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【本周專題:鉆井】鉆頭于地下沖鋒陷陣,兩大關鍵屬性已可兼得(二)

【本周專題:鉆井】鉆頭于地下沖鋒陷陣,兩大關鍵屬性已可兼得(二)

鉆頭技術直接影響鉆井工作效率,ROP和耐久性兩大關鍵屬性卻往往互為矛盾體。

來自 | Kelli Ainsworth Robinson
編譯 | 張德凱 影子

在鉆井作業中,雖然鉆頭只是鉆井系統的一個微小組成部分,但它的性能卻會對作業效率產生巨大影響。斯倫貝謝Smith Bits公司產品經理Wiley Long說:“整體來看,雖然鉆頭成本可能低于鉆井總成本的1%,但毫無疑問,沒有任何一個部件對整體鉆井性能的影響比鉆頭更大?!?/span>

為了滿足開發商的應用需求,各服務及工具公司都先后采用高級模擬和有限元分析方法,對影響鉆頭ROP、耐久度等主要參數的問題進行了研究,包括碎屑清除效果差、摩擦生熱高和振動等問題?;谶@些研究成果,行業內目前已經開發出了多種新型切削齒和布局,并改進了鉆頭的液壓系統。

在過去,提高ROP往往要以降低耐久性為代價;但在目前的鉆頭行業,“魚和熊掌”已經可以兼得。Halliburton全球業務發展經理John Campbell說:“縱觀鉆頭行業歷史,開發商必須平衡耐久性和ROP,當試圖增加鉆頭的耐久性時,一般也會增加切削齒體積,這會引起ROP降低?!倍@頭切削齒布局的最新進展則很好地消除了這一問題,切削齒的鋒利程度降低得更緩慢,鉆進過程中的ROP也就更理想。

消除振動

側向、扭轉和軸向振動都會縮短鉆頭使用壽命,也會對底部鉆具組合(BHA,包括井下馬達和隨鉆測量MWD工具)造成損害。貝克休斯(BHGE)技術與全球裝配總監Mark Freeman說:“如果井筒更平滑,產生的振動更少,BHA和電機的磨損也就會更少?!痹摴驹?018年初和2017年7月分別推出了Kymera Mach 4和Dynamus鉆頭,通過使用減弱振動設計,延長了鉆頭和BHA的使用壽命。

Mach 4鉆頭是Kymera混合鉆頭系列的最新產品,Kymera系列包括PDC固定切削齒及牙輪鉆頭。固定切削齒剪切地層,但在與地層接觸時會發生扭矩變化,容易產生振動?!皩⒀垒喬砑拥姐@頭后,可以幫助消除鉆頭在不同類型地層之間切換時所產生的扭矩響應。實際應用表明,Kymera鉆頭可以減少50~60%的扭轉振動,具體降幅取決于地層狀況?!?/span>

在Mach 4鉆頭協助下,BHGE將致力于提高Kymera切削結構在堅硬、磨蝕性地層中的鉆進耐久度。Mach 4鉆頭將鋒利的圓錐形碳化鎢刀片鑲嵌到牙輪切削結構中,取代了之前更鈍或圓形的切削齒。此外,牙輪周圍包裹的切削齒也更加緊密。

“鑲嵌更鋒利的切削齒有助于更有效的打破地層,隨著牙輪的旋轉以及碳化鎢刀片與巖石接觸,鉆頭會沖入巖層并將其破碎?!被旧?,在PDC主切削齒磨碎地層之前,鑲嵌刀片的預磨損已經將地層撕裂?!斑@有助于保持鉆頭切割結構更加鋒利,”如果切削結構保持鋒利,就可以防止由于鈍刀造成的ROP損失。

另外,BHGE還推出了具有4~6個刀片的Mach 4鉆頭,這與之前的Kymera鉆頭相比(只有2~3個刀片),刀片數量明顯增加。這增加了鉆頭體積,鉆頭的使用時間更長,鉆頭更換周期延長,刀片碎裂或斷裂幾率降低?!贝送?,BHGE還將ShadowCut的新技術添加到PDC鉆頭刀片的肩部,用于提高鉆頭切割結構的耐用性。

截至目前,在北海、中東、美國內陸和墨西哥灣等地區,Mach 4的實際應用次數已超過120次。在2017年三季度北海的一次鉆井作業中,開發商使用Mach 4進行井眼尺寸16in、傾斜度70°的斜井鉆探,該井軌跡與堅硬的砂巖和煤矸石巖層高度交錯,可能會導致高水平的鉆頭振動,限制ROP。在以往的作業中,操作人員曾使用錐形PDC鉆頭進行了作業,鉆頭取出后,發現鉆頭磨損明顯,同時定向性差,ROP較低。

【本周專題:鉆井】鉆頭于地下沖鋒陷陣,兩大關鍵屬性已可兼得(二)

Kymera Mach 4配備了鋒利的圓錐形碳化鎢刀片,將其鑲嵌于牙輪切削結構,取代之前Kymera鉆頭使用的更鈍或更圓的刀片,切削齒也更緊密

隨后,開發商使用了一個16in的Mach 4鉆頭,以87 ft/hr(26.6米/小時)的ROP進行作業。與其他PDC鉆頭相比,Mach 4鉆頭的ROP增加了40%,比Kymera XTreme混合鉆頭增加了26%;與同種井況使用的PDC鉆頭相比,Mach 4將井深延長了14%,為運營商節約了10.5萬美元的成本。Freeman說:“PDC切割結構配置了鋒利、致密的錐體,同時還增加了刀片數量,大幅提升了鉆井效率。

與Kymera Mach 4鉆頭類似,Dynamus鉆頭開發的主要目的是延長鉆頭使用壽命并提高ROP,特別是在堅硬和磨蝕型地層中。BHGE將已開發但尚未投入使用的技術應用于Dynamus鉆頭中:StayTrue金剛石組件和StayCool 2.0切削齒。

StayTrue原件采用鑿子形設計,沿著鉆頭刀片排布。在進行鉆井作業時,StayTrue首先與巖層接觸,并形成凹槽。由于其具有鑿子形狀,保持在凹槽內移動,防止鉆頭劇烈震動,提高鉆頭橫向穩定性?!巴ㄟ^更穩定的方式保持鉆頭工作,所有施加在鉆頭上的能量都會被用來切割地層,而不是以振動的方式損失?!盕reeman提到,在一次使用Dynamus鉆頭的鉆井作業中,開發商將BHGE的MultiSense動態測繪系統安裝在鉆頭上以測量振動,與標準鉆頭相比,Dynamus的振動減少了90%。

傳統的PDC切削齒為平表面設計,但StayCool 2.0切削齒的中心處采用凹陷設計,四周還有一個唇緣設計。隨著地層的鉆進,StayCool 2.0切削齒表面的鉆屑更容易清除,有效防止摩擦和過熱?!霸跇藴是邢鼾X上,巖層始終與其表面接觸直至達到指定深度,才將切削齒與巖層分離,保持低溫狀態可以最大程度地減少鉆頭上金剛石的熱解,使切削結構更加鋒利?!?/span>

自2017年夏季投入商業應用,Dynamus鉆頭在Permian、Eagle Ford、SCOOP、STACK、Bakken、Niobrara、Marcellus、沙特阿拉伯、科威特、加拿大、阿曼以及北海和墨西哥灣的鉆井工作從未停止。Freeman指出,Kymera系列鉆頭的市場占有率達到了BHGE PDC鉆頭組合的20%。

在2017年Midland盆地的一次鉆井作業中,Dynamus鉆頭幫助開發商將ROP提高了32%。而在之前的作業中,由于垂直井段鉆頭與地層高強度接觸,鉆頭受到了明顯的磨損和沖擊,需要多次下鉆(12-1/4in鉆頭)才能完成整個鉆井作業;另外,由于鉆進方向控制不佳,ROP 也有所降低,需要經常進行鉆井方向更正。

在Dynamus實際應用中,其單次下鉆就完成了6194ft(1888米)的鉆井作業,鉆進距離超出了其他所有同類型作業中的12-1/2in鉆頭; ROP達到84ft/hr,比其他鉆頭快32%;此外,在作業完成后,Dynamus的鈍化狀態為1-1,而在使用相同鉆機、井況類似的作業中,同類型鉆頭的鈍化狀態為3-4。

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