安裝在PDC鉆頭處的傳感器可測量井下功能異常，并與自動鈍度分級系統(tǒng)結(jié)合使用來計算鉆頭的損壞程度。高頻數(shù)據(jù)使設(shè)計工程師能夠確定提高鉆井效率所需的鉆頭設(shè)計變化。
美國二疊紀(jì)米德蘭盆地以其地層柱中的堅硬巖層而聞名。它們由高度夾層帶組成，含有可超過30 Kpsi巖石抗壓強(qiáng)度的堅硬石灰?guī)r。最具挑戰(zhàn)性的鉆井應(yīng)用之一是垂直+曲線+橫向（VCL）的生產(chǎn)層段，這是由于夾層過渡通常會造成鉆頭損壞，無法跟蹤切線（在垂直和橫向?qū)佣沃校?，以及在鉆取曲線層段時難以實(shí)現(xiàn)所需的造斜率。在米德蘭盆地，VCL層段通常是用8¾英寸或8½英寸的PDC鉆頭所鉆的，且使用傳統(tǒng)的泥漿馬達(dá)，總鉆探進(jìn)尺約為13000英尺。該層段的巖性由軟頁巖組成，帶有堅硬的石灰石夾層和偶爾的研磨帶，這會導(dǎo)致鉆頭切削齒的損壞，并增加鉆進(jìn)整個井段所需的鉆頭/起下鉆次數(shù)（即需要用兩個以上的固定切削齒鉆頭）。
性能及鈍鉆頭分析
在米德蘭盆地鉆井的作業(yè)商一直在尋求新技術(shù)來幫助提高其性能，并以更高的機(jī)械鉆速在一次作業(yè)中連續(xù)鉆完整個井段。前期在該地區(qū)是使用裝有尺寸為13mm切削齒的六刀翼固定齒切削鉆頭對該區(qū)段進(jìn)行鉆井，但嚴(yán)重的鉆頭損壞使鉆進(jìn)深度受到了限制。地面電子鉆井記錄儀表明，當(dāng)發(fā)現(xiàn)夾層地帶時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的振動。鉆頭處的振動類型及其來源尚不清楚，因此很難確定完整解決方案的正確方法。圖1顯示了鉆頭使用前后的鈍化狀態(tài)。
圖1 鉆頭起出后的鈍化情況
該段由巖石抗壓強(qiáng)度約為5 KSPI的軟頁巖和具有硬石灰?guī)r夾層的中高磨蝕性砂巖組成，砂巖的抗壓強(qiáng)度可超過30 KPSI。圖2展示了VCL層段的巖石分析情況。
圖2：VCL生產(chǎn)井段巖石強(qiáng)度分析。
電子數(shù)據(jù)分析
對應(yīng)用8¾英寸鉆頭在鉆VCL層段時所捕獲的電子數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，以確定在鉆進(jìn)這一具有挑戰(zhàn)性的層段時鉆頭處的振動情況。目標(biāo)是確定冠部、下部臺肩和規(guī)徑區(qū)域產(chǎn)生問題的根本原因，向我們展示鉆頭設(shè)計改進(jìn)的正確方法，從而有助于消除未來鉆頭的嚴(yán)重?fù)p壞。圖3顯示了記錄鉆頭數(shù)據(jù)的傳感器以及它在鉆頭內(nèi)的位置。
圖3：鉆頭傳感器的位置。
鉆頭振動數(shù)據(jù)分析未顯示存在鉆頭粘滑現(xiàn)象。然而，在整個鉆井過程中，鉆頭數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了嚴(yán)重的橫向振動，并伴有中度至高度的軸向振動。所發(fā)現(xiàn)的橫向和軸向振動是長期的，而且不是操作參數(shù)所造成的結(jié)果。較高的側(cè)向和軸向振動幅度與鉆進(jìn)曲線段時的鉆頭側(cè)切和在側(cè)（橫）向段中發(fā)現(xiàn)的硬夾層有關(guān)，在橫向段處，在鉆井操作接近尾聲時出現(xiàn)了機(jī)械鉆速（ROP）下降的趨勢趨勢。圖4顯示了如前所示的8¾英寸鉆頭在鉆VCL井段時的電子鉆頭數(shù)據(jù)分析，鉆頭在冠部處受損，并因機(jī)械鉆速過低而被起出。
圖4: 8¾英寸VCL井段鉆井鉆頭數(shù)據(jù)分析。
對橫向井段進(jìn)行了深入的鉆頭數(shù)據(jù)分析，以了解高的橫向和軸向沖擊是如何產(chǎn)生的，因?yàn)檫@導(dǎo)致了鉆頭損壞，并使鉆頭不能在一次下井鉆進(jìn)中鉆完該井段。鉆頭數(shù)據(jù)顯示，在較低的伽馬射線值下，橫向和軸向振動增加，機(jī)械鉆速下降。低伽馬值通常表示存在硬夾層。分析得出的結(jié)論是，堅硬的夾層過渡鉆井是產(chǎn)生高的橫向和軸向振動的來源，會產(chǎn)生嚴(yán)重的鉆頭損壞，并使鉆頭不能一趟鉆完成該井段。圖5顯示了橫向井段的深入鉆頭數(shù)據(jù)分析，并顯示了由低伽馬值產(chǎn)生的具有低ROP（機(jī)械鉆速）的較高橫向和軸向振動。
圖5：電子鉆頭數(shù)據(jù)，顯示低伽馬射線井段中增加的振動幅度和較低的ROP。
電子鉆頭數(shù)據(jù)分析還顯示，當(dāng)鉆頭從底部旋轉(zhuǎn)離開、接觸底部或從底部提起時，總是會產(chǎn)生高的橫向振動。圖6顯示了在橫向?qū)佣毋@某一井段時的振動，當(dāng)鉆頭離開底部時，具有較高的橫向振動。
圖6：顯示了鉆進(jìn)特定井段開始和結(jié)束時離開井底時的峰值橫向振動的電子鉆頭數(shù)據(jù)。
自動化鈍級分析
近年來，數(shù)字化和自動化一直是鉆井行業(yè)越來越關(guān)注的領(lǐng)域。其中一個關(guān)鍵領(lǐng)域是鉆頭磨損和損壞評估的數(shù)字化。目前，油田人員參考國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）的鉆頭分級標(biāo)準(zhǔn)，通過目視檢查來分析和評定的鈍級，但這可能是太過主觀。
應(yīng)用自動化鈍級分級（ADG）系統(tǒng)對幾只損壞了的8¾英寸的鉆頭進(jìn)行了精確的鈍級分析。該系統(tǒng)使用數(shù)字圖像作為輸入，計算出單個鉆頭齒的損壞情況。通過使用自動化過程，該系統(tǒng)提供了關(guān)于所分析的鉆頭中發(fā)生損壞的鉆頭位置的更高水平的可靠性、一致性和準(zhǔn)確性。AGD系統(tǒng)顯示出典型的鈍化狀態(tài)，即鉆頭冠部中的災(zāi)難性損傷，以及下部臺肩和保徑區(qū)域的高沖擊損壞。圖7顯示了在VCL層段鉆井的一系列鉆頭的ADG輸出結(jié)果。
圖7：一系列用于鉆VCL井段的8¾英寸鉆頭的ADG輸出結(jié)果。
鉆頭冠部的損傷發(fā)生在第5到10顆齒之間，然后朝著內(nèi)錐或朝著鼻部和肩部擴(kuò)展，這就使鉆頭無法進(jìn)一步鉆進(jìn)。在鉆曲線或在橫向井段中進(jìn)行方向校正時，齒31至40在下肩部和保徑區(qū)域中的掉塊、斷裂和脫層降低了鉆頭的側(cè)切效率。
鉆頭設(shè)計分析
一般而言，在鉆井過程中吃入面積最大的是鉆頭冠部的切削齒，由于功能異常而導(dǎo)致的任何劇烈的切削齒過度吃入都可能導(dǎo)致鉆頭齒的失效。在分析用于鉆8¾英寸VCL井段的鉆頭設(shè)計時，模擬顯示了從切削齒5到10的最大切削齒吃入情況，與ADG系統(tǒng)檢測到的鉆頭冠部處損壞的切削齒相匹配。圖8顯示了用于鉆8¾英寸VCL井段的鉆頭的切削齒吃入模擬情況。從鉆頭切削系統(tǒng)的布局來看，根據(jù)ADG系統(tǒng)，損傷最高的區(qū)域顯示出齒的后傾角較小。圖9顯示了每個鉆頭齒的后傾角布置情況。由于在橫向段中鉆硬夾層時發(fā)生軸向和橫向功能障礙情況時鉆頭齒出現(xiàn)了過載情況，在這些具有小后傾角的冠部和保徑位置產(chǎn)生了災(zāi)難性的鉆頭損壞。
圖8：用于鉆8¾英寸VCL井段鉆頭的切削齒模擬情況
圖9：所用鉆頭的每個齒的后傾角。
改進(jìn)的PDC鉆頭設(shè)計
基于分析的鉆頭數(shù)據(jù)和鉆頭損傷情況，采用了一種先進(jìn)的鉆頭切削結(jié)構(gòu)布局，該結(jié)構(gòu)具有更堅固的后傾角和DOC（切削深度控制）元件的最佳配置，以開發(fā)出更適合特定目的的改進(jìn)型鉆頭設(shè)計。新型六刀翼13mm齒的鉆頭布局增加了冠部和保徑區(qū)域切削齒的后傾角，同時設(shè)計了更長的切削齒基托和抗沖擊齒更大的吃入面積。該鉆頭切削結(jié)構(gòu)在鉆穿具有硬夾層區(qū)段時提高了抗沖擊性。圖10顯示了新舊鉆頭設(shè)計之間的后傾角的對比情況。圖11顯示了新舊鉆頭設(shè)計的抗沖擊齒接觸面積模擬情況。
圖10：新舊鉆頭設(shè)計的后傾角對比情況。
圖11：橫向段中典型DOC（切削深度控制 ）（0.25 英寸/轉(zhuǎn)）的抗沖擊齒接觸面積模擬。
新型PDC鉆頭設(shè)計。根據(jù)研究結(jié)果，。利用電子數(shù)據(jù)和ADG系統(tǒng)開發(fā)了一種新型8¾英寸鉆頭，并在米德蘭盆地油井的VCL生產(chǎn)井段中進(jìn)行了測試。與老設(shè)計相比，新型鉆頭提高了性能，減少了嚴(yán)重的冠部和保徑處的損壞，同時使機(jī)械鉆速（ROP）提高6%，進(jìn)尺提高11%。同時，它將因機(jī)械鉆速低而被起出的鉆頭數(shù)量減少了一半。還減少了損壞到無法修復(fù)（DBR）的鉆頭的數(shù)量。
圖12顯示了新型8¾英寸VCL層段專用鉆頭與之前鉆頭設(shè)計的性能對比。當(dāng)使用新型8¾英寸鉆頭時，ADG系統(tǒng)顯示出了更好的鈍化狀態(tài)。圖13顯示了新型鉆頭設(shè)計的ADG評定結(jié)果?；仡櫱?0次最好的VCL井段的清理鉆井情況，新型8¾英寸VCL層段專用鉆頭設(shè)計占據(jù)了前十次鉆井中的九次。圖14顯示了8¾英寸VCL層段專用鉆頭的前10次應(yīng)用情況。使用新型鉆頭設(shè)計的卓越性能也反映出，由于機(jī)械鉆速（ROP）更快、鉆頭起下鉆次數(shù)減少以及無法修復(fù)的損壞的成本的降低，每口井可節(jié)省約27,500美元的費(fèi)用。
圖12：新、舊8¾英寸VCL段專用鉆頭之間的性能比較。
圖13：新型8¾英寸VCL段專用鉆頭的ADG結(jié)果，顯示出更好的鈍化狀態(tài)。
圖14：8¾英寸VCL段專用鉆頭的前10名鉆井情況。
先進(jìn)的自動鈍度分級（ADG）系統(tǒng)能夠顯示出由高沖擊所產(chǎn)生的鉆頭冠部、下部臺肩和保徑區(qū)域中切削齒的連續(xù)分層和斷裂情況。電子鉆頭數(shù)據(jù)和ADG系統(tǒng)顯示，在鉆進(jìn)硬夾層地層時，由于橫向和軸向功能異常事件中發(fā)生的鉆頭切削齒過載，使鉆頭冠部出現(xiàn)災(zāi)難性損壞，下部臺肩和保徑區(qū)域也出現(xiàn)高沖擊損傷情況。通過設(shè)計一種新型鉆頭切削結(jié)構(gòu)布局，在鉆頭冠部和保徑區(qū)域加大后傾角，并采用更長的切削齒基托且增加抗沖擊減震齒的吃入面積，有效降低了鉆頭損壞情況，從而使鉆頭在鉆穿夾層井段時提高了對橫向和軸向沖擊的抵抗能力。
通過測試應(yīng)用電子數(shù)據(jù)和ADG（自動鈍度分級）系統(tǒng)設(shè)計的新型固定切削齒鉆頭獲得的現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，總體機(jī)械鉆速（ROP）提高了6%，進(jìn)尺提高了11%，并將因機(jī)械鉆速過低而被起出的鉆頭和損壞無法修復(fù)的鉆頭的數(shù)量減少了一半，這使每口井可節(jié)省約27,500美元的綜合成本。
設(shè)計中的改進(jìn)變化表明，增大切削齒后傾角和減震齒的吃入面積將能更有效的進(jìn)行鉆井，而不會降低平均機(jī)械鉆速（ROP）。電子鉆頭數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)鉆頭從井的底部旋轉(zhuǎn)離開、接觸底部、或在從底部提起時，會持續(xù)出現(xiàn)高的橫向振動情況，這可能會導(dǎo)致ADG系統(tǒng)在下部臺肩和保徑區(qū)域顯示出切削齒分層剝落和斷裂現(xiàn)象。所以，當(dāng)將鉆頭從底部起出時，建議降低表面轉(zhuǎn)速（RPM）和流量，以盡量減小橫向沖擊的幅度。
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