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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(四)

【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(四)

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。

耐久度材料

了解某一地層中限制鉆頭壽命的因素很重要,NOV的PDC鉆頭部門主管Tom Roberts表示?!拔覀冋谘芯裤@頭的失效機制,隨后將進行技術開發,以降低切削齒的鈍化,使鉆進速率更高?!睙峤到夂蜎_擊損傷是兩種常見的切削齒損壞模式。為此,NOV專門設計了新型ION切削齒,應對以上兩種作業挑戰。

ION切削齒采用3D外形設計,于2017年中首次推出。Roberts說:“我們進行了大量的實驗室測試,包括熱力學、磨損、沖擊和韌性測試,就是為了開發出一系列能應用于特殊地層的新型金剛石切削齒,同時不受磨損和熱損傷問題困擾?!盢OV增加了ION切削齒的金剛石材料強度,通過施加更大的壓力,使其變得更加致密和堅韌。

此外,NOV還采用深浸工藝將鈷從金剛石材料中剔除?!斑@意味著切削齒可以承受更高的溫度?!蓖ǔG闆r下,PDC鉆頭在溫度超過700℃時就開始發生損壞,但ION切削齒可以承受最高1100℃的高溫。

Roberts說:“正是這些改變使切削齒的幾何外形發生了革命性的變化。得益于技術的進步,我們能夠重新審視過去想嘗試、但受限于材料耐久度而無法實現的幾何形狀?!?/span>

ION 3D切削齒就是采用新幾何形狀的產品之一,其拋棄了傳統的圓柱形設計,尖部非常鋒利,更加容易在巖層表面產生裂縫?!按送?,我們發現,在限定ROP的情況下,尖銳的3D切削齒鉆頭扭矩更低,這對開發商來說非常重要?!?/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(四)

NOV的ION 3D切削齒旨在減弱熱降解和撞擊對鉆頭的損傷,已被廣泛應用于阿拉斯加、加拿大、威利斯頓盆地、美國中部和阿曼等地區;目前,NOV正在對ION 4D切削齒進行現場測試。

ION 的3D設計降低了BHA組件的扭矩要求和阻力磨損,減弱了電機表面摩擦狀況,同時鉆頭定向反應更加迅速,這些都能顯著降低磨損對鉆頭和切削齒的影響。

在3D切削齒設計之初,NOV主要考慮將其用于碳酸鹽巖層,但在之后的實驗室測試中發現,新型設計在各類地層中都表現良好。截至目前,ION 3D切削齒已在全球范圍內完成了1000多萬英尺的鉆進作業。

2018年初,ION 3D切削齒鉆頭在美國中部的一口井中完成了長達2英里的水平段鉆探,66.31小時內鉆進10028ft,平均ROP151ft/hr。去年在北路易斯安那州進行的一次作業中,開發商使用裝備有ION切削齒的NOV鉆頭鉆探整個水平段,井段量深從11475ft到17115ft,只用一個鉆頭就完成了所有工作?!霸谝酝淖鳂I中,開發商需要2~3個鉆頭才能完成這一距離。其中一家開發商提到,他們的鉆進目標是每天1000ft,但完成目標的時候非常少;而采用了新型切削齒后,他們卻創造出了一天鉆進1592ft的記錄?!?/span>

NOV目前正在進行ION 4D切削齒的現場測試。除了具有ION 3D載荷集中的特點,4D形狀還會對地層產生犁削和剪切作用。在威利斯頓盆地,已經進行了一次ION 4D的現場測試,地點與之前的ION 3D切削齒相同。Roberts說:“ION 4D切削齒將平均ROP從139ft/hr提高至160ft/hr?!睋烙?,至少在今年上半年,NOV將繼續進行ION 4D切削齒的現場測試。

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