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油價回暖,鉆頭技術發展突飛猛進(上)

油價回暖,鉆頭技術發展突飛猛進(上)

油價上漲、鉆井業務量的增加,促使制造商針對各種地層研發更高效的鉆頭水力參數,利于松軟地層、硬/研磨性地層的清巖,另外鉆頭廠商還設計了提高定向鉆井一次成功率的新技術。

來自 | World oil
編譯 | 白小明 影子

隨著PDC切削齒技術的不斷發展和鉆頭穩定性的提高,PDC鉆頭已經成為全球鉆頭市場的主導產品,實際上已取代了古老的牙輪鉆頭。PDC鉆頭有著高機械鉆速、無與倫比的耐久性,這使其成為高、低鉆井成本預算下的首選工具。即使在復雜的、按常理須使用牙輪鉆頭的地層,PDC鉆頭也基本上打消了使用者的各種擔憂。如今的PDC鉆頭技術更多的是帶來積極的性能,并從根本上降低了每米成本。

切削深度控制元件

哈里伯頓的Cruzer滾動元件改善了對切削深度的控制,帶來了多種性能優勢,如圖1所示。新的PDC鉆頭設計技術提高了對切削深度的控制(DOCC),減少了元件的能量損失,從而提高了鉆井性能。它有助于最大限度地提高ROP,同時提供更好的工具面控制,保證軌跡控制的連續性。

眾所周知,在鉆井過程中保持PDC切削齒與地層的連續接觸有助于最大限度地降低扭矩波動、振動和沖擊引起的切削齒損壞。雖然這些DOCC元件確實有助于減小切削齒與地層接觸的變化和降低相關鉆井問題,但其卻是以犧牲破巖能量為代價的。

新的DOCC元件可以滾動,可以降低由于地層變化或振動引起的切削齒與地層的過度接觸,而不會影響破巖能量。由于其滾動性質,金剛石和硬質合金軸承降低了摩擦系數,確保了產生的熱量較低并降低了扭矩。因此,切削齒用于剪切巖石的大部分扭矩都用于了破巖,這提高了鉆井效率,而切削深度的連續性增強了對工具面的控制。

滾動軸承設計包含了一個新穎的鎖緊機構,使元件在整趟鉆進過程中保持原位,并在不妨礙其滾動動作的情況下提供連續的切削深度控制。除了增強耐磨性外,Cruzer也很容易修復,因此鉆頭可以多次重復使用,提高了成本效益。根據具體的應用要求,小尺寸的封裝允許設計者將元件整合到現有或新鉆頭設計中。

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圖1. Cruzer切削深度控制滾動元件,可以在不影響鉆速的情況下提高鉆頭的耐用性和對工具面的控制。

為了針對特定的應用采用相應的技術,哈里伯頓的用戶接口(DatCI)設計流程,首先從向作業人員獲取信息輸入開始。通過各種分析工具,如模擬仿真、分析和軟件程序,設計團隊可以選擇適當的技術來幫助作業公司實現特定的目標。流程持續改進的特性使得應用專家能夠不斷提高鉆井效率并降低成本,做到精益求精。

應用案例

在北達科他州,當地的DatCI團隊認為將滾動DOCC元件引入到新的鉆頭設計中,可以解決一個復雜的定向控制問題,該定向段長285m,包括30米的直井段。鉆井工程師非常希望通過該定向段優化井眼軌跡,因為這是他們第一次嘗試完成三維井眼。

哈里伯頓的多特性鉆頭解決方案將DOCC滾動元件與8-3/4-in MMD55MU MegaForce PDC鉆頭結合。采用14m/h的控時ROP,鉆頭完成了315m的直井和定向段鉆進,成功地實現了復雜井筒設計的所有定向要求。

鉆頭起出后,評級顯示,與傳統的元件相比,DOCC只有輕微的磨損?,F場工程師對切削齒的評級為1-1-WT-S-X-I-NO-TD,這表明增加DOCC元件后,即使是鉆完30m的直井段后,鉆頭尖銳的切削齒仍保持著攻擊性。

用于夾層的切削齒

在鉆遇不同的地層時,鉆井公司仍在尋求降低成本、提高效率的方法。切削齒技術的進步使鉆井公司能夠比以往鉆更長的分支井。盡管取得了這些進展,但有著不同UCS(無側限抗壓強度)的夾層仍然是許多切削技術面臨的挑戰。較軟的頁巖與較硬的砂巖互層時,會造成鉆頭研磨性磨損,而硬白云石和燧石會使鉆頭過度振動,增加沖擊損壞的可能性。為了應對這些挑戰,國民油井華高(NOV)公司研發了ION切削技術,擴充了其Tektonic系列PDC鉆頭。

ION切削技術包含高性能的PDC切削齒,專門設計用于克服夾層面臨的挑戰。精選的金剛石材料和燒結壓力的提高,帶來了一種更耐久、耐磨的切削齒,通過深浸技術保持熱穩定性。為了獲得完整的性能指標,新切削齒經過大量的測試,結果表明在復雜的鉆井條件下,相比同類產品,新切削齒刀具可以取得更長的進尺,而磨損量更小。磨損量小可以帶來更快的ROP,從而取得更多的進尺。在巖石地層帶壓測試前,開發人員還使用FEA對切削齒的幾何形狀進行了優化,從而減小了鉆井扭矩和MSE,在相同WOB下提高了ROP。

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圖2.出井后的檢查顯示,以60m/h的機械鉆速鉆進2961米后的ION切削齒仍狀況良好。

應用案例

在俄克拉何馬州Stephens縣,一家鉆井公司需要在不犧牲鉆頭耐久性的前提下,快速完成一個8-3/4-in分支的鉆進。在研究了地層之后,公司認為所選的鉆頭需要平衡效率和性能,且切削齒需要更高的熱穩定性。NOV選擇了帶有ION切削齒的TK63鉆頭,以提高ROP。下入鉆頭后,總共取得1209m進尺,平均ROP為27.5m/h。此外,與鄰井平均值相比,配有ION切削齒的鉆頭磨損量少50%。前次入井的鉆頭ROP僅為9.6m/h,進尺為1015m。

在Williston盆地,一家鉆井公司希望從表層套管開始,采用5趟鉆,完成一口水平井的鉆進。他們采用了帶有ION切削齒的鉆頭,完成了上部直井段、下部直井段和水平段的鉆進。在水平段,鉆頭表現非常好,鉆頭以60m/h的機械鉆速,在49.6 IADC小時的周期內,完成了2961m井段的鉆進,如圖2所示。該趟鉆創造了用戶鉆井速度最快的記錄,公司還創造了最快鉆達完鉆井深的記錄,鉆井周期僅為8.18天。除去起下鉆時間,整個鉆井周期僅為5.04天,比鄰井平均值快了近20%。

組合切削齒

斯倫貝謝史密斯鉆頭公司(Smith Bits)推出了一種新型PDC鉆頭,該鉆頭采用了ONYX 360滾動切削齒和Stinger錐形金剛石元件。這種設計采用IDEAS集成動態設計和分析平臺完成,優化了切削結構,可以承受最惡劣的地層和井下條件。

將ONYX 360與切削結構結合,可以大大提高鉆頭的耐用性,因為切削齒可以360°旋轉,從而可以均勻利用整個金剛石齒的一圈來切削地層。與傳統的PDC切削齒相比,Stinger切削元件具有頂尖形狀和較厚的金剛石層,具備更優異的抗沖擊性。將這些元件放置在PDC鉆頭的主切削結構之后,可以保護PDC切削齒免受沖擊損壞,如圖3。通過結合獨特的切削元件,史密斯鉆頭公司研發了一種專門針對硬夾層的PDC鉆頭。結合新切削齒并放置合理,可以最大限度地提高鉆頭的進尺和機械鉆速。

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圖3.帶有滾動切削齒(鑲在右邊)和Stinger元件的鉆頭,無需專門使用孕鑲鉆頭即可完成全井段的鉆進。

應用案例

在鉆進埃及的Kharita地層時,一家鉆井公司遇到了研磨性砂巖、頁巖夾層。地層的無側限抗壓強度介于18,000~5,000psi之間,一些井段高達30,000psi。在前一趟鉆中,一只PDC鉆頭僅鉆進97m,鉆井公司不得不起鉆,下入孕鑲金剛石鉆頭來完成其余井段的鉆進。因此,鉆井公司最初形成了一個先采用滾動切削齒PDC鉆頭鉆150m,后下入孕鑲金剛石鉆頭完成余下井段鉆進的計劃。

然而,史密斯鉆頭公司設計了一種獨特的PDC鉆頭,將滾動切削齒與錐形金剛石元件加入到切削結構中。這只定制的PDC取得了288m的進尺記錄,平均ROP為3.7m/h,井斜介于5.75°~1.78°。鉆頭一次性鉆達完鉆井深,無需再下一趟孕鑲金剛石鉆頭。與鄰井相比,客戶節省了大約3萬美元,每米成本為最低。

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