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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(三)

【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(三)

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。

有备而无患

“切削齿/镶嵌齿的形状、材料改善都可以提高钻头耐用性和ROP,钻头切削齿的排布也是如此”,Halliburton的Campbell表示。2018年3月下旬,该公司推出了一种全新的切削齿布局方式—Stega,一种具有径向配置的备用切削齿。

据Campbell介绍,布置径向备用切削齿所起到的作用与尺寸更大、更锋利的切削齿相同,但不同的是,备用切削齿不会削弱钻头的耐久度。“更大的切削齿会更‘猛烈’地撞击地层并提高ROP;然而,大尺寸切削齿的立体切割结构较差,磨损得更快。Stega可以实现大切削齿钻头的钻进速度,同时还可提高钻头的耐用性。”

【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(三)

通常情况下,备用切削齿紧紧位于主切削齿后面,但这会导致备用切削齿被动地磨削岩层,产生摩擦和热量,造成钻头损坏。

2017年一季度,开发商采用 Stega布局的钻头进行科威特一口井的钻探工作,该井量深2900ft、井眼尺寸9-1/4ft。该井段首先要穿过Zubair地层(一种柔软的砂岩,有页岩夹层),随后经过Ratawi地层(由页岩、砂岩和石灰岩组成,有页岩夹层),最后通过Minagish地层(一种非常坚硬的低孔隙石灰岩)。可想而知,面对如此复杂的地层构造,一次作业使用两个钻头并不罕见。

Campbell表示:“在钻遇这种复杂的地层时,很难设计出同时具有足够耐久度又具有高ROP的钻头。”当复杂地层遇到Stega,开发商仅使用一个钻头就完成了作业;同时钻进距离加倍,平均ROP达到19.84ft/hr;作业完成后,钻头钝化状态为1-1。“整个作业过程只使用了一个钻头,消除了更换钻头的作业时间损失,同时还保持了较高的 ROP。总的来看,我们为开发商节省了一次下钻和一个钻头的费用。

在阿根廷Mulicinco地区的另一个钻井测试中,Stega钻头的每次下钻都使钻进距离翻倍,钻进深度由1250ft提高至2395ft。“之前的ROP是21.9ft/hr,而Stega钻头的ROP也达到了20.9ft/hr;ROP非常接近,但钻进距离却翻倍了。”

除了科威特和阿根廷,采用Stega设计的钻头在北海、阿曼以及美国落基山脉地区都得到了应用。

Stega于2017年投入商业应用,是哈里伯顿GeoTech固定齿PDC钻头系列的一项可选设计。“GeoTech旨在将哈里伯顿最新的材料、建模和切削结构技术有机整合成为设计平台,现场工程师可以根据用户的需求进行调整。”

新配置 高强度

近日,Smith钻头也推出了新型切削齿布局,能够降低钻头磨损,减弱长时间钻进过程中的钝化过程。Long表示,“高效钻头的开发就像一场竞技游戏,目的是让钻头切削结构在整个作业过程中都保持锋利,并得到高ROP。”2017年11月,Smith公司推出了Xplorer Helix螺旋TCI(碳化钨硬质合金刀片)配置钻头,这是一种牙轮钻头,切削齿采用螺旋布局。“Xplorer Helix的螺旋布局增加了刀片与地层的接触面积,每次钻头旋转镶嵌齿都会与地层全面接触,提高钻进效率。”

Long表示,如果牙轮钻头上的TCI采取常规的向心排列方式,那么很可能会发生卡钻问题。随着钻头的钻进,牙轮钻头会在地层中产生小凹槽。“如果钻头钻遇这些凹槽,钻井效率就会降低。螺旋布局则会消除这种负面影响,确保每个镶嵌齿与岩层全面接触,降低了刀片受损风险,防止刀片断裂,使切削结构保持锋利。”

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Xplorer Helix上的硬质合金镶嵌齿呈螺旋形排列,与轴向排列相反。螺旋布局降低了卡钻风险,确保切割结构保持锋利

Xplorer Helix的螺旋布局由IDEAS集成有限元分析&动态设计平台模拟完成,内容包括TCI布局在钻遇不同岩层时的工作状况。“我们进行了钻井状态模拟,考察了镶嵌齿与岩层的接触方式,以及如何将这种优势转换为ROP。然后通过不断的计算迭代,创建了最合理的切削结构。”

Long指出,公司以前就曾考虑过开发螺旋嵌入式布局的钻头。随着计算能力取得进展,直到最近才建造出更加复杂和逼真的模型,将Xplorer Helix配置的想法转变为现实。

2017年,Xplorer Helix配置钻头在科威特石油公司投入使用,该井为垂直井,井筒尺寸28in,钻遇地层包括软/硬复合的石灰岩蹭、白云岩、无水石膏岩和页岩层,井段量深为500~5,000ft,地层的压缩强度范围为6,000~24,000 psi。“在以往的钻井作业中,该油藏的高度夹层性质地层会导致切削齿损坏,降低ROP,降低钻井效率。”

在此次作业中,Xplorer Helix的ROP为43.9ft/hr,而类似状况的井筒中,常规钻头ROP仅为21.1 ft/hr,ROP提速高达107%。最终,新钻头为开发商节省了四个钻井工作日。“新钻头消除了卡钻风险,在整个钻进期间保持切削结构锋利,再加上更高效的破碎作用,进而使ROP增加一倍以上。”

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二丫
石油圈认证作者
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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