钻头钻井论文（精选4篇）
钻头钻井论文 篇1
1 主要钻头分类与选取
在钻井过程中, 钻头的作用主要是对岩石进行破碎, 之后形成井眼。钻头质量的好坏以及其与岩石性质的适应性等对钻井工艺的选用起着极其重要的作用。尤其是对钻井速度、钻井的质量以及钻井所耗费的成本等产生重要影响。当前, 石油钻头的种类很多, 根据钻头钻进方式的不同, 可以将钻头分为:刮刀钻头、牙轮钻头以及金刚石钻头三种基本的形式。其中, 牙轮钻头在石油钻探中使用得最为广泛, 应用程度也较深;相对而言, 刮刀钻头使用的范围最为狭小。在这里主要对牙轮钻头与金刚石钻头进行介绍。
1.1 牙轮钻头及其选取
从钻头的结构来看, 可以将牙轮钻头分为这样五个部分:钻头体、牙轮、巴掌、轴承与水眼。当钻头的形式为密封喷射式时, 一般还包括有储油补偿系统。牙轮钻头的上部存在螺纹, 通过螺纹与钻柱进行连接, 钻头的下部带有牙轮, 其上有三个巴掌。钻头的牙轮装在牙轮轴之上, 牙轮通过其自带的切削齿来对岩石进行破碎作业。其中, 各个牙轮与牙轮轴之间装有轴承。钻头的水眼是钻井液的通道。
在作业的过程中, 牙轮钻头通过钻进过程中的纵向振动与横向的剪切作用, 钻头破碎岩石, 提高了钻井的速度。
在选取牙轮作为钻井的作业工具时, 应该更加相邻油井的地层地质资料, 并结合地层的具体条件以及与钻井设备的具体情况来选型。在选择时, 通常需要考虑的问题为:其一, 钻井地层的软硬程度以及地质的可研磨性;其二, 同一油井中钻进井段的具体深浅;其三, 钻井过程中是否需要斜地层的防斜钻进;其四, 钻井地层中是否存在地层的软硬交错现象。
1.2 金刚石钻头及其选取
金刚石钻头是指那些采用金刚石材料作为切削刃的钻进刀具。根据其适应地层的不同, 我们可以将之分为两大类:普通金刚石钻头以及聚晶金刚石复合片钻头。其中, 聚晶金刚石复合片钻头的适应范围较广, 能广泛的使用于软、中、硬质地层、而普通金刚石钻头恩那个适应与地质较硬, 且研磨性较高的地层。
普通金刚石钻头与聚晶金刚石刀片钻头的主要差别在于刀片的不同。普通金刚石钻头主要由钻头体、胎体、喷嘴以及金刚石颗粒四个部分组成。而聚晶金刚石复合片钻头主要由钻头体、胎体、喷嘴以及金刚石复合片四个部分组成。
在选取金刚石刀片作为钻头时, 由于其具有的优良切割性能, 可以采用比较高的钻速, 而且钻深可以适当的选择较大。在使用过程中要注意的一点就是金刚石钻头的质地较脆, 所以其抗冲击性能较差, 在使用的过程中要严格的按照操作规程来进行操作;同时, 由于其热稳定性存在一定的限制, 工作过程中要保证钻头的清洗情况与冷却性能;同时, 金刚石的价格较贵, 操作过程中要小心操作。
2 钻井液的基本组成及选取
2.1 钻井液的基本定义与分类
钻井液主要用于钻井过程中对井底进行清洗, 之后将破碎过程中产生的岩屑带到地面, 以保证钻井作业的顺利进行, 通常我们又称之为洗井液、者是钻井泥浆。
随着石油钻井技术的不断发展, 所用到的钻井液种类也日趋增多, 根据其相的不同, 可以将之分为:
(1) 液相:属于连续相的钻井液, 主要分为油和水两种;
(2) 活性固相:主要包括了钻井过程中进入的造浆粘土、加入的商业膨润土或者是油基钻井液中加入的有机膨润土;
(3) 惰性固相:主要包括钻屑与加重材料等。
在配置钻井液时, 需要根据具体的使用需求来进行配制, 以获得不同性能的钻井液。例如可以通过在钻井液中加入添加剂等, 通过调整活性固相在钻井液当中的分散状态来调节钻井液的性能。
2.2 欠平衡钻井液密度的确定
欠平衡钻井技术在近年来得到了迅速的发展, 在具体的设计过程中对钻井液的确定是确保钻井过程经济可靠的根本保证, 而钻井液密度的确定又是钻井液确定的关键。
钻井液密度的确定主要过程包括:地层空隙压力的确定、环空压耗以及最终的密度计算与确定。
(1) 地层孔隙压力
根据所采用的地层压力检测方法的不同, 得到的监测数据也具有明显的差异, 存在的误差甚至高达10%。尤其是在深井钻井的过程中, 计算误差大大的超过了负压差值。从这个角度来看, 声波时差法、C指数法以及d c指数法等压力监测方法对于钻井液密度的准确确定的意义并不大。
而勘探过程中的油藏地质工程所提供的地层孔隙压力主要为:试油静压、钻杆测试压力和MFT测试压力, 在对具体的井压进行确定时需要根据油层的深度来予以调整。同时, 在探井中要根据随钻过程中的试井数据来进行分析计算, 得到地层的空隙压力。
(2) 环空压耗
环空压耗与钻井液密度的确定直接相关。在普通的过平衡、近平衡钻井现场, 泵的排量一般按照喷射钻井采用的最大钻头的水功率进行设计。在这种情况下, 钻井液循环基本上能达到紊流状态。但是对于欠平衡钻井来讲, 为了增加井控的可靠程度, 达到有效的避免紊流给裸眼油气层造成的冲刷作用, 通常认为欠平衡钻井液的排量不能过大, 应将流动状态控制在层流状态。在计算时, 可采用下面的式子进行:
式中, pfr——环空压耗;gv——钻井液粘度;Qm——钻井液排量;Dp——钻柱直径;Dh——套管直径;Lp——套管长度;YP——屈服值。
(3) 钻井液密度的确定
通过下面的计算式进行确定:
式中, rHm——钻井液密度;pp——地层空隙压力;pn——井底负压设计值;H——井深。
3 结语
石油钻井钻头的选择对于钻井效率、质量以及后期油井的管理难度等有直接的影响, 在选取的过程中要根据钻井地层的具体情况来进行。钻井液的确定是保证钻井顺利进行以及钻井可靠度的根本保证, 尤其是欠平衡井钻井液密度的确定, 应该在根据准确的算例来进行计算的基础上, 结合钻井地层的具体情况来进行计算。
参考文献
[1]杨虎等.欠平衡钻井中钻井液密度的确定与控制方法[J].石油采钻工艺.2007—12.[1]杨虎等.欠平衡钻井中钻井液密度的确定与控制方法[J].石油采钻工艺.2007—12.
[2]刘晓栋, 王宇宾, 宋有胜, 黄名召, 徐鸿志.活性泥页岩快速钻井钻井液技术[J].石油钻采工艺.2011, 33 (2) .[2]刘晓栋, 王宇宾, 宋有胜, 黄名召, 徐鸿志.活性泥页岩快速钻井钻井液技术[J].石油钻采工艺.2011, 33 (2) .
钻头钻井论文 篇2
钻井是石油勘探以及石油开发的基本要素, 并且后续的所有的资料收集工作也需要钻井作为必要前提。钻井作业速度和开发成本成反比, 与日后的产出效益成正比。当今国际社会石油资源日渐短缺, 中国作为发展中国家, 想要在该方面与发达国家保持统一发展速度, 就必须要不断的优化石油相关技术, 提升钻井工作质量。钻头是石油钻井过程中比较关键的一个工具, 钻头质量直接影响钻探工作质量。如何选择钻井液也是关键问题, 钻井液优劣直接影响石油效益。针对上述情况, 下文将对石油钻井钻头的选择以及如何选择钻井液进行简要分析。
1 钻头选择
1.1 钻头的重要性
在进行钻头选择之前, 首先深入的了解钻头。钻头是钻井必要工具, 通常我国石油行业钻井使用的钻头都是旋转钻头。旋转钻头可以在机械能的带动下不断旋转, 通过旋转的方式来带动钻头工作。旋转过程中阻碍钻头前进的岩石会被破碎掉, 实现向下钻探的基本目的。钻头是石油钻井设备当中最关键的部分之一, 不同地区以及不同钻井环境所需要的钻头形状以及钻头规格都是不同的, 所以要根据实际情况酌情选择。
1.2 钻头类型与选用
石油钻井作业类型比较多, 所以相应的钻头种类也较多。从石油行业发展情况来看, 通常都是根据钻进方式的差异来选择钻头的。常见钻头氛围刮刀式钻头、牙轮式钻头以及金刚石钻头等。其中牙轮式的钻头是目前使用频率最高的一种, 而金刚石钻头则可以适应一些地形、地质比较特殊的区域, 刮刀式钻头很少使用。
牙轮式钻头的结构整体来说比较复杂, 一般所使用的牙轮式钻头包含了钻头体等五个组成部分, 如果需要使用密封喷射技术, 还会有专门的储油系统。石油钻井施工如果需要使用牙轮式的钻头进行施工作业, 要高度关注周围油井的地层资料以及油井地址信息, 结合钻井设备性能实际情况, 判定是否要选择牙轮式的钻头。在选定钻头前, 要考察地质情况, 根据不同地质状况选择不同型号的牙轮式钻头。在进行钻井作业时有时会存在曲线作业或者是防斜进作业, 明确钻井深度。
在金刚石钻头选取方面, 需要注意的方面也比较多。金刚石钻头主要钻切材料是金刚石, 所以可以根据钻头材料构成将金刚石钻头划分成普通等级金刚石钻头、聚晶金刚石钻头这两种。聚晶金刚石钻头在硬度比较低的地层中使用表广泛, 普通的金刚石钻头一般在地质比较复杂并且地质硬度相对比较高的地区来使用。普通金刚石钻头主要由钻头本体、喷嘴等组成, 聚晶金刚石复合片钻头和普通的钻头相比, 差异在聚晶金刚石组成方面。金刚石钻头有点比较明显, 切割性能较为理想, 可以处理硬度比较高的地层, 在高速钻探中优势显著。与其余种类的钻头相比, 普通的金刚石钻头在硬度方面要明显好于普通的钻头材料, 所以可以在普通钻头因为硬度问题影响而难以工作时使用金刚石钻头完成施工, 不仅可以提升工作质量, 还可以减少下挖时间。
2 钻井液选用
2.1 钻井液的作用
钻井液和钻头相同, 都是比较常见的石油钻井作业设备。钻井液是在钻井过程中起到冷却、清理以及冲洗作用的介质, 一般都是可以反复循环使用的介质。根据钻井液的差异将钻井液氛围泥浆、清水以及高类型。石油钻井施工作业过程中泥浆钻井液以及清水钻井液的使用是比较广泛的。钻井液主要功能是对钻井的底部进行清洗, 整个过程都要携带钻探岩屑, 需要不断的冷却钻头, 是石油钻井施工作业中不可缺少的部分。
2.2 钻井液类型和选用
科学技术的不断发展优化了钻井技术, 近年来钻井种类日渐增多, 所以钻井液也需要不断的增加类型, 为满足钻井需求。
液相钻井液是最为常见的一种钻井液类型, 该类型的钻井液都是以油质类或者清水类的钻井液作为主题的, 不仅可以起到降温润滑的作用, 同时还具备清洗功能, 属于石油钻井液当中使用频率最高的一种钻井液。和其余种类的钻井液相比, 液相钻井液更加容易获取, 而且大部分液相钻井液都可以反复使用, 可以有效节省不必要的资金支出, 提升项目的经济效益。
活性固相钻井液包含了在进行钻井时掺入的粘土以及商业膨润土等, 有时也会在油基钻井液当中加入一些油基膨润土, 这种活性的固相钻井液一般都用在碎裂性质的地质钻井工程中。
惰性固相钻井液的主要成分有钻屑和加重材料添加剂, 整体上惰性要明显好于前两种钻井液。在特殊地质钻井中可以起到良好的使用效果。
在选定钻井液之前, 要考虑到诸多方面的问题。首先因为钻井液层面比较多, 影响因素也比较多, 所以通过分析最近几年我国在实际施工过程中存在的欠平衡钻井技术发现, 钻井液的选择应当主要根据下述几方面的情况来判定。首先是地层孔隙压力参数方面的问题, 包含了试油静压、钻杆测试压力以及MFT压力等, 不同的压力所适合使用的钻井液存在差异, 所以需要根据油层深度情况来确定使用何种钻井液。环空压耗也是比较关键的一个影响因素, 因为环控压耗和钻井液密度有直接关系。通过分析常规过平衡以及近平衡施工钻井施工现场发现, 泵排量一般都可以按照喷射钻井的实际情况, 通过最大钻头水功率对其进行设计。
3 结束语
石油行业属于我国经济发展过程中十分重要的一个支柱性行业之一, 所以必须通过各种方式提升石油行业的整体水平, 使其可以与国际上先进的开发技术相比肩。上文从当前我国石油行业钻井所用钻头以及钻井液的使用情况入手, 详细分析了各种钻头以及钻井液的缺点和有点, 从钻头的选择、钻井液的选择等角度, 简要带出工作中可能存在的各种问题, 阐明不同钻头以及不同钻井液的适用范围, 旨在通过该方式来提升钻头和钻井液的实际使用效率, 最终保证石油钻井工作质量, 促使行业更好更快的发展。
参考文献
[1]刘志强.石油钻井的钻头选择及钻井液确定[J].中国石油和化工标准与质量, 2011 (11) :193.
[2]冯群.浅析石油钻井的钻头选择及钻井液确定[J].化工管理, 2015 (18) :76.
钻头钻井论文 篇3
关键词：可更换,钻头套管,钻井工具,主要工艺
通过利用尾管或套管来替代钻杆的作用, 一边下套管, 一边向下钻进, 在钻井作业完成之后直接将套管柱留在油井中起到固井作用, 从而将下套管与钻井融合成一个作业过程就是套管钻井。
1 可更换钻头套管钻井工具
1.1起下工具
可更换钻头套管钻井工具中的起下工具主要包括打捞矛、配重杆以及钢丝绳安全接头、旋转接头等。打捞矛主要包括两种:下井时使用的锁定工具串以及从井下起出时所用的锁定工具串。在进行下井时, 打捞矛就会将下井时使用的锁定工具串下放到油井之中, 并会使其坐放到位于油井底部的坐底套管的上面, 其后, 打捞矛就会脱开井下钻具组合;在进行起出时, 打捞矛就会与从井下起出时所用的锁定工具串进行对接, 与之锁紧并随之从油井内起出。起下工具中配重杆的主要作用是当从油井内起出套管钻井工具的时候, 为打捞矛提供充足的重力, 从而有效保证打捞矛能够顺利地进行打捞。起下工具中钢丝绳旋转接头的主要作用是在向下钻井的时候防止钢丝绳出现缠绕、打结的状况。在钢丝绳遭受到其承受范围之外的拉力时, 安全接头就会将其释放, 从而能够防止钢丝绳因受到拉力作用而被拉断遗落到油井之中。
1.2井下锁定工具组合
可更换钻头套管钻井工具中的井下锁定工具组合是由钢丝绳起下的, 在一般情况下, 其主要由领眼钻头、随钻扩眼器以及锁定和密封总成这三大部分组成。根据实际情况的需要, 可以在井下锁定工具组合中增加随钻测量仪器、井下钻井液直马达或者是井下钻井液弯壳马达, 也可以增加用于取心作业的取心钻头、取心工具。此外, 为了预防套管柱发生弯曲, 也可以在其下端串接上一根或两根钻铤, 不仅能够增加钻压, 也可以使套管柱能够在一定程度上承受拉应力。随钻扩眼器上所带有的切削齿是大直径的PDC切削元件, 具有非常强的破岩能力, 控制其伸缩的是钻井液产生的压力。在套管钻井工具进行下入或者是进行回收时, 随钻扩眼器的切削臂会保持收缩, 从而能够在套管内顺利通过。井下锁定工具组合中的领眼钻头可以是金刚石钻头, 牙轮钻头也可以。随钻扩眼器与领眼钻头所钻井眼直径与套管柱外径相比, 前者比较大, 从而可以为套管下入及其之后的固井作业流出充足的环空。
1.3坐底套管
处在套管柱末端的坐底套管, 其主要组成为扭矩和轴向锁定短节、定位台肩和止动器定位槽以及套管鞋。扭矩和轴向锁定短节分别配合井下锁定工具组合中的扭矩和轴向锁定装置进行使用, 能够在坐底套管与井下锁定工具组合之间完成锁定任务和解锁任务。而套管鞋上配备硬质合金元件或者是PDC切削元件, 能够协助领眼钻头与随钻扩眼器进行钻进作业, 在随钻扩眼器上存在的切削臂发生异常无法到位回收时, 套管鞋可以发挥磨铣作用。
2 可更换钻头套管钻井工具的主要施工工艺
2.1井下锁定工具组合的下入
套管钻井工具中的井下锁定工具组合在一般情况下是由泵送下入的, 在其进行下入的过程中, 井下锁定工具组合上的旁通是打开的, 钻井液就会流过旁通孔, 由于随钻扩眼器上存在的切削臂是收缩的, 因此不会张开。当井下锁定工具组合上存在的止动器到达定位台肩时, 就会使旁通关闭, 扭矩、轴向锁定短节分别与扭矩、轴向锁定装置进行锁定, 套管钻井工具的下入工具在这样的情况下就会脱开。此时, 钻井液就会流向井下锁定工具组合的中心流道, 进而进入到随钻扩眼器之中。而随钻扩眼器的钻头和切削臂已伸到套管鞋的外部, 在钻井液压力达到一定的数值的情况下, 随钻扩眼器上存在的驱动机构就会使其切削臂张开。
2.2井下锁定工具组合的起出
在需要更换井下工具或者是钻井作业完成的情况下, 首先, 利用泵把钢丝绳起出工具下放到井下, 起下工具中的打捞矛在到达井底之后就会和井下锁定工具组合上存在的打捞颈产生对接。通过上提钢丝绳打开井下锁定工具组合上的旁通, 使扭矩、轴向锁定装置与扭矩、轴向锁定短节解锁。在这样的情况下, 钻井液就会从旁通孔流出, 而不会流经井下锁定工具组合的中心流道, 随钻扩眼器的切削臂也会受到回位弹簧的影响, 从而自动收缩并恢复原位, 在这时就可以通过钢丝绳起出工具将井下锁定工具组合起出。
2.3固井作业
因为套管钻井所使用的套管中不存在浮箍, 所以在进行固井作业时, 首先应该向套管中放入一个固井用的浮箍, 并要将固井用的浮箍在坐底套管上进行锁定。固井浮箍主要由橡胶、铝制作而成, 可钻性非常良好, 也可以良好地对固井水泥进行密封, 预防回压。在固井浮箍到达指定的位置后, 就可以采取常规方式开展注水泥、固井作业。
3 结语
综上所述, 本篇论文主要分析了可更换钻头套管钻井工具与可更换钻头套管钻井工具的主要施工工艺, 以期对相关研究及实践工作提供具有参考价值的资料。
参考文献
[1]冯来, 王辉, 王力, 郑万江.可更换钻头套管钻井工具及工艺研究[J].石油钻探技术, 2007, 05:18-21.
[2]尹方雷, 余雷, 夏炎, 白冬青, 李艳丽, 郑颖异, 张雷雷, 王飞.连续管钻井工具现状及趋势[J].辽宁化工, 2013, 09:1068-1071+1074.
钻头钻井论文 篇4
20世纪70年代引入PDC钻头, 现在PDC钻头可钻进更硬和更复杂的地层。技术进步之一就是在钻井中运用干气、气雾和泡沫作为主要的钻井流体。运用这些流体钻井比水基钻井液或其他流体的平均机械钻速要高, 随着流体的密度、黏度和固体含量增加会降低机械钻速。运用气基钻井液能够消除上述影响, 并且当过平衡压力接近零时机械钻速达到最大。在气基钻井液中限制地层流体的渗入量可以大大增加整体的机械钻速, 缩减钻井周期。
致密、稳定以及通常非常硬的研磨性地层被认为是气体钻井的典型地层。因此, 在气体钻井中密度越高旋转速度越低。因此, 限制地层和循环流体的流入量就消减了循环制冷作用。上面这些因素再加上PDC牙轮的历史局限性就限制了PDC钻头在气体钻井中的广泛应用。金刚石钻头在普通钻井中出现损坏, PDC钻头的应用也受到限制。在机械钻速增加的地层, 钻井的深度也有所限制。
基于AlfonsoOrtega等和F.C.Appl.等的实验经验, 提高PDC钻头性能的主要障碍是空气或雾化钻井液中钻井工具的冷却能力比较差。由于气体钻井液的冷却能力较弱导致切削工具与地层接触的时候过热, 正是这个原因才导致快速的磨损最终严重破坏。实验表明切削工具与地层的接触点温度达到700 ℃时, 磨损速度急速增加。由于没有水基或其他钻井流体的冷却作用, 金刚石钻头不能有效地切削地层。
最近, 在运用PDC钻头的气体钻井中, 引进了新的材料, 同时改进了设计方案, 增加了机械钻速, 缩短了钻井周期。新改进的结构在使用同样的钻井液时可以对付高温问题, 也能够解决引起工具失效的振动问题。在气体钻井中使用这种PDC钻头会体现出一定的机械转速的优势, 但是与牙轮钻头的使用寿命相比就显得不经济实用了。
2 实例研究1
2.1 背景
在俄亥俄州的东部, 作业公司纷纷在奥陶系和晚寒武世砂岩组钻井, 目的是在个别构造断块寻求产能。在钻小于5 000 ft (1 ft=30.48 cm) 的井时, 从地层特性和钻井效益来看, 碳化钨镶齿牙轮钻头是最好的选择。在钻多个夹层的岩石时, 考虑到钻头的价格和钻速, 牙轮钻头更合适, 由于夹层存在, 钻该断层时需要有包括更换钻头的钻井时间的间隔。
牙轮钻头的优化设计包括一个无偏置轴承装置, 它能增加切削和仪器的使用寿命。在流体环境中, 尤其是在松软的泥页岩中, 由于缺少切削结构的刮削作用, 钻头的进尺减缓或停止。相反, 较软的硬质合金偏置轴承加速了气体钻井中钻头的磨损。
2.2 实施
2.2.1 目标
2006年俄亥俄州作业公司制定的目标是优化钻井过程, 每年多钻几口井。平均钻井周期 (包括井架的移动) 是16天。按照计划, 公司每年能钻22口井。虽然井架在全年中不断移动, 但井架的成本基本保持不变。至于钻井井架、燃料和设备, 超过22口井后钻井的各方面成本基本上很低。
为了达到这个目的就要从传统方法出发, 因为优化设计建立在传统方法的基础之上。测试PDC钻头通过井下距井底1/3以下部分的性能。与井眼上部地层相比典型牙轮钻头钻下部地层时性能很不理想, 作业公司和钻头公司共同努力实现技术和方法的完全开放交流, 密切注意操作参数、钻头性能、井眼净化和磨损条件。
2.2.2 结果
随着井越深, 在重新开始钻井前, 泥浆返回的循环时间就越长。必须十分注意井眼的净化, 以尽可能减少钻井次数。
第一口井使用了重型体积结果设计钻头 (图1, PDC“A”) , 结果是非常令人满意的。首次开钻机械钻速达到了100%的预期值, 缩短了30 h的钻时, 虽然发生重大磨损, 但磨损的钻头却非常有应用价值。这种钻头的等级是4-3-BT-A-X-01-HC-TD。
第二次钻井使用同样的钻头。转盘的力学问题在钻Trenton石灰岩时钻头产生跳动, 并且钻头断裂在地层中;钻头有裂口的切割台肩通常会在钻硬质碳酸盐地层后期刀具发生损坏。随后的钻井显示, 由于操作变化引起钻头的轻微振动。在随后的钻井中调整了操作参数, 机械钻速增加了10%, 改善了外观效果。
通过调整钻头参数, 机械钻速增加值可以达到90 ft/h。随后增加一个空气压缩机, 气体流动速度达到3 240 ft3/min, 平均钻速超过104 ft/h, 个别钻速可达到120 ft/h。提高了磨损条件, 修复成本降低。这些事实证明了良好的井眼净化的重要性, 以及增加循环体积可以优化冷却效果。腐蚀、钻头振动引起的裂口和破裂是典型的钝化磨损特征 (PDC“B”) 。
通过选择钻头设计 (PDC“C”) 在台肩区增加切削齿数来提高使用寿命, 钻头大部分损坏都发生在台肩区。因此, 调整操作参数是为了增加钻速收益。
总体来说综合优化钻头类型、参数优化和循环体积改变是为了增加PDC钻速, 钻速几乎是3牙轮钻头的4倍。最终的结果是包括移动井架每口井钻井周期从16天降到10天, 这就使每年钻井从22口增加到36口。
2.2.3 成本的影响
PDC钻头的相对成本要比牙轮钻头的成本高3.5倍。由于损坏修复或在井眼内造成的损耗是钻头的额外成本。在研究的61口井中, 使用PDC钻头平均每英尺缩减40%以上的成本, 包括相应的钻井间歇。包括所有的风险因素PDC钻头能够节省超过两倍的成本, 实际上每年提高生产率才是真正的节省成本。
3 实例研究2
3.1 背景
钻Ft.Srockton南部的西得克萨斯州断层是一个挑战性任务。井眼的上部是Wolfcamp地层, 主要由带石灰岩和砂岩夹层的页岩组成, 在其之下是Tesnus地层, 主要是由厚度在200~1 000 ft的砂岩或石灰岩组成。紧接着Tesnus地层的是Caballos地层, 它是作业公司感兴趣的产油区, 主要是多个页岩层夹着墨硅岩;这个地层是多层并且是井深的1~3倍, 每层厚度在50~1 000 ft。
钻井时极端地层倾角引起偏离问题。倾角图 (图2) 表明井斜从25°到90°变化, 方位角在不同的深度范围会在整个360°范围变化。黑色水平标志线代表100 ft的深度间隔。点代表倾角从0到90° (左到右) , 从点延伸的勾号标记代表方位角的角度方向。
除了富含硅石的Caballos地层, PDC钻头能够钻应用泥浆钻井的其他所有地层。过去曾经用空气锤钻头来钻富含硅石的地层, 因为这种钻头钻硬质、研磨性硅石时寿命长。
早在2007年, 作业公司决定在每个区块所有的地层尽可能多地使用气体钻井。最初, 硬质合金牙轮钻头是用来钻用PDC钻头不能解决气体钻井产生的摩擦和钻井振动发热问题的那些区块。不过, 这个区块以油田的井眼稳定性问题很难预测而著名, 作业公司被迫又运用泥浆钻井。运用牙轮钻头的这次转变, 因为气体钻井中没有为牙轮钻头实现泥浆钻井的优化设计, 所以需要多一个起下钻和更换钻头的过程;还有其他的潜在问题, 如尺寸磨小的硬质合金钻头和井眼中硬质合金元件掉落等。决定运用PDC钻头提高从气体到泥浆钻井的转换性能, 优化气体和泥浆钻井, 同时也免去了额外的起下钻。
工程主要的区块:大约1 000~4 000 ft的上部Wolfcanmp地层的8 3/4 in区块。虽然PDC钻头被认为是气体钻井中这个区块的最佳选择, 但是钻这个区块有局限是存在硅石和钻头的腐蚀。
在这个区域碰到硅石是很普通的事情, 从地面上就可以得到含硅石的岩石。腐蚀发生在PDC钻头本体的基质, 经常会由于喷嘴设计的位置而造成钻头本体的严重磨损和擦伤。PDC钻具的硬合金垫托层腐蚀就会使金刚石本体易于损坏。
尽管存在这些限制因素, 但是并不影响PDC钻头的性能与牙轮钻头性能的关系。
3.2 83/4 in区块实施
3.2.1 目标
作业公司选择气体钻井的目标是超过泥浆钻井中的钻速。17个硬质合金 (TCI) 钻头最初在83/4 in区块钻井是由于硬质合金钻头被认为是最适合钻这个区块的钻头。加上PDC钻头在气体钻井中冷却能力较差导致快速磨损最终破坏, 这就妨碍了PDC钻头在这里的应用。为了提高机械钻速以及新型PDC钻具的出现, 决定试验各种类型的新型PDC钻头, 该决定是基于PDC钻头保持了很高的钻速并且缩减了在气体和泥浆钻井转化时的起下钻次数。
3.2.2 结果
在21口井上使用了第一次设计的带备用齿的下刮刀重型设计 (图3) 。这种钻头比TCI钻头使用寿命长, 在钻36口井时使用了次重型设计钻头 (图4) 。这次设计结构和第一次的相似, 只是只有6组刀片和备用齿就可实现相似的性能和钻深, 也超越了TCI钻头的性能。最后15口井运用的是更轻型设计, 仅有6组刀片没有备用的齿。钻深要比重型设计的钻头浅, 然而仍然保持相同的性能, 仍优于TCI钻头的性能。
在此区块1 000~1 500 ft深的区域使用PDC和TCI钻头, 实践表明, 此区域使用PDC钻头更可靠。在包3次钻头设计的这些轮次钻井中, 气体钻井中TCI钻头平均进尺1 392 ft, 而PDC钻头
增加了60%, 为2 344 ft;平均钻速为36.3 ft/h, 比TCI钻头27.4 ft/h的钻速快32%。在这个区域PDC钻头的寿命为65.8 h, 比TCI钻头的48.7 h长35%。这些结果最终使作业公司节省$10/ft (表1) 。
试验表明, 对于PDC钻头平均钻深达3 709 ft需要有更多轮次的钻井, 这些钻头可以继续钻达甚至超过5 000 ft深。许多情况下钻头不是因为钻速而进行多次起下钻, 原因包括井眼稳定性和定向井的底部钻具组合。从现场经验得知:气体钻井中采用PDC钻头, 如果钻速降到20 ft/h以下, 可以认为是PDC切削齿磨损, 钻头应该拉出。分析表明, 在一次下入一直钻4 000 ft的钻头, 将为作业公司节省40 000美元的成本 ($10/ft×4 000ft) 。
4 结果
4.1 刀具性能
随着刀具设计和技术的进步提高了单个刀具的承载能力, 使钻机能够使用更重的钻头;改进金刚石-硬质合金界层, 以及增加金刚石本体的厚度提高了刀具的强度。这些改进就可以使PDC钻头运用到富含硅石的地层。
现代PDC钻头优良的耐高温能力可以增加额外的收益。厚的金刚石本体允许在刀具末端以更有效的速率散热, 通过电子显微镜证实了在金刚石本体完全没有与热有关的损坏。
这次试验刀具失效的主要方式是削蚀作用, 主要是钻头的台肩区。这种情况并不是出现在所有的研磨区, 而是在硬质地层振动的产物。调整操作参数、钻头设计和增加流量都可以急剧减缓损坏量。
4.2 多面性
PDC钻头的关键优势是能够实现从干气到泡沫再到泥浆钻井的转换, 并且不需要起下钻。在俄亥俄州和西得克萨斯州试验中, 在重点关注的区块为了井控的目的偶尔有必要使用流体充满井筒。在这种情况下, 典型气体牙轮钻头的钻速非常低, 需要起下钻使用其他的钻头。PDC钻头在此时能够自动更换并且以高速钻进。
有的时候, 需要节省包括钻头和操作成本在内的额外成本。包括起下钻、钻头, 加上由于PDC高钻速节省的钻时总共节省的成本可超过25 000美元。
4.3 偏移问题
俄亥俄州的经验告诉我们, 在Utica泥页岩钻井中易出现偏移, 由于存在如此大的风险, 因此想尽办法来对付偏移问题。典型的方法是定期频率检查来确保成功控制, 同时减小钻头的钻速来减小钻头的漂移。这种做法导致效率极大地降低, 并且由于钻速降低也增加了钻井成本。
在Utica泥页岩用PDC钻头的最初轮次中, 复制牙轮钻头操作参数, 然后进行测量来监控任何偏移情况。研究表明降低钻头上的重力可以增加钻速, 然而没有关于偏移的记录。实际上矫正以前存在的角度后, 钻速会增加。在随后的钻井轮次中, 钻速提高了3倍;在目标50 ft内到达产层。PDC钻头极大地提高了钻井性能, 降低了偏移导致的复杂性。
该工程中, 由于该地区的地质条件, 所有3个地层都存在偏移问题。由于存在较高的地质倾角, 在钻井时遇到地层变化时钻头方位变化很快。最初用立根来防止偏移并且成功地限制了偏移。不过在使用立根后井眼条件恶化, 增加了底部钻具黏卡的危险, 证明这项措施是不经济的。使用PDC钻头可以使用低钻压, 缓解了偏移问题, 避免了使用立根以及与之相关的问题。即使在低钻压下, PDC钻头仍能保持高钻速。
5 结论
在气体钻井实例中, PDC钻头比牙轮钻头有优势:较高的钻速、钻井寿命长、减少起下钻次数、更高效率利用钻井参数来控制偏移问题;这些因素节省了钻井成本。