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切削齿结构新设计 提高钻井效率

新型切削齿结构提高钻井效率

NOV推出的新型切削齿在实际应用中大幅提高了钻井效率。

编译:惊蛰

钻头设计的发展速度,远超油田使用的其他任何井下工具。激烈的竞争,以及在不同条件下实现更高性能、更高耐用性的需求,推动了厂商不断的迭代研发、推陈出新。在设计过程中,工程师需要清楚地了解钻头失效的原因,以及切削齿与地层中不同类型岩石之间的相互作用。每个设计的终极目标都是利用数据开发出最好的钻头,使作业者能够破纪录的进行钻进作业,从而缩短钻井时间,节约作业成本。

市场普遍认为PDC钻头优于牙轮钻头,提升钻头性能的关键通常是本体设计与切削齿结构。为了应对高难度钻井作业的持续增长,国民油井华高公司(NOV)的ReedHycalog事业部利用Tektonic钻头平台上的ION 3D切削齿,开发出一种新型Chainsaw切削齿结构。

Tektonic钻头可针对各种应用进行定制与优化,以帮助作业者在特定挑战中实现最大价值。该钻头拥有先进的本体几何结构,并配备NOV最新一代的切削技术ION,有助于提高机械钻速(ROP),最大限度地缩短非生产时间(NPT),从而降低钻井作业的每英尺进尺成本。ION系列的高性能切割齿,主要是3D切削齿,凭借其优异的切割作用,可以钻穿多种类型的地层。

这些切削齿具有基于应用的几何结构,通常可以提高破碎中硬地层的能力。由于这种切削齿拥有凿形边缘,因此向地层施加的点载荷会精准传递至表面,从而产生地下裂缝,有助于更快地钻穿岩石,且不会牺牲钻头寿命。得益于更先进的制造工艺与方法,从成本角度考虑,高性能切削齿的设计也更加可行。业内逐渐转向利用切削齿设计,来解决特殊挑战。Chainsaw的概念使上述想法更进一步。

这种新型切削齿结构旨在提高钻头的破岩效率,将ION 3D切削齿与圆形切削齿结合在一起,可获得最大破岩效率。ION 3D切削齿可提供切割页岩所需的剪切、压碎切割作用,其光面设计减少了齿面上的岩屑摩擦,提高了整体钻井效率。以一种新的排列方式将两种切削齿布置在钻头上,增加了其有效范围,因为仅使用单一的切削作用并不总是最有效的方法。此外,这种切削齿结构实现了异形切削齿与圆形切削齿之间的平衡,可基于特定应用中的挑战与岩石类型进行设计。

ReedHycalog能够为Permian区块的客户提供性能提升,在很大程度上归功于其对Permian区块销售、设计与作业的专注。Permian区块之所以能够迅速发展,其关键是针对该地区不同钻井工况量身定做的钻头。利用Tektonic平台,新钻头可在水平段提供更高的ROP与可导向性。通过将该平台与ION切削齿以及耐用性更高的新型组件相结合,这些钻头在钻穿硬质地层或夹层时拥有更长的寿命。利用当地的设计工程师与专门的支持工程师,公司可以确定出需要改进的地方,结合当地特点,设计出新钻头,继续为客户提供更好的性能与支持。

在美国德克萨斯州,开发商需钻穿砂岩、石灰岩、粉砂岩与泥岩的互层,同时还需保持横向的稳定性,尽量缩短钻井时间。先前使用的钻头在钻进更短的水平段时,ROP不够高,切削齿也经常损坏。然而,换用Chainsaw切削齿结构的8.75寸Tektonic钻头,钻井效率提高了9%,平均ROP提升了10%,而且钻至完钻井深后,钻头的磨损情况良好。

同一地区的另一作业者需要从造斜点开始钻穿高度互层的地层,钻出9.875寸的造斜段,同时还要实现高造斜率,维持定向能力,提高钻头的ROP与耐用性。选择精心设计的9.875寸钻头,该开发商的平均造斜率为6.6度/100英尺,最大造斜率达到12.5度/100英尺。整趟钻的表现也颇为优异,钻了1005英尺,ROP为23.4英尺/小时,超过了平均值。钻头的前倾刀翼形状可帮助钻头更好的匹配所受钻压,而优化的螺旋刀翼结构有助于降低切削齿与岩石之间的局部约束压力。

Permian区块的成功开发,与通过钻头选择和设计实现的性能提升息息相关。除了增加ROP之外,先进的钻头还必须能够有效地钻穿不同岩性、不同类型的岩石。作业者一直关注的领域是量身定做钻头,以解决特定的挑战。钻头设计师们呕心沥血,基于现有产品,不断推陈出新,以在更长、更复杂、井况更恶劣的水平段内获得成功。通过持续创新与现场测试,ReedHycalog再次兑现了自己的承诺:致力于满足油田作业者的需求。

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