國際前沿鉆頭解決鉆井難題 （上）
時間：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構、獨特的切削齒形狀以及先進的建模軟件而開發(fā)出來的各種新型鉆頭層出不窮，目的在于不斷提高機械鉆速、改善鉆頭的可控性并提高耐用性。 為了達到此類目的，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對地層的壓力。改進的建模性能可以更好地掌握特定鉆頭在特定地層的反應，以便提前定制更為適用的鉆頭。研發(fā)中的獨特切削齒保護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，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。為了幫助提高機械鉆速，鉆頭制造商爭相采用更先進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際反應，以及如何為特定的應用定制鉆頭。鉆頭公司也不斷重新檢驗其各項設計，包括布齒方式、齒的形狀、以及齒的保護措施等。每家公司在改進的過程中采用的方法不同，但他們的最終目標一致，那就是提高機械鉆速（ROP）、提高鉆井進尺、縮短鉆井時間并降低鉆井成本。
高鉆速新型MicroCORE PDC 鉆頭
當 Tercel 公司幾年前推出第一代 微 型 巖 心（MicroCORE）PDC鉆頭時，該公司就希望生產(chǎn)出一種能夠在鉆井同時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，從而推動了這種鉆頭的研發(fā)。然而，該公司在研發(fā)中發(fā)現(xiàn)，通過改進這種鉆頭最初為產(chǎn)生巖心而優(yōu)化了的獨特切削結構可大幅提高機械鉆速。2015 年底，該公司通過重新設計鉆頭輪廓、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，最終推出其改進型鉆頭版本。新鉆頭的具體設計是將 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對巖心進行評價。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緩慢，而鉆頭外部的齒移動得很快，通過取消鉆頭中心的齒，可以將能量重新分配到切削結構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)鉆進彎曲段和水平段時遇到了很多問題，所以當時鉆井作業(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 了 7,000 英尺 的 側 向 段， 總 進 尺 深 度 大 約 是16,500 英尺。Tercel 公司的微型巖心（MicroCORE）PDC 鉆頭的平均機械鉆速達到了 92 英尺 / 小時，而鄰井的其它鉆頭同樣也鉆進了 彎 曲 段 和 側 向 段，PDC 鉆 頭 的平均機械鉆速則僅為 72 英尺 / 小時。該鉆頭在美國北達科他 州的Bakken、 印 尼 的 Tunu field 及79新品上市 Overview of New Technologies·New Product Introduction 新技術縱覽P+E英國的北海南部也進行了應用，并取得良好效果。
可控性強的二代新型混合鉆頭
2015 年， 貝 克 休 斯（BakerHughes） 推 出 有 機 融 合 PDC 鉆頭和牙輪鉆頭各自優(yōu)點的 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反應的同時使其更具有攻擊性。為此，貝克休斯公司的技術人員研發(fā)了一種優(yōu)化的滾動牙輪和 PDC 切削結構。與其第一代混合鉆頭相比，這種新的結構使該鉆頭能在更低的鉆壓要求下達到更高的整體平均機械鉆速。這種具有新型切削結構的混合鉆頭不但能夠提高效率， 還能維持定向。鉆井商曾高度評價其第一代產(chǎn)品平滑鉆進的特征。該公司這種經(jīng)優(yōu)化設計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 鉆井項目中，鉆井人員在 Austin Chalk和 Anacacho 地層中三口獨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 鉆頭進行鉆進， 但產(chǎn)生的扭矩波動很大，使底部鉆具組合偏離其預定軌跡，需要至少兩只鉆頭才能通過彎曲段。此外，高的扭矩波動迫使鉆井作業(yè)人員減小鉆壓，機械鉆速（ROP）受到了嚴重制約。貝克休斯公司的新型混合鉆頭被選擇用于鉆進三個彎曲段（每個彎曲段平均長度為 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 / 小時的平均機械 鉆 速（ROP） 鉆 進 了 22 小 時；第二口井鉆頭完成該井段用時 17 小時，平均機械鉆速為 46 英尺 / 小時；第三口井的平均機械鉆速為 41英尺 / 小時，而兩口鄰井則需要用多個鉆頭鉆進彎曲段。其中一口井用了三只鉆頭、用時超過 35 小時才鉆完預定井段，平均機械鉆速僅為23.7 英尺 / 小時。另外一口井用了兩只 PDC 鉆頭、用時超過 27.5 小時，平均機械鉆速為 32.2 英尺 / 小時。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。
兩級切削結構的新型 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計的鉆頭，比如堅硬或研磨性大的地層，或交替夾雜著堅硬和松軟巖石的地層。與傳統(tǒng)鉆頭的切削結構相比，這種新型 GeoTech 鉆頭的顯著特點是具有兩級布齒結構，具體而言是在鉆頭面的輪廓上對切削結構進行了改變，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。這種新穎設計的基本考慮是，鉆頭在鉆井過程中有時候會遇到不需要太多切削結構的軟地層，但過后卻有可能會進入更硬或研磨性更大的地層，此時就需要更多的 PDC 齒。該公司的新型切削結構設計是在鉆頭的某個部位布置較稀的切削結構，而在其它部位則布置成切削齒密度較高的切削結構，通過調(diào)整鉆井操作參數(shù)便能夠在必要的時候使鉆頭發(fā)揮其第二級切削結構與地層的嚙合鉆進作用。該鉆頭融合了先進的材料，包括新型胎體 / 粘結材料以及更耐磨、更具抗沖擊性且熱機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達到預期效果。所以，先進的模擬系統(tǒng)對充分發(fā)揮這類鉆頭的性能起著關鍵作用。2015 年末，哈里伯頓（Halli-burton）公 司 推 出 了 一 種 新 型 的IBitS 三維設計軟件 , 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構或改變鉆頭的材料，從而滿足客戶的機械鉆速或進尺需求。如果一個鉆井作業(yè)商想提高鉆井速度的話，那么為了達到這一目標，應用該軟件就可以確定鉆頭正確的位置，布置正確的切削結構數(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，該鉆頭向下鉆鉆進了 8,254 英尺長的井段，實現(xiàn)了93 英尺 / 小時的平均機械鉆速，與其它三口鄰井 74 英尺 / 小時的平均機械鉆速相比，節(jié)約鉆井時間至少11 小時。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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