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在超過 5 萬次下鉆中，異形切削 齒解決了鉆井問題，結(jié)果表明，通過 將切削齒組合與地層和井下條件相匹 配，可以提高機械鉆速，延長鉆頭壽命， 延長鉆次，從而提高作業(yè)成本效益。 切削齒對該行業(yè)來 說 并 不 新 鮮。 自 20 世 紀(jì) 90 年 代 以 來， 隨 著 鉆 井 環(huán)境的變化和更復(fù)雜的地層帶來 的新挑戰(zhàn)，它們被引入到鉆頭技 術(shù)組合中。多年來，開發(fā)團(tuán)隊一 直在研究導(dǎo)致切削齒損壞和鉆井 功能障礙的井下條件，不斷在材 料和幾何形狀之間取得平衡。這些知識已經(jīng)成為研發(fā)重點 的跳板，以改進(jìn)切削齒設(shè)計，以 應(yīng)對苛刻的鉆井條件和更復(fù)雜的 井眼。如今，在一次下鉆穿越多 個地層的應(yīng)用中，從互層地層到 硬巖和磨蝕性地層，再到砂石、 粘土、砂巖和石灰石，異形切削 齒的性能達(dá)到了新的極限。
 
開發(fā)異形切削齒技術(shù)
 
利用最新的材料研究成果， 開發(fā)了一套完整的異形切削齒 ( 圖 1)，以解決一系列具有挑戰(zhàn)性的 地層類型和應(yīng)用。鉆井工程師可 以將專用切削齒組合在單個鉆頭 上，以有效地鉆穿復(fù)雜的地層。 在這些開發(fā)工作中出現(xiàn)的一 種先進(jìn)切削齒 ( 圖 1A) 是一種提 高硬地層性能的設(shè)計。由此產(chǎn)生 的切削齒具有新穎的邊緣幾何形 狀，可以承受高沖擊載荷，并且 在金剛石表面具有二次倒角，使 其能夠承受比聚晶金剛石復(fù)合片 (PDC) 切削齒更高的載荷。這使 得它能夠在堅硬的互層地層中保 持鉆井效率，從而提高了該段的 圖 1 - 通過將切削齒組合在單個鉆頭上，司鉆人員可以解決一系列挑戰(zhàn)，即使是復(fù) 雜的地層也可以在一次快速鉆進(jìn)中完成。
 
總鉆速 (ROP)。 當(dāng)在堅硬的磨蝕地層中鉆井 時，巖石切削齒相互作用產(chǎn)生的 熱量會破壞切削齒的完整性，導(dǎo) 致過早磨損和性能下降。工程師 們專注于改進(jìn)切削齒尖端，開發(fā) 出一種切削齒 ( 圖 1B)，在堅硬、 磨蝕性地層中保持低溫，在砂巖 中尤其有效，在砂巖中，它比傳 統(tǒng)的切削齒表現(xiàn)出更少的微壓裂 和磨損。 復(fù)雜的下入通常意味著鉆頭 必須鉆穿非常不同的地層，從互 層的堅硬巖石到更具磨蝕性的地 層。為了應(yīng)對這些變化的條件， 切削齒必須在高沖擊載荷條件下 有效，并且在完井時仍能正常工 作。
 
另一種專門的切削齒 ( 圖 1C) 可以提供這種平衡性能，減少切 削齒 / 巖石界面的摩擦和熱量產(chǎn) 生，分解巖屑，在給定 ROP 的情 況下，實現(xiàn)更快的鉆進(jìn)和更長的 鉆速，更低的鉆壓 (WOB) 要求。 在需要點加載的情況下，例 如在蒸發(fā)巖或高泥漿比重環(huán)境中 鉆井，以及在鉆壓有限的鉆井中， 需要一種能夠?qū)⒏嘀亓糠峙涞?更小巖石部分的切削齒。貝克休 斯針對這些情況設(shè)計了一種切削 齒 ( 圖 1D)，它比標(biāo)準(zhǔn)切削齒更 有效地穿透地層，利用可用能量 產(chǎn)生更大的切削深度，從而實現(xiàn) 更快的鉆進(jìn)速度。 最新增加的專用切削齒組合 ( 圖 1E) 采用了更苛刻的條件， 其設(shè)計具有更高的耐用性，包括 二次倒角，切削齒中心的緩解， 以及增強的點加載能力。
 
應(yīng)用異形切削齒專業(yè)知識
 
所有這些專業(yè)切削齒的共同 目標(biāo)是提高機械鉆速，延長鉆頭 壽命，延長鉆進(jìn)時間，每種設(shè)計 都有特定的應(yīng)用和性能特征，可 以提高鉆井效率。但是優(yōu)化這些 異形的切削齒在鉆頭上的位置并 不容易。有許多相互關(guān)聯(lián)的變量， 因此決定改變什么來提高性能是 一項艱巨的挑戰(zhàn)。找到最佳的前 進(jìn)路徑意味著為作業(yè)確定合適的 工具，通常，這意味著不僅要使 用一種刀具，而且要將多種刀具 適當(dāng)?shù)胤胖迷阢@頭的正確部位。 與鉆井相關(guān)的成本占陸上鉆 井項目總成本的 30-40%，因此 尋找改善流程的方法可以顯著影 響利潤。在加拿大不列顛哥倫比 亞省東北部進(jìn)行的常規(guī)鉆井項目 中，面臨的挑戰(zhàn)是找到一種方法， 有效地鉆過具有堅硬巖石和高磨 蝕性地層的互層巖性，這些地層 會導(dǎo)致鄰井的過度振動和頻繁的 切削齒斷裂。
 
通 過對井下環(huán)境的計算機 模 擬， 我 們 找 到 了 一 種 實 用 的 解 決 方 案， 即 使 用 6-3/4in。 Dynamus 延壽 PDC 鉆頭配備了 兩種特種切削齒，以解決鉆井挑 戰(zhàn)。ShockWave 切削齒提供了 耐用性，在互層地層中有效鉆進(jìn)， 消除了熱損傷和切削齒切屑的問 題，而 Apex 切削齒解決了磨損 問題，在主切削齒磨損時提供了 備用，使鉆進(jìn)能夠在不降低機械 鉆速的情況下進(jìn)行。 這種成形刀具的組合減少了 一次更換鉆頭的計劃運行，節(jié)省 了 26 小時的鉆井時間，并比襯墊 平均值提高了 76% 的計量。 常 規(guī)鉆井帶來了一系列挑戰(zhàn)，而頁 巖鉆井則帶來了另一系列挑戰(zhàn)。 對于在阿根 廷 Vaca Muerta 頁 巖中執(zhí)行鉆井計劃的作業(yè)者來 說 , 問題是一口長的小井眼水平 井 , 其中高重量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致過早的 井底組件故障 , 鉆機系統(tǒng)有限的 功率輸入限制了補償井的鉆速。
 
專家們進(jìn)行了先進(jìn)的仿真建模，以確定鉆頭和特種切削齒的 組合，以最好地解決高鉆重傳遞 問題并提高機械鉆速。他們決定 在 6-3/4 英寸，延長壽命的 PDC 鉆頭可以提高長段頁巖水平段的 ROP。通過將 Prism 切削齒合理 地安裝在鉆頭上，作業(yè)者能夠安 全地提高鉆壓，提高 ROP，而不 會有工具損壞的風(fēng)險。將專用切 削齒與 AutoTrak 自動油藏導(dǎo)航 鉆井系統(tǒng)相結(jié)合，在單次水平段 井眼作業(yè)中，ROP 比平均井眼作 業(yè)提高 13%，鉆井方案中最佳井 眼作業(yè)的 ROP 提高了 29%( 圖 2)。 不理想的鉆井總是對作業(yè)不 利，但在深水中，鉆井成本約占 鉆井和完井總成本的 60%，效率 低下的代價尤其高昂。
 
對于加勒 比海地區(qū)的鉆井公司來說，這是 一個重要的驅(qū)動因素，因為在該 地區(qū)，復(fù)雜的深水鉆井段穿過粘 土和砂巖，存在堅硬的互層碳酸 鹽條帶，這使得在不施加過大的 導(dǎo)向力的情況下很難達(dá)到預(yù)期的 鉆井速度。鉆頭振動過大，在分 支井中出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象。 仿真建模使鉆井工程師能 夠確定鉆頭 / 切削齒組合，從而 實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向控制和更好的 鉆 頭 穩(wěn) 定 性。 模 擬 結(jié) 果 決 定 使 用 121/4-in，使用壽命延長的 PDC 鉆頭，配有兩個專用切削齒。 Apex 切削齒的點載荷使其能夠 以較低的 WOB 穿透韌性地層， 而 StabilisX 切削齒提高了扭轉(zhuǎn) 穩(wěn)定性，可以穿透堅硬地層，將 這種切削齒組合安裝在鉆頭上， 并使用 AutoTrak 自動油藏導(dǎo)航 鉆 井 系 統(tǒng)，ROP 提 高 了 30%， 粘滑率降低了 80%，同時延長了 鉆頭壽命，增加了鉆進(jìn)長度。
 
鉆進(jìn)
 
先進(jìn)的切削齒技術(shù)在苛刻的 鉆井環(huán)境中提供了一系列性能改 進(jìn)，但這并不是旅程的終點。使 用復(fù)雜的模擬軟件來真正了解地 層的需求，以及每個切削齒在 鉆頭上的特定位置的表現(xiàn)，這 有助于工程師解決當(dāng)前的鉆井 挑戰(zhàn)，同時改進(jìn)和完善切削齒 和鉆井過程。 在超過 5 萬次下鉆中，異形 切削齒解決了鉆井問題，結(jié)果表 明，通過將切削齒組合與地層和 井下條件相匹配，可以提高機械 鉆速，延長鉆頭壽命，延長鉆次， 從而提高作業(yè)成本效益。 這些切削齒的性能與增強的 建模能力相結(jié)合，也建立了可靠 性的記錄，隨著鉆井環(huán)境的發(fā) 展，對異形切削齒開發(fā)的持續(xù) 投資將繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展， 以確保鉆井人員擁有適合工作 的工具。技術(shù)