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用渦輪鉆具攻克硬、研磨性地層

用渦輪鉆具攻克硬、研磨性地層

井下渦輪鉆具是常規馬達無法攻克的硬、研磨性地層的解決方案。

來自丨World Oil
編譯丨白小明

對于作業公司來說,鉆穿硬、研磨性地層常常意味著巨大和獨特的挑戰?!坝矌r石”通常指側限抗壓強度大于20000psi。鉆遇這種地層通常會遇到機械鉆速(ROP)低、振動大、井下BHA組件失效風險增加、頻繁起下鉆更換鉆頭和馬達等問題。所有這些問題都對增加鉆井成本影響很大。

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圖1. 渦輪鉆具和孕鑲金剛石鉆頭是硬、研磨性地層的一種解決方案。

通常,在這種惡劣的環境下,使用含泥漿馬達(PDM)和PDC鉆頭的常規井下鉆具組合(BHA)無法取得經濟有效的進尺和可靠性。

在這些情況下,人們忽略了井下渦輪鉆具是這種鉆井挑戰的一種有效的解決方案。通常,作業公司認為使用渦輪鉆井的成本太高,而選擇常規的泥漿馬達,后者更經濟且使用更普遍。然而,在許多案例中,這種選擇并不經濟。渦輪鉆具具備多種優勢,這使其非常適用于硬、研磨性地層,可比其他系統帶來更加經濟高效的表現。

例如,來自哈里伯頓Sperry 鉆井公司的Turbopower渦輪鉆具(圖1),具備一些獨特的優勢,使操作人員能夠更加高效地鉆穿硬、研磨性地層,減少鉆達完鉆井深的起下鉆次數,避免非生產時間(NPT),降低每米成本。

速度快動力大

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圖2. 渦輪鉆具的動力輸出

渦輪鉆具是動力非常強勁的驅動系統,能夠在極端惡劣的環境下可靠地長時間運行。在相同的水力條件下,由于渦輪葉片驅動系統在將液壓能轉換為鉆頭處的旋轉機械能過程的效率有了大幅提升,渦輪鉆具比其他任何驅動系統輸出的井下鉆井動力更大。圖2展示了渦輪鉆具輸出動力與RPM和壓力的關系曲線。渦輪鉆具的輸入功率等于壓力乘以排量;輸出功率等于扭矩乘以角速度(或轉速)。由于RPM和扭矩成反比,扭矩在制動時的最大和失速(速度最大)時為0之間波動。在給定的排量下,控制渦輪鉆具組合的鉆壓(WOB),從而控制渦輪鉆具的轉速在輸出功率最大的范圍內,這樣理論上可以取得最大的ROP。

渦輪鉆具的大功率輸出,主要表現為高RPM和相對低的扭矩形式,當配合研磨性的吃入深度較小的孕鑲金剛石鉆頭時,使其成為硬、研磨性地層非常高效的鉆井方式。由于除了軸承表面,再無其他運動組件接觸,渦輪鉆具全金屬結構使其能夠在整趟鉆以最佳效率運行,不受那些通常會降低PDM性能的條件因素影響,如高溫、定子磨損。這種運行效率和耐久性,延長了渦輪鉆具的作業時間,極大地減少了與起下鉆更換鉆頭和馬達相關的NPT。渦輪鉆具單趟鉆運行超過300小時是很正常的。

與孕鑲鉆頭配合利于控制

圖3. 孕鑲金剛石鉆頭非常適用于硬、研磨性地層。

圖3. 孕鑲金剛石鉆頭非常適用于硬、研磨性地層。

渦輪鉆具與孕鑲金剛石鉆頭(圖3)配合,相比泥漿馬達和PDC鉆頭,可以更好的控制工具面。這種組合具備同心和軸向平衡的設計,內部震動很小,能避免隨鉆測量(MWD)和其他BHA組件的失效。由于其反扭矩、內部震動很小,因此工具面波動很小,使得工具面連續和可預測,提高了導向性和滑動ROP。為了提高鉆頭壽命,廠家通過其客戶接口(Customer Interface,簡稱DatCI)鉆頭設計服務,根據具體的應用來定制鉆頭。使用設計合理的鉆頭,可以得到光滑、居中的井眼軌跡,彎曲度低,減少了通井次數和下套管時的問題,同時提高了井眼清潔度和測井工況。

提高強度和通用性

Turbopower渦輪鉆具引入最先進的軸承設計,包括帶碳化鎢鑲齒(TCI)的徑向軸承(圖4),以及PDC金剛石止推軸承(圖5),平均無故障時間(MTBF)超過8000小時。4種尺寸的工具都具備這種特性,尺寸范圍涵蓋5-5/8in-17-1/2in。入口葉片剖面降低50%的軸向反作用力,這對于大部分排量足夠了,從而使用單一葉片設計即可滿足多數應用情況,僅含一個動力端減少操作時間,提高了安全性,降低了維修和落井(LIH)成本,同時也使隨鉆測井(LWD)和定向傳感器離鉆頭更近。而在相同的應用環境下,其他渦輪鉆具廠家可能使用多種葉片設計,甚至是多個動力端。

圖4. 帶碳化鎢鑲齒(TCI)的徑向軸承。

圖4. 帶碳化鎢鑲齒(TCI)的徑向軸承。

圖5. PDC金剛石止推軸承。

圖5. PDC金剛石止推軸承。

專利設計減少落井事故

在卡鉆頭風險較高的硬、研磨性應用環境下,Turbopower渦輪鉆具軸承端具有哈里伯頓的鉆頭防卡設計(ASD)專利來防止卡鉆頭。設計優化自原有的井下離合機構,ASD渦輪鉆具不新增機械部件(圖6)。當連接短保徑公扣鉆頭時,ASD減小了鉆頭與井壁的接觸面積,減少了由于鉆頭粘卡造成的落井事故,提高了震擊解卡的能力,這可以大幅減少NPT和縮短鉆井時間。

自2009年引入以來,ASD渦輪鉆具已在全球許多地方應用超過了285趟鉆,進尺約3.7萬米。2009到2016年間,沒有發生一起因鉆頭粘卡造成的落井事故,而同期行業預計每年發生了3-4起采用其他防卡設計的渦輪鉆具落井的事故。

 圖6. 左圖:長保徑母扣鉆頭和標準的渦輪鉆具;相比右圖:Turbopower ASD渦輪鉆具及短保徑母扣鉆頭。

圖6. 左圖:長保徑母扣鉆頭和標準的渦輪鉆具;相比右圖:Turbopower ASD渦輪鉆具及短保徑母扣鉆頭。

定向控制和導向性

為了保證鉆進期間精確的定向控制和導向性,服務公司可提供業內首款和唯一一款帶鉆頭井斜(ABI)的渦輪鉆具。井斜傳感器靠鉆頭很近,作業人員可以更快做出定向決策,更加精準地按設計控制井眼軌跡(圖7)。帶有ABI的渦輪鉆具減少了修正井眼軌跡的時間。圖8展示了Turbopower ABI渦輪鉆具的示例,其與MWD一同下入到一個硬、研磨性地層斜井段。同時記錄ABI井斜與MWD井斜。在本案例中,客戶可以快速對地層變化作出響應,保證井眼軌跡在油藏的最佳位置穿行。

降低每米成本

有許多理由可以解釋渦輪鉆具為什么能夠在硬、研磨性地層鉆井過程中為客戶降低每米成本。重要的是要考慮鉆整個井段的每米成本,而不是單趟鉆的每米成本。通常,我們會忽略與頻繁起下鉆更換鉆頭和/或泥漿馬達相關的等停時間,由于井況差進行的倒滑眼時間,以及由于BHA組件失效造成的NPT,這些都將嚴重影響分析結果。

卡塔爾案例研究。在卡塔爾深水作業的一個客戶,找到哈里伯頓Sperry鉆井公司,希望提供一種鉆穿硬、研磨性pre-Khuff地層的解決方案??蛻粼趦芍軆?,采用泥漿馬達和PDC鉆頭下入6趟鉆,總進尺僅260m,每米成本大于12795美元。服務公司設計了一種鉆井解決方案,采用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭來鉆剩下的455m。圖9的結果顯示,采用了4趟鉆鉆達完鉆井深(TD),每米成本僅為6056美元;即每米成本降低超過了6000美元。最終,與采用常規鉆井方式相比,客戶由于使用了Turbopower渦輪鉆具鉆完該井段,節約了310萬美元。

圖7,Turbopower渦輪鉆具特寫展示了ABI元件短節。

圖7. Turbopower渦輪鉆具特寫展示了ABI元件短節。

印度案例研究。在印度中部一個偏遠地區, ONGC當時正在勘探Vindhyan油田的油氣資源潛力。主要目標是用8-1/2in井眼鉆穿1122m極硬的粉砂巖/石灰巖,以及研磨性砂巖(通常鉆遇這些地層時鉆井效果很差),同時保證在要求的半徑內中所有靶?;谠摰貐^鄰井的經驗,預計完成該井段需要65天,ROP約為0.91m/h,最多需要6趟鉆。

圖8. 從ABI傳感器得到的井斜與MWD測量讀數一致。

圖8. 從ABI傳感器得到的井斜與MWD測量讀數一致。

為了提高鉆井效率,ONGC需要一種可以減少鉆頭故障、起下鉆次數,同時提高ROP和鉆井性能的方案。技術專家與ONGC合作,同鉆頭專家一起設計了一種鉆井解決方案,主要針對復雜的鉆井環境。為了提供要求的導向性、低震動性、提高ROP,Sperry采用了6-3/4in渦輪鉆具。采用鉆井優化軟件來做巖石強度分析,設計了定制化的孕鑲金剛石鉆頭與導向渦輪鉆具配合。

最終,客戶從造斜點到TD,成功鉆穿1122m地層,成功在2m的半徑內中所有靶。僅用3趟鉆,無NPT,創造了Vindhyan油田記錄,幫助ONGC最大化資產價值,節約32天鉆機時間,約65萬美元。另外,渦輪鉆具采用定制的孕鑲金剛石鉆頭,8-1/2in井段的純鉆時間為371h,平均ROP為3m/h,是鄰井的3倍。

總結

渦輪鉆具輸出大機械馬力、高速度和穩定性,而且不受溫度和壓力限制,震動小且導向性好,因此使用壽命長,所鉆井眼質量高。渦輪鉆具通過減少硬、研磨性地層的鉆井時間以及降低每米成本,可以幫助作業公司最大化資產價值。

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