圖1 NOV的Nano接頭主要用于特殊作業(yè)，如用于清洗或修井作業(yè)的不同類型鉆柱。
井長增加、井深加深、井眼幾何形狀復雜化，導致對高性能鉆桿和井底鉆具組合(BHAs)的需求增加。技術(shù)供應商正專注于提高耐久性和降低擁有成本，例如通過更好的抗疲勞性，使用更高合金含量的鋼材，以及與鉆井軟件的集成。
（見圖1）
鉆桿、BHAs連接技術(shù)
NOV Grant Prideco業(yè)務部門技術(shù)支持服務高級總監(jiān)普萊西斯解釋說，在鉆桿市場，創(chuàng)新周期與井下技術(shù)或鉆機設(shè)備的創(chuàng)新周期幾乎不相同。因此，該公司仍將重點放在其德爾塔鉆桿連接上，普萊西斯表示，該連接旨在提供性能和降低總擁有成本，過去6年一直在這兩個方面取得成功。例如，德爾塔544提供了使用更大的5½英寸的選擇。具有小工具接頭外徑的管道-與5-in相當。鉆桿-允許鉆工鉆8½英寸的井眼。帶有更大、更硬的管道的孔。這可以提高機械鉆速。
（見圖2）
圖2 NOV表示，在過去六年中，其圍繞Delta連接的創(chuàng)新集中在提高性能和降低總擁有成本上。
此外，該公司還致力于提高接頭的抗疲勞性能，從而無需對鉆桿接頭進行冷軋，并能夠使用更大的上扣扭矩(增加17%)。與NOV之前的XT連接相比，德爾塔的連接速度提高了50%，每次連接連接和斷開連接最多可節(jié)省4秒
。
NOV還在開發(fā)另外兩個接入點。第一個是用于井底鉆具組合(BHAs)的連接，目前命名為AILM。普萊西斯表示:“這項技術(shù)的目標有點不同，因為我們想優(yōu)化抗疲勞性能。”BHA連接的挑戰(zhàn)在于工具非常堅硬，大多數(shù)彎曲發(fā)生在連接層面，需要創(chuàng)新的解決方案來應對疲勞。”
第二種技術(shù)是在有限的基礎(chǔ)上在小眾應用程序中運行較小的連接。普萊西斯先生指出:“Nano接頭使用的是一種不同類型的管柱，用于清井、修井作業(yè)或過油管鉆井。”“這些都是非常專業(yè)的作業(yè)，我們通常與該領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)油管連接競爭。雖然堅固耐用可能是使用Nano的一個好處，但成本通常更高，我們的客戶會非常仔細地評估這項技術(shù)的優(yōu)勢和運行成本。”為了解決這一問題，NOV正在尋找使用Nano連接的替代方法，再次提高Nano連接的成本效益，使其更適合這種類型的作業(yè)。
圖3 NOV正在改進其Delta管道連接，并開發(fā)兩個更新的連接。此外，該公司最近完成了20,000 psi連接器在酸性服務等級的認證。
NOV公司感興趣的另一個領(lǐng)域是鉆桿隔水管。該公司最近完成了一個20,000 psi的連接器在酸性服務等級的認證。Plessis先生解釋道:這個項目在技術(shù)上非常具有挑戰(zhàn)性。”然而，我們已經(jīng)完成了第二個完井和修井立管的API 17G標準的開發(fā)，該產(chǎn)品目前正在與合作公司的產(chǎn)品進行螺紋連接，用于墨西哥灣的高壓項目
。（見圖3）
在中東地區(qū)，含酸服務等級的鉆桿和重型鉆桿更為普遍，NOV已經(jīng)將一種135,000 psi的NACE 1區(qū)產(chǎn)品商業(yè)化，該產(chǎn)品可用于輕度含酸的硫化氫環(huán)境。該產(chǎn)品已經(jīng)通過了資格預審，NOV表示計劃在2023年交付第一根管柱。
高扭矩，高性能連接
德州鋼鐵轉(zhuǎn)換公司TSC鉆桿高級銷售工程師馬克·加勒特表示，在過去的5到10年里，鉆桿市場的創(chuàng)新一直在加速。他解釋道:“我發(fā)現(xiàn)在小井眼鉆井中，鉆井工具和井筒之間的環(huán)空越來越小。“我們也看到了更深的井，井的平均最小總深度(TD)為2萬英尺，一些井的平均最小總深度(TD)為3萬英尺。這與10年前相比有很大的變化。”
尤其是鉆井承包商，他們要求將鉆柱固定在一起的螺紋連接具有更高的性能，這樣他們就可以到達更深的TDs。雖然單肩API接頭的使用仍然有限，但加勒特先生指出，現(xiàn)在大多數(shù)鉆井程序都使用雙肩設(shè)計接頭，越來越多的單肩API接頭采用不同供應商的專有螺紋技術(shù)。
圖4 Marcellus/Utica的一個鉆井平臺正在運行TSC的PTECH+。該連接的設(shè)計原則是，在螺紋形式的根部有一個大半徑，可以減少連接中的峰值應力。TSC表示，降低峰值應力可以減少接頭疲勞和井下彎曲時失效的可能性。
“使用雙肩連接，我們可以在這些更具挑戰(zhàn)性的井中實現(xiàn)所需的更高的上扣扭矩，”他說。此外，專有的雙肩連接通常具有通過螺紋連接的較大孔徑，這改善了鉆井程序中的液壓性能。
隨著鉆井項目越來越多地采用先進的BHA技術(shù)，如用于精確定向控制的自動旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(RSS)， Garret先生表示，專有連接已經(jīng)獲得了巨大的市場份額，成為實現(xiàn)新系統(tǒng)的新標準。“如果鉆柱螺紋連接使用API旋轉(zhuǎn)肩連接，則通常為2-in。與制造商專有的螺紋連接相比，螺紋連接的直徑更小。”他解釋道。“大多數(shù)這些專有接頭都有一個更慢、更漸進的錐度，這就是如何實現(xiàn)更大的內(nèi)徑來提高液壓性能。”
TSC鉆桿的PTECH+是該公司最近進入高性能連接市場的產(chǎn)品。該接頭的設(shè)計包含了大水平段油氣鉆井所需的基本特性:最大限度地提高液壓性能，增加上扣扭矩，提高抗疲勞性能。
（見圖4）
“如何在這些高性能接頭上實現(xiàn)抗疲勞性能?”加勒特先生問道。“在設(shè)計PTECH+時，測試和分析證明，螺紋根部的大半徑可以降低連接中的峰值應力。接頭峰值應力的降低降低了接頭疲勞和井下彎曲時失效的可能性。”
加勒特先生還指出，用于制造連接的材料影響了性能。加勒特解釋說:“我們使用的材料已經(jīng)發(fā)生了逐步的變化，比如鋼的合金含量更高，從而在硬度更高的同時提高韌性。”“通常，在鋼鐵技術(shù)中，硬度越高，鋼就越脆。使用更好的合金化，加上精確控制的熱處理，我們可以有效地消除這個問題。這種做法提高了PTECH+接頭的性能，并確保其耐用性。”
（見圖5）
圖5 TSC表示，在開發(fā)PTECH+接箍時，他們重點考慮了液壓性能、上扣扭矩和抗疲勞性能等因素，以確保PTECH+接箍是擴展水平段鉆井的理想選擇。
該公司表示，盡管該接頭保持了流線型幾何設(shè)計，但其扭矩能力比相同尺寸的API鉆桿接頭平均高出85%至280%。TSC鉆桿認識到，與API鉆桿連接相比，大多數(shù)高扭矩連接的缺點是通常需要更多的匝數(shù)來彌補。因此，一個關(guān)鍵的設(shè)計標準是在不犧牲性能的情況下減少必要的轉(zhuǎn)彎數(shù)。根據(jù)連接尺寸的不同，補孔的匝數(shù)從7.5到9.6不等。
當今鉆井程序和較深井的另一個趨勢是使用鉆柱振蕩程序，包括在鉆井時交替順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)鉆柱。加勒特表示:“我們發(fā)現(xiàn)，這些振蕩程序?qū)е碌囊粋€問題是，連接可能有破裂的傾向。”PTECH+接頭旨在為螺紋接頭提供更高的上扣扭矩，我們已經(jīng)成功克服了這一挑戰(zhàn)。”為了獲得更深的井段和更長的水平段，鉆井程序需要更高的扭矩閾值，越來越多的陸地鉆機正在升級組件，提高鉆柱連接上扣扭矩的閾值能力。
除了鉆桿之外，專有的PTECH+連接技術(shù)還有可能用于各種應用，包括海底管、修井隔水管和其他井下組件。雖然它目前主要用于陸地鉆井，但也可以通過結(jié)合氣密密封功能用于海上和其他專業(yè)鉆井項目。
BHA和鉆井工程軟件
在BHA市場領(lǐng)域，Helmerich and Payne (H&P)的技術(shù)研究員梅南德表示，雖然在過去幾年中，BHA組件幾乎沒有真正的突破，但仍有大量工作在改進現(xiàn)有技術(shù)，以提高耐久性，并使井下旋轉(zhuǎn)時間更長。
（見圖6）
圖6 鉆頭和BHA分析模塊是DrillScan鉆井工程軟件的四個主要模塊之一。自2019年收購Drillscan以來，H&P一直致力于將Drillscan的更多應用集成到鉆井機隊中。
“我們已經(jīng)突破了RSS和大功率泥漿馬達的極限。此外，我們還看到了一些安裝在BHA中的配件的開發(fā)，這些配件可以消除摩擦、抑制振動并減少粘滑。最后，我們看到更多的供應商采用了高頻扭轉(zhuǎn)振蕩緩解技術(shù)，可以直接在RSS內(nèi)部實現(xiàn)。”
梅南德表示，對于未來可能推動步進變化的技術(shù)，他對鉆頭轉(zhuǎn)向技術(shù)很感興趣，該技術(shù)采用帶活動墊的鉆頭，可以實現(xiàn)更好的軌跡控制和更精確的井眼位置。”他說，另一個值得關(guān)注的地方是沿著底部鉆具組合和鉆頭放置非常小的傳感器，以獲得更好的數(shù)據(jù)，這有助于驗證H&P的模型。
梅南德還強調(diào)了鉆頭取證的好處，該技術(shù)使用掃描設(shè)備提供的圖片，并用人工智能驅(qū)動的算法進行分析，為枯燥的分級提供詳細的3D圖像。他說:“我們的想法是更好地測量鉆頭的磨損，然后減少為新應用設(shè)計新鉆頭所需的時間。”“這樣就不需要手動測量單個切削齒的磨損類型和數(shù)量，否則會花費大量時間，而且可能不準確。當涉及到迭代設(shè)計改進時，這對鉆頭提供商來說是一個很好的過程。”
隨著行業(yè)走向真正的數(shù)字化，梅南德先生解釋說，H&P的一個重點領(lǐng)域是集成公司部署的許多井下產(chǎn)品和技術(shù)，作為實現(xiàn)自動化鉆井的一攬子計劃的一部分。他說:“我們在H&P所做的是通過不同程度的自動化從地面更好地控制底部鉆具組合。“無論是新的還是現(xiàn)有的BHA，我們都在考慮如何在操作參數(shù)、鉆井性能和導向建議方面對其進行控制。對于越來越復雜的井段和越來越長的水平段，如果我們想要突破極限，就必須考慮結(jié)合技術(shù)，否則至少目前存在技術(shù)限制。”
2019年，H&P收購了DrillScan鉆井工程軟件，該軟件有四個主要模塊——井眼規(guī)劃、井眼完整性、BHA和鉆頭分析以及鉆柱建模。他們利用建模和模擬縮短了到達目標的時間，提高了底部鉆具組合的完整性，增加了與油藏的接觸。梅南德表示:“我們希望將DrillScan軟件的應用程序集成到H&P鉆機上，以實現(xiàn)自動化。”例如，該軟件基于物理的算法與AutoSlide技術(shù)相結(jié)合，與地面設(shè)備協(xié)同工作來控制BHA。其想法是嘗試預測摩擦量，并在給定井眼軌跡的情況下找到最佳鉆壓RPM。我們希望優(yōu)化H&P的所有設(shè)備，以獲得最佳ROP，減少振動，并獲得更光滑的井筒，我們使用DrillScan軟件使設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標。”
一旦DrillScan軟件成功地與地面鉆機設(shè)備集成，并實現(xiàn)了與井筒質(zhì)量和鉆井性能相關(guān)的目標，H&P就可以專注于另一個主要目標:創(chuàng)建一個數(shù)字孿生，實時預測和建模性能。梅南德先生解釋說:“我們希望提供我所說的真正的數(shù)字孿生，這意味著對鉆柱和BHA的狀況進行實時、實時、虛擬的表示。”擁有這種井下眼，也就是說，擁有整個鉆柱的真正數(shù)字孿生，可以讓我們在ROP、轉(zhuǎn)向和振動方面更好地控制鉆柱。”一旦鉆井完成，H&P就可以快速分析其性能，預測下一個鉆井的性能。
梅南德先生表示，他認為將DrillScan軟件作為H&P的一部分，為客戶提供了多個第三方提供商難以實現(xiàn)的好處。他解釋說:“我們有鉆井平臺，我們有鉆井平臺上的人員，我們有技術(shù)，這意味著我們可以掌握和控制從A到Z的一切，因為我們都在同一家公司。”“當你引入第三方技術(shù)提供商時，可能會出現(xiàn)集成或溝通錯誤的問題，但將DrillScan軟件作為H&P產(chǎn)品組合的一部分，有助于確保我們了解需要做什么，并且我們有來自H&P傳感器的數(shù)據(jù)來支持這些決策。”
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