隨著北美地區(qū)頁巖地層探明儲量的增加，各大
鉆頭制造商都將目光集中到應(yīng)對在這類地層鉆井的挑戰(zhàn)上，或是開發(fā)出新結(jié)構(gòu)的鉆頭產(chǎn)品，或是在現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)化處理，以使其適合于具體的鉆井用途。上期介紹了
貝克休斯、
哈里伯頓、NOV井下公司的
PDC鉆頭最新發(fā)展動態(tài)。這期繼續(xù)介紹美國三家公司的技術(shù)發(fā)展情況。
Shear Bits公司
快速通盤考慮鉆頭開發(fā)過程能夠大幅提高鉆頭的鉆井性能，該方法的一個成功案例就出現(xiàn)在加拿大西部市場，在Spearfish油頁巖區(qū)塊以創(chuàng)記錄的（短）時間鉆完了難于鉆進(jìn)的單眼
水平井段。
所鉆井的輪廓包括一個相對短的直井段，然后是一個小半徑造斜以及一個水平分支，用一只7-7/8英寸的PDC鉆頭一次鉆完。前期所用的PDC鉆頭都能在垂直井段、造斜井段或是水平井段獲得良好的鉆井性能，但沒有鉆頭能夠在全部三個井段都同時獲得最好的性能。
前期在該地區(qū)鉆井時在垂直井段達(dá)到每小時150米的機(jī)械鉆速是較常見的，在彎曲井段的目標(biāo)造斜率為每30米8°～9°，另外，水平井段的平均長度大約為700米，通常的機(jī)械鉆速都在每小時50米以上，因此，所存在的一個很大的挑戰(zhàn)就是要開發(fā)出一種高機(jī)械鉆速，且在彎曲井段能打出高造斜率，在水平井段能夠?qū)崿F(xiàn)很好的穩(wěn)斜效果而不需要過度的對鉆頭進(jìn)行操控的PDC鉆頭。還有一個重要的方面就是要使鉆頭結(jié)構(gòu)與定向工具的特征相吻合。
Shear Bits公司按客戶要求專門為此用途設(shè)計了一只7-7/8英寸的SD413E PDC鉆頭。該鉆頭的初期性能目標(biāo)是使鉆頭在造斜井段實現(xiàn)最大的可操控性，而通過限制造斜或降斜趨勢從而最大程度的減小在水平分支內(nèi)的滑動時間。該鉆頭的特點是具有加長的螺旋保徑墊結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)鉆頭在水平井段中的穩(wěn)斜能力，以及具有主動切削結(jié)構(gòu)和保徑外形以便提高其在彎曲井段的造斜能力。
這種最初結(jié)構(gòu)的鉆頭被使用了4次，每次鉆進(jìn)時的定向響應(yīng)都很好，但該公司技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)了一個能夠在垂直井段提高機(jī)械鉆速（ROP）的機(jī)會，所以在隨后的六個星期的時間內(nèi)，該公司又在前期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)出4種結(jié)構(gòu)的鉆頭，這4種新的鉆頭在鉆井時創(chuàng)下了一系列的記錄，其中最好的記錄是從開鉆到完鉆后拆卸鉆機(jī)只用了3.5天的時間，與最初結(jié)構(gòu)鉆頭的首次鉆進(jìn)相比，整個井段的平均機(jī)械鉆速幾乎翻了一番。
在該項目開始時，該公司設(shè)計的SD413E PDC鉆頭的平均機(jī)械鉆速為每小時28~33米，但針對具體用途對鉆頭進(jìn)行優(yōu)化后，取得了每小時57米的平均機(jī)械鉆速，且在垂直井段的瞬時機(jī)械鉆速達(dá)到了每小時200米。新型鉆頭很容易就能實現(xiàn)9°/30米的造斜速度，在井眼側(cè)向部分的滑動時間保持在低于6%的水平。
史密斯國際公司
史密斯國際公司對在巖石/切削齒界面處產(chǎn)生的摩擦熱進(jìn)行了詳細(xì)的分析，這種摩擦熱是使得PDC鉆頭在硬巖和研磨性地層不易鉆進(jìn)的一個主要因素。該公司還對PDC鉆頭在深井和高溫井中鉆進(jìn)時通常會遇到的熱降解和微掉塊現(xiàn)象也進(jìn)行了縝密的分析。
該公司的研究表明，不同的應(yīng)用需要不同的切削齒性能。一般而言，如要高效的鉆進(jìn)研磨性地層，就需要切削齒具有較好的耐磨性和熱穩(wěn)定性；而抗沖擊性更好的齒則用于鉆夾層地層以及巖石強(qiáng)度更大的地層最為合適。
該公司開發(fā)的ONYX切削齒技術(shù)是世界上第一種全面考慮了三個關(guān)系到PDC切削齒壽命長短關(guān)鍵因素的剪切切削元件，這三個關(guān)鍵因素包括熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊性。無論是與以前的標(biāo)準(zhǔn)齒還是優(yōu)質(zhì)PDC齒相比，這種新型切削齒都展現(xiàn)了更好的熱穩(wěn)定性能、更好的耐磨性以及更長的疲勞壽命。
這種新型切削齒的生產(chǎn)分為兩個步驟，首先用傳統(tǒng)的高溫高壓工藝制造出優(yōu)質(zhì)的聚晶金剛石（PCD）層，然后對該金剛石層進(jìn)行酸處理以便得到無催化劑的金剛石片，將該金剛石片組裝到一種碳化鎢（WC）基托上而后再進(jìn)行另一次高溫高壓處理。對最終產(chǎn)品還要再進(jìn)行一次處理以便清除掉第二次高溫高壓工藝過程中的滲入材料。
與標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)切削齒相比，這種新型齒每單位所鉆巖石的磨平度大為減小，在冷卻狀況良好的情況下，新型齒所切除的巖石大約為傳統(tǒng)齒的130%，且試驗后的鈍化狀況也更好。而在沒有進(jìn)行冷卻的一次類似試驗中，這種新型ONYX切削齒比傳統(tǒng)統(tǒng)優(yōu)質(zhì)齒多鉆了85%的巖石，鈍化狀況與傳統(tǒng)齒相比不相上下。
前期在西非地區(qū)用PDC鉆頭打12-1/4英寸井段時效果十分不理想，該井段含有既硬且又有研磨性的砂巖/頁巖夾層地層，地層抗壓強(qiáng)度大于20,000 psi。鉆該井段時通常需要用4～8只鉆頭，PDC鉆頭大多數(shù)情況下起出時鈍化狀況都很差，既有縮徑現(xiàn)象又有齒的嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。在該地區(qū)改進(jìn)鉆井的初期目標(biāo)是一次鉆進(jìn)打完該井段或是盡可能多的減少起下鉆次數(shù)。
為此，史密斯國際公司設(shè)計并制造了裝有加強(qiáng)齒且優(yōu)化了刀翼和噴嘴形狀的8刀翼12-1/4英寸MDSi816 PDC鉆頭，該鉆頭在2號和5號井中被用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合上成功鉆進(jìn)了研磨性很大的地層。
在2號井中，該鉆頭鉆完了從鉆井斜到總深（TD）的整個井段，這在該油田尚屬首次，起下鉆次數(shù)的減少為鉆井作業(yè)商節(jié)省了6天的時間，成本降低了二百萬美元。
在5號井中，進(jìn)尺和機(jī)械鉆速幾乎都翻了倍，并且還有助于LWD（隨鉆
測井）的數(shù)據(jù)捕獲，因而消除了鉆井以后再進(jìn)行測井的需要。與3口鄰井的平均數(shù)據(jù)（6次鉆頭鉆進(jìn)）相比，這種新型鉆頭的進(jìn)尺(1,702 米)提高了165%，機(jī)械鉆速(21.18米/小時)提高122%，而且是一次鉆進(jìn)便鉆完了該井段。
瓦瑞爾國際公司
瓦瑞爾國際公司最近正致力于改進(jìn)其PDC鉆頭結(jié)構(gòu)以便能夠更好的在Haynesville頁巖地層中鉆進(jìn)，這種地層含有研磨性很大的過渡性巖層，這類巖層會因造成過大的磨損而導(dǎo)致早期鉆頭磨損。在這類地層中用過的大多數(shù)鉆頭都存在著耐用性和機(jī)械鉆速二者之間的平衡問題。
該公司技術(shù)人員對該地區(qū)已用過的鉆頭的鈍化狀況以及鉆頭使用記錄進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)許多鉆頭都是由于機(jī)械鉆速太低而被從井眼中起出的，在鉆頭切削結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位有嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，通過這一調(diào)查研究，使得現(xiàn)場工程師和鉆頭設(shè)計師最終決定開發(fā)出適合于硬地層鉆井和研磨性地層鉆井的兩種鉆頭結(jié)構(gòu)。
對于硬地層鉆井，該公司所開發(fā)的Tough-Drill系列鉆頭經(jīng)現(xiàn)場證實能夠減小沖擊損壞、改善鉆頭清洗和切削結(jié)構(gòu)的冷卻效率。通過采用專用軟件對鉆頭切削進(jìn)行分析，該公司開發(fā)出最適合硬地層鉆進(jìn)且又不會犧牲鉆頭機(jī)械鉆速（ROP）的PowerCutter切削結(jié)構(gòu)，這種切削結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵的鉆頭臺肩部位設(shè)計有較大的露齒高度和布齒密度，所以能夠以最大的機(jī)械鉆速在硬巖中鉆進(jìn)，而且還能夠繼續(xù)鉆進(jìn)更硬的砂巖或石灰?guī)r地層而不會發(fā)生過度的磨損或損壞。Tough-Drill鉆頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中采用動態(tài)流體動力學(xué)理論對其進(jìn)行了分析，這有助于消除鉆井巖屑的重復(fù)研磨和重復(fù)循環(huán)，這兩種現(xiàn)象是在硬巖和研磨性地層鉆井時經(jīng)常出現(xiàn)的兩種不良現(xiàn)象。
瓦瑞爾公司的技術(shù)人員同時還對抗研磨切削齒的質(zhì)量進(jìn)行了多次試驗，以便保證在用于研磨性地層鉆井時能夠具有恰當(dāng)?shù)慕饎偸６群蜔岱�(wěn)定性。
在美國路易斯安那洲鉆井的一個作業(yè)商要求瓦瑞爾公司開發(fā)一種8刀翼、裝有16mm直徑PDC齒的鉆頭用于鉆9-7/8英寸井段。鉆該井段就必須通過十分難于鉆進(jìn)且極具研磨性的Hosston和Cotton Valley巖層，在這類巖層中打井時鉆頭通常磨損很快。而該井段的最后600英尺是要通過Bossier地層，這是一種較軟的頁巖/石灰?guī)r組合地層，要求最好要用沒有磨損的切削結(jié)構(gòu)來進(jìn)行鉆進(jìn)。
鉆頭設(shè)計的主要目標(biāo)是要提高其機(jī)械鉆速，但同時又不犧牲現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)的耐用性。另外，設(shè)計人員還研究了在鉆頭鉆入頁巖/石灰?guī)r地層時切削齒的優(yōu)越性。
這種新型鉆頭采用了部分PowerCutter切削結(jié)構(gòu)，在主刀翼上加裝了加強(qiáng)齒，在輔助刀翼上設(shè)計了碳化鎢防振齒，這種結(jié)構(gòu)為在研磨性和過渡性地層中鉆進(jìn)提供了更好的穩(wěn)定性以及對主切削結(jié)構(gòu)的保護(hù)。
對于更為鋒利的鉆頭切削結(jié)構(gòu)，該公司在鉆頭上設(shè)計安裝了耐磨性能更好的齒以便防止此類地層對鉆頭切削結(jié)構(gòu)帶來的損壞，同時還可在鉆井作業(yè)的后期充分利用切削齒尺寸所帶來的優(yōu)勢。該公司的新型鉆頭實現(xiàn)進(jìn)尺2,339英尺，鉆到了10,945英尺的總深，平均機(jī)械鉆速為每小時29.1英尺。在最近的一口鄰井中使用的一只其它鉆頭因機(jī)械鉆速太低而被起出，在Cotton Valley地層中僅鉆進(jìn)了600英尺。瓦瑞爾國際公司的新型鉆頭使機(jī)械鉆速提高近30%，節(jié)約每英尺鉆井成本大約為30%。
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