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TerrAdapt智能鉆頭輕松解決粘滑問題

TerrAdapt智能鉆頭輕松解決粘滑問題

傳統的鉆頭切削深度是固定的,而目前這款新的智能鉆頭能夠根據地層性質的變化,主動地調節切削結構,優化切削深度,避免粘滑。

來自 | E&P
編譯 | 周詩雨

在鉆井過程中,絕大部分井段會穿過大量的薄互地層,而這些地層中巖性變化較快,這樣就對常規的PDC鉆頭設計帶來了挑戰。傳統的鉆頭通常只有一個固定的切削深度,并且它的設計也只針對了一種巖石類型進行了優化。一旦安裝在了井下鉆具組合上,然后下放到了井筒后,就不能再改動了。

在某些區域內,使用固定切削深度的鉆頭也能穩定鉆進,但是在其他區域就可能出現不穩定、效率低的情況。這是因為鉆頭在不同巖石類型中過渡時,會產生扭轉振動,從而導致 “粘滑”現象。這時鉆頭的咬合會變得非常激進,導致鉆頭被“粘”住,停止鉆進。同時,鉆頭后面的鉆桿會繼續像根彈簧一下扭緊,直到鉆頭脫落或“滑脫”,然后鉆桿就會開始不受控地旋轉。

“粘滑”現象會導致鉆速降低,嚴重損壞鉆頭及其他部件,從而導致鉆井成本大增。油田常常需要進行額外的起下鉆來更換鉆頭或BHA。這無疑會增加大量的鉆井時間?;蛘咦鳂I者也可能會選擇就這樣將就著繼續鉆井,但是會有達不到目標深度的風險。

更智能的鉆頭

之所以在這些井中會出現“粘滑”的現象,是因為這些切削深度固定的鉆頭是不能夠感知、適應井下情況的變化。石油圈之前介紹了一款來自貝克休斯的自適應鉆頭—TerrAdapt鉆頭,從DOC層面簡要描述了這款業界首個智能鉆頭。本文將通過對比緩解粘滑效應的不同方式來分析TerrAdapt鉆頭,并利用應用案例來說明該鉆頭的突出性能。

傳統控制粘滑現象的方法是,基于對可能鉆遇的巖石組分和硬度的預期,為整個鉆井過程設計具有精確切削深度的PDC鉆頭。但在大多數情況下,這都是一種猜測,特別是當儲層的變化超出預期時。如果將DOC的極限設置得太高,則可能會大大降低鉆速,延長鉆井時間。相反,設的太低,則可能不會無法防止某些井段內的粘滑現象。

第二種常用的緩解粘滑的方法,是鉆井人員從地面調整鉆壓(WOB)或轉速。如果疑似發生粘滑,那么司鉆通常會減少鉆壓或提高鉆速。但是這樣的話,鉆頭會以另外一種振動模式來響應地面的調整,可能會加速鉆頭的磨損,甚至會對井下鉆具的其他硬件或電子元件造成損壞。

這種方法還存在一個問題,那就是精度不夠。司鉆是不能夠很快地準確知道鉆頭到底發生了什么事情,畢竟鉆頭可能遠在幾千英尺下的井筒內。而一旦制定了解決方案,方案是否真的解決了問題也需要時間來驗證。

而現在,這種新型鉆頭能夠根據鉆井條件調整DOC,智能響應扭轉振動??刂圃恼{節速度非???,能夠有效緩解井下的作業障礙。而且這種響應是實時的,因此司鉆不需要等到井下的問題反饋至地面后,然后再等更長時間來采取糾正措施。

這種鉆頭的設計還能將沖擊損傷降低到最小。鉆頭中設計有一個液壓機械卵形元件,可以吸收任何突然出現的過載或沖擊,從而防止其威脅到切割結構的完整性。而通過防止這種動態的不穩定和刀具損壞,有助于延長鉆頭和井下鉆具的壽命,增加了鉆頭進尺,減少了非生產時間。

這種可調節鉆頭的可選尺寸范圍從8-3/8in到12-1/4in都有,可滿足全球大部分的鉆井需求,刀片數量和切削齒尺寸都可以不同。

應用效果

自2014年成功地證明了這種可調節的概念后,貝克休斯的開發團隊開始研究現場版的工具。在通過了自己測試設備的資格認證后,貝克在幾家受到扭矩振動問題困擾,愿意參與鉆頭評價的油公司內進行了應用。

在一口井中,與近鄰井的平均鉆速相比,在相同薄互層地層中鉆進時,可調節鉆頭的鉆速提高了27%,扭矩振動變化量減少了90%,顯著緩解了粘滑現象。同時鉆進深度增加了217米(713英尺),即提高了27%,同時與傳統PDC相比耗能明顯減少。

在另一家公司,在德克薩斯州東南部的奧斯丁白堊紀地層的造斜段和水平段使用了該鉆頭。油公司想在整個造斜段和穩斜段只用一個BHA完成。在之前的嘗試中,由于在下鉆之間鉆頭會不時發生鈍化,使得地面作業人員對鉆頭的損傷情況和性能表現不清楚,因此成功率不到20%,同時馬達和井下工具故障也常常出現。

油服和油公司對過去的鉆井表現和鈍化情況一同進行了分析,他們懷疑是粘滑和其他動態不穩定性導致了鉆頭性能受限。最終選擇采用一個8-1/2in、六刀翼的可調節鉆頭,以減少扭轉振動和粘滑現象,提高整體性能和穩定性。

TerrAdapt智能鉆頭輕松解決粘滑問題

圖1.該日線比較了鉆井和TerrAdapt鉆頭的之間差異??梢钥闯鯰errAdapt鉆頭節省100多個小時的鉆井時間,幫助整個鉆井時間縮短了150個小時。

可調節鉆頭在78小時內鉆進了1,508米(4,949英尺),總鉆速為19米/小時(63.4英尺/小時)。在成功到達造斜點后,鉆進了近1,219米(4000英尺)的水平段,然后因為一些非鉆頭問題被起出。

與之前的井相比,在相同的鉆井時間內,新鉆頭節省了超過100小時的鉆井時間,完成井段所需的時間縮短了150小時(圖1)。而可調節鉆頭的鈍化情況也好于臨近井。Inbit振動測量證實,在鉆進過程中鉆頭沒有出現粘滑現象,總體振動水平也很低。切削結構狀態保持良好,這也幫助鉆頭取得了更好的鉆井效益,即在更短的時間里鉆更多的井。

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