在鉆井作業(yè)中，雖然鉆頭只是鉆井系統(tǒng)的一個微小組成部分，但它的性能卻會對作業(yè)效率產(chǎn)生巨大影響。斯倫貝謝Smith Bits公司產(chǎn)品經(jīng)理Wiley Long說：“整體來看，雖然鉆頭成本可能低于鉆井總成本的1%，但毫無疑問，沒有任何一個部件對整體鉆井性能的影響比鉆頭更大�！�
鑒于鉆頭在鉆井作業(yè)中的重要性，開發(fā)商一直在尋找鉆進(jìn)時間更長、ROP更高的新型鉆頭。此外，鉆頭工具的地面控制也是開發(fā)商非常在意的影響因素，以期能夠最大限度地簡化鉆頭定向的調(diào)整工作，實現(xiàn)定向鉆井簡單控制的目標(biāo)。
為了滿足開發(fā)商的應(yīng)用需求，各服務(wù)及工具公司都先后采用高級模擬和有限元分析方法，對影響鉆頭ROP、耐久度等主要參數(shù)的問題進(jìn)行了研究，包括碎屑清除效果差、摩擦生熱高和振動等問題�；谶@些研究成果，行業(yè)內(nèi)目前已經(jīng)開發(fā)出了多種新型切削齒和布局，并改進(jìn)了鉆頭的液壓系統(tǒng)。
Halliburton全球業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理John Campbell表示，任何時候，只要有可能，開發(fā)商都希望只用一顆鉆頭完成整個鉆井作業(yè)。“開發(fā)商希望鉆頭能夠在垂直鉆進(jìn)時保持高效，并且能夠滿足高狗腿度要求，在水平方向鉆進(jìn)時能夠精準(zhǔn)控制。當(dāng)然，如果同一顆鉆頭就能全部滿足、或是盡可能滿足上述要求，那自然是最好的。”
在鉆進(jìn)時間較長的作業(yè)中，特別是量深超過10,000ft的水平段，鉆頭必須堅固耐用。此外，承包商一般會采用高功率泵來建造鉆井平臺，定向操作方也會推出高功率電機(jī)，那么就會有更多的能量被傳送到鉆頭�！盀榱颂幚磴@頭接受到的這些能量，我們需要強(qiáng)度更高的材料來獲得更耐用的工具。”
在過去，提高ROP往往要以降低耐久性為代價；但在目前的鉆頭行業(yè)，“魚和熊掌”已經(jīng)可以兼得。Campbell說：“縱觀鉆頭行業(yè)歷史，開發(fā)商必須平衡耐久性和ROP，當(dāng)試圖增加鉆頭的耐久性時，一般也會增加切削齒體積，這會引起ROP降低�！倍@頭切削齒布局的最新進(jìn)展則很好地消除了這一問題，切削齒的鋒利程度降低得更緩慢，鉆進(jìn)過程中的ROP也就更理想。
液壓技術(shù)更新
鉆進(jìn)速度越快，鉆屑產(chǎn)生速率越高；如果這些鉆屑不能及時排出、發(fā)生堆積，那么ROP就會降低，鉆井能量也會損失。此外，鉆屑的積聚還會對鉆頭造成隔離，并增大摩擦，導(dǎo)致鉆頭和切削齒周圍溫度升高。實際上，這種情況非常常見，鉆頭溫度升高后，會導(dǎo)致切削齒降解并發(fā)生損壞。Ulterra創(chuàng)新項目經(jīng)理Chris Casad表示，“降低溫度可以減少鉆頭的損壞，使其鋒利的時間更長，保持整個鉆井過程中的高ROP。”
Ulterra利用計算流體動力學(xué)優(yōu)化SplitBlade鉆頭上噴嘴和通道的布置，目標(biāo)是優(yōu)化鉆屑的清除、增加ROP
經(jīng)過多年的開發(fā)和測試，Ulterra將于3月底發(fā)布了具有優(yōu)化噴嘴設(shè)計和流通功能的PDC鉆頭—SplitBlade。通過計算流體動力學(xué)（CFD），確定了噴嘴和通道位置，改善了鉆屑清除效果。
另外，鉆頭內(nèi)側(cè)切削齒上的切面向前推進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中更早地與地層接觸，同時加強(qiáng)了工具面控制。這提高了切削齒在巖層上的“抓取力”，從而更好地實現(xiàn)鉆進(jìn)方向控制。
采用SplitBlade技術(shù)的鉆頭，每個切削齒都有兩個專用通道，同時鉆頭錐體和肩部還有噴嘴�！般@頭錐體、肩部是最易發(fā)生鉆屑積聚的兩個區(qū)域，新型設(shè)計使SplitBlade能夠?qū)€@屑與其分離。保持錐體清潔可以實現(xiàn)更好的方向和轉(zhuǎn)向控制，并保持肩部清潔，從而使鉆頭鉆進(jìn)更快�！�
通常情況下，在鉆屑清除時，錐體上的鉆屑都會經(jīng)過鉆頭肩部，并可能積聚在該部位。采用新型技術(shù)的鉆頭，錐體和肩部的專用噴嘴、通道設(shè)計為鉆屑清除提供了一條捷徑。此外，肩部不再受到所有鉆屑的影響，并且不必處理大量的碎屑。鉆頭可以將能量投入鉆井過程，提高鉆進(jìn)速率。
Casad表示，通道和噴嘴的位置以及噴嘴方向是通過CFD計算確定的，同時還在液壓優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行概念化。
Ulterra對不同的噴嘴、噴嘴尺寸、噴嘴位置和噴嘴方向進(jìn)行了計算機(jī)模擬，確定了鉆屑清除的最佳流動路徑以及實現(xiàn)該流動路徑的最佳設(shè)計�！拔覀兪褂肅FD模擬這些噴嘴插入的正確位置，這也是將噴嘴定向與碎屑結(jié)構(gòu)、切削齒結(jié)構(gòu)結(jié)合的最正確方法�！�
“通過CFD模擬，我們也認(rèn)識到了鉆頭主切削齒噴嘴定向方式非常不合理，每個噴嘴的流動路徑彼此阻礙。實際上，外噴嘴堵塞了內(nèi)噴嘴的流動，阻止了流動路徑”。隨后，Ulterra做了CFD模擬，確定了噴嘴偏移和流動方向設(shè)計，為每個噴嘴創(chuàng)建相互分離且互不干擾的流動路徑。
Ulterra公司表示，SplitBlade鉆頭迄今已完成了近300萬英尺的鉆進(jìn)作業(yè)，在300多臺鉆機(jī)上得到了應(yīng)用。2017年夏天，該鉆頭首次在德克薩斯州Lavaca的Eagle Ford進(jìn)行了實地測試。
與同類型鉆頭相比，SplitBlade將ROP平均提高了30％。在其中的一口井中，鉆頭在68小時內(nèi)完成了斜井和水平段的鉆井作業(yè)，量深超過11,000ft，ROP達(dá)到了172ft/hr。試運行后鉆頭的鈍化狀況為1-1-TD，由于具有更好的液壓系統(tǒng)、生熱處理方式和碎屑排出設(shè)計，鉆頭磨損狀況較低。
自Lavaca的首次實際測試之后，Ulterra已經(jīng)在Eagle Ford各地為運營商服務(wù)，目前服務(wù)區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展到東、西德克薩斯州各油田。
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（本文轉(zhuǎn)自石油圈）
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