在北美，作業(yè)者通過采用先進的圓錐形PCD元件和旋轉(zhuǎn)PDC刀具技術(shù)，正在提高鉆井機械鉆速(ROP)，實現(xiàn)更少的鉆頭行程。
先進的PDC技術(shù)
隨著北美進一步加強石油天然氣的勘探開發(fā)，鉆頭的設(shè)計者已經(jīng)采用新的技術(shù)，推出了兩款新產(chǎn)品，其鉆頭鉆井能力達到了最大：一個錐形PCD元件可以在鉆頭中心更有效地破巖，從而提高鉆井機械鉆速，同時聚晶金剛石復合片(PDC)刀具，通過采用它的整個圓周金剛石刃，圍繞它的軸自轉(zhuǎn)，有效地延長鉆頭行程。
通過更快的鉆進機械鉆速和鉆頭耐用性的增強，圓錐形PCD元件和旋轉(zhuǎn)PCD刀具技術(shù)對油氣作業(yè)者的鉆井非常有幫助，可以大幅增加美國的石油產(chǎn)量。
錐形PCD元件
提高鉆井機械鉆速
不斷努力研發(fā)更高效的聚晶金剛石(PDC)鉆頭，其重點在于鉆頭牙輪，這是由于兩個固有的低效率：由于中心刀具相對低的轉(zhuǎn)速，井筒中心的巖石去除有限;由于刀具中心深度的變化，這時鉆頭扭矩波動的潛力要求，刀具中心承受鉆頭最大承載能力。這兩個低效率限制了鉆井機械鉆速，使得鉆頭更容易破壞橫向/扭轉(zhuǎn)沖擊和振動的有效性。
鉆頭的設(shè)計師對這些刀具的移動做了理論上的說明，認為它們將提高鉆頭的整個剪切效率，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)元件進行破巖。此新元件具有獨特的錐形幾何結(jié)構(gòu)和一個超厚合成金剛石層，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)計為提供優(yōu)質(zhì)的耐磨損和沖擊荷載的材料。為了實現(xiàn)最大的鉆井能力，一個集成的鉆頭設(shè)計平臺軟件被用于優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和切削模型特征。
這個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準巖石。當鉆頭旋轉(zhuǎn)時，金剛石元件主要用于巖柱，其是連續(xù)的重載點，具有較高的軸壓比，可以破巖。這種機理能夠確保鉆頭實現(xiàn)鉆井機械鉆速更快和減少振動的可能性。巖柱的破裂也形成了更多的巖屑碎片，可用于進一步的巖層分析。
通過實驗室測試核實了井底剖面，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)生了一個小口徑的巖柱。在鉆井過程中，所收集的巖屑遠遠大于常規(guī) PDC鉆頭產(chǎn)生的那些巖屑。
在現(xiàn)場試驗開始之前，工程師確定現(xiàn)有的鉆頭設(shè)計達到了預期要求,但認為，希望進一步改進的是提高整體鉆井能力。接著這些設(shè)計的修改包括錐形元件，并在現(xiàn)場進行了能力評估。對美國西部中進行的30多個單獨鉆井行程的詳細研究表明,采用新鉆頭，超過50%的鉆井行程都被進行了評估，高于平均值的鉆井機械鉆速，平均鉆井機械鉆速增加的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地帶區(qū)域中，平均機械鉆速提高了25%。
在美國北達科他州的威利斯頓盆地，錐形元件的現(xiàn)場測試表明，具有更好鉆井能力的PDC鉆頭在好的、不鋒利鉆頭條件下，可以運離鉆孔，在錐形元件上顯示沒有磨損。該新鉆頭在可導向鉆具組合中運行，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)限抗壓強度范圍是從2000psi到25000psi。
PDC鉆頭如果沒有錐形元件，其鉆探一個1,995m(6,583ft)的地質(zhì)斷面，鉆井機械鉆速為29.4m/hr)(97ft/hr);相比之下，PDC鉆頭安裝了錐形元件，鉆探相同長度的斷面，鉆井機械鉆速為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械鉆速要比其它鉆頭的平均鉆井機械鉆速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——只有相對較小的一部分刀刃接觸到地層，因此，整個刀具也只有一小部分有助于鉆頭的耐用性和鉆井能力。
當固定刀具用于地層時，由于機械性和熱效應(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理想材料、軋制機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鉆井過程中能夠保持更持久。因為這些在里面被冷卻得越有效，刀具在井下存在的時間更長，從而導致鉆頭壽命進一步延長。為評估滾切刀的持久性，做了大量的實驗室測試。在鉆一個花崗巖測試試樣中，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360°圓周。對滾切刀的現(xiàn)場測試，該技術(shù)安排在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，也就是常規(guī)PDC鉆頭在相對短的行程中要經(jīng)歷嚴重的磨損的條件。
花崗巖質(zhì)砂巖層是由石英、長石和石英/方解石膠結(jié)組成。此地層通常使用導向馬達井底鉆具組合勘探，這主要是長距離的橫向鉆探，有助于增加儲層接觸。
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尺達20%或者更多，刀具鋒利的評估表明，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刀具表明了整個金剛石刀刃上的均勻分布的磨傷跡。
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