隨著北美地區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上，或是開發出新結構的鉆頭產品，或是在現有鉆頭結構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鉆頭最新發展動態。這期繼續介紹美國三家公司的技術發展情況。
  
    Shear Bits公司

    快速通盤考慮鉆頭開發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在加拿大西部市場，在Spearfish油頁巖區塊以創記錄的（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就是要開發出一種高機械鉆速，且在彎曲井段能打出高造斜率，在水平井段能夠實現很好的穩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構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的滑動時間。該鉆頭的特點是具有加長的螺旋保徑墊結構以加強鉆頭在水平井段中的穩斜能力，以及具有主動切削結構和保徑外形以便提高其在彎曲井段的造斜能力。

    這種最初結構的鉆頭被使用了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現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，該公司又在前期結構的基礎上開發出4種結構的鉆頭，這4種新的鉆頭在鉆井時創下了一系列的記錄，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，與最初結構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9°/30米的造斜速度，在井眼側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定性、耐磨性和抗沖擊性。無論是與以前的標準齒還是優質PDC齒相比，這種新型切削齒都展現了更好的熱穩定性能、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分為兩個步驟，首先用傳統的高溫高壓工藝制造出優質的聚晶金剛石（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。

    與標準的優質切削齒相比，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切削齒比傳統統優質齒多鉆了85%的巖石，鈍化狀況與傳統齒相比不相上下。

    前期在西非地區用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鉆頭大多數情況下起出時鈍化狀況都很差，既有縮徑現象又有齒的嚴重磨損現象。在該地區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。

    為此，史密斯國際公司設計并制造了裝有加強齒且優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，起下鉆次數的減少為鉆井作業商節省了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）的數據捕獲，因而消除了鉆井以后再進行測井的需要。與3口鄰井的平均數據（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鉆頭結構以便能夠更好的在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，發現許多鉆頭都是由于機械鉆速太低而被從井眼中起出的，在鉆頭切削結構的關鍵部位有嚴重磨損現象，通過這一調查研究，使得現場工程師和鉆頭設計師最終決定開發出適合于硬地層鉆井和研磨性地層鉆井的兩種鉆頭結構。

    對于硬地層鉆井，該公司所開發的Tough-Drill系列鉆頭經現場證實能夠減小沖擊損壞、改善鉆頭清洗和切削結構的冷卻效率。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切削結構，這種切削結構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，而且還能夠繼續鉆進更硬的砂巖或石灰巖地層而不會發生過度的磨損或損壞。Tough-Drill鉆頭結構在設計過程中采用動態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，這兩種現象是在硬巖和研磨性地層鉆井時經常出現的兩種不良現象。

    瓦瑞爾公司的技術人員同時還對抗研磨切削齒的質量進行了多次試驗，以便保證在用于研磨性地層鉆井時能夠具有恰當的金剛石粒度和熱穩定性。

    在美國路易斯安那洲鉆井的一個作業商要求瓦瑞爾公司開發一種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/石灰巖組合地層，要求最好要用沒有磨損的切削結構來進行鉆進。

    鉆頭設計的主要目標是要提高其機械鉆速，但同時又不犧牲現有鉆頭結構的耐用性。另外，設計人員還研究了在鉆頭鉆入頁巖/石灰巖地層時切削齒的優越性。

    這種新型鉆頭采用了部分PowerCutter切削結構，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，這種結構為在研磨性和過渡性地層中鉆進提供了更好的穩定性以及對主切削結構的保護。

    對于更為鋒利的鉆頭切削結構，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構帶來的損壞，同時還可在鉆井作業的后期充分利用切削齒尺寸所帶來的優勢。該公司的新型鉆頭實現進尺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%，節約每英尺鉆井成本大約為30%。