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有了定制設計,鉆頭可輕松提速50%以上

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TriForce凸面切削齒與FANG楔形切削齒的成功應用,證明了鉆頭定制設計的靈活性、可靠性與及時性。

來自丨E&P
編譯丨TOM

PDC鉆頭切削齒的形狀幾乎每周都會發生改變。幾何結構、方向、切削結構位置以及其他切削齒特征的不斷創新,正是源自于設計能夠快速轉變為現場實際應用的能力。

在德克薩斯州與俄克拉荷馬州最近一系列的鉆井作業中,已經應用了兩種不同切削齒,一種是脊狀凸面切削齒,其設計目的是為了將巖石犁開;另一種是新式楔形切削齒,它將切削齒布置在間斷、無序的位置,以改善巖石破壞機制。

這兩種切削齒的改進都是基于鉆頭一體化設計,該設計利用真實世界的建模與測試來協調包括刀翼與水力學在內的多個鉆頭特性。這些切削齒與其他切削齒設計的早期成功證明了鉆頭定制方案的靈活性、可靠性與及時性,這些定制方案還可提高特定應用中的鉆井效率。

凸面切削齒的應用

TriForce凸面切削齒首次成功應用于德克薩斯州西部Delaware盆地的一口井中,緊接著又在俄克拉荷馬州進行了鉆進應用。在第二次應用中,該切削齒的機械鉆速比鄰井的常規切削齒提高了70%,與競爭對手的凸面切削齒鉆頭的性能相差無幾。后來推出了第二代TriForce切削齒,并進行了現場應用。由于該切削齒在測試階段表現出了強大性能,使作業者要求在未來更多地使用該凸面切削齒。

TriForce切削齒采用脊狀外形,將應力集中于非常小的前緣上,以便更容易破碎與犁開巖石(如圖1)。在相同的鉆頭行程下,該切削齒可移除更多的巖石,從而達到更高的機械鉆速。切削齒表面有三個從中心向外輻射的凸脊,它們之間的夾角為120度。切削齒是定向的,因此其中一個凸脊會垂直于地層或垂直于切削面。由于另外兩個凸脊不與地層嚙合,在鉆頭旋轉時會轉動切削齒,以對準新的凸脊。

有了定制設計,鉆頭可輕松提速50%以上

圖1. TriForce切削齒的脊狀面可將應力集中于破壞與犁開巖石,以達到更高的機械鉆速。

TriForce切削齒首次應用于Delaware盆地,鉆穿白云巖、灰頁巖與砂巖地層,以鉆至Brushy Canyon層位的靶點。切削齒布置在12.25寸六刀翼Raider鉆頭上的主要切削位置,并帶有Hydra液壓組件。該測試的目的是評估新設計切削齒在鉆穿Brushy Canyon地層時的有效性與性能。

在此之前,該鉆頭使用常規切削齒進行的鉆井作業是非常成功的,以23.6米/小時(77.6英尺/小時)的平均機械鉆速鉆進了大約1676米(5500英尺)。當使用TriForce切削齒后,該鉆頭以22.4米/小時(73.7英尺/小時)的機械鉆速鉆進了1808米(5932英尺)。切削齒的磨損分析表明,與該地區的傳統組件相比,切削齒具有適度的磨損。利用第一代測試切削齒就能達到如此性能,說明TriForce切削齒擁有很好的發展前景。

為了進一步測試切削齒,在俄克拉何馬州中部的Stack地層中進行了第二輪測試。該井段需要鉆穿砂巖夾層、石灰巖以及具有中高研磨性的頁巖。切削齒布置在8.75寸六刀翼Voyager鉆頭的主要切削位置。該鉆頭的進尺比鄰井平均值高3.2%,機械鉆速比所有鄰井的平均值高70%,與競爭對手的凸面切削齒鉆頭的性能相差無幾。任何切削齒都沒有磨損,包括TriForce測試切削齒。

第二代TriForce切削齒應用于俄克拉荷馬州的另一口井中。該切削齒優化了凸面的幾何形狀。鉆進作業位于Stack地層的水平段,這是一個中低研磨性的灰巖地層。測試切削齒安裝在8.75寸六刀翼Voyager鉆頭的主要切削位置。它鉆了352米(1155英尺)的井段,基本達到鄰井平均值的80%,機械鉆速為8.9米/小時(29.4英尺/小時),接近鄰井平均值的88%。測試切削齒的表現與中等磨損鼓舞公司進行了額外的測試。

楔形切削齒的優勢

切削齒性能的創新還包括它們如何布置在切削結構上。在俄克拉荷馬州Stack地層的一口井中,按照專利方法,斷續地在次要位置安裝楔形切削齒,可顯著提高鉆頭性能。

斷續的FANG楔形切削齒通過預先破碎較小的接觸區域來提高破巖效率,使每次旋轉鉆頭都能移除更多的巖石。

新布局將楔形切削齒安裝在次要位置。這些楔形齒可置于標準切削齒切削路徑的任意一側。通過最初應用可發現,如此布置切削齒(如圖2),可顯著提高鉆頭破碎與移除巖石的能力。

有了定制設計,鉆頭可輕松提速50%以上

圖2. FANG切削齒(紅色)可安裝在傳統圓形切削齒切削路徑的任意一側,從而能夠在鉆進過程中破碎與移除巖石。

此次測試的目的是提高現有鉆頭的機械鉆速。配備有FANG楔形切削齒的8.75寸六刀翼Voyager鉆頭應用于高抗壓強度的Meramec地層的水平段。

該鉆頭最終進尺為1281.6 m(5189英尺)比平均值高32.3%,機械鉆速為21.6米/小時(72英尺/小時)高于平均值52.8%。楔形切削齒的狀況良好,磨損等級與平均值持平。測試目標得到了充分滿足,計劃將進行更多應用以記錄其性能。

未來趨勢

這些切削齒解決方案的應用表明,未來想要提高鉆井作業效率,將愈發需求定制化設計,以改善具體的應用??焖倬_地從概念階段發展到現場應用,意味著業內可以輕松、有信心的探索提高機械鉆速與鉆進進尺的新方法。

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