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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(二)

【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(二)

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。”

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。

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。Halliburton全球业务发展经理John 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。

消除振动

侧向、扭转和轴向振动都会缩短钻头使用寿命,也会对底部钻具组合(BHA,包括井下马达和随钻测量MWD工具)造成损害。贝克休斯(BHGE)技术与全球装配总监Mark Freeman说:“如果井筒更平滑,产生的振动更少,BHA和电机的磨损也就会更少。”该公司在2018年初和2017年7月分别推出了Kymera Mach 4和Dynamus钻头,通过使用减弱振动设计,延长了钻头和BHA的使用寿命。

Mach 4钻头是Kymera混合钻头系列的最新产品,Kymera系列包括PDC固定切削齿及牙轮钻头。固定切削齿剪切地层,但在与地层接触时会发生扭矩变化,容易产生振动。“将牙轮添加到钻头后,可以帮助消除钻头在不同类型地层之间切换时所产生的扭矩响应。实际应用表明,Kymera钻头可以减少50~60%的扭转振动,具体降幅取决于地层状况。”

在Mach 4钻头协助下,BHGE将致力于提高Kymera切削结构在坚硬、磨蚀性地层中的钻进耐久度。Mach 4钻头将锋利的圆锥形碳化钨刀片镶嵌到牙轮切削结构中,取代了之前更钝或圆形的切削齿。此外,牙轮周围包裹的切削齿也更加紧密。

“镶嵌更锋利的切削齿有助于更有效的打破地层,随着牙轮的旋转以及碳化钨刀片与岩石接触,钻头会冲入岩层并将其破碎。”基本上,在PDC主切削齿磨碎地层之前,镶嵌刀片的预磨损已经将地层撕裂。“这有助于保持钻头切割结构更加锋利,”如果切削结构保持锋利,就可以防止由于钝刀造成的ROP损失。

另外,BHGE还推出了具有4~6个刀片的Mach 4钻头,这与之前的Kymera钻头相比(只有2~3个刀片),刀片数量明显增加。这增加了钻头体积,钻头的使用时间更长,钻头更换周期延长,刀片碎裂或断裂几率降低。”此外,BHGE还将ShadowCut的新技术添加到PDC钻头刀片的肩部,用于提高钻头切割结构的耐用性。

截至目前,在北海、中东、美国内陆和墨西哥湾等地区,Mach 4的实际应用次数已超过120次。在2017年三季度北海的一次钻井作业中,开发商使用Mach 4进行井眼尺寸16in、倾斜度70°的斜井钻探,该井轨迹与坚硬的砂岩和煤矸石岩层高度交错,可能会导致高水平的钻头振动,限制ROP。在以往的作业中,操作人员曾使用锥形PDC钻头进行了作业,钻头取出后,发现钻头磨损明显,同时定向性差,ROP较低。

【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(二)

Kymera Mach 4配备了锋利的圆锥形碳化钨刀片,将其镶嵌于牙轮切削结构,取代之前Kymera钻头使用的更钝或更圆的刀片,切削齿也更紧密

随后,开发商使用了一个16in的Mach 4钻头,以87 ft/hr(26.6米/小时)的ROP进行作业。与其他PDC钻头相比,Mach 4钻头的ROP增加了40%,比Kymera XTreme混合钻头增加了26%;与同种井况使用的PDC钻头相比,Mach 4将井深延长了14%,为运营商节约了10.5万美元的成本。Freeman说:“PDC切割结构配置了锋利、致密的锥体,同时还增加了刀片数量,大幅提升了钻井效率。

与Kymera Mach 4钻头类似,Dynamus钻头开发的主要目的是延长钻头使用寿命并提高ROP,特别是在坚硬和磨蚀型地层中。BHGE将已开发但尚未投入使用的技术应用于Dynamus钻头中:StayTrue金刚石组件和StayCool 2.0切削齿。

StayTrue原件采用凿子形设计,沿着钻头刀片排布。在进行钻井作业时,StayTrue首先与岩层接触,并形成凹槽。由于其具有凿子形状,保持在凹槽内移动,防止钻头剧烈震动,提高钻头横向稳定性。“通过更稳定的方式保持钻头工作,所有施加在钻头上的能量都会被用来切割地层,而不是以振动的方式损失。”Freeman提到,在一次使用Dynamus钻头的钻井作业中,开发商将BHGE的MultiSense动态测绘系统安装在钻头上以测量振动,与标准钻头相比,Dynamus的振动减少了90%。

传统的PDC切削齿为平表面设计,但StayCool 2.0切削齿的中心处采用凹陷设计,四周还有一个唇缘设计。随着地层的钻进,StayCool 2.0切削齿表面的钻屑更容易清除,有效防止摩擦和过热。“在标准切削齿上,岩层始终与其表面接触直至达到指定深度,才将切削齿与岩层分离,保持低温状态可以最大程度地减少钻头上金刚石的热解,使切削结构更加锋利。”

自2017年夏季投入商业应用,Dynamus钻头在Permian、Eagle Ford、SCOOP、STACK、Bakken、Niobrara、Marcellus、沙特阿拉伯、科威特、加拿大、阿曼以及北海和墨西哥湾的钻井工作从未停止。Freeman指出,Kymera系列钻头的市场占有率达到了BHGE PDC钻头组合的20%。

在2017年Midland盆地的一次钻井作业中,Dynamus钻头帮助开发商将ROP提高了32%。而在之前的作业中,由于垂直井段钻头与地层高强度接触,钻头受到了明显的磨损和冲击,需要多次下钻(12-1/4in钻头)才能完成整个钻井作业;另外,由于钻进方向控制不佳,ROP 也有所降低,需要经常进行钻井方向更正。

在Dynamus实际应用中,其单次下钻就完成了6194ft(1888米)的钻井作业,钻进距离超出了其他所有同类型作业中的12-1/2in钻头; ROP达到84ft/hr,比其他钻头快32%;此外,在作业完成后,Dynamus的钝化状态为1-1,而在使用相同钻机、井况类似的作业中,同类型钻头的钝化状态为3-4。

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