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有了定制设计,钻头可轻松提速50%以上

有了定制设计,钻头可轻松提速50%以上

TriForce凸面切削齿与FANG楔形切削齿的成功应用,证明了钻头定制设计的灵活性、可靠性与及时性。

来自丨E&P
编译丨TOM

PDC钻头切削齿的形状几乎每周都会发生改变。几何结构、方向、切削结构位置以及其他切削齿特征的不断创新,正是源自于设计能够快速转变为现场实际应用的能力。

在德克萨斯州与俄克拉荷马州最近一系列的钻井作业中,已经应用了两种不同切削齿,一种是脊状凸面切削齿,其设计目的是为了将岩石犁开;另一种是新式楔形切削齿,它将切削齿布置在间断、无序的位置,以改善岩石破坏机制。

这两种切削齿的改进都是基于钻头一体化设计,该设计利用真实世界的建模与测试来协调包括刀翼与水力学在内的多个钻头特性。这些切削齿与其他切削齿设计的早期成功证明了钻头定制方案的灵活性、可靠性与及时性,这些定制方案还可提高特定应用中的钻井效率。

凸面切削齿的应用

TriForce凸面切削齿首次成功应用于德克萨斯州西部Delaware盆地的一口井中,紧接着又在俄克拉荷马州进行了钻进应用。在第二次应用中,该切削齿的机械钻速比邻井的常规切削齿提高了70%,与竞争对手的凸面切削齿钻头的性能相差无几。后来推出了第二代TriForce切削齿,并进行了现场应用。由于该切削齿在测试阶段表现出了强大性能,使作业者要求在未来更多地使用该凸面切削齿。

TriForce切削齿采用脊状外形,将应力集中于非常小的前缘上,以便更容易破碎与犁开岩石(如图1)。在相同的钻头行程下,该切削齿可移除更多的岩石,从而达到更高的机械钻速。切削齿表面有三个从中心向外辐射的凸脊,它们之间的夹角为120度。切削齿是定向的,因此其中一个凸脊会垂直于地层或垂直于切削面。由于另外两个凸脊不与地层啮合,在钻头旋转时会转动切削齿,以对准新的凸脊。

有了定制设计,钻头可轻松提速50%以上

图1. TriForce切削齿的脊状面可将应力集中于破坏与犁开岩石,以达到更高的机械钻速。

TriForce切削齿首次应用于Delaware盆地,钻穿白云岩、灰页岩与砂岩地层,以钻至Brushy Canyon层位的靶点。切削齿布置在12.25寸六刀翼Raider钻头上的主要切削位置,并带有Hydra液压组件。该测试的目的是评估新设计切削齿在钻穿Brushy Canyon地层时的有效性与性能。

在此之前,该钻头使用常规切削齿进行的钻井作业是非常成功的,以23.6米/小时(77.6英尺/小时)的平均机械钻速钻进了大约1676米(5500英尺)。当使用TriForce切削齿后,该钻头以22.4米/小时(73.7英尺/小时)的机械钻速钻进了1808米(5932英尺)。切削齿的磨损分析表明,与该地区的传统组件相比,切削齿具有适度的磨损。利用第一代测试切削齿就能达到如此性能,说明TriForce切削齿拥有很好的发展前景。

为了进一步测试切削齿,在俄克拉何马州中部的Stack地层中进行了第二轮测试。该井段需要钻穿砂岩夹层、石灰岩以及具有中高研磨性的页岩。切削齿布置在8.75寸六刀翼Voyager钻头的主要切削位置。该钻头的进尺比邻井平均值高3.2%,机械钻速比所有邻井的平均值高70%,与竞争对手的凸面切削齿钻头的性能相差无几。任何切削齿都没有磨损,包括TriForce测试切削齿。

第二代TriForce切削齿应用于俄克拉荷马州的另一口井中。该切削齿优化了凸面的几何形状。钻进作业位于Stack地层的水平段,这是一个中低研磨性的灰岩地层。测试切削齿安装在8.75寸六刀翼Voyager钻头的主要切削位置。它钻了352米(1155英尺)的井段,基本达到邻井平均值的80%,机械钻速为8.9米/小时(29.4英尺/小时),接近邻井平均值的88%。测试切削齿的表现与中等磨损鼓舞公司进行了额外的测试。

楔形切削齿的优势

切削齿性能的创新还包括它们如何布置在切削结构上。在俄克拉荷马州Stack地层的一口井中,按照专利方法,断续地在次要位置安装楔形切削齿,可显著提高钻头性能。

断续的FANG楔形切削齿通过预先破碎较小的接触区域来提高破岩效率,使每次旋转钻头都能移除更多的岩石。

新布局将楔形切削齿安装在次要位置。这些楔形齿可置于标准切削齿切削路径的任意一侧。通过最初应用可发现,如此布置切削齿(如图2),可显著提高钻头破碎与移除岩石的能力。

有了定制设计,钻头可轻松提速50%以上

图2. FANG切削齿(红色)可安装在传统圆形切削齿切削路径的任意一侧,从而能够在钻进过程中破碎与移除岩石。

此次测试的目的是提高现有钻头的机械钻速。配备有FANG楔形切削齿的8.75寸六刀翼Voyager钻头应用于高抗压强度的Meramec地层的水平段。

该钻头最终进尺为1281.6 m(5189英尺)比平均值高32.3%,机械钻速为21.6米/小时(72英尺/小时)高于平均值52.8%。楔形切削齿的状况良好,磨损等级与平均值持平。测试目标得到了充分满足,计划将进行更多应用以记录其性能。

未来趋势

这些切削齿解决方案的应用表明,未来想要提高钻井作业效率,将愈发需求定制化设计,以改善具体的应用。快速精确地从概念阶段发展到现场应用,意味着业内可以轻松、有信心的探索提高机械钻速与钻进进尺的新方法。

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