看世界PDC钻头的最新进展(二).doc

钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（二）SHEAR钻头公司Shear钻头公司一只7 7/8英寸SD413E型号的钻头在一口井的钻井作业中，一次下井打完了整口井的直径段、造斜段和水平段，钻头创下了平均机械钻速57米/每小时的钻井纪录。人们认识到，显著改善钻井性能，提高钻井速度，迅速将钻头的开发成果推向实用尤为重要，这种做法的成功案例之一就是在加拿大西部的钻井市场得以表现，要在指定的时间内，在斯皮尔菲什（Spearfish）油页岩系打一口很难打的单眼水平井。井的侧剖面要考虑的问题包括：一个比较短的垂直井段，紧接着是一个短半径的造斜井段，然后是一个水平段，用一只 7 7/8 英寸的PDC钻头一次下井实施钻进，在Shear钻头公司的技术人员与EOG Resources公司的作业者讨论这一计划的应用时谈到，主要的挑战是最大限度地发挥钻头在每个井段的性能表现，不必折中考虑其它井段的性能表现，之前使用的PDC钻头效果显示，垂直段、造斜段或水平段性能表现良好，但不是三部分井段都那么好。垂直井段的机械钻速达到150米/每小时（492英尺/每小时）以上并不罕见，钻完垂直段，接下来的目标造斜率弧线为8-9/30m，加之，水平段平均约700米长，通常可以达到50米/每小时以上的机械钻速，因此，巨大的挑战在于开发一只钻头，这只钻头能以很高的机械钻速打完垂直段，还能按设计弧线创出高的造斜速度，然后，在水平井段保持住角度，整个过程不需要多次导向。公司代表说，一个关键的技术就是要使钻头的设计与定向工具的规格参数相匹配，由于Shear钻头公司并不隶属于任何定向公司，他们会与更多的定向公司紧密合作，实现这一技术。Shear钻头公司专门设计的一只7 7/8 英寸SD413E型PDC钻头来应对此项应用，最初的设计目标是在造斜段发挥最大的导向控制能力，使水平段滑动时间降至最低，防止水平段改向或再造斜，设计扩展了以往的特性，增大螺旋厚度的填料构造，以提高钻头保持侧剖面角度的能力，突显的切削结构和尺寸形状，增强了造斜角弧线段的可钻性。这个最初设计的钻头4次下井记录表明，所有的显示都表现出极好的方向控制响应，只剩下大幅度提高直井段机械钻速这一指标了，接下来的六个星期，4次设计逐次得到改进，每次改进的效果都超越了前一次的设计，这种做法记录下了多口井的钻井效果，最好的效果得以完成，结果是：从开钻到钻机拆卸用了3.5天，与首次设计第一次下井的钻头相比，所有的井段平均机械钻速几乎提高了一倍。 在项目一开始，SD413E型钻头平均井机械钻速28-33米/每小时，但联系我公司后，项目应用的最佳设计成功实现，创下了平均机械钻速57米/每小时的一项纪录，包括直井段一次瞬间机械钻速超过200米/每小时的纪录，每9/30m的造斜率很容易操控，井眼的侧向滑动时间控制在6%以下。史密斯国际公司史密斯公司设计了一款8刀翼12 1/4 英寸、配有备用切削齿的钻头，刀翼和喷嘴的几何布局达到了最佳，配合旋转导向钻具组合，在西非的井进行了一次挑战研磨性地层的考验。史密斯国际公司分析了岩石与切削齿接触面产生的摩擦高温，这是造成PDC钻头打硬地层和研磨性地层非常困难的关键因素，也分析了钻头长时间在深井眼和高温井眼中普遍经历的热降级和微碎裂现象。研究显示，不同的应用要求不同的切削齿特性，通常，有效地钻研磨性地层要求切削齿具有高抗磨性和热稳定性，而更高的抗冲击力的切削齿是应对夹层地层和更高硬度岩石层的最好办法。史密斯公司称，玛瑙刀切削齿技术首次用于PDC钻头的切割原件，以应对所有三个主要影响切削齿耐用性的问题，包括热稳定性及抗磨和抗冲击力，这些切削齿具有改善热稳定性的特征，比标准的或优质的PDC钻头的切削齿更抗磨损和更抗疲劳。新型切削齿加工工艺分两步进行，首先，优质的聚晶金刚石切割面用常规的高温高压加工处理方法完成制作，然后，切割面用酸处理，使之成为一个能与其它物质催化的金刚石圆盘，这种圆盘再与碳化钨底面聚合，使其经受第二次高温高压处理，最终的产品再一次经过加工处理，除去第二次高温高压处理过程中渗入的原料。史密斯公司说，与标准优质的切削齿相比，新型切削齿每单位被钻岩石的磨平率显著降低，在冷却的情况下，新型切削齿比标准优质的切削齿岩石切割效率提高了大约130%， 试验得出，新型切削齿的磨损程度非常低，在没有冷却的情况下，同样的试验得出，玛瑙刀切削齿比标准优质的切削齿岩石切割效率提高了85%，而标准优质的切削齿磨损程度相对较高。案例研究在西非，几只PDC钻头打一个12 1/4英寸的井段， 钻井效果令人很不满意，该井段含有很硬的和高研磨性的夹层砂岩和页岩，压缩强度超过20000psi，通常12 1/4英寸的井段需要4到8只钻头下井才能打完，多数情况下，起出的PDC钻头磨损程度非常严重，经常出现切削齿被打掉或磨平的现象，最初的目标是钻头一次下井打完这部分井段或尽可能多地消除起下钻作业。史密斯公司的工程师们设计制造了一款MDSi816型8刀翼12 1/4英寸、配有备用切削齿的PDC钻头，刀翼和喷嘴的几何学设计达到了最佳，配合旋转导向钻具组合，在2号井和5号井的施工中，钻头一次下井打完了这段高研磨性地层。在2号井的施工中，这只钻头打完了从套管鞋到设计井深的整个井段，首次创下了现场的历史纪录， 减少了起下钻次数， 节约了作业者6天的时间，减少钻井成本200万美元。 在5号井的施工中，钻头的总进尺和机械钻速提高了一倍，方便了LWD（随钻录井）的数据采集，取消了后续的测井计划，与之前三口井平均钻头（6只钻头下井）使用情况相比，新钻头打了1702米，进尺提高了165%，机械钻速21.18米/每小时，提高了122%，并且，钻头一次下井打完了这部分井段。VAREL国际公司Varel国际公司的6刀翼Tough-Drill（强悍破岩）钻头完全采用了PowerCutter（强力切削齿）结构，以平均37英尺每小时（11.28米/每小时）的机械钻速成功地对研磨性Hosston（霍斯顿）地层进行了钻进。最近，Varel国际公司正投入精力更改他的PDC钻头设计，更好的应对Haynesville（海恩斯维尔）页岩井的市场竞争，海恩斯维尔页岩井含有高研磨性和过渡性地层，由于地层的耐磨度增加，这种地层会导致钻头过早的损坏，在这个地区，钻头设计主要考虑的是权衡切削齿在机械钻速与耐用性方面的双重指标。Varel国际公司对当时现场的钻井设计和钻头记录进行了仔细的研究分析，得出了这个地区许多钻头机械钻速下降的证据，注意到大多数磨损严重的钻头都发生在切削结构的关键部位，这一调查促使现场的工程师和钻头设计者针对硬地层和研磨性地层两方面开展设计。硬岩石层的钻头应用对于打硬岩石层，Tough-Drill（强悍破岩）钻头证明了它的优势，降低了冲击损坏、改善了井底净化环境和切削齿冷却功效。利用专用软件对切削结构进行分析，在不牺牲机械钻速的情况下，PowerCutter（强力切削齿）切削结构对于打这类岩石层被认为是最好的布局设计，这种切削结构在钻头的关键肩部部位给予了更多的暴露和更高的切削齿密度，能以最高的机械钻速打穿硬岩石层，然后，继续钻入更硬的砂岩层或石灰岩层，钻头的切削齿不会出现过度的磨损或损坏。Tough-Drill（强悍破岩）钻头是通过流体力学的方法，经过详细计算设计成功的，一般情况下，在钻硬地层和研磨性地层时，钻头射出的液动力会帮助消除已钻岩屑的重复碾碎和重复循环。抗磨损的切削齿是经过高质量检验的，以满足合适的金刚石齿大小和热稳定性要求，满足这些地层的应用。案例研究路易斯安那州一家作业公司请求Varel公司开发一款8刀翼16毫米切削齿的PDC钻头，以完成一段9 7/8英寸井段的钻进，整个这部分井段需要穿过坚硬的Hosston（霍斯顿）地层和研磨性的Cotton Valley（棉花谷）地层，通常，钻头在打这些地层时磨损的很快，最后600英尺的钻进要经过Bossier（博西尔）地层，这是一段软页岩和石灰岩地层，这段地层要求高质量的切削齿才能胜任。钻头设计的主要目标是在不牺牲现行的曾成功钻穿这部分层段的Varel钻头耐用性指标的前提下提高机械钻速，与此同时，工程师们还要考虑钻头齿在打软页岩地层和石灰岩地层时的性能指标。设计部分吸取了有备用齿的PowerCutter（强力切削齿）切削结构，备用齿位于主刀翼和碳化钨冲击齿接下来的次刀翼，这种切削齿布局为主切削结构应对磨损和软硬过渡考验提供了稳定和保护作用。为了开发一款坚韧耐用的钻头，切削结构加装了一种更抗磨损的切削齿，以延长钻头钻进地层的寿命，从而获取切削齿尺寸在后一轮井段钻进的收益。设计