在北美，作業(yè)者通過采用先進(jìn)的圓錐形PCD元件和旋轉(zhuǎn)PDC刀具技術(shù)，正在提高鉆井機(jī)械鉆速(ROP)，實(shí)現(xiàn)更少的鉆頭行程。
先進(jìn)的PDC技術(shù)
隨著北美進(jìn)一步加強(qiáng)石油天然氣的勘探開發(fā)，鉆頭的設(shè)計(jì)者已經(jīng)采用新的技術(shù)，推出了兩款新產(chǎn)品，其鉆頭鉆井能力達(dá)到了最大：一個(gè)錐形PCD元件可以在鉆頭中心更有效地破巖，從而提高鉆井機(jī)械鉆速，同時(shí)聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)刀具，通過采用它的整個(gè)圓周金剛石刃，圍繞它的軸自轉(zhuǎn)，有效地延長(zhǎng)鉆頭行程。
通過更快的鉆進(jìn)機(jī)械鉆速和鉆頭耐用性的增強(qiáng)，圓錐形PCD元件和旋轉(zhuǎn)PCD刀具技術(shù)對(duì)油氣作業(yè)者的鉆井非常有幫助，可以大幅增加美國(guó)的石油產(chǎn)量。
錐形PCD元件
提高鉆井機(jī)械鉆速
不斷努力研發(fā)更高效的聚晶金剛石(PDC)鉆頭，其重點(diǎn)在于鉆頭牙輪，這是由于兩個(gè)固有的低效率：由于中心刀具相對(duì)低的轉(zhuǎn)速，井筒中心的巖石去除有限;由于刀具中心深度的變化，這時(shí)鉆頭扭矩波動(dòng)的潛力要求，刀具中心承受鉆頭最大承載能力。這兩個(gè)低效率限制了鉆井機(jī)械鉆速，使得鉆頭更容易破壞橫向/扭轉(zhuǎn)沖擊和振動(dòng)的有效性。
鉆頭的設(shè)計(jì)師對(duì)這些刀具的移動(dòng)做了理論上的說明，認(rèn)為它們將提高鉆頭的整個(gè)剪切效率，這是通過應(yīng)力消除，開發(fā)巖柱，然后使用錐形聚晶金剛石(PDC)元件進(jìn)行破巖。此新元件具有獨(dú)特的錐形幾何結(jié)構(gòu)和一個(gè)超厚合成金剛石層，該金剛石層的厚度是常規(guī)PDC刀具金剛石層的兩倍。它的材料設(shè)計(jì)為提供優(yōu)質(zhì)的耐磨損和沖擊荷載的材料。為了實(shí)現(xiàn)最大的鉆井能力，一個(gè)集成的鉆頭設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件被用于優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和切削模型特征。
這個(gè)錐形金剛石元件定位在削面結(jié)構(gòu)的中心，其錐形尖垂直向下對(duì)準(zhǔn)巖石。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，金剛石元件主要用于巖柱，其是連續(xù)的重載點(diǎn)，具有較高的軸壓比，可以破巖。這種機(jī)理能夠確保鉆頭實(shí)現(xiàn)鉆井機(jī)械鉆速更快和減少振動(dòng)的可能性。巖柱的破裂也形成了更多的巖屑碎片，可用于進(jìn)一步的巖層分析。
通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試核實(shí)了井底剖面，并研究鉆頭特征和錐形金剛石鉆頭。使用完全加壓的鉆井模擬器，使用常規(guī)PDC鉆頭和配備錐形元件的鉆頭，鉆探各種不同的巖層。仔細(xì)研究由不同鉆頭類型形成的井底模式確定，具有錐形元件的鉆頭已經(jīng)在鉆孔中心產(chǎn)生了一個(gè)小口徑的巖柱。在鉆井過程中，所收集的巖屑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī) PDC鉆頭產(chǎn)生的那些巖屑。
在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開始之前，工程師確定現(xiàn)有的鉆頭設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求,但認(rèn)為，希望進(jìn)一步改進(jìn)的是提高整體鉆井能力。接著這些設(shè)計(jì)的修改包括錐形元件，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了能力評(píng)估。對(duì)美國(guó)西部中進(jìn)行的30多個(gè)單獨(dú)鉆井行程的詳細(xì)研究表明,采用新鉆頭，超過50%的鉆井行程都被進(jìn)行了評(píng)估，高于平均值的鉆井機(jī)械鉆速，平均鉆井機(jī)械鉆速增加的20%的偏置應(yīng)在鉆頭行程內(nèi)。在德克薩斯州和俄克拉荷馬州狹長(zhǎng)地帶區(qū)域中，平均機(jī)械鉆速提高了25%。
在美國(guó)北達(dá)科他州的威利斯頓盆地，錐形元件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，具有更好鉆井能力的PDC鉆頭在好的、不鋒利鉆頭條件下，可以運(yùn)離鉆孔，在錐形元件上顯示沒有磨損。該新鉆頭在可導(dǎo)向鉆具組合中運(yùn)行，通過混合夾層層序，在類似的垂直孔中應(yīng)用，包括砂泥巖層、鹽和石灰石/白云石/無水石膏，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍是從2000psi到25000psi。
PDC鉆頭如果沒有錐形元件，其鉆探一個(gè)1,995m(6,583ft)的地質(zhì)斷面，鉆井機(jī)械鉆速為29.4m/hr)(97ft/hr);相比之下，PDC鉆頭安裝了錐形元件，鉆探相同長(zhǎng)度的斷面，鉆井機(jī)械鉆速為61.5m/hr(203ft/hr)。據(jù)了解，總的來說，配有錐形元件的鉆頭的鉆井機(jī)械鉆速要比其它鉆頭的平均鉆井機(jī)械鉆速4.8m/hr(115ft/hr)高46%。
旋轉(zhuǎn)PDC切削齒延伸鉆頭壽命
盡管PDC鉆頭及技術(shù)已經(jīng)廣泛使用了40年，但目前固定PDC剪切元件的固有限制——只有相對(duì)較小的一部分刀刃接觸到地層，因此，整個(gè)刀具也只有一小部分有助于鉆頭的耐用性和鉆井能力。
當(dāng)固定刀具用于地層時(shí)，由于機(jī)械性和熱效應(yīng)，刀具磨損，且破裂。刀具刃的這種持續(xù)退化將導(dǎo)致剪切效率失去，從而終止鉆頭行程。
ONYX 360輥軋PDC刀具是隨著幾年來對(duì)理想材料、軋制機(jī)理和提高鉆井的能力的確定，該產(chǎn)品才最終成功研制。輥軋PDC刀具安裝在鉆頭體，這允許它自由旋轉(zhuǎn)。在鉆井過程中，根據(jù)刀具在巖石凹坑中的旋轉(zhuǎn)，整個(gè)圓周接觸巖石，這使磨損得到重新分配，從而它可以確保金剛石刀具刃鋒利性在整個(gè)鉆井過程中能夠保持更持久。因?yàn)檫@些在里面被冷卻得越有效，刀具在井下存在的時(shí)間更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致鉆頭壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)。為評(píng)估滾切刀的持久性，做了大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。在鉆一個(gè)花崗巖測(cè)試試樣中，該新刀具證明了，與高端固定刀具相比，它的使用壽命提高了6倍。滾切刀的鋒利性分析表明，它整體旋轉(zhuǎn)，甚至磨損它的整個(gè)360°圓周。對(duì)滾切刀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該技術(shù)安排在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，也就是常規(guī)PDC鉆頭在相對(duì)短的行程中要經(jīng)歷嚴(yán)重的磨損的條件。
花崗巖質(zhì)砂巖層是由石英、長(zhǎng)石和石英/方解石膠結(jié)組成。此地層通常使用導(dǎo)向馬達(dá)井底鉆具組合勘探，這主要是長(zhǎng)距離的橫向鉆探，有助于增加儲(chǔ)層接觸。
PDC鉆頭安裝了旋轉(zhuǎn)PDC刀具，其安放在鄰近的固定刀具，這可衡量滾切刀的鉆井能力和磨損特征。這些鉆頭在花崗巖質(zhì)砂巖層中一直增加進(jìn)尺達(dá)20%或者更多，刀具鋒利的評(píng)估表明，刀具沒有失去效率和100%刀具的旋轉(zhuǎn)。常規(guī)固定PDC元件顯示，磨損薄片T1,甚至更高，而旋轉(zhuǎn)PDC刀具表明了整個(gè)金剛石刀刃上的均勻分布的磨傷跡。
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