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新设计解决老问题 钻井效率大幅提升

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钻头是影响钻井作业效率的关键,其本身的切削齿分布、结构等都会对其实际应用产生较大影响。

来自丨E&P
编译丨Demons 大安

牙轮钻头是一种常用钻头,经过了长期的实际应用,自从20世纪早期投入使用以来,历经多次改进,持续地满足了不同地层的钻进需求,帮助钻井工艺不断取得新突破。钻头采用锥形牙轮,牙轮周边镶嵌尖状切削齿,随着钻杆的旋转在井底旋转前进,持续破碎岩层,并通过流体喷嘴将岩屑清除。

20世纪50年代早期,随着碳化钨镶齿工艺的发展,钻头技术取得了突破性进展,一种更加耐磨的切削结构应运而生,它尤其适合于坚硬地层的钻井作业。通常碳化钨镶齿钻头在几个同心齿排上安装切削齿,在钻进过程中,每排齿向外形成同心环,但是由于相邻齿排之间的啮合或重叠,切削齿会在钻进中形成岩石脊峰,使钻头又重新回到追踪进入排齿之间的沟槽或孔洞中。这种钻头追踪现象降低了钻头井底覆盖面积,对镶齿增加了额外应力,常常会加剧镶齿磨损,导致机械钻速降低,延长钻井时间。

随着数字模拟和模型技术的进步,斯伦贝谢子公司Smith Bits设计了Xplorer Helix螺旋碳化钨镶齿结构钻头。该钻头可以解决上述问题,满足作业者不断提高钻头性能和油田经济效益的需求。2017年11月,作为Xplorer高级牙轮钻头组合的一部分研究内容,Smith Bits公司采用独特的设计理念,将镶齿以交错、螺旋式布置于钻头上,使得机械钻速在某些条件下提高20%到50%以上。

交错布置使更多的切削齿与地层岩石接触,提高了钻头井底覆盖面积和岩石破碎效率,同时以螺旋方式布齿,避免了钻头追踪问题,防止切削齿磨损,这种耐磨的螺旋碳化钨镶齿结构尤其适合大位移井钻进作业。

数字平台促进钻头开发

螺旋碳化钨镶齿结构开发18个月来,Smith Bits进行了IDEAS集成动态设计/分析平台以及完全钻井模拟,其中IDEAS采用包括时间在内的四维模拟程序模拟整个钻柱和井身结构,确保得到钻头切削面的精确模型。通过机械分析和模拟程序,在虚拟环境下实时展现钻头和地层的相互磨铣过程。目前该模型已通过多次理论计算、有限元分析软件和室内全尺寸钻井实验验证。

钻头开发中,首先设计的是基准钻头和钻进目标参数,包括钻头耐磨性、振动、导向能力和机械钻速。通过初次模拟程序确定钻头基准性能后,再结合螺旋镶齿布置结构和其他不同的钻头参数来调整基准钻头设计,之后再次模拟调整后的钻头性能,通过测量机械钻速或钻井速度来证实新钻头的性能。通过这种方式,新钻头的机械钻速可以提高15%到20%,由于模拟过程非常准确,工程师们可以直接将该钻头用于现场钻井作业中,确保首次应用中就会提高钻进性能,减少昂贵的现场试验。

碳化钨镶齿牙轮钻头适用于任何类型的钻井作业,已在全球范围内各种地层中广泛际应用,包括美国东北部地区。目前,世界范围内大约有20%的钻井作业采用该钻头,而在中东坚硬碳酸盐岩地层钻进中,超过40%的钻头为碳化钨镶齿牙轮钻头。

机械钻速提高

科威特石油公司在1372米软硬交互地层钻进中,为高级牙轮钻头配置了螺旋碳化钨镶齿结构,有效提高了机械钻速。而以往使用的钻头都会在该地层中磨损、发生故障,本次作业的目的就是在不影响井眼质量和钻头锋利度、切削结构前提下,提高机械钻速。

井筒为尺寸28in的垂直井,目标井段量深152 -1524m,钻遇地层包括灰岩、白云岩、硬石膏和页岩的软硬交互层。在最初采用常规碳化钨切削结构钻进时,发现地层无侧限抗压强度达到6000-24000psi,对钻头形成冲击,磨碎切削结构,导致机械钻速降低。

为保证切削结构的锋利以及钻头密封、承压能力,科威特石油公司采用了螺旋碳化钨镶齿结构,在之后的钻进中避免了上述问题,并能一次钻至总深度。

螺旋碳化钨镶齿结构为钻井作业设定了新标准,在相同钻井作业中,其机械钻速要比目前最快的钻头钻速提高107%,节省钻井时间4天。此外,现场证实,钻头起出后仍保持较好的锋利程度。

在中东三个油田的钻井作业中,螺旋碳化钨镶齿结构钻头要比常规钻头机械钻速分别提高70%、37.5%和51.8%。

在中东三个油田的钻井作业中,螺旋碳化钨镶齿结构钻头要比常规钻头机械钻速分别提高70%、37.5%和51.8%。

在中东另外一次应用中,作业者在三个软灰岩层油田钻进中采用螺旋碳化钨镶齿结构的牙轮钻头,提高了平均机械钻速。作业目标井为多分支井,量深为450-1200m,层段内存在页岩与灰岩的交互层,地层无侧限抗压强度为4000-8000psi。

为了应对难钻地层并获得较高的机械钻速,开发商和Smith Bits决定选用6-1/8in的高级螺旋碳化钨镶齿结构牙轮钻头。相比常规钻头,新型钻头的机械钻速在三个油田中分别提高了70%、37.5%和51.8%,大大降低钻井时间。

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