Forage à la pointe de la performance avec Shaped

Les découpeuses profilées ne sont pas nouvelles dans l'industrie. Ils ont été introduits il y a des décennies lorsque les environnements de forage ont commencé à changer et que des formations plus complexes ont introduit de nouveaux défis, et ils font partie des portefeuilles de technologies de forage depuis les années 1990. Pendant de nombreuses années, les équipes de développement ont étudié les conditions de fond de trou qui causaient des dommages aux fraises et des dysfonctionnements de forage, jouant continuellement avec l'équilibre entre les matériaux et la géométrie.

Cette connaissance a été un tremplin pour des efforts de R&D ciblés visant à améliorer la conception des fraises pour faire face aux conditions de forage exigeantes et aux puits de forage plus complexes. Aujourd'hui, les fraises profilées poussent les performances vers de nouvelles limites dans les applications qui traversent plusieurs formations en un seul passage, des formations interstratifiées aux formations de roches dures et abrasives, en passant par le sable, l'argile, le grès et le calcaire.

Une suite complète de fraises profilées (Fig. 1) a été développée en utilisant les dernières recherches sur les matériaux pour répondre à une gamme de types de formations et d'applications difficiles. Les ingénieurs de forage peuvent placer des combinaisons de fraises spécialisées sur un seul trépan pour forer efficacement à travers des formations complexes.

L'une des fraises avancées (Fig. 1a) qui a émergé de ces efforts de développement est une conception qui améliore les performances dans les formations dures. La fraise résultante a une nouvelle géométrie de bord pour résister aux charges à fort impact et un chanfrein secondaire sur la face en diamant qui lui permet de résister à des charges plus élevées que les fraises en diamant polycristallin compact (PDC). Cela lui permet de maintenir l'efficacité du forage dans les formations dures interstratifiées, ce qui entraîne un taux de pénétration global (ROP) plus élevé pour l'intervalle.

Lors du forage dans des formations dures et abrasives, la chaleur générée par l'interaction de la fraise à roche peut briser l'intégrité de la fraise, entraînant une usure prématurée et des performances réduites. Les ingénieurs se sont concentrés sur l'amélioration de la pointe de fraise améliorée pour développer une fraise (Fig. 1b) qui reste froide dans les formations dures et abrasives et qui est particulièrement efficace dans le grès, où elle présente considérablement moins de microfracture et d'usure que les fraises traditionnelles.

Les parcours complexes signifient souvent que les trépans doivent forer à travers des formations très différentes, de la roche dure intercalée à des formations plus abrasives. Pour faire face à ces conditions variables, une fraise doit être efficace dans des conditions de charge à fort impact et être toujours fonctionnelle en fin de cycle. Une autre fraise spécialisée (Fig. 1c) a été développée pour offrir cette performance équilibrée, réduisant la friction et la génération de chaleur à l'interface fraise/roche, brisant les déblais de roche et permettant un forage plus rapide et des courses plus longues avec une exigence de poids sur le trépan (WOB) plus faible pour un ROP donné.

Les conditions où une charge ponctuelle est requise, telles que le forage à travers des évaporites ou des environnements à poids de boue élevé et dans les forages où le WOB est limité, nécessitent une fraise capable de répartir plus de poids sur une plus petite partie de la roche. Baker Hughes a conçu une fraise (Fig. 1d) pour ces conditions qui pénètre la formation plus efficacement que les fraises standard en générant une plus grande profondeur de coupe en utilisant l'énergie disponible pour fournir des cycles de forage plus rapides.

L'ajout le plus récent (Fig. 1e) à la gamme de fraises spécialisées affronte des conditions encore plus exigeantes avec une conception qui offre une plus grande durabilité grâce à l'inclusion d'un chanfreinage secondaire, d'un relief au centre de la fraise et d'une capacité de chargement ponctuelle améliorée.

Toutes ces fraises spécialisées partagent l'objectif d'améliorer le ROP, de prolonger la durée de vie du trépan et de permettre des cycles de forage plus longs, et chaque conception a des caractéristiques d'application et de performance spécifiques qui améliorent l'efficacité du forage. Mais optimiser le placement de ces fraises profilées sur le foret n'est pas facile. Il existe de nombreuses variables interdépendantes, donc déterminer ce qu'il faut changer pour améliorer les performances est un formidable défi. Trouver la meilleure voie à suivre signifie identifier les bons outils pour le travail, et souvent, cela signifie non seulement une fraise, mais plusieurs types de fraises positionnés de manière appropriée sur la bonne partie du foret.

Les coûts associés au forage représentent 30 à 40 % des coûts totaux des puits pour les programmes de forage à terre, de sorte que trouver des moyens d'améliorer le processus peut affecter considérablement le résultat net. Dans un programme de forage conventionnel en cours d'exécution dans le nord-est de la Colombie-Britannique, au Canada, le défi consistait à trouver un moyen de forer efficacement à travers une lithologie interstratifiée avec des roches dures et des formations hautement abrasives qui provoquaient des vibrations excessives et des ruptures fréquentes de la fraise dans les puits décalés.

Une simulation informatique de l'environnement de fond de trou a conduit à une solution pratique, en utilisant un 6¾-in. Foret PDC à durée de vie prolongée Dynamus équipé de deux types de fraises spécialisées pour résoudre les problèmes de forage. La fraise ShockWave a fourni la durabilité nécessaire pour forer efficacement dans les formations interstratifiées, éliminant les problèmes de dommages thermiques et d'écaillage de la fraise, tandis que les fraises Apex ont résolu les problèmes d'usure, fournissant une sauvegarde lorsque les fraises principales s'usaient et permettant au forage de progresser sans baisse de ROP.

Cette combinaison de fraises profilées a fait gagner 26 heures de temps de forage en éliminant une passe planifiée pour changer le trépan et a permis d'améliorer le métrage de 76 % par rapport à la moyenne des plaquettes.

Le forage conventionnel pose un ensemble de défis, tandis que le forage dans les schistes en présente un autre. Pour un opérateur exécutant un programme de forage dans les schistes de Vaca Muerta en Argentine, le problème était un puits horizontal long et étroit où le transfert de poids élevé provoquait des défaillances prématurées de l'assemblage du fond de trou, et la puissance absorbée limitée des systèmes de forage limitait les taux de pénétration dans le décalage. puits.

Les experts ont effectué une modélisation de simulation avancée pour identifier la combinaison de fraises et de fraises spécialisées afin de résoudre au mieux le problème de transfert de poids élevé et d'améliorer le ROP. Ils ont déterminé que l'utilisation de fraises Prism sur un 6¾-in. le trépan PDC à durée de vie prolongée augmenterait le ROP dans la longue section latérale de schiste. Avec les fraises Prism judicieusement placées sur le foret, l'opérateur a pu augmenter le WOB en toute sécurité pour augmenter le ROP sans risquer d'endommager l'outil. La combinaison de la fraise spécialisée avec le système de forage de navigation de réservoir automatisé AutoTrak a entraîné une amélioration de 13 % de la ROP par rapport aux décalages moyens dans une seule passe de section latérale, la meilleure passe du programme de forage offrant une ROP de 29 % supérieure (Fig. 2).

Un forage sous-optimal est toujours préjudiciable aux opérations, mais en eau profonde, où le forage représente environ 60 % des coûts totaux de forage et de complétion de puits, les inefficacités sont particulièrement coûteuses. Il s'agissait d'un moteur important pour un opérateur de forage dans les Caraïbes, où une section de construction en eau profonde compliquée à travers des argiles et des grès présentait des longerons de carbonate solides et interstratifiés qui rendaient difficile l'obtention des taux de construction souhaités sans appliquer des forces de direction excessives. Le trépan rencontrait des vibrations excessives et présentait un grippage/glissement dans les puits décalés.

La modélisation par simulation a permis aux ingénieurs de forage d'identifier la combinaison trépan/outil de coupe en forme qui fournirait un contrôle précis de la direction et une meilleure stabilité du trépan. Les résultats de la simulation ont conduit à la décision d'utiliser un 12¼-in. Foret PDC à durée de vie prolongée équipé de deux couteaux spéciaux. Le chargement ponctuel de la fraise Apex a permis la pénétration de la formation ductile avec un WOB inférieur, et la fraise StabilisX a amélioré la stabilité en torsion pour couper à travers la formation dure. Le placement de cette combinaison de fraises sur le trépan et l'utilisation du système de forage de navigation de réservoir automatisé AutoTrak ont ​​amélioré le ROP de 30 % et réduit le stick/slip de 80 % tout en prolongeant la durée de vie du trépan et en augmentant la longueur des parcours de forage.

La technologie avancée de fraise profilée offre une gamme d'améliorations des performances dans les environnements de forage exigeants, mais ce n'est pas la fin du voyage. L'utilisation d'un logiciel de simulation sophistiqué pour vraiment comprendre les exigences de la formation et la performance de chaque fraise avec un placement particulier sur le trépan aide les ingénieurs à résoudre les défis de forage actuels tout en améliorant et en affinant à la fois les fraises et le processus de forage.

Les résultats de plus de 50 000 passages où les fraises profilées ont résolu les problèmes de forage démontrent qu'en adaptant la combinaison de fraises à la formation et aux conditions de fond de trou, il est possible d'améliorer le ROP, de prolonger la durée de vie du trépan et de forer des courses plus longues pour des opérations plus rentables.

Les performances de ces fraises combinées à des capacités de modélisation améliorées établissent également un bilan de fiabilité, et à mesure que les environnements de forage évoluent, les investissements continus dans le développement de fraises façonnées continueront de faire progresser la technologie pour garantir que les foreurs disposent des bons outils pour le travail.

Depuis qu'il a rejoint Baker Hughes en 2007, Derek Nelms a occupé divers postes dans la conception de trépans, l'ingénierie de forage et la vente de technologies. Il est titulaire d'un BS en génie mécanique de la Texas A&M University.