在北美，作业者通过采用先进的圆锥形PCD元件和旋转PDC刀具技术，正在提高钻井机械钻速(ROP)，实现更少的钻头行程。

　　先进的PDC技术

　　随着北美进一步加强石油天然气的勘探开发，钻头的设计者已经采用新的技术，推出了两款新产品，其钻头钻井能力达到了最大：一个锥形PCD元件可以在钻头中心更有效地破岩，从而提高钻井机械钻速，同时聚晶金刚石复合片(PDC)刀具，通过采用它的整个圆周金刚石刃，围绕它的轴自转，有效地延长钻头行程。

　　通过更快的钻进机械钻速和钻头耐用性的增强，圆锥形PCD元件和旋转PCD刀具技术对油气作业者的钻井非常有帮助，可以大幅增加美国的石油产量。

　　锥形PCD元件

　　提高钻井机械钻速

　　不断努力研发更高效的聚晶金刚石(PDC)钻头，其重点在于钻头牙轮，这是由于两个固有的低效率：由于中心刀具相对低的转速，井筒中心的岩石去除有限;由于刀具中心深度的变化，这时钻头扭矩波动的潜力要求，刀具中心承受钻头最大承载能力。这两个低效率限制了钻井机械钻速，使得钻头更容易破坏横向/扭转冲击和振动的有效性。

　　钻头的设计师对这些刀具的移动做了理论上的说明，认为它们将提高钻头的整个剪切效率，这是通过应力消除，开发岩柱，然后使用锥形聚晶金刚石(PDC)元件进行破岩。此新元件具有独特的锥形几何结构和一个超厚合成金刚石层，该金刚石层的厚度是常规PDC刀具金刚石层的两倍。它的材料设计为提供优质的耐磨损和冲击荷载的材料。为了实现最大的钻井能力，一个集成的钻头设计平台软件被用于优化刀具结构和切削模型特征。

　　这个锥形金刚石元件定位在削面结构的中心，其锥形尖垂直向下对准岩石。当钻头旋转时，金刚石元件主要用于岩柱，其是连续的重载点，具有较高的轴压比，可以破岩。这种机理能够确保钻头实现钻井机械钻速更快和减少振动的可能性。岩柱的破裂也形成了更多的岩屑碎片，可用于进一步的岩层分析。

　　通过实验室测试核实了井底剖面，并研究钻头特征和锥形金刚石钻头。使用完全加压的钻井模拟器，使用常规PDC钻头和配备锥形元件的钻头，钻探各种不同的岩层。仔细研究由不同钻头类型形成的井底模式确定，具有锥形元件的钻头已经在钻孔中心产生了一个小口径的岩柱。在钻井过程中，所收集的岩屑远远大于常规 PDC钻头产生的那些岩屑。

　　在现场试验开始之前，工程师确定现有的钻头设计达到了预期要求,但认为，希望进一步改进的是提高整体钻井能力。接着这些设计的修改包括锥形元件，并在现场进行了能力评估。对美国西部中进行的30多个单独钻井行程的详细研究表明,采用新钻头，超过50%的钻井行程都被进行了评估，高于平均值的钻井机械钻速，平均钻井机械钻速增加的20%的偏置应在钻头行程内。在德克萨斯州和俄克拉荷马州狭长地带区域中，平均机械钻速提高了25%。

　　在美国北达科他州的威利斯顿盆地，锥形元件的现场测试表明，具有更好钻井能力的PDC钻头在好的、不锋利钻头条件下，可以运离钻孔，在锥形元件上显示没有磨损。该新钻头在可导向钻具组合中运行，通过混合夹层层序，在类似的垂直孔中应用，包括砂泥岩层、盐和石灰石/白云石/无水石膏，其无侧限抗压强度范围是从2000psi到25000psi。

　　PDC钻头如果没有锥形元件，其钻探一个1,995m(6,583ft)的地质断面，钻井机械钻速为29.4m/hr)(97ft/hr);相比之下，PDC钻头安装了锥形元件，钻探相同长度的断面，钻井机械钻速为61.5m/hr(203ft/hr)。据了解，总的来说，配有锥形元件的钻头的钻井机械钻速要比其它钻头的平均钻井机械钻速4.8m/hr(115ft/hr)高46%。

　　旋转PDC切削齿延伸钻头寿命

　　尽管PDC钻头及技术已经广泛使用了40年，但目前固定PDC剪切元件的固有限制——只有相对较小的一部分刀刃接触到地层，因此，整个刀具也只有一小部分有助于钻头的耐用性和钻井能力。

　　当固定刀具用于地层时，由于机械性和热效应，刀具磨损，且破裂。刀具刃的这种持续退化将导致剪切效率失去，从而终止钻头行程。

　　ONYX 360辊轧PDC刀具是随着几年来对理想材料、轧制机理和提高钻井的能力的确定，该产品才最终成功研制。辊轧PDC刀具安装在钻头体，这允许它自由旋转。在钻井过程中，根据刀具在岩石凹坑中的旋转，整个圆周接触岩石，这使磨损得到重新分配，从而它可以确保金刚石刀具刃锋利性在整个钻井过程中能够保持更持久。因为这些在里面被冷却得越有效，刀具在井下存在的时间更长，从而导致钻头寿命进一步延长。为评估滚切刀的持久性，做了大量的实验室测试。在钻一个花岗岩测试试样中，该新刀具证明了，与高端固定刀具相比，它的使用寿命提高了6倍。滚切刀的锋利性分析表明，它整体旋转，甚至磨损它的整个360°圆周。对滚切刀的现场测试，该技术安排在这样的应用环境中，也就是常规PDC钻头在相对短的行程中要经历严重的磨损的条件。

　　花岗岩质砂岩层是由石英、长石和石英/方解石胶结组成。此地层通常使用导向马达井底钻具组合勘探，这主要是长距离的横向钻探，有助于增加储层接触。

　　PDC钻头安装了旋转PDC刀具，其安放在邻近的固定刀具，这可衡量滚切刀的钻井能力和磨损特征。这些钻头在花岗岩质砂岩层中一直增加进尺达20%或者更多，刀具锋利的评估表明，刀具没有失去效率和100%刀具的旋转。常规固定PDC元件显示，磨损薄片T1,甚至更高，而旋转PDC刀具表明了整个金刚石刀刃上的均匀分布的磨伤迹。