美国十大钻头公司的十大钻头新技术

美国十大钻头公司的十大钻头新技术 Maggie Lee 编译:申守庆(江汉石油钻头股份有限公司)审校:周润才(大庆油田公司设计院) 摘　要:以美国十大天然气和石油钻头制造厂商为主线,对这些厂商当前所开发的钻头制造新技术及其推出的各类新产品进行了详细的描述,产品及技术范围涉及牙轮钻头、金刚石钻头、随钻扩眼钻具、双中心钻头以及相关钻头零部件等,这些新技术和新产品可满足当前各种钻井方式的不同需求,并都已在世界范围内各种钻井环境下得到了验证,使钻井效率得到大幅度提高。

主题词　PDC钻头　牙轮钻头　新技术　钻井效率一、前言近期,随着对钻井需求(尤其是对天然气钻井需求)的激增,陆上及墨西哥湾海上的钻井活动达到了近20年来的最高平均水平。

为了增加供应、满足需求,钻井作业者不但要增加钻井数量,其所设计的井眼结构和井眼轨迹也更为复杂,同时还要提高钻速,实现最大的流量和采收率。

为了帮助钻井作业商实现这些目标,各大钻头制造商也相继推出新型产品结构及改进措施,以满足自硬岩地层到淤泥与页岩夹层地层的各种钻井需求。

下面分10部分逐一介绍这些新型钻头产品及技术。

二、RBI公司的新型切削齿技术由E BI公司(牙轮钻头国际公司)推出的Vectored@(矢量)牙轮钻头镶齿技术充分反映了“将明天的技术用于今天”以帮助钻井作业者改进钻井性能、提高钻井效率这一理念。

RBI公司的技术人员认为,虽然有很多设计因素都会影响钻头性能,但最为关键的还是钻头的切削结构,理由是钻井作业的动力学过程是通过钻头切削结构与井眼地层相啮合来实现的,切削结构必须能承受住钻井作业过程中所施加的各种力,并有效地钻凿所钻地层。

因此,在钻头切削结构的强度及其传递进攻性切削动作的能力之间必须保持一种平衡,而与这种平衡密不可分并且与牙轮轮廓和偏移值有关的因素是牙齿的碳化钨牌号、露齿高度、齿的形状及其规格。

采用了矢量镶齿技术后,钻头牙齿的镶装方向便成为选择钻头的一个重要标准。

RBI公司任何使用凿形齿的牙轮钻头都能采用这种矢量技术以减少齿的损坏并提高机械钻速。

每一排齿都与牙轮中心线呈一定的角度,每一排内的齿倾角都是一致的,但自钻头中心开始随着牙齿位置的不同这种角度却有所变化。

在建造井下钻井动作模型的基础上,该公司的工程技术人员通过计算发现钻头上每排硬质合金齿在井底都有其自己独特的运动方向,而且,由于牙轮的偏移,所有的齿在接触地层时都会产生内向和径向运动。

另外,根据其在牙轮上位置的不同,切削齿有的是朝着旋转方向切削地层,而有些齿则是逆着旋转方向切削地层,这种动态运动常常使某些齿排中的凿形齿以其齿顶的外角冲击地层,从而会导致过大的点负荷,并因而造成齿的早期掉块、磨损和断齿。

而在采用了矢量镶齿技术的钻头上,技术人员对内向和径向运动作了计算,切削齿都是以与切削地层时的入射角相关的一定的斜交角被压到牙轮上去的,这样,在矢量齿减小牙齿损坏倾向的同时,压齿角度又保证了负载能够沿齿顶的全长均匀分布,且一般都与齿的运动方向一致。

使负载均匀分布可以减小切削齿外角上的点负荷,使齿上最结实的部分承受最大的点负荷,减少齿的失效情况。

这种几何形状以及在凿形齿齿顶全长范围内钻进运动的均匀分布能在凿形和圆锥形切削齿之间提供一种中度抗断齿能力。

通过现场应用发现,这种采用了矢量镶齿技术的钻头具有良好的切削结构性能。

在美国路易斯安那州H osston地层中使用的RBI公司的一只71875in C35V LRG T M钻头和一只8175in C5V LRG T M钻头都说明了这一点。

另一家主要石油公司在科威特某油田也采用了这种钻头,与常规轴向对正镶齿钻头相比,这种新型钻头为该公司带来了可观的经济效益。

为了提高钻头在软地层中的机械钻速,对切削齿的矢量处理是使其齿顶的宽侧更具进攻性地吃入地层,原因是齿的宽大表面能切除更大的地层岩屑,进而提高机械钻速。

另外,随着矢量齿的磨损,它们能呈现出自锐性能,所以,与采用轴向对正切削齿的钻头相比,镶装了矢量齿的钻头在其整个使用寿命期间都能保持较快的机械钻速。

对于许多高成本的钻井作业来说,采用了矢量镶齿技术的钻头能提供更好的井底切削动作和抗断齿性能,从而使钻井作业者可实现更大的单只钻头进尺和更快的机械钻速。

三、休斯・克里斯坦森公司的 新型金刚石钻头系列　 借助于新型切削齿技术、经改善的稳定性以及优化的水力结构,休斯・克里斯坦森公司推出的新型G enesis T M系列金刚石钻头在世界各地的陆上和水上钻井应用中都创下了新的钻井记录。

G enesis钻头的特点是其带有更硬且更耐磨的人造金刚石层。

为了进一步改进此项新技术,该公司的技术人员优化了将金刚石层粘结到碳化钨底层上的技术,例如,曼哈顿型切削齿最适合于抗冲击性尤为关键的应用,而尼亚加拉型切削齿则最适合于抵抗磨蚀性磨损。

另外,对这种钻头的切削刃几何形状也重新进行了设计,使其在某些具体的应用中切削效果更好。

除此之外,该公司还正在开发一种新型的多用途切削齿,以便用于既有冲击性损坏,又有磨蚀性磨损的钻井应用中。

由于不稳定的PDC钻头结构会造成早期切削齿损坏、降低机械钻速并影响整体性能,休斯・克里斯坦森公司的技术人员通过研究找出了保证钻头稳定性的新方法。

这项研究发现,钻头有两种类型的稳定性:主要稳定性和辅助稳定性。

主要稳定性的涵义是钻头以多快的速度从不稳定达到稳定状态(即钻头被锁定在某一特定类型摆动的速度),这一点是前期钻头结构所主要关注的焦点;而辅助稳定性指的是在其被锁定在某一特定类型摆动之前钻头振动的严重程度。

运用这一知识,在不稳定阶段(主要稳定性)即可减小振动的严重性(辅助稳定性),因而便能通过防止钻头切削齿撞击井壁发生损坏而在很大程度上改善G enesis钻头的耐用性。

G enesis钻头的另一个技术里程碑是其在钻头结构设计阶段采用了计算流体动力(CFD)技术。

休斯・克里斯坦森公司在某些研究与开发领域(如在防止钻头泥包和优化岩屑清除方面)采用CFD技术已有多年的历史,但在近五年来,该公司将应用CFD技术的过程由一个月缩短到了不到一天,因此使该技术可被用于优化各种G enesis钻头的水力结构。

G enesis钻头性能改进的最后一个方面是该公司建立起一套选择和应用最佳钻头技术以提高钻井效率的多功能团队方法,该团队包括钻头设计工程师、市场人员、现场工程师以及休斯・克里斯坦森公司研发部门的一个成员。

Berling on资源公司使用一只G enesis DP0367钻头在阿尔及利亚的Z ettah N o11井中钻完了整个12125in 井段,创下了单只钻头进尺记录。

而且,在钻多夹层的白垩纪和侏罗纪地层时还创下了7393ft的进尺记录。

在钻有夹层的地层时,要求PDC钻头在硬和软地层中都能有效地钻进,同时还要保持令人满意的机械钻速。

DP0367钻头达到了操作者的这一目的,一次下井便钻完了目标井段,而且还保持了每小时7311ft的机械钻速。

相比较而言,G enesis钻头的性能明显优于竞争对手的钻头,因为在邻井钻相同的井段共用了竞争对手的三只钻头。

休斯・克里斯坦森公司表示,这种性能改进是G enesis钻头项目组成员共同努力的结果;同时,该公司还将与Berlington资源公司共同合作,继续开展进一步的开发。

另一只DP0367钻头在钻整个12125in井段时创下了9211ft/h 的机械钻速记录。

除了G enesis系列钻头外,休斯・克里斯坦森公司还推出了带有Endura II T M硬敷焊材料的新型X LX T M钢齿钻头。

Endura II球形铸造碳化钨硬敷焊材料的几何形状能增强钻头牙轮和保径部位的强度以及耐用性,同时还可以减小钻头胎体的冲蚀。

X LX T M系列产品延长了钢齿钻头的寿命,消除了钻头规径缩小情况,并能在磨蚀性地层中更好地保护钻头掌尖部位。

在软地层中使用X LX T M钢齿钻头,不仅能延长钻头寿命,同时亦可保持较高的机械钻速。

四、赛克瑞特DBS公司的新型牙轮钻头通过对其整个制造和设计工艺进行彻底的改造,隶属于哈里伯顿能源服务公司的赛克瑞特DBS (Security DBS)公司成功地推出了其新型X系列牙轮钻头,该系列钻头从设计到材料、工艺等各方面都有很大改进,可满足用户的各种具体需求。

据该公司称,X系列钻头是其以前牙轮钻头系列产品的全新翻版,原因是他们对其公司内关键部分进行了重新再造以便能够更为有效地对客户的各种需求作出响应,这意味着通过在钻头设计和制造的所有方面都采用领先技术与革新成果,从而为用户提供性能更为一致的优质产品。

该公司从其位于美国达拉斯的经重新改造的制造厂便可以快速制造出能满足具体钻井需求的由用户定制的牙轮钻头。

然而,除了工艺革新以外,X系列钻头还融会了该公司的C ASC ADE○R业务过程,即让有经验的设计人员与用户协同工作,给他们配备以高级钻井分析软件,并通过流线型制造和交货系统促进对用户需求的快速响应。

这绝不仅仅是将设计工程师放在现场那么简单,目前,该公司的工艺过程通过具有用户界面设计(DatCI)功能的C ASC ADE○R软件融入了更具响应性的业务方法,这包括在重整其制造厂和工艺时采用了先进的G eoMechanics○R钻井分析软件和短周期产品交货系统。

通过业务重整,使该公司的钻头设计人员更接近用户,并能更好地运用其经验和才干,从而使在现场的试验和失败情况降到最低限度;把主要的职责放到现场后,钻头设计、库存管理以及区域战略的担子就落在了有经验的局部应用设计工程师的身上,消除了中央化的设计过程,使从设计到发货的周期缩短达75%。

对于用户来说,应用设计工程师能为其提供本地响应源,其作用就好像是开发过程中的伙伴一样;反过来,用户也有机会提出更多的意见并更具主动性。

前不久该公司运用C ASC ADE工艺设计并推出X 系列钻头的实例便有力地说明了这一点。

他们首先通过综合性钻后分析确定出当前钻头系列产品的优、缺点,然后再据此确定当前和未来的钻头性能,最后再确定需要进行改进的关键方面。

掌握了此类第一手信息后,公司技术人员便能运用X系列系统方法开发出针对具体用途的性能更为稳定的产品了。

通过应用G eoMechanics钻井分析程序,应用设计工程师对现有钻头结构进行了改进,使之更适于具体的钻井应用。

从全新的轴承结构到最先进的敷焊技术,X系列钻头在结构上包含了该公司最新的技术成果。

该系列钻头具有较大的轴承,使其拥有更大的承载面积以适应较高的负载且更有利于牙轮的固持。

其整体结构的密封/润滑系统改善了密封效果、增大了储油腔容积并实现了储油囊压盖和隔膜的整体化。

钻头密封系统与其减压阀协同工作,改善了密封的完整性。

这种钻头还采用了耐磨切削材料、C LAW○R型内齿结构,以及Diam ond T ech2000T M硬敷焊材料,从而大大提高了机械钻速并延长了钻头寿命。