[发明专利]制备具有低摩擦涂层以减少泥包和摩擦的钻具的方法

说明书

领域

本公开内容涉及具有改进性能的涂层领域。它更特别地涉及制备用于建造井眼以制备烃的具有这类涂层以减少泥包和摩擦的钻具的方法。

背景

钻具的泥包和摩擦特征

在旋转钻探操作中，钻头连接在底部钻具组合的末端，所述底部钻具组合连接在包含钻杆和钻具接头的钻柱上，其可通过转盘或顶部驱动装置在表面上旋转。钻柱和底部钻具组合的重量导致钻头旋转以在土地上钻孔。作为选择，挠性管可取代钻井钻具组合中的钻柱。钻柱的旋转提供功率通过钻柱和底部钻具组合至钻头。在挠性管钻探中，功率通过钻井液泵输送至钻头。钻探方法的进行速率部分地由钻头如何能够有效地向前钻探以“钻井”决定。

钻头泥包确定为在用水基泥浆钻探页岩时无效钻头性能的一个主要原因。它在钻探某些碳酸盐岩地层时也是有问题的。钻头泥包是钻屑之间粘聚的结果，产生钻头的开口槽面积中的堵塞。由钻头制造的钻屑也可粘附在钻头的表面，特别是具有低流速的区域中。钻头泥包可发生在钻头表面，其中钻井液施加的剪切应力不足以克服粘合力以保持钻屑流动。不可逆的钻头泥包指的是严重的泥包，其可能要求从孔中起出以清洗或置换钻头。因此，至关重要的是在一些钻井现场环境中减轻钻头泥包。这可潜在地提供实质的经济益处，包括节省从孔中的起出和降低钻井成本。

钻具如管下扩眼器和稳定器可能遭遇与钻头类似的机能障碍，因为它们也具有可能与页岩钻屑成球的元件，在水基钻井泥浆中特别如此。稳定器元件具有由工具主体伸出的纵向或螺旋叶片。类似地，扩孔工具具有伸出臂或叶片，其具有设计用于将孔扩大至指定直径的切割元件。在两种设备中，载有钻屑的流体通过叶片之间的通道，并且可发生钻屑增大，其可妨碍钻井进程。

随着非常规资源如页岩气田的日益发展，钻头泥包减轻起到越来越重要的作用。“页岩”为可在岩层中发现且通常可具有小于0.0625mm的平均粒度的细粒碎屑沉积岩。页岩通常包括层状和易剥裂的粉砂岩和粘土岩。这些材料可由粘土、石英和细粒岩中发现的其它矿物形成。页岩的非限定性实例包括北美洲的Barnett、Fayetteville和Woodford。由于它的高粘土含量，页岩倾向于从水基钻井泥浆中吸收水，这导致溶胀和井眼故障。在工业范围内，多于一半的钻探岩层具有显著的页岩含量。

钻头泥包是钻探方法中限制钻井速度(ROP)和总钻探效率的失败点。通常认为它在钻探页岩或一些页岩质碳酸盐岩层时，特别是在使用水基钻井液时发生。另外，钻头表面上的高摩擦产生较高的寄生转矩，其又限制钻探效率。钻屑的排屑槽或流路中以及钻头表面上具有低表面能和低摩擦涂层可降低这些机能障碍并改进钻探ROP和效率。

还存在一些证据证明钻头的失败点在一些情况下涉及从钻头和井底形状中清除钻屑，即使不存在传统钻头泥包条件。较长的叶片支柱(blade standoff)以提供较大的间隙有时导致提高的钻探速率。该设计中的一个折中是对于相同流速，较大的流动横截面导致流速的降低。有可能摩擦的降低会改进材料离开孔的底部的流动，甚至在本身不发生钻头泥包的情况下。

在钻头中设计喷嘴和流体流道用于以水力能除去材料。钻头卖家应用复杂的计算流体动力学模型以使这些流体路径最佳化，调整喷嘴的数目和位置以及钻头的叶片之间的空间的几何。

已知在许多应用中，较多的水力能提供提高的钻探速率。然而，存在对提高钻头上的水力能施以限制的其它因素，例如最大流速、工具上的压降、表面压力极限等。即使用在钻头的一些面积上的高速钻井液射流，一些其它面积也具有低速度并经受钻头泥包。当钻屑附着在钻头的一个面积上时，引发钻屑增大过程并可能发生钻头泥包。