硬地层PDC钻头研究.docx
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硬地层PDC钻头研究
在世界范围内,钻头钻硬地层的能力及其耐用性到目前为止仍未达到极限,即便是牙轮钻头也通过新型冶金技术而正在被改进性能。
钻井作业商普遍认为,钻井机械钻速(ROP)的提升相当之快,以至于井队从两口井之间的搬家和准备时间已开始成为钻井工艺的一个主要考虑因素;同时,钻头的耐用性也在快速提升,这使得钻井承包商不得不考虑需要减少多少井队而仍能保持相同的钻井数量。
然而,对于钻井承包商来说,仍看不到机械钻速和钻井进程失效(即起钻更换钻头)之间的平均时间达到任何极限的迹象。
从2009年至今,钻头方面的发展除人们所期望的设计结构的改进以外,钢齿牙轮钻头切削齿方面的新型冶金技术也发生了大幅改进,下面我们从美国4家主要钻头制造商的技术发展,来纵观一下钻头技术的发展趋势。
NOV公司高碳化钨含量的牙轮钻头钢齿技术
该公司发明的这种新型钢齿被其命名为DownholeReedHycalogTuffCutterForged-In钢齿,是一种专有技术,这种新型超硬金属是世界上钢齿钻头硬金属中碳化钨含量最高的一种材料(见图1)。
传统的钢齿牙轮钻头需要通过焊接技术给牙轮钢齿敷焊碳化钨硬金属。
碳化钨颗粒在2,160华氏度时开始熔化,而敷焊温度却必须达到大约3,000华氏度,这就必然会损坏敷焊层表面的碳化钨颗粒,造成在敷焊层表面碳化钨含量少而在焊接材料底部碳化钨含量高的现象,致使敷焊层的最大综合有效碳化钨含量只能
达到40%。
而含有该公司专有技术的Forged-In硬金属的碳化钨含量百分比则高于用任何传统敷焊方法所能达到的碳化钨含量。
该公司通过应用其PowderForge技术,可将施焊温度限制在2,100华氏度以下,从而消除了碳化钨颗粒发生熔化的可能性,这样所实现的硬金属敷焊层的碳化钨颗粒分布十分均匀,碳化钨体积百分比可达到60%。
将这种硬金属与另外两种专有硬金属(即专用于钢齿表面的FullGage硬金属以及专门保护牙轮壳体的TuffJacket硬金属)共同使用,该公司推出其最新一代的钢齿牙轮钻头—TuffCutter钻头。
在美国怀俄明州的高研磨性地层钻井中,这种钻头不但创下了多次机械钻速新记录,同时钻头的钝 化状态也十分良好。
在该地区的钻井应用中,该公司的一只12-1/4英寸TC11钻头在13个小时的12次钻进中平均进尺2495英尺,平均机械钻速达到每小时197英尺;而一家竞争对手的钻头则在16.7小时的47次钻进中平均进尺2,484英尺,平均机械钻速仅为每小时163英尺。
与其它钻头相比,该公司的新型TuffCutter钻头内排齿的磨损减少64%,外排齿磨损减少57%。
在PDC(聚晶金刚石)齿方面,NOV公司推出了其新型DuraForce抗冲击切削齿。
该齿是该公司最新一代的Raptor深度脱钴热稳定PDC齿,其韧性有大幅提高。
改善抗冲击能力的最大挑战是需要大幅减小或消除金刚石层的灾难性损坏,当PDC齿承受过大负荷或是受到过大冲击时,其内部残余应力会造成大块聚晶金刚石的脱落,从而造成这种灾难性的金刚石层损坏。
金刚石层的灾难性损坏除了会明显降低钻头的耐用性外,还会对精心设计的钻头切削结构造成负面影响。
PDC齿平台、后处理工序、界面几何形状及其材料(包括金刚石和碳化钨材料)都会对齿的内部残余应力产生影响。
DuraForce切削齿的设计能够大幅度减小金刚石层和碳化钨基托之间的残余应力。
通过对这种齿的材料和几何形状进行重新设计,使其能够降低金刚石层发生灾难性损坏的风险,所以使其能够可靠且不断的改进钻头性能(见图2),通过现场使用过程中钻头耐用性和机械钻速的持续提高以及钻井成本的下降就能够证明这一点。
另外,在美国路易斯安娜州的钻井中,NOV公司的一只9-7/8英寸DSF616PDC钻头(采用6刀翼结构和16mmDuraForce切削齿)与该公司的井下钻井马达一同使用,创下了进尺最长和机械钻速最高这两项钻井记录。
该钻头下井时的井深为1,855英尺,以每小时96.4英尺的高机械钻速垂直向下钻进了6,412英尺。
与邻井的平均值相比,该钻头所钻井段长度提高了10.3%,机械钻速提高77.5%,
每英尺钻井成本降低42.25%,为钻井作业商节省了大约6.6万美元。
在该地区的下一个钻井目标是以具有竞争性的机械钻速一次钻进完成最长的井段并展示钻头切削齿的耐用性。
该公司的一只8-3/4英寸DSF713PDC钻头(采用7刀翼结构和13mmDuraForce切削齿)又创下了机械钻速和钻进井段记录。
该钻头下井时井深为8,065英尺,以每小时32.1英尺的良好机械钻速钻进了3,335英尺。
该钻头显示出了良好的耐用性,其钝钻头分级为1-2-WT-S-X-I-BT-TD。
与邻井平均值相比,DuraForce钻头的机械钻速提高90%,所钻井段长度提高312%,每英尺钻井成本降低65.36%,共为钻井作业商节省大约20万美元的钻井费用。
史密斯钻头公司的新型PDC钻头切削齿
史密斯钻头公司新近推出的新型PDC齿具有优良的耐磨性和抗冲击性,并大大改进了其热稳定性。
一直以来,由砂岩和碳酸盐岩所构成的难于钻进的硬岩地层、研磨性地层以及夹层井段,都是限制PDC钻头应用的一个主要因素。
极高的岩石强度以及变化无常的地层性质使得基本上不可能实现平缓和稳定的钻井,即便是最为坚固耐用的PDC钻头也无法避免恶劣的井下环境的影响,要提高机械钻速就必然要损坏钻头切削齿。
于是,该公司便从分析在岩石和切削齿交界处所产生的摩擦热的程度开始研发。
高温是限制PDC钻头在硬/研磨性地层钻进的关键因素,另外,由于PDC钻头常常被用于钻较深和较长的井段,所以PDC齿的热降解和微掉块现象便被突显出来,这又进一步缩短了PDC齿的工作寿命。
该公司的工程技术人员研究了影响PDC齿工作寿命的三个主要性质:
即热稳定性、耐磨性和抗冲击强度。
通过分析发现,不同的钻井应用要求不同的切削齿性质。
一般来说,钻砂岩、粉砂岩和其它研磨性地层时,要求PDC齿具有良好的耐磨性和热稳定性,而在钻夹层地层和岩石强度较高的地层时则要求PDC齿具有更好的抗冲击性。
在应用方面的这些研究成果导致了集中于对PDC原材料选择和加工处理方面的研发努力。
制造工程师们发明出一种高温高压制造方法,和一种独特的抛光程序以保障优良的切削齿质量和性能。
结合应用这两种方法大幅改进了PDC切削齿的热稳定性,使新型PDC齿与前期的标准或优质PDC齿相相比,具有更好的耐磨性和更长的抗疲劳寿命。
史密斯钻头公司将这种新型切削齿技术命名为Onyx,这种新型PDC齿在研磨性砂岩和硬碳酸盐岩地层中能够保持锋利和有效的切削刃,其改进的耐用性使得钻头能够在最大机械钻速下钻出更大的进尺。
现场应用已经证实,在世界上最难以钻进的应用中,包括在西非、美国东德克萨斯州地区以及北海海域的钻井中,装有这种新型PDC齿的钻头都创下了新的钻井记录。
以前在北非地区用PDC钻头打具有挑战性的12-1/4英寸井段的结果令人不可接受,深水作业的费用十分昂贵,每天要花费一百万美元以上,这样的井段通常含有既硬且又有研磨性的夹层砂岩和页岩,抗压强度通常都在20,000psi以上。
一般来说,钻12-1/4英寸井段每次都需要4~8只钻头才能钻完。
在大多数情况下,PDC钻头被起出后发现其钝化状况都很差,即有钻头缩径现象又有切削齿严重磨损的情况。
所以,该地区的首要目标就是要一次性钻完12-1/4英寸井段或是尽可能少的进行起下钻作业。
为了实现这一目标,该公司的技术人员需要设计出一种在钻井过程中能够保持动态稳定的钻头体,以便在保持不振动的情况下最大程度的减小钻头切削齿负荷的负面影响。
根据这一需求,史密斯公司设计出了12-1/4英寸MDSi816钻头,该钻头的特点是设计有辅助齿,具有优化的刀翼和喷嘴几何形状,从而能够实现更好的清洗效果和最大的水力效率(见图3)。
该钻头被用在一种旋转导向钻具组合上在2号和5号井中钻研磨性极强的地层,取得了良好的钻井结果。
在2号井中,该钻头钻完了从套管鞋到总深的整个12-1/4英寸井段,这在油田历史上和该地区都是第一次,由于大幅减少了起下钻时间,为钻井作业商节省了6天的非生产性时间,减少钻井成本达2百万美元。
在5号井中,该钻头的总进尺和机械钻速性能更高。
与三口邻井的平均钻井性能(6次钻进作业)相比,这种新型PDC钻头的进尺提高了165%(1,702米),机械钻速提高122%(每小时21.18米),而且是一次钻进便钻完了12-1/4英寸
井段(见表1),并且打完井被起出后基本完好无损,钝钻头分级为1-2-WT-A-XXX-IN-DL-TD。
瓦瑞尔公司的新型PDC钻头切削结构
该公司新近设计出被称为“DiamondEdge”的新型PDC钻头(见图4),这种钻头可专门用于即使是需要刀翼和切削齿数量都多的钻井应用,以高的机械钻速进行钻井作业。
通过将传统的可提高机械钻速的“单一布齿”方式与可延长工作寿命的“多重布齿”方式相结合,这种新型钻头独特的切削结构能够实现更好的钻头稳定性和平缓的钻井效果。
与传统PDC钻头相比,该新型钻头能在钻头磨损最小的情况下提高机械钻速20%。
通过增加精心设计的多重切削齿——刀翼的非对称性,这种新型钻头将非对称的刀翼——切削结构的诸多优点延伸到了对钻头的振动控制方面,这种专有设
计方法同时改善和提高了钻头的稳定性和机械钻速。
这种新型PDC钻头所适应的钻压范围更大,即使是在低钻压条件下也能在较软岩层中实现高的机械钻速。
而在硬地层中,则可对这种钻头施以较高钻压,钻头便能够以平缓的扭矩响应保持比一般钻头更高的机械钻速。
该新型钻头技术与传统的多重布齿钻头有很大区别。
传统的多重布齿钻头即使是在钻软地层时也需要较高的钻压,而且,当钻硬地层时,传统钻头一般来说比较耐用但机械钻速较低;当施加较大钻压时,传统的多重布齿钻头还会产生不稳定的扭矩响应。
而这种新型钻头则设计有独特的切削结构,这种新型切削结构特别适合于在地层过渡区和硬地层中钻进,其创新的设计结构使得钻井作业商可通过机械钻速的提高、钻头稳定性的改善以及优良的钻头耐用性而切实感受到钻井效率的提升。
美国德克萨斯州的一家主要钻井作业商需要一种能够有效钻进极硬且极具研磨性地层的钻头,该地区传统上都是用牙轮钻头进行钻进的,但此次该作业商选用了瓦瑞尔国际公司的8-3/4英寸DE713PUXDiamondEdge钻头。
其钻井方案是在井眼深部进行造斜,需要一种导向性和耐用性都很好的钻头,以便在遇到研磨性砂岩后仍能保持良好的导向性。
这种挑战性地层出现在深度为5,820~7,910、7,910~8,100和8,100~8,220英尺处,DE713PUX钻头用时30.5个小时钻到了8,120英尺深处,将机械钻速提高到每小时45.2英尺,该新型钻头在这种井段的钻速比传统钻头快了一倍,一次钻进便完成了通常要两只钻头才能钻完的井段,其每英尺钻井成本比邻井最低的每英尺钻井成本下降了42%。
在德克萨斯州的另一口井中,一只DE716XDiamondEdge钻头被用于从5,815英尺井深钻到10,635英尺的总井深,与该地区其它的钻井作业相比,该钻头所用的平均钻压最低(至少低10%),钻井作业商用时120.5个小时便钻到了总深,钻速提高了7%。
Thepost-runanalysisofthe97/8-in.DE713PUXDiamondEdgetricone bitconfirmedthedurabilityofthecuttingstructureinthe rockbit.(ImagecourtesyofVarel)
休斯•克里斯坦森公司稳定性良好的新型PDC钻头
休斯•克里斯坦森公司最新推出的新型PDC钻头在难于钻进的环境中能够实现良好的稳定性并降低钻井成本。
该公司的新型PDC钻头(见图5)不但稳定性良好,同时还配备了其新一代切削齿以便改进钻头在Barnett页岩、TravisPeak和类似钻井环境中的综合钻井性能。
该新型PDC钻头结构的主要目标是改进其在难钻地层环境中的动态稳定性。
当在硬岩地层中钻进,或是钻过夹层地层的硬夹层时,机械钻速通常都会下降,进而导致钻头齿切削深度的减小。
如果使用传统的PDC钻头,切削深度的不同常常会造成颇具破坏性的钻头回旋,而当钻头发生回旋时,便会引起钻头切削齿对地层的吃入不均匀的现象,从而导致效率非常低的钻井作业、钻井机械钻速大幅下降、且常常造成钻头切削结构过早损坏,最终导致钻头使用寿命短、综合钻
井成本增大。
而对于这种改进而言,该公司设计人员采用了一种专有的钻头动态模型,该模型可优化钻头上力的分布以便强化钻头的稳定性,在大多数情况下,这种新型钻头都能实现比邻井快40%的机械钻速。
采用新型设计方法后,钻头整个切削结构所受的负荷更为一致,所以能够在更高的机械钻速下优化钻井效率和钻头稳定性,这种在能量效率方面的提高可使该新型钻头在软、硬地层中钻进时都能实现更高的钻速。
除了优化的设计方法外,这种新型PDC钻头还采用了其最新一代的PDC切削齿,新一代切削齿比过去的齿具有更好的耐磨性。
新一代PDC切削齿源于金刚石制造技术,其特点是具有最优化的碳化钨基托界面,而该界面对于平衡切削齿上的应力来说至为关键。
通过采用有限元分析(FEA)技术,金刚石研究人员开发出一种能大幅减小残余应力的结构,且能使主要应力远离易受攻击的切削刃部位。
根据具体钻井用途的需要,可以选择定制这种新型钻头的切削齿特征以解决具体的钻井问题。
有的齿更适合于钻研磨性地层,而有的齿则更适合于钻对耐磨性和抗冲击性都有较高要求的地层环境。
与类似环境中的其它PDC钻头相比,在许多钻井应用中,这种新型钻头都实现了更好的耐用性和更高的机械钻速。
在美国德克萨斯州北部的Barnett页岩钻井中,该公司的一只8-3/4英寸新型PDC钻头在其中的Atoka砂岩和Bend砾岩井段以平均每小时47英尺的机械钻速钻完了1,873英尺长的井段,同时还保持了与造斜点的相切状态。
这样的井段以前都是用牙轮钻头打的,但新型PDC钻头以更经济的机械钻速钻完了该井段,为钻井作业商节约了35个小时的钻井时间,节省费用超过58,000美元。
在美国科罗拉多州的Piceance盆地,休斯•克里斯坦森公司的两只新型钻头成功地钻完了由砂岩和页岩构成的下部7-7/8英寸夹层井段,进尺3,000多英尺。
与邻井数据相比,这两只钻头的进尺提高了37%,机械钻速提高22%,给钻井作业商节省了34个小时和4.9万美元。
在德克萨斯州另一地区,该公司的一只7-7/8英寸的新一代PDC钻头在硬砂岩和软页岩构造地层中钻出了史无前例的1,269英尺进尺,机械钻速为每小时21.3英尺,比邻井平均钻速提高31%,更为可观的是,与类似井眼相比,该钻头在6英里半径内的进尺提高了122%,使作业商降低钻井成本达每英尺24美元。
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