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钻头选择优化 钻进效率飞跃

钻头选择优化 钻进效率飞跃

岩石强度分析和集成有限元分析建模能够优化钻头选择!

编译 | 惊蛰

X井是一口深水勘探井,主要目标层是碳酸盐地层。传统作业中,来自邻井的钻头记录是钻头选型所参考的唯一主要数据源。由于数据的可用性极为有限,钻头选型需要依靠反复试验才能确定。

然而现在,岩石强度分析(RSA)软件成为作业前计划钻头选型的一种必需品。基于来自邻井的测井数据,RSA软件通过无侧限抗压强度(UCMPS)计算,已经为X井优化了钻头选型。

RSA软件可为钻井应用程序生成全面的地层评估和钻头选型分析,来自邻井的泥浆记录以往用于解释岩石类型。一些具有岩相分析能力的电子测井,比如伽马射线、压缩声波、密度、中子和电阻率分析,可以量化围岩状态和深度百分比。RSA软件能够提供18种岩石类型,包括砂岩、黏土岩、石灰岩等沉积岩,以及坚硬的火成岩和火山岩等。

钻头选型根据钻头在一定硬度地层的钻进能力来进行。RSA基于这一理论,将压缩声波测井转换为剪切声波,结合地层类型,可用于计算地层的UCMPS。除了钻井参数之外,UCMPS是渗透率(ROP)的主要参考数据。UCMPS还用于计算地层的磨损程度和冲击指数。基于带钻岩性、岩石UCMPS、地层磨损和冲击指数,RSA通过来自12500多口邻井数据,选择出具有适当切割结构组合的固定切削齿钻头或牙轮钻头、保径、液压结构和其他关键特性。

使用RSA软件可以分析邻井的地层特征。为了扩大地层分析的范围,同一地质区块中周围油田的几口井同时也进行了关联和分析。

RSA软件中的PDC钻头选型模块根据抗压强度、地层磨损和地层冲击来选择钻头的刀翼数量、切削齿型号和刀翼轮廓。如果地层比较坚硬,软件将会推荐较少的刀翼以及较小的切削齿型号,以提高钻头耐用性;如果地层主要由页岩和黏土岩组成,则会更容易发生钻头泥包,钻头应具有更好的水力优化,以改善其能力。为了降低由于磨损而导致钻头缩径的风险,应在钻头上增加适当地保径装置。

从RSA软件得到一般钻头选型参考后,执行基于FEA的仿真建模,以检查配备了某种钻头的钻井系统动态。由于所有组件都来自详细单独建模,因此该仿真模型相比于静态BHA建模更加精确。该仿真模型通过使用在实验室获得的岩石力学来模拟切削结构与正在钻探地层之间的相互作用。

模拟的结果可得出所有钻柱部件的钻探行为,包括振动、应力、扭矩,甚至是ROP预测。每个部分的分析顺序是:为每个部分模拟几个钻头选型,以对比钻井动力学。根据稳定性和渗透率确定最佳钻头;在获取最佳钻头选型后,通过更换工具布局、稳定器和切削结构之间的间距来优化BHA;随后制定钻井参数路线图,以作为在现场应用的安全钻井参数指南。

在此次研究中,包含了对8.5英寸和6英寸两部分钻头选型的优化。对于8.5英寸部分,用基础BHA模拟两个不同的钻头选型,已确定最稳定的钻头。第一个钻头是一个带六个刀翼和双排16毫米切削齿的PDC钻头。第二个钻头具有单排切削齿。

该模型使用两个不同深度处的设定钻压和转速参数来进行模拟、在RSA分析的基础上,将模拟中的岩性设定为石灰岩15-20 kpsi UCMPS、页岩2-5 kpsi UCMPS。横向、纵向和扭转振动;ROP对比;回执PDC钻头和随钻测量工具产生的受力和变化趋势,以找到最稳定的钻头选型。

模拟结果表明,单排切削齿(钻头2)的钻头设计比另外一个钻头(钻头1)更稳定;横向振动更低。这些钻头产生类似粘/滑的趋势,但钻头2的值则略低一些。就ROP而言,与钻头1相比,钻头2在碳酸盐地层和页岩地层中的钻井速度通常更快,两个模拟钻头都可以保证井的垂直轨迹。

为了获得安全钻井参数路线图,为振动设定了阈值。即使钻头2产生的振动相对较低,但实际上该值仍被认为是较高的,尤其是钻头处的横向振动量。为了最大限度地减少振动,对BHA进行优化十分必要。

如果持续的时间长,这种横向振动值会导致刀翼损坏和钻井效率底下。振动的阈值审定为中等至高等水平。使用与之前相同的参数和钻井环境模拟了结果BHA选项。基于此完成的优化结果包括将马达稳定器尺寸从8-3/8英寸改为8-1/4英寸,并将马达壳体弯曲度数从1.15°减小到0.78°。

使用钻头2和优化后的BHA进行仿真模拟,得出了一个安全钻井参数路线图。该路线图包含钻头和所有BHA组件,比如马达、稳定器和MWD工具等。

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