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【本周专题:钻井】钻头于地下冲锋陷阵,两大关键属性已可兼得(一)

【本周专题:钻井】钻头于地下冲锋陷阵,两大关键属性已可兼得(一)

钻头技术直接影响钻井工作效率,ROP和耐久性两大关键属性却往往互为矛盾体。

来自 | Kelli Ainsworth Robinson
编译 | 张德凯 影子

在钻井作业中,虽然钻头只是钻井系统的一个微小组成部分,但它的性能却会对作业效率产生巨大影响。斯伦贝谢Smith Bits公司产品经理Wiley Long说:“整体来看,虽然钻头成本可能低于钻井总成本的1%,但毫无疑问,没有任何一个部件对整体钻井性能的影响比钻头更大。”

鉴于钻头在钻井作业中的重要性,开发商一直在寻找钻进时间更长、ROP更高的新型钻头。此外,钻头工具的地面控制也是开发商非常在意的影响因素,以期能够最大限度地简化钻头定向的调整工作,实现定向钻井简单控制的目标。

为了满足开发商的应用需求,各服务及工具公司都先后采用高级模拟和有限元分析方法,对影响钻头ROP、耐久度等主要参数的问题进行了研究,包括碎屑清除效果差、摩擦生热高和振动等问题。基于这些研究成果,行业内目前已经开发出了多种新型切削齿和布局,并改进了钻头的液压系统。

Halliburton全球业务发展经理John Campbell表示,任何时候,只要有可能,开发商都希望只用一颗钻头完成整个钻井作业。“开发商希望钻头能够在垂直钻进时保持高效,并且能够满足高狗腿度要求,在水平方向钻进时能够精准控制。当然,如果同一颗钻头就能全部满足、或是尽可能满足上述要求,那自然是最好的。”

在钻进时间较长的作业中,特别是量深超过10,000ft的水平段,钻头必须坚固耐用。此外,承包商一般会采用高功率泵来建造钻井平台,定向操作方也会推出高功率电机,那么就会有更多的能量被传送到钻头。“为了处理钻头接受到的这些能量,我们需要强度更高的材料来获得更耐用的工具。”

在过去,提高ROP往往要以降低耐久性为代价;但在目前的钻头行业,“鱼和熊掌”已经可以兼得。Campbell说:“纵观钻头行业历史,开发商必须平衡耐久性和ROP,当试图增加钻头的耐久性时,一般也会增加切削齿体积,这会引起ROP降低。”而钻头切削齿布局的最新进展则很好地消除了这一问题,切削齿的锋利程度降低得更缓慢,钻进过程中的ROP也就更理想。

液压技术更新

钻进速度越快,钻屑产生速率越高;如果这些钻屑不能及时排出、发生堆积,那么ROP就会降低,钻井能量也会损失。此外,钻屑的积聚还会对钻头造成隔离,并增大摩擦,导致钻头和切削齿周围温度升高。实际上,这种情况非常常见,钻头温度升高后,会导致切削齿降解并发生损坏。Ulterra创新项目经理Chris Casad表示,“降低温度可以减少钻头的损坏,使其锋利的时间更长,保持整个钻井过程中的高ROP。”

【本周专题:钻井】钻头于地下冲锋陷阵,两大关键属性已可兼得(一)

Ulterra利用计算流体动力学优化SplitBlade钻头上喷嘴和通道的布置,目标是优化钻屑的清除、增加ROP

经过多年的开发和测试,Ulterra将于3月底发布了具有优化喷嘴设计和流通功能的PDC钻头—SplitBlade。通过计算流体动力学(CFD),确定了喷嘴和通道位置,改善了钻屑清除效果。

另外,钻头内侧切削齿上的切面向前推进,在钻进过程中更早地与地层接触,同时加强了工具面控制。这提高了切削齿在岩层上的“抓取力”,从而更好地实现钻进方向控制。

采用SplitBlade技术的钻头,每个切削齿都有两个专用通道,同时钻头锥体和肩部还有喷嘴。“钻头锥体、肩部是最易发生钻屑积聚的两个区域,新型设计使SplitBlade能够将钻屑与其分离。保持锥体清洁可以实现更好的方向和转向控制,并保持肩部清洁,从而使钻头钻进更快。”

通常情况下,在钻屑清除时,锥体上的钻屑都会经过钻头肩部,并可能积聚在该部位。采用新型技术的钻头,锥体和肩部的专用喷嘴、通道设计为钻屑清除提供了一条捷径。此外,肩部不再受到所有钻屑的影响,并且不必处理大量的碎屑。钻头可以将能量投入钻井过程,提高钻进速率。

Casad表示,通道和喷嘴的位置以及喷嘴方向是通过CFD计算确定的,同时还在液压优化的基础上进行概念化。

Ulterra对不同的喷嘴、喷嘴尺寸、喷嘴位置和喷嘴方向进行了计算机模拟,确定了钻屑清除的最佳流动路径以及实现该流动路径的最佳设计。“我们使用CFD模拟这些喷嘴插入的正确位置,这也是将喷嘴定向与碎屑结构、切削齿结构结合的最正确方法。”

“通过CFD模拟,我们也认识到了钻头主切削齿喷嘴定向方式非常不合理,每个喷嘴的流动路径彼此阻碍。实际上,外喷嘴堵塞了内喷嘴的流动,阻止了流动路径”。随后,Ulterra做了CFD模拟,确定了喷嘴偏移和流动方向设计,为每个喷嘴创建相互分离且互不干扰的流动路径。

Ulterra公司表示,SplitBlade钻头迄今已完成了近300万英尺的钻进作业,在300多台钻机上得到了应用。2017年夏天,该钻头首次在德克萨斯州Lavaca的Eagle Ford进行了实地测试。

与同类型钻头相比,SplitBlade将ROP平均提高了30%。在其中的一口井中,钻头在68小时内完成了斜井和水平段的钻井作业,量深超过11,000ft,ROP达到了172ft/hr。试运行后钻头的钝化状况为1-1-TD,由于具有更好的液压系统、生热处理方式和碎屑排出设计,钻头磨损状况较低。

自Lavaca的首次实际测试之后,Ulterra已经在Eagle Ford各地为运营商服务,目前服务区域已经扩展到东、西德克萨斯州各油田。

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二丫
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毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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