近年來，隨著井眼形狀和鉆井作業(yè)過程變得越來越復(fù)雜，鉆頭開發(fā)商也不得不持續(xù)改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)、跟進(jìn)鉆頭技術(shù)，以滿足日益困難的鉆井性能要求。聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭就是一個典型的例子，這類鉆頭在耐用性和效率方面一直保持持續(xù)改進(jìn)，以支持更為復(fù)雜的操作參數(shù)以及BHA（底部鉆具組合）的設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括性能更為強(qiáng)大的螺桿鉆具和復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。
智能鉆頭應(yīng)勢而生
隨著研發(fā)資源在PDC鉆頭開發(fā)中的應(yīng)用，鉆頭應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)越來越受到限制。當(dāng)大多數(shù)井段僅用一個鉆頭就能鉆完時，就很難減少每個井段所用的鉆頭數(shù)量了。而當(dāng)鉆井系統(tǒng)的水力配置無法有效地將鉆屑排出環(huán)空時，則顯著提高鉆速同樣具有挑戰(zhàn)性。此外，井眼質(zhì)量和定向要求有時會比提高鉆速更為重要。因此，一種能夠推動鉆井性能進(jìn)一步提高的創(chuàng)新鉆頭產(chǎn)品被廣泛歸類為“智能鉆頭”。隸屬于國民油井（NOV）公司的ReedHycalog公司業(yè)務(wù)部門近來走在了智能鉆頭市場的最前沿，開發(fā)出了能測量鉆井環(huán)境各個方面的技術(shù)，并能使這些測量參數(shù)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而根據(jù)這些信息改進(jìn)其井下作業(yè)數(shù)據(jù)。
該公司工程師們發(fā)現(xiàn)，近鉆頭和/或在鉆頭測量可與遠(yuǎn)離鉆頭的測量相結(jié)合，以改進(jìn)BHA（底部鉆具組合）模型、整體定向控制和鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鉆井參數(shù)和振動測量工具現(xiàn)在都非常精確，并能夠以令人印象深刻的頻率收集數(shù)據(jù)。一旦處理完畢，這些數(shù)據(jù)可以提供對井下動力學(xué)和效率方面的重要見解，以及一些不太明顯的主題，如井眼質(zhì)量和地層特征等。通過在鉆頭（而不是在底部鉆具組合內(nèi)的鉆頭幾英尺以上）處進(jìn)行這些測量，可以立即查看鉆井過程的許多井下狀況以及所鉆地層方面的信息。這些井下測量的一個有趣的應(yīng)用是將數(shù)據(jù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或大數(shù)據(jù)分析的潛力。如果能夠在一個油田內(nèi)捕獲多口井的整個深度的井下數(shù)據(jù)，就可以得出關(guān)于鉆頭選擇和底部鉆具組合設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化和地質(zhì)趨勢的精確結(jié)論。許多這些統(tǒng)計分析都可以自動化，但其限制因素是大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)的可用性。與許多類型的測量工具相關(guān)的相對較高的成本限制了它們的部署，因此，在給定的應(yīng)用中，通常不到10%的油井會應(yīng)用到捕獲高頻數(shù)據(jù)的工具。而ReedHycalog公司則正在努力改進(jìn)這類統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
圖1展示了安裝在鉆頭柄部螺紋端的“在鉆頭”測量裝置，可收集用于性能和動力學(xué)分析方面的井下數(shù)據(jù)。為了提高近鉆頭井下數(shù)據(jù)采集的可訪問性，服務(wù)提供商目前正在部署一種小型、低成本的數(shù)據(jù)記錄儀，用于記錄和存儲特定應(yīng)用中ReedHycalog公司所有PDC鉆頭上的數(shù)據(jù)。這種@bit（在鉆頭）記錄儀的形狀像是一種1.6英寸直徑的塞子，可牢固地安裝在任何使用4½英寸或更大的API鉆頭柄部的鉆頭上。該記錄儀可承受的最大壓力為15000 psi，最高工作溫度為257°F。雖然其尺寸很小，但該記錄儀能夠在井下環(huán)境中達(dá)到100赫茲的采樣率和200小時的工作時間，同時記錄三軸振動、井下溫度和轉(zhuǎn)速。
在該記錄儀的整個開發(fā)過程中，重點(diǎn)一直放在其易用性上。這種@bit（在鉆頭）記錄儀不影響鉆柱底部鉆具組合（BHA）的設(shè)計，其載體的安裝或完成其數(shù)據(jù)下載僅需要幾分鐘的時間。通過使這種@bit（在鉆頭）記錄儀在硬件和人力使用方面都經(jīng)濟(jì)可行，就可以在各油田實現(xiàn)廣泛的推廣應(yīng)用。由于這種記錄儀的尺寸非常小，所以不能存儲大量的數(shù)據(jù)。然而，它能夠在井下自動處理數(shù)據(jù)并存儲這些信息，以便在需要時支持有關(guān)鉆頭動態(tài)性能的決策。@bit（在鉆頭）記錄儀的數(shù)據(jù)是在幾乎完全自動化的系統(tǒng)中運(yùn)行后收集的，這就進(jìn)一步降低了分析的成本。系統(tǒng)會自動生成一個簡單的單頁報告，為按天細(xì)分的鉆井作業(yè)提供振動方面的統(tǒng)計信息。數(shù)據(jù)可被編入索引并上傳到一個數(shù)據(jù)庫中；利用這個數(shù)據(jù)庫，鉆井專家可以通過地圖界面與鉆井作業(yè)人員一起分析鉆井性能趨勢。
應(yīng)用智能鉆頭的優(yōu)勢
應(yīng)用智能自適應(yīng)技術(shù)能夠減少鉆頭的起下鉆次數(shù)。如前所述，由于鉆頭耐用度的提高以及其他鉆井系統(tǒng)（如井下馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和MWD組件）的改進(jìn)，目前世界上許多井段都能僅用一只鉆頭即可鉆完?？紤]到起下鉆作業(yè)的成本，尤其是在海上鉆井作業(yè)中的起下鉆作業(yè)成本特別高，從操作成本的角度來看，這是一個重大的發(fā)展。在鉆井過程中減少更換鉆頭次數(shù)的缺點(diǎn)是，一旦選擇了一種鉆頭并下入井下，這同一個鉆頭將經(jīng)常會被用于在不同壓力和水力條件下鉆進(jìn)許多不同的地層類型。而且，同一只鉆頭也可能會被賦予不同的定向目標(biāo)，同時機(jī)械鉆速要求也很高。
ReedHycalog公司開發(fā)了一種新技術(shù)，允許鉆頭在井下進(jìn)行調(diào)整和改變，從而消除了將鉆頭起出地面的需要。這項新技術(shù)為鉆頭適應(yīng)不斷變化的動態(tài)環(huán)境、地層特征、定向要求等提供了潛力。通過這種方式，鉆頭可以在其整個井下生命周期內(nèi)以盡可能高的效率進(jìn)行鉆井，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速、井筒質(zhì)量和定向性能，同時還能降低鉆頭或BHA（底部鉆具組合）部件發(fā)生災(zāi)難性故障的可能性。目前對這種“智能自適應(yīng)”鉆頭概念的測試允許司鉆在鉆井過程中部署額外的切削結(jié)構(gòu)或切削深度控制元件。在這項技術(shù)的第一個產(chǎn)品原型中，是通過改變液壓參數(shù)來觸發(fā)自適應(yīng)功能的；但未來的版本將使用其他部署方法。這項技術(shù)能夠以幾種有價值的方式進(jìn)行應(yīng)用。
圖2展示了當(dāng)在地面由司鉆激活后，智能自適應(yīng)鉆頭能夠伸展出帶有新的切削結(jié)構(gòu)的刀翼，以提高鉆頭的耐用性并減少昂貴的鉆頭起下鉆次數(shù)。在一個應(yīng)用特例中，一位司鉆要選擇這樣一個鉆頭，該鉆頭在鉆井過程的前半部分要鉆進(jìn)的非?？?，原因是這一井段的地層相對較軟。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，其使用了一個布齒密度較稀的六刀翼鉆頭。但在鉆井作業(yè)遇到極易磨損的砂巖時，在井眼上半部分工作得很好的這只六刀翼鉆頭卻無法達(dá)到鄰井鉆頭那樣的鉆進(jìn)性能，就不得不將這只鉆頭起出井眼而更換適合特定應(yīng)用的新鉆頭。眾所周知，鉆頭的起下鉆費(fèi)用是很高的。而使用該公司的智能自適應(yīng)鉆頭技術(shù)，司鉆就可以在井上直接使用帶有新切削齒的其它刀翼，這樣就提高了鉆頭的耐磨性，即可以在不起出BHA（底部鉆具組合）以更換鈍鉆頭的情況下連續(xù)完成該井段的鉆進(jìn)。
這種智能自適應(yīng)鉆頭也能很好的應(yīng)用于造斜（彎曲）段和水平段為相同井眼尺寸的定向鉆進(jìn)井應(yīng)用中。在鉆彎曲段時，需要結(jié)合彎殼體井下馬達(dá)對鉆頭進(jìn)行切削深度控制，以確保平滑的扭矩響應(yīng)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，可在智能自適應(yīng)鉆頭上部署切削深度控制元件，以減少扭轉(zhuǎn)波動和工具面控制方面的問題。然而，在鉆完彎曲段以后，鄰井鉆井?dāng)?shù)據(jù)顯示在橫向段的機(jī)械鉆速可以比彎曲段的機(jī)械鉆速快三到四倍。在這種情況下，智能自適應(yīng)鉆頭則可以縮回切削深度控制元件，讓鉆頭切削結(jié)構(gòu)吃入地層的深度更大，從而使鉆頭能夠更快的在水平段進(jìn)行鉆進(jìn)，如圖3所示。
圖3展示了鉆完彎曲段后，通過收回可調(diào)刀翼，司鉆可以迅速提高橫向段的機(jī)械鉆速，以減少鉆機(jī)使用時間。除這些操作益處以外，其他方案還包括在井下時顯著改變鉆頭切割結(jié)構(gòu)、保徑結(jié)構(gòu)和/或液壓設(shè)計以進(jìn)一步優(yōu)化鉆井性能的能力。鉆井作業(yè)中新的協(xié)同作用正在不斷向前發(fā)展。隨著技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步，業(yè)界將會開發(fā)出新的在鉆頭測量產(chǎn)品，從而為鉆井優(yōu)化提供實時信息，并為鉆井作業(yè)后的全面分析提供信息存儲功能。鉆頭供應(yīng)商和鉆井作業(yè)公司必須共同努力，以確定井底的哪些信息能提供最大的價值，以及這些數(shù)據(jù)需要多久才能實現(xiàn)價值最大化。對智能自適應(yīng)鉆頭的控制可以通過各種下行鏈接方法在地面實施，這些方法已經(jīng)在業(yè)界得以使用。最終，這些方法也可能會顯得太耗時，且無法提供所需的具體控制。
因此，智能自適應(yīng)鉆頭的開發(fā)應(yīng)致力于不需要與地面人員直接交互的系統(tǒng)。當(dāng)這些智能鉆頭獲得測量值時，應(yīng)根據(jù)需要將這些數(shù)據(jù)與BHA（底部鉆具組合）中其他工具的測量值結(jié)合起來以發(fā)揮更大的作用。當(dāng)所需信息到位時，鉆頭（以及底部鉆具組合的其他部分）應(yīng)在不受地面干擾的情況下做出反應(yīng)并適應(yīng)不斷變化的井下條件。隨著智能鉆頭設(shè)計在未來幾年的發(fā)展，這些閉環(huán)能力有可能顯著提高鉆井效率，改進(jìn)地質(zhì)導(dǎo)向和平衡鉆井等工藝。
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