【金正纵横】深井、超深井钻井工具技术与应用研究(一)

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　　深井作业面临的最大技术难题是地层温度过高，目前高温地层钻井通常使用碳化钨镶齿牙轮钻头，井底温度一旦超过 300℉，橡胶密封材料和润滑油将加快老化，造成密封失效，缩短钻头的使用寿命，导致起下钻次数增多，钻井费用增加。
　　针对高温难钻地层的钻井需要，斯伦贝谢史密斯钻头公司、哈里伯顿公司、贝克休斯等公司分别推出了各自研发的抗高温钻井工具，专用于深井、地热井等高温钻井环境。

　　一、斯伦贝谢Kaldera钻头
　　很多情况下，碳化钨镶齿牙轮钻头用于钻探硬质和抗磨蚀性岩层，钻进地下储层的蒸汽或热岩区域。地层曝露温度超过500 ℉时，额定温度为300℉的钻头弹性体密封元件和润滑材料会很快降解，导致轴承无法正常运行，从而造成运行效率低下，降低了钻头在井底的钻探时长从而需要运用多个钻头，增加开发成本。斯伦贝谢的新型Kaldera高温牙轮钻头专门针对耐高温钻井环境而设计。

　　1、技术特点及原理
　　Kaldera高温钻头利用IDEAS软件平台进行设计开发，可以精确模拟钻头在高研磨性地层的动态特性，优化改进钻头的切削结构，提高使用寿命。密封圈采用纤维增强氟橡胶复合材料制成，提高了高温稳定性和抗疲劳能力。润滑油采用合成油及其它添加剂提高高温条件下的承载能力，从而为轴承密封系统提供足够的润滑性。它综合应用了史密斯钻头的多种先进设计、材料、加工制造工艺，提高了钻头的抗高温能力，延长了钻头在高温环境的使用寿命。

　　Kaldera钻头示意图

　　Kaldera牙轮钻头拥有一项全球的高温运行轨道记录。其一流的高温技术产品及服务适用于定向钻井和随钻测井/随钻测量。相比基准钻头的测试而言，在温度高达530℉的地热超高温蒸汽应用中，该新型钻头显然具有最佳性能。应用过程中井底钻井时间增加3%-37%，平均运行长度增加33%。

　　2、应用实例研究
　　1)技术难点
　　在井下温度高达570℉的超高温井下环境中钻探硬质、高耐磨蚀性的火成岩/变质地层，钻至边缘狭窄的超高温蒸汽储层进行地热项目。发现在高温环境下钻探生产井的高效技术后，需要改良当前使用的工具并着手研究开发下一代产品。在许多地热应用中，对坚硬/耐磨蚀的火成岩地层采用牙轮钻头，但是当温度达到350-550℉之间时会降低钻头寿命，从而导致多次起下卡钻运行，增加油田开发成本。为了经济地运行一系列意大利当前地热项目，运营商需要改进牙轮钻头技术，使其能够承受高温环境，增加运行的长度和井底钻探时间，同时降低起下钻时间和总体钻头花费。
　　2)解决方案
　　采用新研发出的密封元件和油脂材料能够提高钻头轴承在高温环境中的耐用性能。斯伦贝谢新发布的Kaldera牙轮钻头是专门为世界上要求最严格的地热和热井眼应用专门研制的。
　　这个项目以分析、勘探复杂的井下温度和压力变化为开端。工程师们以丰富知识为基础，研发出一种专门的碳氟化合物密封构造和专有油脂配方，能够适用于不断提升的温度。该项研究成功研发出一种含有纤维加固复合物的全新的密封元件，能够提供优异的热稳定性和抗磨损性。高温油脂复合物采用一种由合成润滑油、锂和各种添加剂组成的精确混合物配方，能够增加高温环境中的负荷能力。应用一种能够精确模拟RPM、温度/压力和流体化学性质的客制化设计装备对该密封元件测试，结果证明其非常适合于高温钻井应用。此外，实验测试表明：新型油脂配方能够在温度达到500℉时保持恒定的荷载能力，与通常在350℉时速度骤降的标准油脂相比，优势十分明显。先进的密封元件和润滑能力大大提升了轴承遇到高温时的可靠性能。Kaldera牙轮钻头中包含了这些新技术，适用于地热开采应用。
　　3)应用效果
　　意大利运行商Enel近期在Larderello地热生产井中对Kaldera牙轮钻头进行油田测试，取得了非常好的结果。使用三个81/2in的Kaldera牙轮钻头钻探平均温度达320℉-350℉(狭长通道中高达570℉)的火成岩/变质岩地层。全新密封和油脂配方对运行长度起到积极影响，并且与采用标准牙轮钻头的邻井相比，井底钻探时长增加37%。最近一次Kaldera钻头运行创造了一项新的井底钻探时长达76.5小时的油田测量新记录。三个钻头从井眼中取出时都保持了良好钝性状况，九个密封元件中有八个仍然有效。新的Kaldera牙轮钻头产品在地热应用中能够促进钻井效率，保持较长的钻头运行时间并减少起下钻时间，从而降低钻井成本压缩生产时间。

　　Kaldera钻头应用效果示意图

　　二、哈里伯顿抗高温牙轮钻头
　　哈里伯顿抗高温牙轮钻头采用能量平衡方法优化切削结构，实现切削力在钻头牙齿的均衡分布，切削效率高，有利于提高难钻地层的机械钻速;采用金刚石保径，提高抗磨损能力;选用高能轴承配合耐高温轴承润滑剂，提升钻头承载能力，并减少热量产生和摩擦，确保钻头工作平稳;应用机械压力补偿系统，使用机械储能弹簧代替橡胶阀，实现内外压力平衡，提高密封系统的可靠性，由于减少了橡胶件，抗高温老化能力显著提高。

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