形状でパフォーマンスの最先端を切り開く

ハペドカッターは業界では新しいものではありません。 これらは、掘削環境が変化し始め、より複雑な地層によって新たな課題が生じた数十年前に導入され、1990 年代からはドリルビット技術ポートフォリオの一部となっています。 開発チームは長年にわたり、カッターの損傷や掘削の機能不全を引き起こすダウンホールの状態を調査し、材料と形状のバランスを常に検討してきました。

その知識は、厳しい掘削条件やより複雑な坑井に対処するためにカッターの設計を改善するための集中的な研究開発の取り組みの出発点となりました。 現在、成形カッターは、砂、粘土、砂岩、石灰岩を介して、層間地層から硬岩層や研磨層まで、一度の走行で複数の地層を横断する用途での性能を新たな限界まで押し上げています。

一連の成形カッター (図 1) は、さまざまな困難な地層タイプや用途に対応するために、最新の材料研究を使用して開発されました。 掘削エンジニアは、単一のビットに特殊なカッターを組み合わせて配置し、複雑な地層を効率的に掘削できます。

これらの開発努力から生まれた先進的なカッターの 1 つ (図 1a) は、硬い地層でのパフォーマンスを向上させる設計です。 得られたカッターは、高衝撃荷重に耐える斬新な刃先形状と、ダイヤモンド面の二次面取りを備えており、多結晶ダイヤモンドコンパクト (PDC) カッターよりも高い荷重に耐えることができます。 これにより、硬い層間層の掘削効率を維持することができ、その区間の全体的な貫通速度（ROP）が向上します。

硬くて摩耗しやすい地層に穴あけをする場合、岩盤とカッターの相互作用によって発生する熱によりカッターの完全性が損なわれ、早期の摩耗と性能の低下につながる可能性があります。 エンジニアは、改良されたカッターチップの強化に焦点を当て、硬くて摩耗性の高い地層でも冷却状態を保ち、特に砂岩で効果を発揮するカッター（図1b）を開発しました。砂岩では、従来のカッターよりも微小破壊と摩耗が大幅に少なくなります。

複雑な加工では、多くの場合、層間で固い岩石から摩耗性の高い地層まで、非常に異なる地層にビットを穿孔する必要があります。 これらの変化する条件に対処するには、カッターは衝撃の大きい荷重条件でも効果的であり、運転終了時にも機能し続ける必要があります。 このバランスの取れた性能を実現するために、別の特殊なカッター (図 1c) が開発されました。これにより、カッターと岩石の境界面での摩擦と発熱が軽減され、岩石の切削片が粉砕され、より低いビット重量 (WOB) 要件でのより高速な掘削と長時間の掘削が可能になります。指定された ROP。

蒸発岩や泥重量の多い環境での掘削や、WOB が制限されている掘削など、点荷重が必要な条件では、より多くの重量を岩石のより小さな部分に分散できる能力を備えたカッターが必要です。 Baker Hughes は、これらの条件に合わせて、より高速な掘削作業を実現するために利用可能なエネルギーを使用してより大きな切込み深さを生成することにより、標準的なカッターよりも効果的に地層を貫通するカッター (図 1d) を設計しました。

専用カッターのポートフォリオに最近追加された製品 (図 1e) は、二次面取り、カッター中央の逃げ、点荷重能力の強化を含む耐久性の向上を実現する設計で、さらに厳しい条件に対応します。

これらすべての専用カッターは、R​​OP の向上、ビット寿命の延長、より長い穴あけ作業の可能化という目標を共有しており、各設計には穴あけ効率を向上させる特定の用途と性能特性があります。 しかし、ドリルビット上のこれらの形状のカッターの配置を最適化することは簡単ではありません。 相互に関連する変数が多数あるため、パフォーマンスを向上させるために何を変更するかを決定することは、非常に困難な課題です。 前進する最適な経路を見つけるということは、作業に適したツールを特定することを意味し、多くの場合、それは 1 つのカッターだけでなく、ビットの正しい部分に適切に配置された複数のカッター タイプを意味します。

掘削に関連するコストは、陸上掘削プログラムの坑井総コストの 30 ～ 40% を占めるため、プロセスを改善する方法を見つけることは収益に大きな影響を与える可能性があります。 カナダのブリティッシュコロンビア州北東部で実施されている従来の掘削プログラムでは、オフセット井戸で過度の振動や頻繁なカッター破損を引き起こしていた硬い岩石と摩耗性の高い地層が混在する岩層を効果的に掘削する方法を見つけることが課題でした。

ダウンホール環境のコンピューター シミュレーションにより、6¾ インチを使用する実用的な解決策が導かれました。 Dynamus 長寿命 PDC ビットには 2 種類の特殊カッターが装備されており、穴あけの課題を解決します。 ShockWave カッターは、層間層で効率的に穴あけを行うための耐久性を提供し、熱による損傷やカッターの欠けの問題を排除しました。一方、アペックス カッターは摩耗の問題に対処し、プライマリ カッターが磨耗したときにバックアップを提供し、ROP を低下させることなく穴あけを進めることができました。

この成形カッターの組み合わせにより、ビット交換のための計画された作業が 1 回不要になり、穴あけ時間が 26 時間節約され、パッド平均と比較して計量が 76% 向上しました。

従来の掘削では一連の課題が生じますが、頁岩での掘削では別の課題が生じます。 アルゼンチンのヴァカ・ムエルタ頁岩で掘削プログラムを実行しているオペレーターにとって、問題は長くて細い穴の水平坑井で、高重量の移送が底孔アセンブリの早期故障を引き起こし、リグシステムからの限られた電力入力によりオフセットでの貫通速度が制限されていました。井戸。

専門家は高度なシミュレーション モデリングを実行して、高重量の搬送の問題に最適に対処し、ROP を向上させるためのビットと特殊カッターの組み合わせを特定しました。 彼らは、6¾ インチでプリズム カッターを使用すると判断しました。 PDC ビットの寿命を延長すると、長い頁岩の横方向セクションの ROP が増加します。 プリズムカッターをビット上に慎重に配置することで、オペレーターは工具を損傷する危険を冒すことなく、WOB を安全に増加させて ROP を増加させることができました。 特殊カッターと AutoTrak 自動貯留層ナビゲーション掘削システムを組み合わせると、1 回の側断面実行で平均オフセットと比較して ROP が 13% 向上し、掘削プログラムで最適な実行では ROP が 29% 向上しました (図 2)。

最適ではない掘削は常に操業に悪影響を及ぼしますが、深海では掘削が坑井の掘削と完成にかかる総コストの約 60% を占めており、非効率は特にコストが高くなります。 これは、カリブ海で掘削を行うオペレーターにとって重要な推進力でした。カリブ海では、粘土と砂岩を通る複雑な深海の構築セクションには、強靭で層状の炭酸塩ストリンガーが存在し、過度のステアリング力を加えずに望ましい構築速度を達成することが困難でした。 ビットが過度の振動に遭遇し、オフセットウェル内でスティック/スリップが発生していました。

シミュレーション モデリングにより、掘削エンジニアは、正確なステアリング制御とより優れたビットの安定性を実現するビットと定形カッターの組み合わせを特定することができました。 シミュレーションの結果、12 1/4 インチを使用することが決定されました。 2 つの特殊カッターを備えた長寿命 PDC ビット。 アペックス カッターの点荷重により、より低い WOB で延性地層の貫通が可能になり、StabilisX カッターによりねじり安定性が向上し、硬い地層を切断できるようになりました。 この組み合わせのカッターをビットに配置し、AutoTrak 自動貯留層ナビゲーション掘削システムを使用すると、ROP が 30% 改善され、スティック/スリップが 80% 減少し、同時にビットの寿命が延長され、掘削ランの長さが長くなりました。

高度な成形カッター技術により、要求の厳しい掘削環境においてさまざまなパフォーマンスの向上が実現しますが、これで終わりではありません。 高度なシミュレーション ソフトウェアを使用して、地層の要求とビット上の特定の配置で各カッターがどのように機能するかを真に理解することで、エンジニアが現在の穴あけの課題を解決し、同時にカッターと穴あけプロセスの両方を改善および洗練するのに役立ちます。

成形カッターで掘削の問題を解決した 50,000 回を超える試行の結果は、カッターの組み合わせを地層とダウンホールの条件に適合させることで、ROP を改善し、ビット寿命を延長し、よりコスト効率の高い作業のためにより長い試行での掘削が可能であることを実証しています。

これらのカッターの性能と強化されたモデリング機能も組み合わされて信頼性の実績を確立しており、掘削環境が進化するにつれて、形状カッターの開発への継続的な投資により、掘削作業者が作業に適したツールを確実に使用できるように技術が進歩し続けます。

2007 年に Baker Hughes に入社して以来、Derek Nelms は、ドリルビットの設計、掘削エンジニアリング、技術営業のさまざまな役割を果たしてきました。 彼はテキサス A&M 大学で機械工学の学士号を取得しています。