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硬质岩石?磨蚀性岩石?备用切刀帮你解决

硬质岩石?磨蚀性岩石?备用切刀帮你解决

新型的备用切削齿设计,既不牺牲机械钻速,还能延长钻头寿命。

来自 | World oil
编译 | 周诗雨

近几年来钻头性能改善的主要驱动因素之一,是人们开始有针对性的为施工开发出效率更高的新型切削齿布设方法。如果钻进遇到软地层与硬质、磨蚀性地层交错的情况,通常的做法是使用至少两个(PDC)钻头:一个攻击性强点的钻头(金刚石体积钻头)来钻软地层段,另一个攻击性弱点的钻头(具有更多的钻石体积)来钻硬质磨蚀地层段。

由于需要起下钻替换钻头,因此这种做法会大大增加作业成本。如果钻头过早发生损坏,还需要进行计划外的起下钻和钻头,更进一步增加了成本。为了改进这一点,人们通过在钻头上加了一排齿,从而实现用一个钻头替代两个钻头的想法。这些齿也被称为备用齿,当主切削齿磨损严重时,备用齿会承担切削任务。这样的做法增加了钻头进尺,但是会降低钻速。

具有备用切削齿的PDC钻头通常有两层切削元件。第一层由主切削齿构成,第二层由备用切削齿构成。备用切削齿作为第二级切削结构,会在主切削齿被显着磨损后帮助切削地层。然而只要主切削结构的状态良好,备用切削齿的切割深度(DOC)就会受限。

新型切削结构

Halliburton的钻头服务公司(HDBS)推出了一种优化备用切削齿布设的新型切削结构设计,不仅可以延长钻头寿命,也不会牺牲钻速或者导致某些施工成本的增加。该方法解决了以下难题:

1.当主切削齿所受的磨损较少或没有磨损,并且钻头DOC没有超出限值时,能够保证备用齿不会不必要地参与切割。这一点是通过给备用齿设计了一个最小临界DOC值(CDOC)实现的,该CDOC值比主切削刀的DOC更大。

2.当标准主切削齿的磨损深度等于或大于备用齿的暴露程度时,确保备用齿开始被用作主切削齿。这一点是通过将每个备用切削齿旋转分布在主切削齿后面大约180°或更大角度来实现的。根据主切削齿的预期磨损度以及从预期钻井参数和岩石强度得出的钻井斜率,能够仔细计算出每个备用齿相对于主切削齿的暴露程度。

为了确保备用齿能够按照设计工作,哈里伯顿将一个切削齿磨损模型以及新开发的软件集成到了钻头设计工具中,用来计算备用齿的径向分布位置和暴露程度。该软件有助于展示主切削齿和次切削齿在不同的作业条件和岩石强度下是如何与地层相接触的,还能够展示如何在不增加切削结构负载的情况下提高切削效率。总之,备用齿的分布应符合以下条件:

1.与主切削齿类似,在钻头上按轨迹分布或位于相同的半径位置处;
2.相对主切削齿的角度位置应大于或等于180°;
3.齿暴露深度应大于或等于其主切削齿的预期磨损深度;
4.当主切削齿没有磨损时,CDOC,即预期的DOC应大于或等于零。

理想状况是每个备用齿都具有相同的CDOC,这样当实际的DOC大于CDOC时,所有的备用齿要能同时接触到地层。因此,当主切削齿没有发生磨损时,备用齿实际是在控制DOC。这种CDOC的设计确保了在钻头磨损发生之前,能够拥有最大的钻井效率。

PDC齿较为耐磨,但仍然容易受到与其他材料相同的磨损机制,最主要的就是摩擦。当切削齿开始被磨损时,更多的齿面积被暴露在岩石中,这会导致PDC元件切割效率的降低。大部分能量都被损耗在了由于接触面积增大而产生的摩擦上,而不是用在了岩石破碎上。摩擦增大会转化为热量,反过来又加速了磨损,最终导致磨损迅速加快的恶性循环。

图1所示为新型切削齿的布设图。这种新的布齿方法打破了上述的恶性循环—当发生快速磨损之前,会有锋利的切削齿接手破碎岩石的任务。而关键就是正确布设齿的位置,如果齿接触地层太早、太迟,或在错误的位置,都可能没有任何收益。对工具设计和钻头磨损过程的正确理解确保了这种设计方法的成功。该新钻头的现场应用实例证明,该设计不仅显著地提高了钻头寿命,还不会降低钻速。

硬质岩石?磨蚀性岩石?备用切刀帮你解决

图1.标准备用齿布局(左)与新型备用齿布局(右)

现场应用

在阿根廷Neuquén盆地被称为Mulichinco的致密、磨蚀砂岩中钻进一段6-3/4英寸的水平段时,便应用了这种新钻头。通常钻这1100米的井段需要换几个钻头才行。最大的难题是鼻部齿和肩部齿会出现严重的磨损,切削齿结构的损坏会导致在相同钻井参数下钻速的下降。由于所钻地层具有磨蚀性,冲击检测器也作为DOC元件被安装在了朝钻头中心的方向,防止内部或锥形的切削齿过多切入地层,更好地保护切削齿结构。

在新设计中,备用切削齿被安装在特定CDOC处的鼻部或肩部区域,防止刀具过早发生磨损或损坏。

备用齿的暴露长度都设计为特定的CDOC,这样能确保所有的备用齿在主切削齿被磨损后能够承担主切削齿的功能。所有的备用齿都被设计旋转布设在主切削齿后面。

在实际钻进时,主切削齿和备用齿的磨损深度都远小于先前的设计,新钻头在同一地层中钻井的距离几乎是以前的两倍,如图2所示。这样新钻头的设计也就达到了目标。表1对比了之前的设计和新钻头的表现。新钻头的钻速也达到了类似水平的钻速。

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图2.在Neuquén盆地钻井后,对钻头的磨损情况逐个刀齿进行对比。上图是之前的设计,下图是新设计。我们可以注意到即使新钻头所钻的长度是旧钻头的两倍,但新钻头的切削齿的圆度还更好。

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新老钻头性能对比

第二个现场应用实例是在科威特西部Rahaya油田。甲方需要在Zubair的磨蚀砂岩段和Ratawi的页岩段和石灰岩地层中(约335米厚)钻一个井眼直径为9-1/4英寸的垂直井段,总长度为891米(2898米至3885米)。在过去对于这种难度的地层,至少需要两个PDC钻头才可以完成:一个高度耐用的钻头,用于钻Zubair砂岩层和其他层段;一个更攻击性更强的钻头来钻Ratawi页岩和石灰岩。

在对邻近井的钻头表现进行了一次细致的研究后,发现第一个钻头的钻切削齿磨损量需要降低,才能完成Zubair砂岩段的钻井,并在Ratawi页岩层保持较高钻速。而第二个钻Ratawi页岩和石灰岩的钻头,切削结构则设计合理,能够满足性能要求,并维持了一个较好的状态。为了降低运营钻井成本,哈里伯顿建议通过对备用齿进行合理布局,有可能只需一个钻头就能钻完这一段,降低总作业时间。

研究表明,当钻速保持在120时,所有备用齿的CDOC都应该在1.14 mm/rev左右。这就意味着当钻头钻速小于或等于8 m/hr时,备用齿不应该接触到地层。此外,当主切削齿的磨损深度接近0.58mm到0.66mm厚时,鼻部和肩部的备用齿应该变为主切削元件。

采用与之前所述的相同原则,一个新的钻头就设计成功了。对于该七刀翼钻头,所有的备用齿都旋转分布主切削齿后面的四个刀翼上。例如刀翼4上的备用齿是对应刀翼1上的主切削齿,大约在主切削齿后方210°的位置。所有的备用齿的CDOC都是相同,为1.14 mm/rev。当实际的DOC超过1.14 mm/rev后,所有的备用齿都会同时接触到地层。因此,当主切削齿没有发生磨损后,所有的备用齿都可视为DOC的控制器。

新设计的钻头总共钻井了891米,这是西科威特Rahaya油田最长的钻头进尺。钻头钻进了整个Zubair、Ratawi和Minagish地层,平均钻速6.05 m/小时,比邻近井的钻头钻速都要快。钻头的切削结构也保持了良好的状态,磨损等级为1-1-WT-A-X-I-NO-CP/TD。

结论

通常在磨蚀性作业中,钻井效率和钻速之间,耐久性和耐磨蚀性之间是需要进行平衡妥协。攻击性更强的钻头通常开始钻的快,但是会很快磨蚀,并损伤钻速。安装了备用齿的攻击性更弱的钻头,虽然由于齿多了,钻头的寿命延长了,但钻速却降低了。哈里伯顿团队所采用的新建模技术,以及对切削齿和钻头之间关系的深刻理解,帮助他们设计出能够应对不同钻井斜度和磨损程度的钻头。该技术最终设计出的钻头,不仅能够延长钻头的使用寿命,对钻速的影响还非常小。

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