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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(三)

【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(三)

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。

有備而無患

“切削齒/鑲嵌齒的形狀、材料改善都可以提高鉆頭耐用性和ROP,鉆頭切削齒的排布也是如此”,Halliburton的Campbell表示。2018年3月下旬,該公司推出了一種全新的切削齒布局方式—Stega,一種具有徑向配置的備用切削齒。

據Campbell介紹,布置徑向備用切削齒所起到的作用與尺寸更大、更鋒利的切削齒相同,但不同的是,備用切削齒不會削弱鉆頭的耐久度?!案蟮那邢鼾X會更‘猛烈’地撞擊地層并提高ROP;然而,大尺寸切削齒的立體切割結構較差,磨損得更快。Stega可以實現大切削齒鉆頭的鉆進速度,同時還可提高鉆頭的耐用性?!?/span>

【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(三)

通常情況下,備用切削齒緊緊位于主切削齒后面,但這會導致備用切削齒被動地磨削巖層,產生摩擦和熱量,造成鉆頭損壞。

2017年一季度,開發商采用 Stega布局的鉆頭進行科威特一口井的鉆探工作,該井量深2900ft、井眼尺寸9-1/4ft。該井段首先要穿過Zubair地層(一種柔軟的砂巖,有頁巖夾層),隨后經過Ratawi地層(由頁巖、砂巖和石灰巖組成,有頁巖夾層),最后通過Minagish地層(一種非常堅硬的低孔隙石灰巖)??上攵?,面對如此復雜的地層構造,一次作業使用兩個鉆頭并不罕見。

Campbell表示:“在鉆遇這種復雜的地層時,很難設計出同時具有足夠耐久度又具有高ROP的鉆頭?!碑攺碗s地層遇到Stega,開發商僅使用一個鉆頭就完成了作業;同時鉆進距離加倍,平均ROP達到19.84ft/hr;作業完成后,鉆頭鈍化狀態為1-1?!罢麄€作業過程只使用了一個鉆頭,消除了更換鉆頭的作業時間損失,同時還保持了較高的 ROP??偟膩砜?,我們為開發商節省了一次下鉆和一個鉆頭的費用。

在阿根廷Mulicinco地區的另一個鉆井測試中,Stega鉆頭的每次下鉆都使鉆進距離翻倍,鉆進深度由1250ft提高至2395ft?!爸暗腞OP是21.9ft/hr,而Stega鉆頭的ROP也達到了20.9ft/hr;ROP非常接近,但鉆進距離卻翻倍了?!?/span>

除了科威特和阿根廷,采用Stega設計的鉆頭在北海、阿曼以及美國落基山脈地區都得到了應用。

Stega于2017年投入商業應用,是哈里伯頓GeoTech固定齒PDC鉆頭系列的一項可選設計?!癎eoTech旨在將哈里伯頓最新的材料、建模和切削結構技術有機整合成為設計平臺,現場工程師可以根據用戶的需求進行調整?!?/span>

新配置 高強度

近日,Smith鉆頭也推出了新型切削齒布局,能夠降低鉆頭磨損,減弱長時間鉆進過程中的鈍化過程。Long表示,“高效鉆頭的開發就像一場競技游戲,目的是讓鉆頭切削結構在整個作業過程中都保持鋒利,并得到高ROP?!?017年11月,Smith公司推出了Xplorer Helix螺旋TCI(碳化鎢硬質合金刀片)配置鉆頭,這是一種牙輪鉆頭,切削齒采用螺旋布局?!癤plorer Helix的螺旋布局增加了刀片與地層的接觸面積,每次鉆頭旋轉鑲嵌齒都會與地層全面接觸,提高鉆進效率?!?/span>

Long表示,如果牙輪鉆頭上的TCI采取常規的向心排列方式,那么很可能會發生卡鉆問題。隨著鉆頭的鉆進,牙輪鉆頭會在地層中產生小凹槽?!叭绻@頭鉆遇這些凹槽,鉆井效率就會降低。螺旋布局則會消除這種負面影響,確保每個鑲嵌齒與巖層全面接觸,降低了刀片受損風險,防止刀片斷裂,使切削結構保持鋒利?!?/span>

【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(三)


Xplorer Helix上的硬質合金鑲嵌齒呈螺旋形排列,與軸向排列相反。螺旋布局降低了卡鉆風險,確保切割結構保持鋒利

Xplorer Helix的螺旋布局由IDEAS集成有限元分析&動態設計平臺模擬完成,內容包括TCI布局在鉆遇不同巖層時的工作狀況?!拔覀冞M行了鉆井狀態模擬,考察了鑲嵌齒與巖層的接觸方式,以及如何將這種優勢轉換為ROP。然后通過不斷的計算迭代,創建了最合理的切削結構?!?/span>

Long指出,公司以前就曾考慮過開發螺旋嵌入式布局的鉆頭。隨著計算能力取得進展,直到最近才建造出更加復雜和逼真的模型,將Xplorer Helix配置的想法轉變為現實。

2017年,Xplorer Helix配置鉆頭在科威特石油公司投入使用,該井為垂直井,井筒尺寸28in,鉆遇地層包括軟/硬復合的石灰巖蹭、白云巖、無水石膏巖和頁巖層,井段量深為500~5,000ft,地層的壓縮強度范圍為6,000~24,000 psi?!霸谝酝你@井作業中,該油藏的高度夾層性質地層會導致切削齒損壞,降低ROP,降低鉆井效率?!?/span>

在此次作業中,Xplorer Helix的ROP為43.9ft/hr,而類似狀況的井筒中,常規鉆頭ROP僅為21.1 ft/hr,ROP提速高達107%。最終,新鉆頭為開發商節省了四個鉆井工作日?!靶裸@頭消除了卡鉆風險,在整個鉆進期間保持切削結構鋒利,再加上更高效的破碎作用,進而使ROP增加一倍以上?!?/span>

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