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位于美國(guó)德克薩斯州東部的Haynesville頁(yè)巖儲(chǔ)層在鉆井和完井方面存在許多挑戰(zhàn)。該區(qū)域易沖擊地層的特征（包括石灰?guī)r、硬石膏、頁(yè)巖和砂巖等夾層）顯著影響了機(jī)械鉆速，從而增加了井下鉆進(jìn)時(shí)間及綜合成本。
 
提高鉆速
 
Haynesville頁(yè)巖氣水平井的成本取決于水平段的長(zhǎng)度、鉆機(jī)成本和其它一些相關(guān)因素。在過(guò)去十年里，顯著提高機(jī)械鉆速和縮短鉆機(jī)時(shí)間相對(duì)停滯，然而Rockcliff能源公司的經(jīng)驗(yàn)證明：專為盆地環(huán)境而設(shè)計(jì)的鉆頭能將機(jī)械鉆速提高69%，從而減少了鉆機(jī)的工作時(shí)間及相關(guān)鉆井成本。Rockcliff能源公司是一家獨(dú)立的鉆井作業(yè)商，專注開發(fā)東德克薩斯州的Haynesville頁(yè)巖區(qū)塊。
 
在迦太基油田，Rockcliff能源公司在鉆9-7/8井段遇到如下挑戰(zhàn)：該井段要求在14個(gè)不同巖性、抗壓強(qiáng)度不確定、以及沖擊和磨損情況都不確定的不同地層中鉆進(jìn)。由于抗壓強(qiáng)度較高、砂巖的研磨性強(qiáng)、夾層的高沖擊性以及橫向振動(dòng)強(qiáng)，鉆頭切削結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，位于該井段一半多處的Travis Peak地層最難鉆進(jìn)。Rockcliff公司希望提高鉆頭的機(jī)械鉆速來(lái)減少鉆井天數(shù)。斯倫貝謝旗下的史密斯鉆頭公司與Rockcliff團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種適用于盆地環(huán)境鉆井的鉆頭。
 
設(shè)計(jì)鉆頭
 
該鉆頭的設(shè)計(jì)理念為鉆頭必須考慮許多變量，包括切削齒類型和井下沖擊與振動(dòng)。為開發(fā)出最佳的鉆頭結(jié)構(gòu)，井下測(cè)量數(shù)據(jù)至關(guān)重要，通過(guò)井底鉆具組合進(jìn)行井下測(cè)量的數(shù)據(jù)無(wú)法提供鉆頭與巖石之間相互作用的真實(shí)信息，但通過(guò)鉆頭數(shù)據(jù)采集技術(shù)來(lái)驗(yàn)證地層不同層位巖石和鉆頭之間的相互作用，可為優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)提供有用信息。
 
Rockcliff公司給史密斯鉆頭公司的團(tuán)隊(duì)提供了各種數(shù)據(jù)輸入，包括可用于性能分析的地面數(shù)據(jù)和地層上部數(shù)據(jù)。史密斯鉆頭公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)與Rockcliff公司技術(shù)人員共同確定了鉆頭的性能要求，旨在提高鉆頭的機(jī)械鉆速和進(jìn)尺。
 
史密斯鉆頭公司建議使用斯倫貝謝公司的Synapse性能洞察和優(yōu)化服務(wù)在兩口鄰井部署鉆頭內(nèi)數(shù)據(jù)采集，用于了解鉆具組合的動(dòng)態(tài)情況。通過(guò)不同地層，分析鉆具組合動(dòng)態(tài)是優(yōu)化鉆井性能的關(guān)鍵因素，分析的主要目標(biāo)之一是減少有害的井下沖擊和振動(dòng)，從而延長(zhǎng)設(shè)備的壽命、提高機(jī)械鉆速、改善井眼條件和定向控制，并降低綜合鉆井成本。
 
史密斯鉆頭公司將井下數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)和地層上部數(shù)據(jù)上傳到云中，通過(guò)云中的專有算法將各項(xiàng)輸入合并并同步到一份報(bào)告中。初步發(fā)現(xiàn)表明：ROP的增加與沖擊和振動(dòng)的減少相關(guān)聯(lián)，通過(guò)與Rockcliff公司分享該研究成果，最終制定出鉆頭設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。
 
數(shù)字化建模
 
在兩口鄰井的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭數(shù)據(jù)不斷輸入平臺(tái)來(lái)重新校準(zhǔn)模擬模型，提供有關(guān)鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)的即時(shí)見解。使用該動(dòng)態(tài)建模系統(tǒng)，鉆頭和巖石間的相互作用能在虛擬環(huán)境中被量化和驗(yàn)證，從而定制材料和鉆頭結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)方法比，這種虛擬設(shè)計(jì)的鉆頭減少了為提高性能而設(shè)計(jì)的迭代次數(shù)。此外還減少了因鉆頭失效而導(dǎo)致多次起下鉆的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少了因鉆頭設(shè)計(jì)不當(dāng)（這通常會(huì)導(dǎo)致鉆頭損壞而無(wú)法修復(fù)）而產(chǎn)生的額外成本。
 
設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)，選擇切削元件至關(guān)重要。史密斯鉆頭公司通過(guò)地層每個(gè)層段的特性和優(yōu)化服務(wù)獲得的知識(shí)，使用錐形金剛石和凹面金剛石切削元件進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)。凹面金剛石元件有一帶較厚金剛石層的錐形脊，可顯著改善沖擊損壞，其獨(dú)特的凹面特征有效降低了切削齒的后傾角，從而可以更深地切削巖石。在給定的鉆壓下，與常規(guī)聚晶金剛石復(fù)合片相比，錐形金剛石元件的圓錐形狀能在地層形成高度集中的點(diǎn)載荷。
 
實(shí)際應(yīng)用
 
一次鉆井過(guò)程中，專為Rockcliff公司的Carthage油田所設(shè)計(jì)的鉆頭與最近的鄰井（2英里范圍內(nèi)）相比，其鉆進(jìn)速度提高了69%，以114英尺/小時(shí)的速度鉆進(jìn)了6734英尺，而鄰井使用第三方鉆頭的機(jī)械鉆速僅68英尺/小時(shí)，進(jìn)尺更少。這項(xiàng)服務(wù)為Rockcliff公司節(jié)省了近40小時(shí)的鉆井時(shí)間，并創(chuàng)造了一項(xiàng)ROP新記錄。該性能提升表明：淺孔鉆井中的ROP不再滯后，與基本的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，鉆頭的振動(dòng)降低了55%。
 
美國(guó)德克薩斯州東部Haynesville頁(yè)巖盆地Carthage油田，Rockcliff能源公司的定制鉆頭鉆井性能應(yīng)用效果明細(xì)。Haynesville頁(yè)巖的鉆井性能提升相對(duì)停滯了近十年，特定的、適用于盆地環(huán)境的鉆頭技術(shù)正在幫助突破停滯瓶頸。通過(guò)更少的設(shè)計(jì)迭代，作業(yè)者可以獲得量化的機(jī)械鉆速增益，從而縮短了鉆井時(shí)間，能夠更快地在未來(lái)的井中應(yīng)用更為優(yōu)化的鉆頭設(shè)計(jì)，這最終會(huì)對(duì)鉆井界緊張的資本支出預(yù)算和整體經(jīng)濟(jì)狀況產(chǎn)生積極的影響。為盆地鉆井環(huán)境專門設(shè)計(jì)的新型鉆頭將給美國(guó)德克薩斯州東部的Haynesville頁(yè)巖儲(chǔ)層開發(fā)帶來(lái)積極的效應(yīng)。