一些最新的發(fā)展包括用于鉆研磨性地層和高溫地層的新型切削齒材料，有些8刀翼結(jié)構(gòu)鉆頭也應用了新型切削齒技術和新型材料，同時也采用了新型鉆頭體材料以便提高鉆頭的耐用性并改善性能，其結(jié)果之一就是能夠使鉆井作業(yè)商降低鉆井成本。
許多鉆頭技術實際上也就是在開發(fā)切削齒方面的材料技術，以便使鉆頭能夠在極度研磨性的地層中鉆進，這類齒能夠鉆硬地層和軟地層之間的過渡層以及夾層地層而不會發(fā)生斷裂。
　　在鉆頭本身的材料性質(zhì)方面也有所發(fā)展，使得鉆頭更為堅韌耐用，使設計工程師們能夠?qū)DC鉆頭設計用于鉆更硬的地層。使用更為堅韌的材料，可以增加布齒密度，從而又使得鉆頭更為堅韌耐用，使鉆井作業(yè)商能夠用一只鉆頭在即硬且研磨性很強的地層中實現(xiàn)更大的進尺。
　　美國史密斯國際公司的專家認為：切削齒越好，鉆頭鉆進的時間就越長，且能夠鉆更硬和研磨性更強的地層，鉆井作業(yè)商的鉆井成本也就越低。如果想要PDC鉆頭能夠在此類地層中有效鉆進，首先就必須使鉆頭上的切削齒能夠適應。另外，鉆頭上的刀翼數(shù)目越多，在鉆頭上安置的金剛石量也就越大。然而，當鉆頭工作已經(jīng)足夠穩(wěn)定時，我們就停止增加鉆頭的刀翼數(shù)目，目前史密斯公司的研發(fā)重點主要是集中在切削齒技術方面。
　　減少更換到牙輪鉆頭，然后再切換回PDC鉆頭所需的起下鉆次數(shù)，或是減少用帶有更多刀翼數(shù)目且布齒密度高的PDC鉆頭來替換刀翼數(shù)目少，且布齒密度低的PDC鉆頭的起下鉆次數(shù)，都可以節(jié)省時間和資金。國民油井華高公司的專家認為，一般而言，PDC鉆頭上的刀翼越多，布齒密度就越大，鉆頭上的金剛石量也就越大，鉆頭就越發(fā)耐用，其工作壽命也就越長。當然，與布齒密度低的鉆頭相比，布齒密度高的鉆頭在相同巖層中的鉆速會較低，但是，由于不用頻繁起下鉆更換鉆頭，所以還是能夠為鉆井作業(yè)商節(jié)省時間和資金。例如，所需鉆進的井段為1000英尺，一只布齒密度高的鉆頭能夠以較低的鉆速鉆完整個井段，這與布齒密度低但只能鉆500英尺的鉆頭相比，對于鉆井承包商而言成本還是較低的，因為這一只鉆頭能夠始終在井下鉆進而不用進行起下鉆作業(yè)來更換鉆頭。
　　下面是美國幾家主要鉆頭制造商在PDC鉆頭技術方面的最新發(fā)展動態(tài)。
　　貝克.休斯公司
　　貝克.休斯公司所屬的休斯.克里斯坦森公司推出的Quantec FORCE PDC鉆頭，是在調(diào)查了許多鉆頭參數(shù)以便改善鉆頭機械鉆速、耐用性、穩(wěn)定性、可操縱性、理想的切削結(jié)構(gòu)負載以及切削齒材料性質(zhì)的基礎上設計制造的。該公司在鉆頭設計過程中采用了有限元分析以保證鉆頭的結(jié)構(gòu)和機械完整性，采用計算流體動力學原理來評估鉆頭水力結(jié)構(gòu)的效率。優(yōu)化了的受力分布保證了鉆頭的穩(wěn)定性和鉆進效率，使鉆頭上所有的齒都能均勻一致的吃入地層。
　　該鉆頭的多齒排結(jié)構(gòu)使其能夠有效地鉆進多種巖層而不會犧牲其良好的鉆進性能，且該公司的切削深度控制（DOCC）技術使鉆頭更加穩(wěn)定，有助于更好的工具面控制。強化金剛石體積管理技術使切削結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，從而能夠根據(jù)具體用途來定制鉆頭輪廓以及切削齒布局。為了改善鉆頭的穩(wěn)定性，貝克•休斯公司應用了一種專有的鉆頭動態(tài)模型和受力分布方法，這能使切削結(jié)構(gòu)的受力更為一致，鉆進時需要較少的能量，且能在較低的機械鉆速（ROP）下優(yōu)化效率和穩(wěn)定性。
　　在該鉆頭上所采用的新型專用齒通過現(xiàn)場證明其耐磨性是前期切削齒的6倍；同時還優(yōu)化了金剛石層與碳化鎢基托之間的界面以實現(xiàn)更好的耐用性和熱穩(wěn)定性；采取新工藝使殘余應力遠離切削刃，再加上相應的穩(wěn)定技術，發(fā)生對切削齒來說的極度或損壞性負載的可能性大為減小。在Barnett頁巖地層中，該公司的一只新型PDC鉆頭鉆完了1,873英尺的Atoka砂巖和Bend礫巖井段，在保持與造斜點呈相切狀態(tài)的情況下達到了每小時47英尺的平均機械鉆速，這次鉆進為鉆井作業(yè)商節(jié)省了近35個小時，與鄰井相比降低作業(yè)成本58,000美元。
　　在美國德克薩斯州的一個石灰?guī)r地區(qū)，一只7 7/8英寸的Quantec Force Q507FX鉆頭被用于鉆Travis Peak/Cotton流域過渡區(qū)的硬砂巖和軟頁巖層段，這只鉆頭以每小時21.3英尺的鉆速鉆進了1,269英尺，比鄰井平均速度快了31%，且在6英里半徑中比鄰井平均進尺提高122%，這次鉆進為作業(yè)商節(jié)約了18個多小時，降低成本達每英尺24美元。
　　哈里伯頓公司
　　哈里伯頓公司推出的FX PDC鉆頭從胎體材料到粘結(jié)劑都使用了更為耐沖蝕的材料以防止液體沖蝕，該公司認為，其PDC齒是目前市場上熱機械性能最好的齒。經(jīng)過重新設計的刀翼幾何形狀和噴嘴定位也能夠提供更好的流體控制。
　　FX鉆頭上還采用了熱穩(wěn)定性能優(yōu)良和特別耐磨的X3齒，這種齒能夠提高鉆頭在極熱狀態(tài)下的穩(wěn)定性。該公司還采用了一種新型處理工藝，可以大幅減少金剛石切削結(jié)構(gòu)的破碎現(xiàn)象，從而有助于在實現(xiàn)更大進尺的情況下保持切削刃的鋒利。在定向鉆井應用中，F(xiàn)X固定切削齒鉆頭有效地補充了哈里伯頓公司所屬Sperry Drilling公司的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導向裝置以及相匹配的SlickBore鉆井系統(tǒng)，在加強了鉆斜控制的同時，還通過其抗沖擊減振齒的作用減小了鉆頭振動，抗沖擊減振齒能夠通過在井底巖脊間跟蹤運動從而減少跳鉆并使側(cè)向振動趨于穩(wěn)定。
　　如果用于硬地層鉆井，則該鉆頭可以設計成雙排齒結(jié)構(gòu)以便增加鉆進所需的金剛石量，但又不會減少鉆頭的開放面體積。
　　在墨西哥Burgos盆地區(qū)域，一位鉆井承包商在鉆水平井時需要一種能在單次鉆進6 1/8英寸井段時提高機械鉆速（ROP）的鉆頭，哈里伯頓公司向其推薦了裝有X3齒的6 1/8英寸FMX453Z PDC鉆頭，該鉆頭一次鉆進便鉆完了972米長的井段，創(chuàng)下了每小時70.4米的機械鉆速，比鄰井最高的機械鉆速快了18%，使這種井段的每英尺鉆井成本從每米58.37美元降低到每米21.31美元。
　　NOV井下公司
　　使用鉆頭和鉆柱擴眼器進行鉆井的挑戰(zhàn)是在非均質(zhì)地層中進行鉆進，原因是鉆頭和擴眼器常常處在不同的地層中，從而會造成加在鉆頭和擴眼器上的鉆壓和扭矩不穩(wěn)定，除了此類側(cè)向和扭轉(zhuǎn)振動方面的挑戰(zhàn)以外，在深水鉆井中的鉆機安裝也頗為不易，所以正確的選擇鉆頭和擴眼器就顯得格外重要。
　　具體的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在當遇到較硬地層或夾層時鉆頭和擴眼器切削結(jié)構(gòu)的過渡方面，例如，當鉆頭已進入硬地層而擴眼器卻仍在較軟地層中時，在地面上所顯示的主要鉆壓實際上是加在鉆頭上的鉆壓；同樣，大多數(shù)扭矩也是由鉆頭所產(chǎn)生的。當鉆頭開始在硬地層中鉆進時，切削力會迅速變化，極易產(chǎn)生側(cè)向振動。如果鉆頭上的扭矩增加很大的話，還會引發(fā)粘滑現(xiàn)象。
　　隨著鉆進的繼續(xù)，擴眼器進入較硬地層，施加到擴眼器上的鉆壓和扭矩會增加，相反，鉆頭上的扭矩和鉆壓則會減小，隨著擴眼器切削結(jié)構(gòu)進入抗壓強度較大的巖層，擴眼器處的側(cè)向振動將會增加，同樣，擴眼器處的扭轉(zhuǎn)振動（或粘滑現(xiàn)象）也會加大。當鉆頭處在較軟地層而擴眼器處在較硬地層時會出現(xiàn)最為糟糕的情況，此時，大多數(shù)鉆壓都由擴眼器所承受，且大多數(shù)扭矩也將由擴眼器所產(chǎn)生，所以在擴眼器處常常會發(fā)生側(cè)向振動或回旋現(xiàn)象，另外，擴眼器處扭矩的突然增大還會引發(fā)粘滑現(xiàn)象，此時鉆頭上的鉆壓會很小，有時幾乎就是懸掛在擴眼器下方，這種現(xiàn)象往往會導致很低的切削深度并使鉆頭產(chǎn)生極度回旋現(xiàn)象。
　　所以，選擇側(cè)向穩(wěn)定性好的鉆頭和擴眼器是很重要的，使鉆頭和擴眼器之間的進攻性相互匹配以減小鉆頭與擴眼器之間鉆壓和扭矩振動的幅度也同樣重要，尤其是當所鉆地層為夾層地層時更為如此。
　　為了解決這一問題，NOV（國民油井）井下公司特地開發(fā)了SystemMatcher鉆頭/擴眼器選型軟件以便優(yōu)化鉆頭和擴眼器進攻性以及穩(wěn)定性之間的匹配。首先從數(shù)據(jù)庫中選取Anderreamer工具的類型，并輸入地層強度的可變性以及特定鉆井應用所期望的轉(zhuǎn)速（RPM）和機械鉆速（ROP）范圍，在此基礎上，SystemMatcher便會應用邏輯表來描述鉆頭和Anderreamer工具的穩(wěn)定性和進攻性以使鉆頭與所選的擴眼器相匹配。
　　在墨西哥灣，里德•?？甯窆镜?4¾英寸7刀翼裝有16mm直徑PDC齒的鉆頭被選擇與14½英寸x16½英寸的Anderreamer擴眼器一同使用，所鉆井段完全符合定向井要求，且鉆進時的扭轉(zhuǎn)和側(cè)向振動非常低，鉆頭和擴眼器的鈍化狀態(tài)顯示磨損很小且沒有發(fā)生沖擊損壞。
　　在另一口井中，一家作業(yè)商用一種12英寸x 14英寸的液壓Anderreamer擴眼器與 NOV里德•海卡洛格公司的12英寸MSR813S鉆頭一同使用，該組合很順利的鉆完了整個井段，鉆進過程中振動非常小，沒有發(fā)生鉆具失效，且滿足了全部定向目標的要求。
　　隨著北美地區(qū)頁巖地層探明儲量的增加，各大鉆頭制造商都將目光集中到應對在這類地層鉆井的挑戰(zhàn)上，或是開發(fā)出新結(jié)構(gòu)的鉆頭產(chǎn)品，或是在現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)基礎上進行強化處理，以使其適合于具體的鉆井用途。上期介紹了貝克休斯、哈里伯頓、NOV井下公司的PDC鉆頭最新發(fā)展動態(tài)。這期繼續(xù)介紹美國三家公司的技術發(fā)展情況。
　　Shear Bits公司
　　快速通盤考慮鉆頭開發(fā)過程能夠大幅提高鉆頭的鉆井性能，該方法的一個成功案例就出現(xiàn)在加拿大西部市場，在Spearfish油頁巖區(qū)塊以創(chuàng)記錄的（短）時間鉆完了難于鉆進的單眼水平井段。
　　所鉆井的輪廓包括一個相對短的直井段，然后是一個小半徑造斜以及一個水平分支，用一只7-7/8英寸的PDC鉆頭一次鉆完。前期所用的PDC鉆頭都能在垂直井段、造斜井段或是水平井段獲得良好的鉆井性能，但沒有鉆頭能夠在全部三個井段都同時獲得最好的性能。
　　前期在該地區(qū)鉆井時在垂直井段達到每小時150米的機械鉆速是較常見的，在彎曲井段的目標造斜率為每30米8°～9°，另外，水平井段的平均長度大約為700米，通常的機械鉆速都在每小時50米以上，因此，所存在的一個很大的挑戰(zhàn)就是要開發(fā)出一種高機械鉆速，且在彎曲井段能打出高造斜率，在水平井段能夠?qū)崿F(xiàn)很好的穩(wěn)斜效果而不需要過度的對鉆頭進行操控的PDC鉆頭。還有一個重要的方面就是要使鉆頭結(jié)構(gòu)與定向工具的特征相吻合。
　　Shear Bits公司按客戶要求專門為此用途設計了一只7-7/8英寸的SD413E PDC鉆頭。該鉆頭的初期性能目標是使鉆頭在造斜井段實現(xiàn)最大的可操控性，而通過限制造斜或降斜趨勢從而最大程度的減小在水平分支內(nèi)的滑動時間。該鉆頭的特點是具有加長的螺旋保徑墊結(jié)構(gòu)以加強鉆頭在水平井段中的穩(wěn)斜能力，以及具有主動切削結(jié)構(gòu)和保徑外形以便提高其在彎曲井段的造斜能力。
　　這種最初結(jié)構(gòu)的鉆頭被使用了4次，每次鉆進時的定向響應都很好，但該公司技術人員又發(fā)現(xiàn)了一個能夠在垂直井段提高機械鉆速（ROP）的機會，所以在隨后的六個星期的時間內(nèi)，該公司又在前期結(jié)構(gòu)的基礎上開發(fā)出4種結(jié)構(gòu)的鉆頭，這4種新的鉆頭在鉆井時創(chuàng)下了一系列的記錄，其中最好的記錄是從開鉆到完鉆后拆卸鉆機只用了3.5天的時間，與最初結(jié)構(gòu)鉆頭的首次鉆進相比，整個井段的平均機械鉆速幾乎翻了一番。
　　在該項目開始時，該公司設計的SD413E PDC鉆頭的平均機械鉆速為每小時28~33米，但針對具體用途對鉆頭進行優(yōu)化后，取得了每小時57米的平均機械鉆速，且在垂直井段的瞬時機械鉆速達到了每小時200米。新型鉆頭很容易就能實現(xiàn)9°/30米的造斜速度，在井眼側(cè)向部分的滑動時間保持在低于6%的水平。
　　史密斯國際公司
　　史密斯國際公司對在巖石/切削齒界面處產(chǎn)生的摩擦熱進行了詳細的分析，這種摩擦熱是使得PDC鉆頭在硬巖和研磨性地層不易鉆進的一個主要因素。該公司還對PDC鉆頭在深井和高溫井中鉆進時通常會遇到的熱降解和微掉塊現(xiàn)象也進行了縝密的分析。該公司的研究表明，不同的應用需要不同的切削齒性能。一般而言，如要高效的鉆進研磨性地層，就需要切削齒具有較好的耐磨性和熱穩(wěn)定性；而抗沖擊性更好的齒則用于鉆夾層地層以及巖石強度更大的地層最為合適。該公司開發(fā)的ONYX切削齒技術是世界上第一種全面考慮了三個關系到PDC切削齒壽命長短關鍵因素的剪切切削元件，這三個關鍵因素包括熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊性。無論是與以前的標準齒還是優(yōu)質(zhì)PDC齒相比，這種新型切削齒都展現(xiàn)了更好的熱穩(wěn)定性能、更好的耐磨性以及更長的疲勞壽命。
　　這種新型切削齒的生產(chǎn)分為兩個步驟，首先用傳統(tǒng)的高溫高壓工藝制造出優(yōu)質(zhì)的聚晶金剛石（PCD）層，然后對該金剛石層進行酸處理以便得到無催化劑的金剛石片，將該金剛石片組裝到一種碳化鎢（WC）基托上而后再進行另一次高溫高壓處理。對最終產(chǎn)品還要再進行一次處理以便清除掉第二次高溫高壓工藝過程中的滲入材料。
　　與標準的優(yōu)質(zhì)切削齒相比，這種新型齒每單位所鉆巖石的磨平度大為減小，在冷卻狀況良好的情況下，新型齒所切除的巖石大約為傳統(tǒng)齒的130%，且試驗后的鈍化狀況也更好。而在沒有進行冷卻的一次類似試驗中，這種新型ONYX切削齒比傳統(tǒng)統(tǒng)優(yōu)質(zhì)齒多鉆了85%的巖石，鈍化狀況與傳統(tǒng)齒相比不相上下。
　　前期在西非地區(qū)用PDC鉆頭打12-1/4英寸井段時效果十分不理想，該井段含有既硬且又有研磨性的砂巖/頁巖夾層地層，地層抗壓強度大于20,000 psi。鉆該井段時通常需要用4～8只鉆頭，PDC鉆頭大多數(shù)情況下起出時鈍化狀況都很差，既有縮徑現(xiàn)象又有齒的嚴重磨損現(xiàn)象。在該地區(qū)改進鉆井的初期目標是一次鉆進打完該井段或是盡可能多的減少起下鉆次數(shù)。
　　為此，史密斯國際公司設計并制造了裝有加強齒且優(yōu)化了刀翼和噴嘴形狀的8刀翼12-1/4英寸MDSi816 PDC鉆頭，該鉆頭在2號和5號井中被用于旋轉(zhuǎn)導向鉆具組合上成功鉆進了研磨性很大的地層。
　　在2號井中，該鉆頭鉆完了從鉆井斜到總深（TD）的整個井段，這在該油田尚屬首次，起下鉆次數(shù)的減少為鉆井作業(yè)商節(jié)省了6天的時間，成本降低了二百萬美元。
　　在5號井中，進尺和機械鉆速幾乎都翻了倍，并且還有助于LWD（隨鉆測井）的數(shù)據(jù)捕獲，因而消除了鉆井以后再進行測井的需要。與3口鄰井的平均數(shù)據(jù)（6次鉆頭鉆進）相比，這種新型鉆頭的進尺(1,702 米)提高了165%，機械鉆速(21.18米/小時)提高122%，而且是一次鉆進便鉆完了該井段。
　　瓦瑞爾國際公司
　　瓦瑞爾國際公司最近正致力于改進其PDC鉆頭結(jié)構(gòu)以便能夠更好的在Haynesville頁巖地層中鉆進，這種地層含有研磨性很大的過渡性巖層，這類巖層會因造成過大的磨損而導致早期鉆頭磨損。在這類地層中用過的大多數(shù)鉆頭都存在著耐用性和機械鉆速二者之間的平衡問題。
　　該公司技術人員對該地區(qū)已用過的鉆頭的鈍化狀況以及鉆頭使用記錄進行了分析，發(fā)現(xiàn)許多鉆頭都是由于機械鉆速太低而被從井眼中起出的，在鉆頭切削結(jié)構(gòu)的關鍵部位有嚴重磨損現(xiàn)象，通過這一調(diào)查研究，使得現(xiàn)場工程師和鉆頭設計師最終決定開發(fā)出適合于硬地層鉆井和研磨性地層鉆井的兩種鉆頭結(jié)構(gòu)。對于硬地層鉆井，該公司所開發(fā)的Tough-Drill系列鉆頭經(jīng)現(xiàn)場證實能夠減小沖擊損壞、改善鉆頭清洗和切削結(jié)構(gòu)的冷卻效率。通過采用專用軟件對鉆頭切削進行分析，該公司開發(fā)出最適合硬地層鉆進且又不會犧牲鉆頭機械鉆速（ROP）的PowerCutter切削結(jié)構(gòu)，這種切削結(jié)構(gòu)在關鍵的鉆頭臺肩部位設計有較大的露齒高度和布齒密度，所以能夠以最大的機械鉆速在硬巖中鉆進，而且還能夠繼續(xù)鉆進更硬的砂巖或石灰?guī)r地層而不會發(fā)生過度的磨損或損壞。Tough-Drill鉆頭結(jié)構(gòu)在設計過程中采用動態(tài)流體動力學理論對其進行了分析，這有助于消除鉆井巖屑的重復研磨和重復循環(huán)，這兩種現(xiàn)象是在硬巖和研磨性地層鉆井時經(jīng)常出現(xiàn)的兩種不良現(xiàn)象。瓦瑞爾公司的技術人員同時還對抗研磨切削齒的質(zhì)量進行了多次試驗，以便保證在用于研磨性地層鉆井時能夠具有恰當?shù)慕饎偸６群蜔岱€(wěn)定性。在美國路易斯安那洲鉆井的一個作業(yè)商要求瓦瑞爾公司開發(fā)一種8刀翼、裝有16mm直徑PDC齒的鉆頭用于鉆9-7/8英寸井段。鉆該井段就必須通過十分難于鉆進且極具研磨性的Hosston和Cotton Valley巖層，在這類巖層中打井時鉆頭通常磨損很快。而該井段的最后600英尺是要通過Bossier地層，這是一種較軟的頁巖/石灰?guī)r組合地層，要求最好要用沒有磨損的切削結(jié)構(gòu)來進行鉆進。
　　鉆頭設計的主要目標是要提高其機械鉆速，但同時又不犧牲現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)的耐用性。另外，設計人員還研究了在鉆頭鉆入頁巖/石灰?guī)r地層時切削齒的優(yōu)越性。
　　這種新型鉆頭采用了部分PowerCutter切削結(jié)構(gòu)，在主刀翼上加裝了加強齒，在輔助刀翼上設計了碳化鎢防振齒，這種結(jié)構(gòu)為在研磨性和過渡性地層中鉆進提供了更好的穩(wěn)定性以及對主切削結(jié)構(gòu)的保護。
　　對于更為鋒利的鉆頭切削結(jié)構(gòu)，該公司在鉆頭上設計安裝了耐磨性能更好的齒以便防止此類地層對鉆頭切削結(jié)構(gòu)帶來的損壞，同時還可在鉆井作業(yè)的后期充分利用切削齒尺寸所帶來的優(yōu)勢。該公司的新型鉆頭實現(xiàn)進尺2,339英尺，鉆到了10,945英尺的總深，平均機械鉆速為每小時29.1英尺。在最近的一口鄰井中使用的一只其它鉆頭因機械鉆速太低而被起出，在Cotton Valley地層中僅鉆進了600英尺。瓦瑞爾國際公司的新型鉆頭使機械鉆速提高近30%，節(jié)約每英尺鉆井成本大約為30%。