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油價回暖,鉆頭技術發展突飛猛進(下)

油價回暖,鉆頭技術發展突飛猛進(下)

油價上漲、鉆井業務量的增加,促使制造商針對各種地層研發更高效的鉆頭水力參數,利于松軟地層、硬/研磨性地層的清巖,另外鉆頭廠商還設計了提高定向鉆井一次成功率的新技術。

來自 | World oil
編譯 | 白小明 影子

改進切削齒的清巖能力

Ulterra鉆井技術公司(Ulterra Drilling Technologies)最新的創新成果是正在申請專利的SplitBlade PDC鉆頭(圖4),該鉆頭可通過重新配置切削齒的排屑槽,改善清巖和鉆頭冷卻能力,來提高ROP和減少鉆井時間。

油價回暖,鉆頭技術發展突飛猛進(下)

圖4. SplitBlade鉆頭帶有兩個精確定位的噴嘴,以建立專用流道,改善水力參數、最大化ROP潛力。

通常,對于大多數PDC技術來說,重復循環的巖屑很容易卡在鉆頭冠部,累積起來堵塞排屑槽。重復切削本應該快速循環出井的巖屑不僅消耗能量,而且還加速鉆頭的磨損。

公司研究小組在研究了普通PDC鉆頭的物理限制因素后,工程師們提出了一個新的設計模式,可以使切削齒保持更清潔、溫度更低的狀態。鉆頭冠部熱量管理的改進,將幫助實現延長鉆頭耐久性的目標,并提高整體性能。

使用CFD,團隊創造出了獨特的鉆頭本體,具有全新的刀翼幾何形狀、噴嘴和切削齒布局。通過將主刀翼的形狀做一定角度的偏移,設計人員為流體和鉆屑構建了指定的流道。精確定位的兩個噴嘴,使關鍵區域內的切削元件能夠利用鉆頭本體結構和水力控制的成果。在鉆井過程中,與傳統設計相比,SplitBlade技術的排屑能力快了7倍。

應用案例

在得克薩斯州南部Eagle Ford頁巖的LaSalle縣部分,一家鉆井公司遇到了令人頭疼的攜巖和堵水眼問題。為了解決這些問題,下入了一只8-1/2-in的SplitBlade PDC鉆頭,鉆井速度比鄰井快了27%,本趟鉆創造了公司的進尺記錄,接近4267m,ROP超過45.7m/h,比井段超過3048m的鄰井快了8%。

在Eagle Ford頁巖東部,另一家鉆井公司希望通過減少堵水眼來提高機械鉆速,他們選擇一只8-1/2-in的SplitBlade鉆頭。他們計劃改善軌跡和提高整體ROP,同時保證更好的定向控制和清巖能力。鉆頭入井后,創造了鉆機的進尺和ROP雙記錄,最高ROP為122m/h,68小時完成了井眼的鉆進,進尺接近3658m。平均ROP為52.4m/h,比該鉆機鄰井ROP提高了56%。

松軟地層的水力參數

精確的、根據具體應用優化的PDC鉆頭水力參數,改善了Permian盆地直井和斜井的鉆井性能。采用彎曲噴嘴、蹼狀刀翼和私有的設計特征,Varel油氣鉆頭公司(Varel Oil&Gas Drill Bits)的HYDRA水力參數優化程序(圖5)改進了松軟粘土和頁巖地層,以及砂巖和石灰石地層鉆頭的進尺和ROP。在一口Wolfcamp斜井的施工中,優化后的鉆頭ROP提高了58%,進尺增加了98%。

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圖5. HYDRA水力參數計算流程利用一系列技術來改善松軟地層的ROP和進尺。獨特的彎曲噴嘴可改善清巖效果,不影響鉆機的機泵性能。

HYDRA程序通過更好的鉆頭冷卻和攜巖能力來提高鉆頭性能,能更有效地清除鉆屑。設計過程采用獨特的彎曲噴嘴,蹼狀刀翼和其他特征,利用CFD將設計與應用相匹配。彎曲的噴嘴減少了磨心、堵水眼和鉆頭泥包。蹼狀刀翼限制了巖屑重復循環,提高了清巖、破巖能力。

鉆機能力

鉆屑體積、地層類型和鉆機的機泵性能等限制因素,能大大降低PDC鉆頭的水力參數性能。在這些應用中,想要不犧牲鉆頭壓力降,只單純提高清巖效率是很困難的。為了嘗試改善流體速度和沖擊壓力,公司已經使用了不同的方法,并取得不同程度的成功。

Varel的研究需要進行大量的建模,以重現各種彎曲噴嘴設計的效果和優勢,從而將這些設計應用到各個尺寸范圍的鉆頭。這需要CFD研究來理解每個噴嘴配置變化產生的結果,以及噴嘴如何在鉆頭上重定向流體方向和流速。

使用CFD建模的結果,公司優化了一系列獨特的功能,包括專有的彎曲噴嘴、蹼狀刀翼和其他設計特性。該程序成功地平衡了傳統的優缺點,以優化針對特定應用的性能。

彎曲噴嘴

彎曲噴嘴產生的幾種效果可以提高鉆頭性能。鉆頭穩定性得到了改善,因為流體對地層的沖擊降低了,所以地層侵蝕得到了緩解。相反,流體被引導至切削齒表面以改善清潔和冷卻,但并不影響鉆機的水力狀況。這減少磨心和其他問題,延長了鉆頭壽命。

蹼狀刀翼使流體流向臨近的排屑槽,防止鉆屑重復循環,它還消除了臨近噴嘴處的流體夾帶,最大限度地提高了噴嘴效率。獨特的排屑槽幾何形狀可以更有效地清理更多的鉆屑。

應用案例

在新墨西哥州,粘土夾層、碳酸鹽巖地層、灰巖和砂巖地層通常對PDC鉆頭的ROP和進尺帶來挑戰。鉆頭水力參數對于有效鉆達目標層位尤為重要。一只針對特定應用經過優化的8-3/4-in PDC鉆頭,大幅提高了進尺,完成了2134m的直井段鉆進,鄰井平均進尺為2005m。ROP為40.5m/h,比鄰井平均的32.3m/h更快,這是作業公司在鉆達目標層位過程中最快的一套BHA。

在盆地的德克薩斯州一側,HYDRA優化技術已經將鉆頭使用量減少了一半。之前需要4只鉆頭完成斜井段,目前只需2只6-1/8-in鉆頭。與鄰井標準的PDC鉆頭相比,新鉆頭機械鉆速快8.5%,進尺增加了8%,不僅降低了鉆井的時間成本,而且減小了另外兩趟鉆的相關作業風險。

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