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硬質巖石?磨蝕性巖石?備用切刀幫你解決

硬質巖石?磨蝕性巖石?備用切刀幫你解決

新型的備用切削齒設計,既不犧牲機械鉆速,還能延長鉆頭壽命。

來自 | World oil
編譯 | 周詩雨

近幾年來鉆頭性能改善的主要驅動因素之一,是人們開始有針對性的為施工開發出效率更高的新型切削齒布設方法。如果鉆進遇到軟地層與硬質、磨蝕性地層交錯的情況,通常的做法是使用至少兩個(PDC)鉆頭:一個攻擊性強點的鉆頭(金剛石體積鉆頭)來鉆軟地層段,另一個攻擊性弱點的鉆頭(具有更多的鉆石體積)來鉆硬質磨蝕地層段。

由于需要起下鉆替換鉆頭,因此這種做法會大大增加作業成本。如果鉆頭過早發生損壞,還需要進行計劃外的起下鉆和鉆頭,更進一步增加了成本。為了改進這一點,人們通過在鉆頭上加了一排齒,從而實現用一個鉆頭替代兩個鉆頭的想法。這些齒也被稱為備用齒,當主切削齒磨損嚴重時,備用齒會承擔切削任務。這樣的做法增加了鉆頭進尺,但是會降低鉆速。

具有備用切削齒的PDC鉆頭通常有兩層切削元件。第一層由主切削齒構成,第二層由備用切削齒構成。備用切削齒作為第二級切削結構,會在主切削齒被顯著磨損后幫助切削地層。然而只要主切削結構的狀態良好,備用切削齒的切割深度(DOC)就會受限。

新型切削結構

Halliburton的鉆頭服務公司(HDBS)推出了一種優化備用切削齒布設的新型切削結構設計,不僅可以延長鉆頭壽命,也不會犧牲鉆速或者導致某些施工成本的增加。該方法解決了以下難題:

1.當主切削齒所受的磨損較少或沒有磨損,并且鉆頭DOC沒有超出限值時,能夠保證備用齒不會不必要地參與切割。這一點是通過給備用齒設計了一個最小臨界DOC值(CDOC)實現的,該CDOC值比主切削刀的DOC更大。

2.當標準主切削齒的磨損深度等于或大于備用齒的暴露程度時,確保備用齒開始被用作主切削齒。這一點是通過將每個備用切削齒旋轉分布在主切削齒后面大約180°或更大角度來實現的。根據主切削齒的預期磨損度以及從預期鉆井參數和巖石強度得出的鉆井斜率,能夠仔細計算出每個備用齒相對于主切削齒的暴露程度。

為了確保備用齒能夠按照設計工作,哈里伯頓將一個切削齒磨損模型以及新開發的軟件集成到了鉆頭設計工具中,用來計算備用齒的徑向分布位置和暴露程度。該軟件有助于展示主切削齒和次切削齒在不同的作業條件和巖石強度下是如何與地層相接觸的,還能夠展示如何在不增加切削結構負載的情況下提高切削效率??傊?,備用齒的分布應符合以下條件:

1.與主切削齒類似,在鉆頭上按軌跡分布或位于相同的半徑位置處;
2.相對主切削齒的角度位置應大于或等于180°;
3.齒暴露深度應大于或等于其主切削齒的預期磨損深度;
4.當主切削齒沒有磨損時,CDOC,即預期的DOC應大于或等于零。

理想狀況是每個備用齒都具有相同的CDOC,這樣當實際的DOC大于CDOC時,所有的備用齒要能同時接觸到地層。因此,當主切削齒沒有發生磨損時,備用齒實際是在控制DOC。這種CDOC的設計確保了在鉆頭磨損發生之前,能夠擁有最大的鉆井效率。

PDC齒較為耐磨,但仍然容易受到與其他材料相同的磨損機制,最主要的就是摩擦。當切削齒開始被磨損時,更多的齒面積被暴露在巖石中,這會導致PDC元件切割效率的降低。大部分能量都被損耗在了由于接觸面積增大而產生的摩擦上,而不是用在了巖石破碎上。摩擦增大會轉化為熱量,反過來又加速了磨損,最終導致磨損迅速加快的惡性循環。

圖1所示為新型切削齒的布設圖。這種新的布齒方法打破了上述的惡性循環—當發生快速磨損之前,會有鋒利的切削齒接手破碎巖石的任務。而關鍵就是正確布設齒的位置,如果齒接觸地層太早、太遲,或在錯誤的位置,都可能沒有任何收益。對工具設計和鉆頭磨損過程的正確理解確保了這種設計方法的成功。該新鉆頭的現場應用實例證明,該設計不僅顯著地提高了鉆頭壽命,還不會降低鉆速。

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圖1.標準備用齒布局(左)與新型備用齒布局(右)

現場應用

在阿根廷Neuquén盆地被稱為Mulichinco的致密、磨蝕砂巖中鉆進一段6-3/4英寸的水平段時,便應用了這種新鉆頭。通常鉆這1100米的井段需要換幾個鉆頭才行。最大的難題是鼻部齒和肩部齒會出現嚴重的磨損,切削齒結構的損壞會導致在相同鉆井參數下鉆速的下降。由于所鉆地層具有磨蝕性,沖擊檢測器也作為DOC元件被安裝在了朝鉆頭中心的方向,防止內部或錐形的切削齒過多切入地層,更好地保護切削齒結構。

在新設計中,備用切削齒被安裝在特定CDOC處的鼻部或肩部區域,防止刀具過早發生磨損或損壞。

備用齒的暴露長度都設計為特定的CDOC,這樣能確保所有的備用齒在主切削齒被磨損后能夠承擔主切削齒的功能。所有的備用齒都被設計旋轉布設在主切削齒后面。

在實際鉆進時,主切削齒和備用齒的磨損深度都遠小于先前的設計,新鉆頭在同一地層中鉆井的距離幾乎是以前的兩倍,如圖2所示。這樣新鉆頭的設計也就達到了目標。表1對比了之前的設計和新鉆頭的表現。新鉆頭的鉆速也達到了類似水平的鉆速。

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圖2.在Neuquén盆地鉆井后,對鉆頭的磨損情況逐個刀齒進行對比。上圖是之前的設計,下圖是新設計。我們可以注意到即使新鉆頭所鉆的長度是舊鉆頭的兩倍,但新鉆頭的切削齒的圓度還更好。

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新老鉆頭性能對比

第二個現場應用實例是在科威特西部Rahaya油田。甲方需要在Zubair的磨蝕砂巖段和Ratawi的頁巖段和石灰巖地層中(約335米厚)鉆一個井眼直徑為9-1/4英寸的垂直井段,總長度為891米(2898米至3885米)。在過去對于這種難度的地層,至少需要兩個PDC鉆頭才可以完成:一個高度耐用的鉆頭,用于鉆Zubair砂巖層和其他層段;一個更攻擊性更強的鉆頭來鉆Ratawi頁巖和石灰巖。

在對鄰近井的鉆頭表現進行了一次細致的研究后,發現第一個鉆頭的鉆切削齒磨損量需要降低,才能完成Zubair砂巖段的鉆井,并在Ratawi頁巖層保持較高鉆速。而第二個鉆Ratawi頁巖和石灰巖的鉆頭,切削結構則設計合理,能夠滿足性能要求,并維持了一個較好的狀態。為了降低運營鉆井成本,哈里伯頓建議通過對備用齒進行合理布局,有可能只需一個鉆頭就能鉆完這一段,降低總作業時間。

研究表明,當鉆速保持在120時,所有備用齒的CDOC都應該在1.14 mm/rev左右。這就意味著當鉆頭鉆速小于或等于8 m/hr時,備用齒不應該接觸到地層。此外,當主切削齒的磨損深度接近0.58mm到0.66mm厚時,鼻部和肩部的備用齒應該變為主切削元件。

采用與之前所述的相同原則,一個新的鉆頭就設計成功了。對于該七刀翼鉆頭,所有的備用齒都旋轉分布主切削齒后面的四個刀翼上。例如刀翼4上的備用齒是對應刀翼1上的主切削齒,大約在主切削齒后方210°的位置。所有的備用齒的CDOC都是相同,為1.14 mm/rev。當實際的DOC超過1.14 mm/rev后,所有的備用齒都會同時接觸到地層。因此,當主切削齒沒有發生磨損后,所有的備用齒都可視為DOC的控制器。

新設計的鉆頭總共鉆井了891米,這是西科威特Rahaya油田最長的鉆頭進尺。鉆頭鉆進了整個Zubair、Ratawi和Minagish地層,平均鉆速6.05 m/小時,比鄰近井的鉆頭鉆速都要快。鉆頭的切削結構也保持了良好的狀態,磨損等級為1-1-WT-A-X-I-NO-CP/TD。

結論

通常在磨蝕性作業中,鉆井效率和鉆速之間,耐久性和耐磨蝕性之間是需要進行平衡妥協。攻擊性更強的鉆頭通常開始鉆的快,但是會很快磨蝕,并損傷鉆速。安裝了備用齒的攻擊性更弱的鉆頭,雖然由于齒多了,鉆頭的壽命延長了,但鉆速卻降低了。哈里伯頓團隊所采用的新建模技術,以及對切削齒和鉆頭之間關系的深刻理解,幫助他們設計出能夠應對不同鉆井斜度和磨損程度的鉆頭。該技術最終設計出的鉆頭,不僅能夠延長鉆頭的使用壽命,對鉆速的影響還非常小。

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