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(lèi)型鉆柱。
井長(zhǎng)增加、井深加深、井眼幾何形狀復(fù)雜化，導(dǎo)致對(duì)高性能鉆桿和井底鉆具組合(BHAs)的需求增加。技術(shù)供應(yīng)商正專(zhuān)注于提高耐久性和降低擁有成本，例如通過(guò)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(jiàn)圖1）
鉆桿、BHAs連接技術(shù)
NOV Grant Prideco業(yè)務(wù)部門(mén)技術(shù)支持服務(wù)高級(jí)總監(jiān)普萊西斯解釋說(shuō)，在鉆桿市場(chǎng)，創(chuàng)新周期與井下技術(shù)或鉆機(jī)設(shè)備的創(chuàng)新周期幾乎不相同。因此，該公司仍將重點(diǎn)放在其德?tīng)査@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(guò)去6年一直在這兩個(gè)方面取得成功。例如，德?tīng)査?44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(dāng)。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(jī)械鉆速。
（見(jiàn)圖2）
圖2 NOV表示，在過(guò)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(wú)需對(duì)鉆桿接頭進(jìn)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?tīng)査倪B接速度提高了50%，每次連接連接和斷開(kāi)連接最多可節(jié)省4秒
。
NOV還在開(kāi)發(fā)另外兩個(gè)接入點(diǎn)。第一個(gè)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(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)有點(diǎn)不同，因?yàn)槲覀兿雰?yōu)化抗疲勞性能。”BHA連接的挑戰(zhàn)在于工具非常堅(jiān)硬，大多數(shù)彎曲發(fā)生在連接層面，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)疲勞。”
第二種技術(shù)是在有限的基礎(chǔ)上在小眾應(yīng)用程序中運(yùn)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(lèi)型的管柱，用于清井、修井作業(yè)或過(guò)油管鉆井。”“這些都是非常專(zhuān)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(jìng)爭(zhēng)。雖然堅(jiān)固耐用可能是使用Nano的一個(gè)好處，但成本通常更高，我們的客戶會(huì)非常仔細(xì)地評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和運(yùn)行成本。”為了解決這一問(wèn)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(lèi)型的作業(yè)。
圖3 NOV正在改進(jìn)其Delta管道連接，并開(kāi)發(fā)兩個(gè)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(wù)等級(jí)的認(rèn)證。
NOV公司感興趣的另一個(gè)領(lǐng)域是鉆桿隔水管。該公司最近完成了一個(gè)20,000 psi的連接器在酸性服務(wù)等級(jí)的認(rèn)證。Plessis先生解釋道:這個(gè)項(xiàng)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(gè)完井和修井立管的API 17G標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)，該產(chǎn)品目前正在與合作公司的產(chǎn)品進(jìn)行螺紋連接，用于墨西哥灣的高壓項(xiàng)目
。（見(jiàn)圖3）
在中東地區(qū)，含酸服務(wù)等級(jí)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(guò)了資格預(yù)審，NOV表示計(jì)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(jí)銷(xiāo)售工程師馬克·加勒特表示，在過(guò)去的5到10年里，鉆桿市場(chǎng)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(lái)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(wàn)英尺，一些井的平均最小總深度(TD)為3萬(wàn)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(dá)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(jì)接頭，越來(lái)越多的單肩API接頭采用不同供應(yīng)商的專(zhuān)有螺紋技術(shù)。
圖4 Marcellus/Utica的一個(gè)鉆井平臺(tái)正在運(yùn)行TSC的PTECH+。該連接的設(shè)計(jì)原則是，在螺紋形式的根部有一個(gè)大半徑，可以減少連接中的峰值應(yīng)力。TSC表示，降低峰值應(yīng)力可以減少接頭疲勞和井下彎曲時(shí)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(shí)現(xiàn)所需的更高的上扣扭矩，”他說(shuō)。此外，專(zhuān)有的雙肩連接通常具有通過(guò)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(xiàng)目越來(lái)越多地采用先進(jìn)的BHA技術(shù)，如用于精確定向控制的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)， Garret先生表示，專(zhuān)有連接已經(jīng)獲得了巨大的市場(chǎng)份額，成為實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)。“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(zhuān)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(zhuān)有接頭都有一個(gè)更慢、更漸進(jìn)的錐度，這就是如何實(shí)現(xiàn)更大的內(nèi)徑來(lái)提高液壓性能。”
TSC鉆桿的PTECH+是該公司最近進(jìn)入高性能連接市場(chǎng)的產(chǎn)品。該接頭的設(shè)計(jì)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(jiàn)圖4）
“如何在這些高性能接頭上實(shí)現(xiàn)抗疲勞性能?”加勒特先生問(wèn)道。“在設(shè)計(jì)PTECH+時(shí)，測(cè)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(yīng)力。接頭峰值應(yīng)力的降低降低了接頭疲勞和井下彎曲時(shí)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(shuō):“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(shí)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(gè)問(wèn)題。這種做法提高了PTECH+接頭的性能，并確保其耐用性。”
（見(jiàn)圖5）
圖5 TSC表示，在開(kāi)發(fā)PTECH+接箍時(shí)，他們重點(diǎn)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(kuò)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(jì)，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(rèn)識(shí)到，與API鉆桿連接相比，大多數(shù)高扭矩連接的缺點(diǎn)是通常需要更多的匝數(shù)來(lái)彌補(bǔ)。因此，一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)孔的匝數(shù)從7.5到9.6不等。
當(dāng)今鉆井程序和較深井的另一個(gè)趨勢(shì)是使用鉆柱振蕩程序，包括在鉆井時(shí)交替順時(shí)針和逆時(shí)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€(gè)問(wèn)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(zhǎng)的水平段，鉆井程序需要更高的扭矩閾值，越來(lái)越多的陸地鉆機(jī)正在升級(jí)組件，提高鉆柱連接上扣扭矩的閾值能力。
除了鉆桿之外，專(zhuān)有的PTECH+連接技術(shù)還有可能用于各種應(yīng)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(guò)結(jié)合氣密密封功能用于海上和其他專(zhuān)業(yè)鉆井項(xiàng)目。
BHA和鉆井工程軟件
在BHA市場(chǎng)領(lǐng)域，Helmerich and Payne (H&P)的技術(shù)研究員梅南德表示，雖然在過(guò)去幾年中，BHA組件幾乎沒(méi)有真正的突破，但仍有大量工作在改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，以提高耐久性，并使井下旋轉(zhuǎn)時(shí)間更長(zhǎng)。
（見(jiàn)圖6）
圖6 鉆頭和BHA分析模塊是DrillScan鉆井工程軟件的四個(gè)主要模塊之一。自2019年收購(gòu)Drillscan以來(lái)，H&P一直致力于將Drillscan的更多應(yīng)用集成到鉆井機(jī)隊(duì)中。
“我們已經(jīng)突破了RSS和大功率泥漿馬達(dá)的極限。此外，我們還看到了一些安裝在BHA中的配件的開(kāi)發(fā)，這些配件可以消除摩擦、抑制振動(dòng)并減少粘滑。最后，我們看到更多的供應(yīng)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(shí)現(xiàn)。”
梅南德表示，對(duì)于未來(lái)可能推動(dòng)步進(jìn)變化的技術(shù)，他對(duì)鉆頭轉(zhuǎn)向技術(shù)很感興趣，該技術(shù)采用帶活動(dòng)墊的鉆頭，可以實(shí)現(xiàn)更好的軌跡控制和更精確的井眼位置。”他說(shuō)，另一個(gè)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(yàn)證H&P的模型。
梅南德還強(qiáng)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(dòng)的算法進(jìn)行分析，為枯燥的分級(jí)提供詳細(xì)的3D圖像。他說(shuō):“我們的想法是更好地測(cè)量鉆頭的磨損，然后減少為新應(yīng)用設(shè)計(jì)新鉆頭所需的時(shí)間。”“這樣就不需要手動(dòng)測(cè)量單個(gè)切削齒的磨損類(lèi)型和數(shù)量，否則會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，而且可能不準(zhǔn)確。當(dāng)涉及到迭代設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)，這對(duì)鉆頭提供商來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的過(guò)程。”
隨著行業(yè)走向真正的數(shù)字化，梅南德先生解釋說(shuō)，H&P的一個(gè)重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井的一攬子計(jì)劃的一部分。他說(shuō):“我們?cè)贖&P所做的是通過(guò)不同程度的自動(dòng)化從地面更好地控制底部鉆具組合。“無(wú)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(dǎo)向建議方面對(duì)其進(jìn)行控制。對(duì)于越來(lái)越復(fù)雜的井段和越來(lái)越長(zhǎng)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(gòu)了DrillScan鉆井工程軟件，該軟件有四個(gè)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(dá)目標(biāo)的時(shí)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(yīng)用程序集成到H&P鉆機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(lái)控制BHA。其想法是嘗試預(yù)測(cè)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(dòng)，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(biāo)。”
一旦DrillScan軟件成功地與地面鉆機(jī)設(shè)備集成，并實(shí)現(xiàn)了與井筒質(zhì)量和鉆井性能相關(guān)的目標(biāo)，H&P就可以專(zhuān)注于另一個(gè)主要目標(biāo):創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和建模性能。梅南德先生解釋說(shuō):“我們希望提供我所說(shuō)的真正的數(shù)字孿生，這意味著對(duì)鉆柱和BHA的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、實(shí)時(shí)、虛擬的表示。”擁有這種井下眼，也就是說(shuō)，擁有整個(gè)鉆柱的真正數(shù)字孿生，可以讓我們?cè)赗OP、轉(zhuǎn)向和振動(dòng)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(yù)測(cè)下一個(gè)鉆井的性能。
梅南德先生表示，他認(rèn)為將DrillScan軟件作為H&P的一部分，為客戶提供了多個(gè)第三方提供商難以實(shí)現(xiàn)的好處。他解釋說(shuō):“我們有鉆井平臺(tái)，我們有鉆井平臺(tái)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?yàn)槲覀兌荚谕患夜尽?rdquo;“當(dāng)你引入第三方技術(shù)提供商時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)集成或溝通錯(cuò)誤的問(wèn)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(lái)自H&P傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)支持這些決策。”
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