Bohren auf dem neuesten Stand der Leistung mit Shaped

Formschneider sind in der Branche nichts Neues. Sie wurden vor Jahrzehnten eingeführt, als sich die Bohrumgebungen zu verändern begannen und komplexere Formationen neue Herausforderungen mit sich brachten. Seit den 1990er Jahren sind sie Teil des Portfolios an Bohrkronentechnologien. Seit vielen Jahren untersuchen Entwicklungsteams die Bohrlochbedingungen, die zu Schäden an Schneidwerkzeugen und Bohrstörungen führen, und spielen dabei ständig mit der Balance zwischen Materialien und Geometrie.

Dieses Wissen diente als Ausgangspunkt für gezielte Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zur Verbesserung der Fräserkonstruktionen, um den anspruchsvollen Bohrbedingungen und komplexeren Bohrlöchern gerecht zu werden. Heutzutage stoßen Formfräsen bei Anwendungen, die mehrere Formationen in einem Durchgang durchqueren, von eingebetteten über Hartgesteins- und Schleifformationen bis hin zu Sand, Ton, Sandstein und Kalkstein, auf neue Leistungsgrenzen.

Eine ganze Reihe geformter Fräser (Abb. 1) wurde unter Verwendung der neuesten Materialforschung entwickelt, um eine Reihe anspruchsvoller Formationstypen und Anwendungen zu bewältigen. Bohringenieure können Kombinationen von Spezialfräsern auf einem einzigen Bohrmeißel platzieren, um effizient durch komplexe Formationen zu bohren.

Einer der fortschrittlichen Fräser (Abb. 1a), der aus diesen Entwicklungsbemühungen hervorgegangen ist, ist ein Design, das die Leistung in harten Formationen verbessert. Der resultierende Fräser verfügt über eine neuartige Kantengeometrie, um hohen Stoßbelastungen standzuhalten, und eine sekundäre Fase auf der Diamantfläche, die es ihm ermöglicht, höheren Belastungen standzuhalten als Fräser aus polykristallinem Diamant-Kompakt (PDC). Dadurch kann die Bohreffizienz in harten, eingebetteten Formationen aufrechterhalten werden, was zu einer höheren Gesamtpenetrationsrate (ROP) für den Abschnitt führt.

Beim Bohren in harten, abrasiven Formationen kann die durch die Wechselwirkung zwischen Gestein und Fräse entstehende Wärme die Integrität des Fräsers zerstören, was zu vorzeitigem Verschleiß und verminderter Leistung führt. Die Ingenieure konzentrierten sich auf die Verbesserung der verbesserten Fräserspitze, um einen Fräser zu entwickeln (Abb. 1b), der in harten, abrasiven Formationen kühl bleibt und besonders effektiv in Sandstein ist, wo er deutlich weniger Mikrorisse und Verschleiß aufweist als herkömmliche Fräser.

Komplexe Durchgänge bedeuten oft, dass Bohrer durch sehr unterschiedliche Formationen bohren müssen, von eingebettetem Hartgestein bis hin zu abrasiveren Formationen. Um diesen unterschiedlichen Bedingungen gerecht zu werden, muss ein Schneidgerät auch unter Belastungsbedingungen mit hoher Stoßbelastung effektiv sein und am Ende des Laufs noch funktionsfähig sein. Ein weiterer Spezialschneider (Abb. 1c) wurde entwickelt, um diese ausgewogene Leistung zu liefern, indem er die Reibung und Wärmeentwicklung an der Schnittstelle zwischen Bohrer und Gestein reduziert, Gesteinsabfälle aufbricht und schnelleres Bohren und längere Bohrdurchläufe bei geringerem Bohrgewicht (WOB) ermöglicht ein gegebener ROP.

Bedingungen, bei denen eine Punktbelastung erforderlich ist, beispielsweise beim Bohren durch Evaporite oder in Umgebungen mit hohem Schlammgewicht sowie bei Bohrläufen mit begrenztem WOB, erfordern einen Fräser, der in der Lage ist, mehr Gewicht auf einen kleineren Teil des Gesteins zu verteilen. Baker Hughes hat für diese Bedingungen einen Fräser entwickelt (Abb. 1d), der effektiver in die Formation eindringt als herkömmliche Fräser, indem er eine größere Schnitttiefe erzeugt und die verfügbare Energie nutzt, um schnellere Bohrdurchläufe zu ermöglichen.

Die jüngste Ergänzung (Abb. 1e) des Spezialfräser-Portfolios meistert noch anspruchsvollere Bedingungen mit einem Design, das durch die Einbeziehung einer sekundären Anfasung, einer Aussparung in der Mitte des Fräsers und einer verbesserten Punktlastfähigkeit eine längere Haltbarkeit bietet.

Alle diese Spezialfräser haben das gemeinsame Ziel, den ROP zu verbessern, die Lebensdauer des Bohrers zu verlängern und längere Bohrläufe zu ermöglichen, und jedes Design verfügt über spezifische Anwendungs- und Leistungsmerkmale, die die Bohreffizienz verbessern. Die optimale Platzierung dieser geformten Fräser auf dem Bohrer ist jedoch nicht einfach. Es gibt viele miteinander verbundene Variablen, daher ist es eine gewaltige Herausforderung zu bestimmen, was geändert werden muss, um die Leistung zu verbessern. Um den besten Weg nach vorne zu finden, müssen die richtigen Werkzeuge für die jeweilige Aufgabe identifiziert werden, und oft bedeutet das nicht nur einen Fräser, sondern mehrere Fräsertypen, die richtig am richtigen Teil des Bohrers positioniert sind.

Die mit dem Bohren verbundenen Kosten machen 30–40 % der gesamten Bohrkosten für Onshore-Bohrprogramme aus, sodass die Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung des Prozesses erhebliche Auswirkungen auf das Endergebnis haben kann. Bei einem konventionellen Bohrprogramm, das im Nordosten von British Columbia, Kanada, durchgeführt wurde, bestand die Herausforderung darin, eine Möglichkeit zu finden, effektiv durch eingebettete Lithologien mit hartem Gestein und stark abrasiven Formationen zu bohren, die übermäßige Vibrationen und häufige Bohrkronenbrüche in versetzten Bohrlöchern verursachten.

Eine Computersimulation der Bohrlochumgebung führte zu einer praktischen Lösung mit einem 6¾-Zoll. Dynamus PDC-Bohrer mit verlängerter Lebensdauer, ausgestattet mit zwei Arten von Spezialfräsern, um die Bohrherausforderungen zu lösen. Der ShockWave-Schneider sorgte für die nötige Haltbarkeit, um effizient in zwischengelagerten Formationen zu bohren, und eliminierte Probleme mit thermischen Schäden und Fräserabsplitterungen, während die Apex-Schneider Probleme mit Verschleiß angingen, indem sie für Unterstützung sorgten, wenn die primären Fräser abgenutzt waren, und einen Bohrfortschritt ohne ROP-Abfall ermöglichten.

Diese Kombination aus geformten Fräsern sparte 26 Stunden Bohrzeit ein, da ein geplanter Durchgang zum Wechseln des Bohrers entfiel, und lieferte eine Verbesserung der Bohrleistung um 76 % im Vergleich zum Pad-Durchschnitt.

Konventionelle Bohrungen stellen eine Reihe von Herausforderungen dar, während Bohrungen in Schiefergesteinen eine andere darstellen. Für einen Betreiber, der ein Bohrprogramm im Vaca-Muerta-Schiefer in Argentinien durchführte, handelte es sich um ein langes, schlankes horizontales Bohrloch, bei dem die Übertragung hoher Gewichte zu vorzeitigen Ausfällen der Bohrlochmontage führte und die begrenzte Leistungsaufnahme der Bohrsysteme die Penetrationsraten im Offset einschränkte Brunnen.

Experten führten eine erweiterte Simulationsmodellierung durch, um die Kombination aus Bohrer und Spezialfräsern zu ermitteln, mit der das Problem der Übertragung hoher Gewichte am besten gelöst und der ROP verbessert werden kann. Sie stellten fest, dass die Verwendung von Prismenschneidern auf einem 6¾-Zoll. Ein PDC-Meißel mit verlängerter Lebensdauer würde den ROP im langen Schiefer-Seitenabschnitt erhöhen. Durch die geschickte Platzierung der Prisma-Fräser am Bohrer konnte der Bediener die WOB sicher erhöhen, um den ROP zu erhöhen, ohne das Risiko einer Beschädigung des Werkzeugs einzugehen. Die Kombination des Spezialschneiders mit dem automatisierten Reservoir-Navigationsbohrsystem AutoTrak führte zu einer Verbesserung des ROP um 13 % im Vergleich zum durchschnittlichen Versatz in einem einzelnen seitlichen Abschnittslauf, wobei der beste Lauf im Bohrprogramm einen um 29 % besseren ROP lieferte (Abb. 2).

Suboptimale Bohrungen wirken sich immer nachteilig auf den Betrieb aus, aber in tiefen Gewässern, wo Bohrungen etwa 60 % der gesamten Bohr- und Fertigstellungskosten des Bohrlochs ausmachen, sind Ineffizienzen besonders kostspielig. Dies war ein wesentlicher Treiber für einen Bohrbetreiber in der Karibik, wo ein komplizierter Tiefwasserbauabschnitt durch Ton und Sandstein zähe, eingebettete Karbonatstränge aufwies, die es schwierig machten, die gewünschten Baugeschwindigkeiten zu erreichen, ohne übermäßige Lenkkräfte anzuwenden. Der Bohrer war übermäßigen Vibrationen ausgesetzt und kam in den versetzten Bohrlöchern zu einem Stick/Slip-Effekt.

Mithilfe der Simulationsmodellierung konnten Bohringenieure die Kombination aus Bohrkrone und geformtem Fräser identifizieren, die eine präzise Lenksteuerung und eine bessere Bohrkronenstabilität ermöglichte. Simulationsergebnisse führten zu der Entscheidung, ein 12¼-Zoll-Modell zu verwenden. PDC-Bohrer mit verlängerter Lebensdauer, ausgestattet mit zwei Spezialschneidern. Die Punktbelastung des Apex-Fräsers ermöglichte das Eindringen in die duktile Formation mit geringerem WOB, und der StabilisX-Fräser verbesserte die Torsionsstabilität beim Durchschneiden der harten Formation. Durch die Platzierung dieser Kombination von Fräsern auf dem Bohrmeißel und die Verwendung des automatischen Reservoirnavigationssystems AutoTrak wurde der ROP um 30 % verbessert und das Stick/Slip-Verhältnis um 80 % reduziert. Gleichzeitig wurde die Lebensdauer des Bohrmeißels verlängert und die Länge der Bohrläufe erhöht.

Die fortschrittliche Technologie mit geformten Fräsern bietet eine Reihe von Leistungsverbesserungen in anspruchsvollen Bohrumgebungen, aber das ist noch nicht das Ende der Reise. Der Einsatz hochentwickelter Simulationssoftware, um die Anforderungen der Formation und die Leistung jedes Fräsers bei einer bestimmten Platzierung auf dem Bohrmeißel wirklich zu verstehen, hilft Ingenieuren dabei, aktuelle Bohrherausforderungen zu lösen und gleichzeitig sowohl die Fräser als auch den Bohrprozess zu verbessern und zu verfeinern.

Ergebnisse von mehr als 50.000 Durchgängen, bei denen geformte Fräser Bohrprobleme lösten, zeigen, dass es durch die Anpassung der Fräserkombination an die Formation und die Bohrlochbedingungen möglich ist, den ROP zu verbessern, die Lebensdauer des Bohrmeißels zu verlängern und längere Durchläufe für kosteneffizientere Abläufe zu bohren.

Die Leistung dieser Fräser in Kombination mit verbesserten Modellierungsfunktionen beweist auch eine Erfolgsbilanz in Sachen Zuverlässigkeit. Da sich die Bohrumgebungen weiterentwickeln, werden laufende Investitionen in die Entwicklung von Formfräsern die Technologie weiter vorantreiben, um sicherzustellen, dass Bohrer über die richtigen Werkzeuge für ihre Aufgabe verfügen.

Seit seinem Eintritt bei Baker Hughes im Jahr 2007 war Derek Nelms in verschiedenen Funktionen im Bohrerdesign, in der Bohrtechnik und im Technologievertrieb tätig. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau von der Texas A&M University.