高ROP,Sperry采用了6-3/4in涡轮钻具。采用钻井优化软件来做岩石强度分析,设计了定制化的孕镶金刚石钻头与导向涡轮钻具配合。

最终,客户从造斜点到TD,成功钻穿1122m地层,成功在2m的半径内中所有靶。仅用3趟钻,无NPT,创造了Vindhyan油田记录,帮助ONGC最大化资产价值,节约32天钻机时间,约65万美元。另外,涡轮钻具采用定制的孕镶金刚石钻头,8-1/2in井段的纯钻时间为371h,平均ROP为3m/h,是邻井的3倍。

总结

涡轮钻具输出大机械马力、高速度和稳定性,而且不受温度和压力限制,震动小且导向性好,因此使用寿命长,所钻井眼质量高。涡轮钻具通过减少硬、研磨性地层的钻井时间以及降低每米成本,可以帮助作业公司最大化资产价值。

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评论 1

  1. #1

    讲解的很棒!

    匿名3个月前 (03-14)回复