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國際前沿鉆頭解決鉆井難題 (上)

時(shí)間:2016-05-31 10:56 來源: 作者:編譯 / 申守慶 楊霞
近年來,通過采用新型切削結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的切削齒形狀以及先進(jìn)的建模軟件而開發(fā)出來的各種新型鉆頭層出不窮,目的在于不斷提高機(jī)械鉆速、改善鉆頭的可控性并提高耐用性。 為了達(dá)到此類目的,制造商們正在重新考慮 PDC 鉆頭和混合鉆頭的布齒方式,使之能在不影響鉆頭可操作性的情況下增強(qiáng)對地層的壓力。改進(jìn)的建模性能可以更好地掌握特定鉆頭在特定地層的反應(yīng),以便提前定制更為適用的鉆頭。研發(fā)中的獨(dú)特切削齒保護(hù)措施可以幫助延長鉆頭在多種不同地層類型中的使用壽命。鑒于當(dāng)前鉆頭市場的競爭異常激烈,鉆井作業(yè)者必須不斷尋找更新、更耐用的鉆頭,以及能夠鉆出更長的橫向井段的鉆頭。同時(shí),鉆井作業(yè)者對在各種地層中鉆頭的耐用性和操作性都有更高的要求。為了幫助提高機(jī)械鉆速,鉆頭制造商爭相采用更先進(jìn)的算法來更好的建模,以便能夠確切知道鉆頭在特定地層的實(shí)際反應(yīng),以及如何為特定的應(yīng)用定制鉆頭。鉆頭公司也不斷重新檢驗(yàn)其各項(xiàng)設(shè)計(jì),包括布齒方式、齒的形狀、以及齒的保護(hù)措施等。每家公司在改進(jìn)的過程中采用的方法不同,但他們的最終目標(biāo)一致,那就是提高機(jī)械鉆速(ROP)、提高鉆井進(jìn)尺、縮短鉆井時(shí)間并降低鉆井成本。
 
高鉆速新型MicroCORE PDC 鉆頭
 

當(dāng) Tercel 公司幾年前推出第一代 微 型 巖 心(MicroCORE)PDC鉆頭時(shí),該公司就希望生產(chǎn)出一種能夠在鉆井同時(shí)鉆出巖芯樣品的鉆頭。這些“微型巖心”的尺寸大小要求能夠足以方便地質(zhì)評價(jià),從而推動(dòng)了這種鉆頭的研發(fā)。然而,該公司在研發(fā)中發(fā)現(xiàn),通過改進(jìn)這種鉆頭最初為產(chǎn)生巖心而優(yōu)化了的獨(dú)特切削結(jié)構(gòu)可大幅提高機(jī)械鉆速。2015 年底,該公司通過重新設(shè)計(jì)鉆頭輪廓、PDC 切削齒和鉆頭水力系統(tǒng),以及通過優(yōu)化巖心腔直徑與深度的以及微型巖心的剪切過程,最終推出其改進(jìn)型鉆頭版本。新鉆頭的具體設(shè)計(jì)是將 PDC 切削齒安裝在鉆頭面的外徑處,并取消鉆頭中心的切削齒,從而在鉆頭中間加工一個(gè)圓柱形的腔體以便能夠產(chǎn)出巖心。巖心腔后部的附加剪切齒可以切斷所收集的巖心。如果需要的話,巖心就可以從鉆頭中釋放出來并沿環(huán)空上返到地面以便能夠?qū)r心進(jìn)行評價(jià)。傳統(tǒng)鉆頭的鉆井能量大部分都消耗在鉆頭中心,在圓弧半徑周圍的齒移動(dòng)緩慢,而鉆頭外部的齒移動(dòng)得很快,通過取消鉆頭中心的齒,可以將能量重新分配到切削結(jié)構(gòu)中工作最多的切削齒上。在 2014 年 夏 季, 這 種新型鉆頭在美國南部德克薩斯 州 的 Eagle Ford 三 口 水平井中使用,而相鄰的五口類似的井則使用不帶巖心切削 功 能 的 PDC 鉆 頭。 由 于在該地區(qū)鉆進(jìn)彎曲段和水平段時(shí)遇到了很多問題,所以當(dāng)時(shí)鉆井作業(yè)人員特別希望在 8¾ 英寸井段中能夠大幅提高機(jī)械 鉆 速。 在 鉆 井 過 程 中, 鉆 井 商先 是 以 10~14°/100 英 尺 的 造 斜率 鉆 了 8,500 英 尺 的 造 斜 段, 然后在沒有起鉆更換鉆頭、更換底部鉆 具 組 合, 繼 續(xù) 鉆 進(jìn) 了 7,000 英尺 的 側(cè) 向 段, 總 進(jìn) 尺 深 度 大 約 是16,500 英尺。Tercel 公司的微型巖心(MicroCORE)PDC 鉆頭的平均機(jī)械鉆速達(dá)到了 92 英尺 / 小時(shí),而鄰井的其它鉆頭同樣也鉆進(jìn)了 彎 曲 段 和 側(cè) 向 段,PDC 鉆 頭 的平均機(jī)械鉆速則僅為 72 英尺 / 小時(shí)。該鉆頭在美國北達(dá)科他 州的Bakken、 印 尼 的 Tunu field 及79新品上市 Overview of New Technologies·New Product Introduction 新技術(shù)縱覽P+E英國的北海南部也進(jìn)行了應(yīng)用,并取得良好效果。
 
可控性強(qiáng)的二代新型混合鉆頭

 
2015 年, 貝 克 休 斯(BakerHughes) 推 出 有 機(jī) 融 合 PDC 鉆頭和牙輪鉆頭各自優(yōu)點(diǎn)的 KymeraFSR 第二代混合鉆頭。貝克休斯于2011 年第四季度推出了第一代混合鉆頭模型。第一代混合鉆頭在堅(jiān)硬和有夾層的地層中表現(xiàn)出色,在更軟的地層和碳酸鹽地層中有更大的發(fā)展空間。為了占領(lǐng)這部分市場并提高鉆頭的整體效率,貝克休斯開始想辦法在保持其混合鉆頭低扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的同時(shí)使其更具有攻擊性。為此,貝克休斯公司的技術(shù)人員研發(fā)了一種優(yōu)化的滾動(dòng)牙輪和 PDC 切削結(jié)構(gòu)。與其第一代混合鉆頭相比,這種新的結(jié)構(gòu)使該鉆頭能在更低的鉆壓要求下達(dá)到更高的整體平均機(jī)械鉆速。這種具有新型切削結(jié)構(gòu)的混合鉆頭不但能夠提高效率, 還能維持定向。鉆井商曾高度評價(jià)其第一代產(chǎn)品平滑鉆進(jìn)的特征。該公司這種經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的鉆頭在碳酸鹽地層中的性能提高了 50%~100%。在第四季度的 Eagle Ford 鉆井項(xiàng)目中,鉆井人員在 Austin Chalk和 Anacacho 地層中三口獨(dú)立的井中選擇使用了第二代混合鉆頭鉆彎曲段。在這種井段曾使用 PDC 鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn), 但產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)很大,使底部鉆具組合偏離其預(yù)定軌跡,需要至少兩只鉆頭才能通過彎曲段。此外,高的扭矩波動(dòng)迫使鉆井作業(yè)人員減小鉆壓,機(jī)械鉆速(ROP)受到了嚴(yán)重制約。貝克休斯公司的新型混合鉆頭被選擇用于鉆進(jìn)三個(gè)彎曲段(每個(gè)彎曲段平均長度為 789 英尺)。三口井的平均總深度是 12,600 英尺,第一口井以 36 英尺 / 小時(shí)的平均機(jī)械 鉆 速(ROP) 鉆 進(jìn) 了 22 小 時(shí);第二口井鉆頭完成該井段用時(shí) 17 小時(shí),平均機(jī)械鉆速為 46 英尺 / 小時(shí);第三口井的平均機(jī)械鉆速為 41英尺 / 小時(shí),而兩口鄰井則需要用多個(gè)鉆頭鉆進(jìn)彎曲段。其中一口井用了三只鉆頭、用時(shí)超過 35 小時(shí)才鉆完預(yù)定井段,平均機(jī)械鉆速僅為23.7 英尺 / 小時(shí)。另外一口井用了兩只 PDC 鉆頭、用時(shí)超過 27.5 小時(shí),平均機(jī)械鉆速為 32.2 英尺 / 小時(shí)。每只 Kymera FSR 鉆頭在起出后新度都非常高,鉆井作業(yè)人員在每個(gè)彎曲段的每英尺成本至少降低了 36%,三口井總共為鉆井作業(yè)商節(jié)約了 503,122 美元。
 
兩級切削結(jié)構(gòu)的新型 PDC 鉆頭
 
哈利伯頓(Halliburton)公司推出的 GeoTech 固定切削齒 PDC鉆頭,是專門針對難鉆地層而設(shè)計(jì)的鉆頭,比如堅(jiān)硬或研磨性大的地層,或交替夾雜著堅(jiān)硬和松軟巖石的地層。與傳統(tǒng)鉆頭的切削結(jié)構(gòu)相比,這種新型 GeoTech 鉆頭的顯著特點(diǎn)是具有兩級布齒結(jié)構(gòu),具體而言是在鉆頭面的輪廓上對切削結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變,從而使某些切削齒能夠比其它切削齒在鉆井過程中切削更多的巖石。這種新穎設(shè)計(jì)的基本考慮是,鉆頭在鉆井過程中有時(shí)候會(huì)遇到不需要太多切削結(jié)構(gòu)的軟地層,但過后卻有可能會(huì)進(jìn)入更硬或研磨性更大的地層,此時(shí)就需要更多的 PDC 齒。該公司的新型切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在鉆頭的某個(gè)部位布置較稀的切削結(jié)構(gòu),而在其它部位則布置成切削齒密度較高的切削結(jié)構(gòu),通過調(diào)整鉆井操作參數(shù)便能夠在必要的時(shí)候使鉆頭發(fā)揮其第二級切削結(jié)構(gòu)與地層的嚙合鉆進(jìn)作用。該鉆頭融合了先進(jìn)的材料,包括新型胎體 / 粘結(jié)材料以及更耐磨、更具抗沖擊性且熱機(jī)械性能更好的金剛石切削齒。然而,雖然這些材料讓鉆頭更堅(jiān)固耐用,但是在沒有完全了解使用方法之前就投入使用也不會(huì)達(dá)到預(yù)期效果。所以,先進(jìn)的模擬系統(tǒng)對充分發(fā)揮這類鉆頭的性能起著關(guān)鍵作用。2015 年末,哈里伯頓(Halli-burton)公 司 推 出 了 一 種 新 型 的IBitS 三維設(shè)計(jì)軟件 , 以更新算法和模型。這些工具與哈里伯頓的巖石交互作用模型協(xié)同作用,可以更逼真地模擬地層和了解鉆頭與地層是如何相互作用的。通過更好的模擬有助于根據(jù)具體要求改變鉆頭切削結(jié)構(gòu)或改變鉆頭的材料,從而滿足客戶的機(jī)械鉆速或進(jìn)尺需求。如果一個(gè)鉆井作業(yè)商想提高鉆井速度的話,那么為了達(dá)到這一目標(biāo),應(yīng)用該軟件就可以確定鉆頭正確的位置,布置正確的切削結(jié)構(gòu)數(shù)量。今年初在北海地區(qū),哈里伯頓公司的一只GeoTech GTD65D 鉆頭被用于鉆進(jìn)一口海洋井 12¼ 英寸井段中七種截然不同的地層,該鉆頭向下鉆鉆進(jìn)了 8,254 英尺長的井段,實(shí)現(xiàn)了93 英尺 / 小時(shí)的平均機(jī)械鉆速,與其它三口鄰井 74 英尺 / 小時(shí)的平均機(jī)械鉆速相比,節(jié)約鉆井時(shí)間至少11 小時(shí)。起出后,該鉆頭的磨損等級是 1-1-BT,比鄰井鉆頭的磨損要小很多。(未完待續(xù))
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