随着北美地区页岩地层探明储量的增加，各大钻头制造商都将目光集中到应对在这类地层钻井的挑战上，或是开发出新结构的钻头产品，或是在现有钻头结构基础上进行强化处理，以使其适合于具体的钻井用途。上期介绍了贝克休斯、哈里伯顿、NOV井下公司的PDC钻头最新发展动态。这期继续介绍美国三家公司的技术发展情况。
  
    Shear Bits公司

    快速通盘考虑钻头开发过程能够大幅提高钻头的钻井性能，该方法的一个成功案例就出现在加拿大西部市场，在Spearfish油页岩区块以创记录的（短）时间钻完了难于钻进的单眼水平井段。

    所钻井的轮廓包括一个相对短的直井段，然后是一个小半径造斜以及一个水平分支，用一只7-7/8英寸的PDC钻头一次钻完。前期所用的PDC钻头都能在垂直井段、造斜井段或是水平井段获得良好的钻井性能，但没有钻头能够在全部三个井段都同时获得最好的性能。

    前期在该地区钻井时在垂直井段达到每小时150米的机械钻速是较常见的，在弯曲井段的目标造斜率为每30米8°～9°，另外，水平井段的平均长度大约为700米，通常的机械钻速都在每小时50米以上，因此，所存在的一个很大的挑战就是要开发出一种高机械钻速，且在弯曲井段能打出高造斜率，在水平井段能够实现很好的稳斜效果而不需要过度的对钻头进行操控的PDC钻头。还有一个重要的方面就是要使钻头结构与定向工具的特征相吻合。

    Shear Bits公司按客户要求专门为此用途设计了一只7-7/8英寸的SD413E PDC钻头。该钻头的初期性能目标是使钻头在造斜井段实现最大的可操控性，而通过限制造斜或降斜趋势从而最大程度的减小在水平分支内的滑动时间。该钻头的特点是具有加长的螺旋保径垫结构以加强钻头在水平井段中的稳斜能力，以及具有主动切削结构和保径外形以便提高其在弯曲井段的造斜能力。

    这种最初结构的钻头被使用了4次，每次钻进时的定向响应都很好，但该公司技术人员又发现了一个能够在垂直井段提高机械钻速（ROP）的机会，所以在随后的六个星期的时间内，该公司又在前期结构的基础上开发出4种结构的钻头，这4种新的钻头在钻井时创下了一系列的记录，其中最好的记录是从开钻到完钻后拆卸钻机只用了3.5天的时间，与最初结构钻头的首次钻进相比，整个井段的平均机械钻速几乎翻了一番。

    在该项目开始时，该公司设计的SD413E PDC钻头的平均机械钻速为每小时28~33米，但针对具体用途对钻头进行优化后，取得了每小时57米的平均机械钻速，且在垂直井段的瞬时机械钻速达到了每小时200米。新型钻头很容易就能实现9°/30米的造斜速度，在井眼侧向部分的滑动时间保持在低于6%的水平。

    史密斯国际公司

    史密斯国际公司对在岩石/切削齿界面处产生的摩擦热进行了详细的分析，这种摩擦热是使得PDC钻头在硬岩和研磨性地层不易钻进的一个主要因素。该公司还对PDC钻头在深井和高温井中钻进时通常会遇到的热降解和微掉块现象也进行了缜密的分析。

    该公司的研究表明，不同的应用需要不同的切削齿性能。一般而言，如要高效的钻进研磨性地层，就需要切削齿具有较好的耐磨性和热稳定性；而抗冲击性更好的齿则用于钻夹层地层以及岩石强度更大的地层最为合适。

    该公司开发的ONYX切削齿技术是世界上第一种全面考虑了三个关系到PDC切削齿寿命长短关键因素的剪切切削元件，这三个关键因素包括热稳定性、耐磨性和抗冲击性。无论是与以前的标准齿还是优质PDC齿相比，这种新型切削齿都展现了更好的热稳定性能、更好的耐磨性以及更长的疲劳寿命。

    这种新型切削齿的生产分为两个步骤，首先用传统的高温高压工艺制造出优质的聚晶金刚石（PCD）层，然后对该金刚石层进行酸处理以便得到无催化剂的金刚石片，将该金刚石片组装到一种碳化钨（WC）基托上而后再进行另一次高温高压处理。对最终产品还要再进行一次处理以便清除掉第二次高温高压工艺过程中的渗入材料。

    与标准的优质切削齿相比，这种新型齿每单位所钻岩石的磨平度大为减小，在冷却状况良好的情况下，新型齿所切除的岩石大约为传统齿的130%，且试验后的钝化状况也更好。而在没有进行冷却的一次类似试验中，这种新型ONYX切削齿比传统统优质齿多钻了85%的岩石，钝化状况与传统齿相比不相上下。

    前期在西非地区用PDC钻头打12-1/4英寸井段时效果十分不理想，该井段含有既硬且又有研磨性的砂岩/页岩夹层地层，地层抗压强度大于20,000 psi。钻该井段时通常需要用4～8只钻头，PDC钻头大多数情况下起出时钝化状况都很差，既有缩径现象又有齿的严重磨损现象。在该地区改进钻井的初期目标是一次钻进打完该井段或是尽可能多的减少起下钻次数。

    为此，史密斯国际公司设计并制造了装有加强齿且优化了刀翼和喷嘴形状的8刀翼12-1/4英寸MDSi816 PDC钻头，该钻头在2号和5号井中被用于旋转导向钻具组合上成功钻进了研磨性很大的地层。

    在2号井中，该钻头钻完了从钻井斜到总深（TD）的整个井段，这在该油田尚属首次，起下钻次数的减少为钻井作业商节省了6天的时间，成本降低了二百万美元。

    在5号井中，进尺和机械钻速几乎都翻了倍，并且还有助于LWD（随钻测井）的数据捕获，因而消除了钻井以后再进行测井的需要。与3口邻井的平均数据（6次钻头钻进）相比，这种新型钻头的进尺(1,702 米)提高了165%，机械钻速(21.18米/小时)提高122%，而且是一次钻进便钻完了该井段。

    瓦瑞尔国际公司

    瓦瑞尔国际公司最近正致力于改进其PDC钻头结构以便能够更好的在Haynesville页岩地层中钻进，这种地层含有研磨性很大的过渡性岩层，这类岩层会因造成过大的磨损而导致早期钻头磨损。在这类地层中用过的大多数钻头都存在着耐用性和机械钻速二者之间的平衡问题。

    该公司技术人员对该地区已用过的钻头的钝化状况以及钻头使用记录进行了分析，发现许多钻头都是由于机械钻速太低而被从井眼中起出的，在钻头切削结构的关键部位有严重磨损现象，通过这一调查研究，使得现场工程师和钻头设计师最终决定开发出适合于硬地层钻井和研磨性地层钻井的两种钻头结构。

    对于硬地层钻井，该公司所开发的Tough-Drill系列钻头经现场证实能够减小冲击损坏、改善钻头清洗和切削结构的冷却效率。通过采用专用软件对钻头切削进行分析，该公司开发出最适合硬地层钻进且又不会牺牲钻头机械钻速（ROP）的PowerCutter切削结构，这种切削结构在关键的钻头台肩部位设计有较大的露齿高度和布齿密度，所以能够以最大的机械钻速在硬岩中钻进，而且还能够继续钻进更硬的砂岩或石灰岩地层而不会发生过度的磨损或损坏。Tough-Drill钻头结构在设计过程中采用动态流体动力学理论对其进行了分析，这有助于消除钻井岩屑的重复研磨和重复循环，这两种现象是在硬岩和研磨性地层钻井时经常出现的两种不良现象。

    瓦瑞尔公司的技术人员同时还对抗研磨切削齿的质量进行了多次试验，以便保证在用于研磨性地层钻井时能够具有恰当的金刚石粒度和热稳定性。

    在美国路易斯安那洲钻井的一个作业商要求瓦瑞尔公司开发一种8刀翼、装有16mm直径PDC齿的钻头用于钻9-7/8英寸井段。钻该井段就必须通过十分难于钻进且极具研磨性的Hosston和Cotton Valley岩层，在这类岩层中打井时钻头通常磨损很快。而该井段的最后600英尺是要通过Bossier地层，这是一种较软的页岩/石灰岩组合地层，要求最好要用没有磨损的切削结构来进行钻进。

    钻头设计的主要目标是要提高其机械钻速，但同时又不牺牲现有钻头结构的耐用性。另外，设计人员还研究了在钻头钻入页岩/石灰岩地层时切削齿的优越性。

    这种新型钻头采用了部分PowerCutter切削结构，在主刀翼上加装了加强齿，在辅助刀翼上设计了碳化钨防振齿，这种结构为在研磨性和过渡性地层中钻进提供了更好的稳定性以及对主切削结构的保护。

    对于更为锋利的钻头切削结构，该公司在钻头上设计安装了耐磨性能更好的齿以便防止此类地层对钻头切削结构带来的损坏，同时还可在钻井作业的后期充分利用切削齿尺寸所带来的优势。该公司的新型钻头实现进尺2,339英尺，钻到了10,945英尺的总深，平均机械钻速为每小时29.1英尺。在最近的一口邻井中使用的一只其它钻头因机械钻速太低而被起出，在Cotton Valley地层中仅钻进了600英尺。瓦瑞尔国际公司的新型钻头使机械钻速提高近30%，节约每英尺钻井成本大约为30%。
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