圖1 NOV的Nano接頭主要用于特殊作業，如用于清洗或修井作業的不同類型鉆柱。
 
井長增加、井深加深、井眼幾何形狀復雜化，導致對高性能鉆桿和井底鉆具組合(BHAs)的需求增加。技術供應商正專注于提高耐久性和降低擁有成本，例如通過更好的抗疲勞性，使用更高合金含量的鋼材，以及與鉆井軟件的集成。（見圖1）
 
鉆桿、BHAs連接技術
 
NOV Grant Prideco業務部門技術支持服務高級總監普萊西斯解釋說，在鉆桿市場，創新周期與井下技術或鉆機設備的創新周期幾乎不相同。因此，該公司仍將重點放在其德爾塔鉆桿連接上，普萊西斯表示，該連接旨在提供性能和降低總擁有成本，過去6年一直在這兩個方面取得成功。例如，德爾塔544提供了使用更大的5½英寸的選擇。具有小工具接頭外徑的管道-與5-in相當。鉆桿-允許鉆工鉆8½英寸的井眼。帶有更大、更硬的管道的孔。這可以提高機械鉆速。（見圖2）
 
圖2 NOV表示，在過去六年中，其圍繞Delta連接的創新集中在提高性能和降低總擁有成本上。
 
此外，該公司還致力于提高接頭的抗疲勞性能，從而無需對鉆桿接頭進行冷軋，并能夠使用更大的上扣扭矩(增加17%)。與NOV之前的XT連接相比，德爾塔的連接速度提高了50%，每次連接連接和斷開連接最多可節省4秒。
 
NOV還在開發另外兩個接入點。第一個是用于井底鉆具組合(BHAs)的連接，目前命名為AILM。普萊西斯表示:“這項技術的目標有點不同，因為我們想優化抗疲勞性能。”BHA連接的挑戰在于工具非常堅硬，大多數彎曲發生在連接層面，需要創新的解決方案來應對疲勞。”
 
第二種技術是在有限的基礎上在小眾應用程序中運行較小的連接。普萊西斯先生指出:“Nano接頭使用的是一種不同類型的管柱，用于清井、修井作業或過油管鉆井。”“這些都是非常專業的作業，我們通常與該領域的優質油管連接競爭。雖然堅固耐用可能是使用Nano的一個好處，但成本通常更高，我們的客戶會非常仔細地評估這項技術的優勢和運行成本。”為了解決這一問題，NOV正在尋找使用Nano連接的替代方法，再次提高Nano連接的成本效益，使其更適合這種類型的作業。

圖3 NOV正在改進其Delta管道連接，并開發兩個更新的連接。此外，該公司最近完成了20,000 psi連接器在酸性服務等級的認證。
 
NOV公司感興趣的另一個領域是鉆桿隔水管。該公司最近完成了一個20,000 psi的連接器在酸性服務等級的認證。Plessis先生解釋道:這個項目在技術上非常具有挑戰性。”然而，我們已經完成了第二個完井和修井立管的API 17G標準的開發，該產品目前正在與合作公司的產品進行螺紋連接，用于墨西哥灣的高壓項目。（見圖3）
 
在中東地區，含酸服務等級的鉆桿和重型鉆桿更為普遍，NOV已經將一種135,000 psi的NACE 1區產品商業化，該產品可用于輕度含酸的硫化氫環境。該產品已經通過了資格預審，NOV表示計劃在2023年交付第一根管柱。
 
高扭矩，高性能連接
 
德州鋼鐵轉換公司TSC鉆桿高級銷售工程師馬克·加勒特表示，在過去的5到10年里，鉆桿市場的創新一直在加速。他解釋道:“我發現在小井眼鉆井中，鉆井工具和井筒之間的環空越來越小。“我們也看到了更深的井，井的平均最小總深度(TD)為2萬英尺，一些井的平均最小總深度(TD)為3萬英尺。這與10年前相比有很大的變化。”
 
尤其是鉆井承包商，他們要求將鉆柱固定在一起的螺紋連接具有更高的性能，這樣他們就可以到達更深的TDs。雖然單肩API接頭的使用仍然有限，但加勒特先生指出，現在大多數鉆井程序都使用雙肩設計接頭，越來越多的單肩API接頭采用不同供應商的專有螺紋技術。

圖4 Marcellus/Utica的一個鉆井平臺正在運行TSC的PTECH+。該連接的設計原則是，在螺紋形式的根部有一個大半徑，可以減少連接中的峰值應力。TSC表示，降低峰值應力可以減少接頭疲勞和井下彎曲時失效的可能性。
 
“使用雙肩連接，我們可以在這些更具挑戰性的井中實現所需的更高的上扣扭矩，”他說。此外，專有的雙肩連接通常具有通過螺紋連接的較大孔徑，這改善了鉆井程序中的液壓性能。
 
隨著鉆井項目越來越多地采用先進的BHA技術，如用于精確定向控制的自動旋轉導向系統(RSS)， Garret先生表示，專有連接已經獲得了巨大的市場份額，成為實現新系統的新標準。“如果鉆柱螺紋連接使用API旋轉肩連接，則通常為2-in。與制造商專有的螺紋連接相比，螺紋連接的直徑更小。”他解釋道。“大多數這些專有接頭都有一個更慢、更漸進的錐度，這就是如何實現更大的內徑來提高液壓性能。”
 
TSC鉆桿的PTECH+是該公司最近進入高性能連接市場的產品。該接頭的設計包含了大水平段油氣鉆井所需的基本特性:最大限度地提高液壓性能，增加上扣扭矩，提高抗疲勞性能。（見圖4）
 
“如何在這些高性能接頭上實現抗疲勞性能?”加勒特先生問道。“在設計PTECH+時，測試和分析證明，螺紋根部的大半徑可以降低連接中的峰值應力。接頭峰值應力的降低降低了接頭疲勞和井下彎曲時失效的可能性。”
 
加勒特先生還指出，用于制造連接的材料影響了性能。加勒特解釋說:“我們使用的材料已經發生了逐步的變化，比如鋼的合金含量更高，從而在硬度更高的同時提高韌性。”“通常，在鋼鐵技術中，硬度越高，鋼就越脆。使用更好的合金化，加上精確控制的熱處理，我們可以有效地消除這個問題。這種做法提高了PTECH+接頭的性能，并確保其耐用性。”（見圖5）
  
圖5 TSC表示，在開發PTECH+接箍時，他們重點考慮了液壓性能、上扣扭矩和抗疲勞性能等因素，以確保PTECH+接箍是擴展水平段鉆井的理想選擇。
 
該公司表示，盡管該接頭保持了流線型幾何設計，但其扭矩能力比相同尺寸的API鉆桿接頭平均高出85%至280%。TSC鉆桿認識到，與API鉆桿連接相比，大多數高扭矩連接的缺點是通常需要更多的匝數來彌補。因此，一個關鍵的設計標準是在不犧牲性能的情況下減少必要的轉彎數。根據連接尺寸的不同，補孔的匝數從7.5到9.6不等。
 
當今鉆井程序和較深井的另一個趨勢是使用鉆柱振蕩程序，包括在鉆井時交替順時針和逆時針旋轉鉆柱。加勒特表示:“我們發現，這些振蕩程序導致的一個問題是，連接可能有破裂的傾向。”PTECH+接頭旨在為螺紋接頭提供更高的上扣扭矩，我們已經成功克服了這一挑戰。”為了獲得更深的井段和更長的水平段，鉆井程序需要更高的扭矩閾值，越來越多的陸地鉆機正在升級組件，提高鉆柱連接上扣扭矩的閾值能力。
 
除了鉆桿之外，專有的PTECH+連接技術還有可能用于各種應用，包括海底管、修井隔水管和其他井下組件。雖然它目前主要用于陸地鉆井，但也可以通過結合氣密密封功能用于海上和其他專業鉆井項目。
 
BHA和鉆井工程軟件
 
在BHA市場領域，Helmerich and Payne (H&P)的技術研究員梅南德表示，雖然在過去幾年中，BHA組件幾乎沒有真正的突破，但仍有大量工作在改進現有技術，以提高耐久性，并使井下旋轉時間更長。（見圖6）
  
圖6 鉆頭和BHA分析模塊是DrillScan鉆井工程軟件的四個主要模塊之一。自2019年收購Drillscan以來，H&P一直致力于將Drillscan的更多應用集成到鉆井機隊中。
 
“我們已經突破了RSS和大功率泥漿馬達的極限。此外，我們還看到了一些安裝在BHA中的配件的開發，這些配件可以消除摩擦、抑制振動并減少粘滑。最后，我們看到更多的供應商采用了高頻扭轉振蕩緩解技術，可以直接在RSS內部實現。”
 
梅南德表示，對于未來可能推動步進變化的技術，他對鉆頭轉向技術很感興趣，該技術采用帶活動墊的鉆頭，可以實現更好的軌跡控制和更精確的井眼位置。”他說，另一個值得關注的地方是沿著底部鉆具組合和鉆頭放置非常小的傳感器，以獲得更好的數據，這有助于驗證H&P的模型。
 
梅南德還強調了鉆頭取證的好處，該技術使用掃描設備提供的圖片，并用人工智能驅動的算法進行分析，為枯燥的分級提供詳細的3D圖像。他說:“我們的想法是更好地測量鉆頭的磨損，然后減少為新應用設計新鉆頭所需的時間。”“這樣就不需要手動測量單個切削齒的磨損類型和數量，否則會花費大量時間，而且可能不準確。當涉及到迭代設計改進時，這對鉆頭提供商來說是一個很好的過程。”
 
隨著行業走向真正的數字化，梅南德先生解釋說，H&P的一個重點領域是集成公司部署的許多井下產品和技術，作為實現自動化鉆井的一攬子計劃的一部分。他說:“我們在H&P所做的是通過不同程度的自動化從地面更好地控制底部鉆具組合。“無論是新的還是現有的BHA，我們都在考慮如何在操作參數、鉆井性能和導向建議方面對其進行控制。對于越來越復雜的井段和越來越長的水平段，如果我們想要突破極限，就必須考慮結合技術，否則至少目前存在技術限制。”
 
2019年，H&P收購了DrillScan鉆井工程軟件，該軟件有四個主要模塊——井眼規劃、井眼完整性、BHA和鉆頭分析以及鉆柱建模。他們利用建模和模擬縮短了到達目標的時間，提高了底部鉆具組合的完整性，增加了與油藏的接觸。梅南德表示:“我們希望將DrillScan軟件的應用程序集成到H&P鉆機上，以實現自動化。”例如，該軟件基于物理的算法與AutoSlide技術相結合，與地面設備協同工作來控制BHA。其想法是嘗試預測摩擦量，并在給定井眼軌跡的情況下找到最佳鉆壓RPM。我們希望優化H&P的所有設備，以獲得最佳ROP，減少振動，并獲得更光滑的井筒，我們使用DrillScan軟件使設備能夠實現這些目標。”
 
一旦DrillScan軟件成功地與地面鉆機設備集成，并實現了與井筒質量和鉆井性能相關的目標，H&P就可以專注于另一個主要目標:創建一個數字孿生，實時預測和建模性能。梅南德先生解釋說:“我們希望提供我所說的真正的數字孿生，這意味著對鉆柱和BHA的狀況進行實時、實時、虛擬的表示。”擁有這種井下眼，也就是說，擁有整個鉆柱的真正數字孿生，可以讓我們在ROP、轉向和振動方面更好地控制鉆柱。”一旦鉆井完成，H&P就可以快速分析其性能，預測下一個鉆井的性能。
 
梅南德先生表示，他認為將DrillScan軟件作為H&P的一部分，為客戶提供了多個第三方提供商難以實現的好處。他解釋說:“我們有鉆井平臺，我們有鉆井平臺上的人員，我們有技術，這意味著我們可以掌握和控制從A到Z的一切，因為我們都在同一家公司。”“當你引入第三方技術提供商時，可能會出現集成或溝通錯誤的問題，但將DrillScan軟件作為H&P產品組合的一部分，有助于確保我們了解需要做什么，并且我們有來自H&P傳感器的數據來支持這些決策。”