钻井过程中的技术创新，看世界 PDC 钻头的最新进展（一）研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森 Quantec Force 强力 PDC 钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8 刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本一位服务于 Varel 国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（ Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏” 在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的 PDC 钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺” 。
一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少” 弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个 PDC 钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多” 然而，弗莱明先生接着又说：“当钻头处于动态稳定的状态时，我们将会停止增加刀翼的数量，史密斯钻头目前就是这样做的，接下来把精力集中在切削齿技术上，不一定要增加更多的刀翼数量” 全球产品冠军 NOV 井下公司的定向专家皮尔斯加勒特补充说：“减少更换牙轮钻头的起下钻，转为选用一只 PDC 钻头，或用一只较多刀翼的重型钻头替代一只较少刀翼的轻型钻头，以节省时间和成本，一般来说，刀翼越多，切削齿和金刚石体的密度就越高，钻头的耐用性就越高，钻头钻进的时间就越长” 皮尔斯先生说：“与较少刀翼的轻型钻头相比，这只多刀翼的重型钻头会打的较慢” 不过，皮尔斯先生解释说：“由于没有起下钻换钻头，这只钻头仍然节省了作业者的时间和成本，例如：如果地层段是 1000 英尺（305 米） ，虽然多刀翼钻头打的较慢，但这只钻头打完了整个层段，而一只轻型钻头虽然打的较快，但仅能打 500 英尺（152 米） ，那么对于作业者来说，用一只钻头持续在井里打完整个层段则会更省钱” 。
以下介绍几种新设计的 PDC 钻头和它们的现场表现：贝克休斯公司贝克休斯的休斯克里斯滕森 Quantec Force 强力 PDC 钻头，经过多项钻头参数的改进试验，得出的结论是：提高了钻头的机械钻速、耐用性、稳定性、方向可控性、切削齿结构的理想载荷及切削齿材质的性能，有限的元素分析用以保证结构的和力学的完美结合，计算的流体力学有助于液效率的评估，最优化的破岩效力的分配确保了钻头的稳定性和钻进效率，使得所有的切削齿都能均匀持续地吃进地层多排切削齿能使钻头应对各种岩性而不会牺牲钻头性能，贝克休斯的切割深度控制（DOCC）技术为钻头提供了一个稳定的、低震动的切削面控制，对于一个特定的应用，定制的钻头外形和切削齿布局，增强了金刚石体的破岩能力，使钻头的切削结构达到最佳贝克休斯将一项有专利的钻头力学模型与破岩力分布的实践相结合，提高了钻头的稳定性，使切削结构更加均匀连贯地承载负荷，依赖更低的能量钻进井眼，即使在较低机械钻速的情况下，也能获得最佳的效率和稳定性，它的平滑切割深度控制（SmoothCut DOCC）技术降低了钻头的损坏据贝克休斯公司发布的消息称，两项特定应用的新型切削齿已在现场得到验证，比先前切削齿的抗磨性能提高了 6 倍，在金刚石切削面与碳化物基岩面相互作用的过程中，获得了耐用性和热稳定性更高的最佳效果，切削刃上的残余应力被迁移，结合稳定性技术，减少了极端的和切削齿毁坏载荷的风险。
历史案例在巴尼特（Barnett）页岩的钻进过程中，新钻头以平均 47 英尺/每小时（14.32 米/ 每小时）的机械钻速，保持起始点的切线方向，打了 1873 英尺（571 米）的阿托卡（Atoka）砂岩和本德（bend）砾岩段，钻进节省了作业者近 35 小时，相比之前的补偿井，减少了钻井费用 58000 美元在德克萨斯州某县的一口石灰岩井，一只 7 7/8 英寸的 Quantec Force 强力 Q507FX型 PDC 钻头用来打特拉维斯峰（Travis Peak）和棉花谷（ Cotton Valley）不规则的硬砂岩和软页岩的过渡层系，钻头以平均 21.3 英尺/每小时（6.5 米/ 每小时）的机械钻速打了1269 英尺（386.8 米） ，比补偿井平均快了 31%，比一个 6 英里半径范围内的补偿井平均多打了 122%的进尺，钻进节省了作业者 18 小时以上的钻井时间，每英尺节约成本 24 美元哈里伯顿钻头与服务公司哈里伯顿钻头与服务分公司的 FX 钻头从铸型到黏合剂都使用了更抗腐蚀的材料，以抵御流体的腐蚀，正像该公司认为的那样，FX 钻头是市场上任何 PDC 钻头切削齿热力学性能最高的产品，新设计刀翼的几何形状和喷嘴布局都提供了极好的流控制特性。
据公司报道，FX 钻头包括了热稳定性和高抗磨损的 X3 切削齿，这种切削齿增强了钻头承受极高温的能力，一种新的加工处理方法显著地降低了金刚石切削结构的损坏概率，有助于保持钻头的切削齿打更多的进尺在定向应用方面，FX 固定切削齿钻头有效地充实了斯佩里（Sperry）钻井技术服务公司的地质引导（Geo-Pilot）旋转导向钻井系统和井眼平滑（SlickBore）钻井配套系统，增强了钻进的偏斜控制，通过对制动器的作用，使钻头的震动明显减小，通过跟踪井底地层间的鼓脊形状，减少了钻头的跳动，稳定了钻具的侧摆哈里伯顿钻头与服务公司的 FX 钻头采用了更抗腐蚀的材料和先进的刀刃技术，使切削齿更抗磨损，为了打更硬的地层，钻头设计为双排齿结构，以增加可用的金刚石数量，而不减少钻头的开面体积案例研究在墨西哥的布尔戈斯盆地，一个打定向井的作业公司需要一只能提高机械钻速的 6 1/8英寸的钻头，用一只钻头打一个井段，哈里伯顿公司推荐了一只 6 1/8 英寸 FMX453Z 型号的钻头，该型钻头设计使用了 X3 切削齿，单只钻头下井打了整 972 米井段，创造了一项机械钻速 70.4 米/每小时、高于该区块最快井 18%的现场纪录，这个井段的每米进尺成本从 58.37 美元下降为 21.31 美元。
NOV 井下公司同时下一只钻头和钻具扩眼器组合打一些非同介质的地层仍面临着挑战，这是由于钻头和扩眼器时常处于不同的岩石地层，这会导致施加在钻头和扩眼器上的钻压和扭矩分配变得漂浮不定，增加了此时钻具的侧摆和扭力摆动，还有钻机在深水作业中的提升挑战，正确的选择钻头和扩眼器则变得尤为关键典型的挑战包括，当遇到更硬的地层或纤维状地层时，钻头与扩眼器的过渡变化，例如：当钻头钻入一个硬地层时，而扩眼器可能仍处在一个较软的地层，地面显示的钻压实际上大部分被钻头占用，同样，大多数扭矩由钻头产生，由于钻头开始打硬岩石层，切削力变化极大，容易产生钻具侧摆，如果此时钻头的扭矩增加太大，可能会开始出现粘滑NOV 井下公司的钻头扩眼器选择软件可以使钻头与扩眼器得到最优的匹配，钻头与扩眼器更具有可钻性和稳定性随着钻进的继续，扩眼器进入更硬的岩石层，作用在扩眼器上的钻压和扭矩将会增加，相反，钻头上的钻压和扭矩则会减小，当扩眼器的切削刀刃吃入更高压缩强度的岩石时，扩眼器的侧摆等级可能会增加，同样，扩眼器的扭力摆动等级或粘滑等级也会增加当钻头处于较软的地层而扩眼器处于硬地层时，最糟糕的情况出现了，这时，施加的大部分钻压被扩眼器占用，大多数扭矩由扩眼器产生，扩眼器的侧摆或涡旋时常显现，另外，扩眼器扭矩的突然增加可能会开始出现粘滑，留给钻头的钻压会非常低，在某些情况下，钻头几乎悬挂在扩眼器下，导致钻头过度旋转而进尺很低的危险情景。
在钻头与扩眼器之间，实现两种工具的可钻性匹配，减小钻压和扭矩摆动量级，确保良好的侧稳定性，钻头和扩眼器的选择至关重要，特别是用在有夹层的地层为了应对这种情况，NOV 井下公司开发了一种钻头扩眼器匹配系统选择软件，这个软件可以使钻头与扩眼器得到最佳的匹配，优选出可钻性与稳定性匹配的钻头和扩眼器，井下扩眼工具的类型从数据库中挑选，对于具体的应用，要考虑地层强度的变化，输入预计的转速和机械钻速范围，从这些参数中，系统匹配软件采用逻辑表格形式描述出钻头和与其匹配的扩眼器，使稳定性和可钻性达到最优案例研究在墨西哥湾，7 刀翼 16 毫米切削齿 14 3/4 英寸的 ReedHycalog 钻头被选中，匹配一套14 1/2 英寸 x 16 1/2 英寸的扩眼器，该设计满足了所有的定向要求，以很低的扭矩和侧摆量级打完了指定井段，使用后的钻头和扩眼器磨损程度很低，新度很高在另一口井，作业者使用了一套 12 1/4 英寸 x 14 1/2 英寸的液力扩眼器与一只 NOV公司的 12 1/4 英寸 MSR813S 型号的 ReedHycalog 钻头，以很低的震动打完了整个井段，钻头和扩眼器没有损坏，所有的定向目标满足要求。
中国石油渤海钻探第三钻井工程公司：李智鹏。