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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，從而提高作業成本效益。 切削齒對該行業來 說 并 不 新 鮮。 自 20 世 紀 90 年 代 以 來， 隨 著 鉆 井 環境的變化和更復雜的地層帶來 的新挑戰，它們被引入到鉆頭技 術組合中。多年來，開發團隊一 直在研究導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。這些知識已經成為研發重點 的跳板，以改進切削齒設計，以 應對苛刻的鉆井條件和更復雜的 井眼。如今，在一次下鉆穿越多 個地層的應用中，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 齒的性能達到了新的極限。
 
開發異形切削齒技術
 
利用最新的材料研究成果， 開發了一套完整的異形切削齒 ( 圖 1)，以解決一系列具有挑戰性的 地層類型和應用。鉆井工程師可 以將專用切削齒組合在單個鉆頭 上，以有效地鉆穿復雜的地層。 在這些開發工作中出現的一 種先進切削齒 ( 圖 1A) 是一種提 高硬地層性能的設計。由此產生 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，即使是復 雜的地層也可以在一次快速鉆進中完成。
 
總鉆速 (ROP)。 當在堅硬的磨蝕地層中鉆井 時，巖石切削齒相互作用產生的 熱量會破壞切削齒的完整性，導 致過早磨損和性能下降。工程師 們專注于改進切削齒尖端，開發 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 統的切削齒表現出更少的微壓裂 和磨損。 復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 生，分解巖屑，在給定 ROP 的情 況下，實現更快的鉆進和更長的 鉆速，更低的鉆壓 (WOB) 要求。 在需要點加載的情況下，例 如在蒸發巖或高泥漿比重環境中 鉆井，以及在鉆壓有限的鉆井中， 需要一種能夠將更多重量分配到 更小巖石部分的切削齒。貝克休 斯針對這些情況設計了一種切削 齒 ( 圖 1D)，它比標準切削齒更 有效地穿透地層，利用可用能量 產生更大的切削深度，從而實現 更快的鉆進速度。 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。
 
應用異形切削齒專業知識
 
所有這些專業切削齒的共同 目標是提高機械鉆速，延長鉆頭 壽命，延長鉆進時間，每種設計 都有特定的應用和性能特征，可 以提高鉆井效率。但是優化這些 異形的切削齒在鉆頭上的位置并 不容易。有許多相互關聯的變量， 因此決定改變什么來提高性能是 一項艱巨的挑戰。找到最佳的前 進路徑意味著為作業確定合適的 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 適當地放置在鉆頭的正確部位。 與鉆井相關的成本占陸上鉆 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 亞省東北部進行的常規鉆井項目 中，面臨的挑戰是找到一種方法， 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 會導致鄰井的過度振動和頻繁的 切削齒斷裂。
 
通 過對井下環境的計算機 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。ShockWave 切削齒提供了 耐用性，在互層地層中有效鉆進， 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，使鉆進能夠在不降低機械 鉆速的情況下進行。 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 規鉆井帶來了一系列挑戰，而頁 巖鉆井則帶來了另一系列挑戰。 對于在阿根 廷 Vaca Muerta 頁 巖中執行鉆井計劃的作業者來 說 , 問題是一口長的小井眼水平 井 , 其中高重量轉移導致過早的 井底組件故障 , 鉆機系統有限的 功率輸入限制了補償井的鉆速。
 
專家們進行了先進的仿真建模，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，作業者能夠安 全地提高鉆壓，提高 ROP，而不 會有工具損壞的風險。將專用切 削齒與 AutoTrak 自動油藏導航 鉆井系統相結合，在單次水平段 井眼作業中，ROP 比平均井眼作 業提高 13%，鉆井方案中最佳井 眼作業的 ROP 提高了 29%( 圖 2)。 不理想的鉆井總是對作業不 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 比海地區的鉆井公司來說，這是 一個重要的驅動因素，因為在該 地區，復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 導向力的情況下很難達到預期的 鉆井速度。鉆頭振動過大，在分 支井中出現粘滑現象。 仿真建模使鉆井工程師能 夠確定鉆頭 / 切削齒組合，從而 實現精確的轉向控制和更好的 鉆 頭 穩 定 性。 模 擬 結 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 穩定性，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 自動油藏導航 鉆 井 系 統，ROP 提 高 了 30%， 粘滑率降低了 80%，同時延長了 鉆頭壽命，增加了鉆進長度。
 
鉆進
 
先進的切削齒技術在苛刻的 鉆井環境中提供了一系列性能改 進，但這并不是旅程的終點。使 用復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，這 有助于工程師解決當前的鉆井 挑戰，同時改進和完善切削齒 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， 從而提高作業成本效益。 這些切削齒的性能與增強的 建模能力相結合，也建立了可靠 性的記錄，隨著鉆井環境的發 展，對異形切削齒開發的持續 投資將繼續推進技術的發展， 以確保鉆井人員擁有適合工作 的工具。技術