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新型PDC鉆頭,更長、更深、更穩

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作業者們正在應用新型PDC鉆頭技術來破紀錄的鉆出新井眼。

編輯 | 大安

隨著美國陸地作業者不斷刷新產量記錄,他們迫切需求新技術,以降低成本、提高業績。Ulterra公司是一家PDC鉆頭制造商,其客戶正在利用SplitBlade PDC鉆頭專利技術,以實現更強、更快的鉆進。這是一趟鉆即可完成造斜段與水平段的新技術,增加了鉆頭的總進尺,也延長了水平段的長度。在鉆進造斜段時,該技術可在高鉆速下,精準控制工具面,從而幫助作業者縮短鉆進時間,減少更換鉆頭的起下鉆次數。

毫無疑問,油氣行業可以為數十年的技術成就而感到自豪,這些成就為今天蓬勃發展的全球經濟提供了動力。這段歷史的一個重要組成部分是1976年推出了PDC鉆頭,這種鉆頭能夠鉆穿更深的油氣儲層。如今,40多年過去了,PDC技術依然能夠使作業者鉆得更深更快。該技術有助于提高PDC鉆頭的性能,因此SplitBlade系列PDC鉆頭被授予2019年E&P工程創新成就獎。

Ulterra公司的研發團隊在為期五年的綜合項目中開發了SplitBlade,該項目研究了水力學與接觸分布學。根據作業者的經驗,在新時代大位移井的高效作業中,這些設計因素具有舉足輕重的作用。

雙噴嘴水力學

SplitBlade技術將主刀翼做了一定角度的旋轉偏移,使之成為分體形狀。該研發團隊革新了鉆頭形狀,使多個流道能夠流經同一刀翼與排屑槽。通常情況下,鉆頭錐部的巖屑在鉆井過程中順著刀翼面下沉,只會在鄰近切削齒的周圍積聚,這會浪費鉆井能量,最終導致切削齒嚴重損壞。相反,這種分體式設計可產生高速巖屑,有助于更好清洗鉆頭錐部的鉆屑,從而在鉆進期間,可從肩部切削齒排出大量鉆屑。與傳統設計相比,SplitBlade鉆頭的排屑能力提高了7倍。

清洗后,鉆頭齒面能夠不受阻礙地吃入、破碎巖石,降低熱量積聚,從而減少熱損傷,延長鉆頭壽命,并提高機械鉆速。將這些正面因素結合起來,可建立PDC鉆頭基準,以節省昂貴的鉆井時間、減少底部鉆具組合(BHA)起下鉆次數、延長鉆頭的進尺。

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圖:鉆進期間,SplitBlade鉆頭增加了與地層的側向接觸點的分布,從而改善了工具面控制。(來源:Ulterra)

實際接觸分布

更多接觸意味著在鉆進時更多控制。當鉆頭旋轉時,每個切削齒的切削深度都會發生變化。這種變化是一種重復波,其振幅與鉆頭的穩定性直接相關。該信號可視為反扭矩,在造斜段與水平段的應用中至關重要,因為控制與可導向性會直接關系到最終井眼質量、產層中的井位、油井全壽命周期的產量。通過實現更平穩的扭矩傳遞,可減少峰值扭矩,而且鉆頭的運行更符合司鉆的期望,特別是在水平段極長的情況下。

在測試與設計SplitBlade技術的過程中,該研發團隊認識到,擴展式、分體式切削齒有助于降低積聚的扭矩峰值與偏向力。該設計在能量分配方面做得更好,鉆頭扭矩的傳遞也更為平滑,破巖期間可減少潛在造成鉆井功能障礙的波動。將所有這些設計優化集成于多功能鉆頭,使它具有親力親為的感覺,同時實現能量均勻分布在整個工具面。

連接垂直段、造斜段與水平段

自2017年秋季推出SplitBlade PDC鉆頭以來,作業者已將該公司的鉆頭技術應用于5000多次鉆井,總進尺超過650萬米(2150萬英尺)。目前,使用該技術的作業者平均每月進尺超過120萬米(400萬英尺)。隨著鉆井井段的不斷延長,鉆頭的進尺也在持續增加。在Eagle Ford頁巖區塊,某個作業者一直在創造新的、獨特的鉆井記錄。

該作業者采用了突破常規的鉆井設計:僅用一個鉆頭與鉆具組合鉆出垂直段、造斜段與水平段(VCL),這是針對Eagle Ford頁巖區塊某個更具挑戰性區域的新策略。一只8.75英寸SplitBlade PDC鉆頭鉆了所有VCL,總進尺達到5180米(17000英尺),為作業者節省了5萬美元,并在Eagle Ford頁巖區塊開創了鉆井新時代。在取得成功的基礎上,該公司又鉆了一個VCL,這次用一個鉆頭與BHA鉆進了5790米(19000英尺)以上,創造了Eagle Ford頁巖區塊的連續進尺記錄。然后,該作業者使用SplitBlade技術又創造了24小時最大進尺記錄,最新記錄是23.5小時最大進尺為1.9公里(1.2英里)。如今,位于Dimmit郡70%的作業者都在進行VCL鉆井,因此VCL鉆井已被確立為一項成功的戰略。

更長的水平段

通常在大位移水平井中,BHA距離鉆機數英里遠,如何將合適的鉆壓傳遞到鉆頭,以避免扭矩與上提懸重上漲,這令作業者頗為頭疼。若無法將鉆壓傳遞下去,就不會有足夠的鉆頭能量來有效驅動扭矩與懸重,以移除巖石,并向前鉆進。該公司的研發團隊針對作業者的提效與延長水平段的需求,重新設計了鉆頭的切削結構與吃入深度,以更好、更穩定的應對鉆進4.8公里(3英里)水平段的挑戰。

今年年初,Permian區塊某個作業者利用一只8.5寸SplitBlade PDC鉆頭與常規鉆具組合,一趟鉆完成兩個連續的造斜段。某趟鉆中,創下了Midland區塊常規造斜段與水平段的進尺記錄,完成了4420米(14500英尺)的進尺,同時機械鉆速超過了30米/小時(100英尺/小時)。以前,該作業者僅在水平段作業中才會使用Ulterra公司的PDC鉆頭。憑借這一記錄,始于德克薩斯州南部的鉆井新時代在德克薩斯州西部也得以確立。

在這個大位移井段與組合井段越來越長的新時代,作業者能夠持續提高鉆井效率與整體油井產量。隨著作業者打破了水平段長達4.8公里的新紀錄,他們腦海中出現了如何用單只鉆頭鉆出6.4公里(4英里)水平段的新思路。

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