作者：Craig Fleming

编译：周诗雨

为了应对低油价，石油工业各行各业都是八仙过海，各显神通。钻头生产商也不例外。通过改进钻头的结构、切削齿的结构以及加入实时优化系统等措施，以期改善钻头的性能、提高钻速、减少起下钻次数，从而为钻井各作业程序省时省钱。随着油气价格的下降，对钻头进行改进对于降低钻井费用、减少单位进尺成本就显得非常重要了。与其他底部钻具组合的部件相比，钻头成本相对较低，但是钻头的性能对于钻井的总成本影响非常大。

现如今经济环境低迷，加之井身结构越来越复杂，这都促使钻头生产商努力提高钻进效率和钻头性能。在常规作业中，钻头的使用寿命和机械钻速（ROP）是用来评价的两个重要指标，这些参数也直接决定了PDC钻头或者牙轮钻头的性价比。从经济角度来看，钻头的寿命决定了更换钻头的起下钻次数，而机械钻速则会影响整个钻井过程的作业时间。总之，这两个基本参数直接影响了钻井总成本。

尽管硬质合金和PDC切削钻头的质量一直不断提高，然而软件模拟和电脑辅助设计系统却变得越来越重要。专业的评估软件可以通过裸眼测井的数据来量化地层参数，然后将这些参数值输入到模拟软件中，设计出专门适合某一井眼轨迹或地层类型的PDC钻头或者牙轮钻头。随着油价的降低和各种各样新标准的出现，钻头生产商必须改进他们的硬件设施和生产工具，并寻找进一步降低钻井成本的新方法。

直接输入操作系统加速优化进程

▲MageForce PDC钻头能有效应对各种高难度地层的钻井作业。

哈里伯顿钻头的业务链主要集中在提高钻井效率和应对目前的低油价危机方面。哈 里伯顿推出的“用户设计界面”Design at the Customer Interface (DatCI)，可以借助现场第一手资料改进钻头功能设计，从而促进产品研发，进而能够实现快速解决现场施工难题。“用户设计界面”流程的第一步为：直接由现场施工人员输入数据，从而指导下一步操作。

随后，公司的工程师通过运用大量不同类型的分析工具，如模拟、分析和设计软件，以此优选出能够改善钻进性能的最佳钻头。

接下来，会有一个拥有丰富现场实践经验的设计团队对施工流程进行现场指导。这种快速反应系统可以快速解决各种现场应用难题，从而实现钻井效率最大化，直接节省开支。“用户设计界面”在俄克拉何马州的应用提高了其钻速（ROP），对密西西比灰岩地 层弯曲井段也发起了挑战，通过与甲方的钻井工程师合作，公司选择了MegaForce系列的MMD64C 型PDC钻头，并配以Select型切削齿（上图）。

该钻头钻井进尺481英尺（约147m）深，平均钻速43.7 英尺/小时（13,32m/小时），与之前的钻头相比，节省了30%的钻井时间，钻速也提高了51%。“用户设计界面”流程还可以用于优化牙轮钻头性能。

在印度尼西亚的一个地热井 施工中，所采用的12-1/4寸硬质合金牙轮钻头（TCI）的工作性能和寿命都受到了影响，由于高温的环境导致轴承过早损坏。工程师通过借助 “用户设计界面”程序，对压力接触密封圈重新进行了优化设计、使其更加适应地层环境。现场结果表明该设计提高了钻头的可靠性。

优化钻头本体设计提高性能

▲新的钻头体结构和抛磨牙轮提高了NOV公司Tektonic PDC钻头的钻速，降低其非生产时间。

National Oilwell Varco的Tektonic型钻头因其先进的钻头本体结构而著称，可以克服页岩、灰岩和硬地层中水平井、直井和导向井段钻进时出现的难题（上图）。NOV公司的研发团队研究了岩石破坏机理和岩屑产生过程，加深了对钻头设计和岩屑携带机理的理解，并以此为依据设计了Tektonic钻头。

大量的室内和现场试验，保证了每个Tektonicc PDC钻头都能将磨损程度降至最低，减少了因高温和冲击造成的损坏。前倾的刮刀结构优化了刮刀的高度和宽度，从而提高排屑效率。钻头装有Reflektor型抛光牙轮，可以减少摩擦和降低切削温度，因此提高了钻速并最大限度的减少了非生产时间。刮刀前缘整个金刚石面完全暴露在外，这样流体可以渗透整个切削面，防止页岩黏附在刮刀前部。

这种设计提高了钻井效率，同时减轻了钻头泥包的情况。优化后的螺旋刮刀减少了牙轮-岩石接触面处的局部压力。刮刀本体上增大的切削结构为移除岩屑提供了更方便的路径，最大限度降低了相邻牙轮在岩石上的局部压持作用，同时降低了破坏岩石所需的能量。

采用最新版本的软件，使之能够更好模拟实时钻井情况，现场钻井设计工程师也可以更好地了解井底情况，从而更加高效的针对不同的情况进行量体裁衣。动态旋转钻头模型可以模拟偏心运动和实际钻井中钻头的作用力变化情况，这比传统的偏心模型更符合井底情况。同时，改进的渗流模型可量化和提高水力清洗及冷却性能。

上述这些技术还包括切削面详细检查和流体剪切应力以及最新的窜流调节、岩屑体积检查新技术。在威林斯顿盆地，作业人员使用电动井下钻具组合配合6英寸Tecktonic钻头使用，在中间套管进行侧向钻进直至全井深。

整个侧向钻井的过程仅使用了一套井下钻具组合，以145英尺/小时的平均钻速钻进9446英尺（约2880米）。平均钻速提高了39%，创造了该公司最快侧向钻进的记录，与其他超过1000英尺（约308米）深的地层相比，其平均钻速也是最快的。

抗磨损旋转切削齿

▲旋转切削齿使用了PDC切削齿的整个切削边缘，增加了钻头在耐磨性地层的耐用性。

斯伦贝谢的子公司——Smith研发的ONYX 360度旋转PDC切削齿，该钻头切削尺的全部边刃都能参与切屑。在切削结构易磨损的肩部区域，精心设计了这些旋转切削齿，如上图所示。由于这些切削齿可以旋转，因此其可以在较长的一段时间内保持锋利。该公司最近推出了一种直径16mm的新型旋转切削齿，在南美的侧向井、陆上和海上的复杂夹层钻井中得到了广泛应用。

俄克拉何马州西部使用这种配有16mm旋转切削齿的6-1/8英寸7翼刮刀PDC钻头，来钻进磨蚀严重的砂岩地层的水平段。 在连续钻进6口井的过程中，安装有旋转切削齿的PDC钻头进尺增加了100%，平均钻速提高了40%。在路易斯安那州的一口陆地井中，采用了安装有16mm旋转切削齿的6翼刮刀的PDC钻头，在上部井段部分一次可多钻进1500英尺。

该钻头大大增加了钻头进尺，使得钻井人员仅用了两个钻头就完成了全部井段的钻进工作，而相邻井却用了四个钻头。

圆锥金刚石切削齿，增加钻头耐用性

StingBlade型PDC钻头通过在钻头表面精心布设Stinger锥型切削齿，提高了切削结构的耐用性和总体钻井效率（见上图）。这些锥型切削齿表面有一层超厚的金刚石表层。齿的锥形结构可以对地层施加较大的点载荷，形成犁式破岩机理，而不是传统PDC钻头的切削破岩方式，从而提高了钻头在硬地层中的机械钻速。这种钻头已经在39个国家的1400多口井进行了现场应用，包括在北美和南美地区海上/陆地钻井、非常规油气藏钻井、俄罗斯和中东地区硬质灰岩钻井等。到目前为止，该项技术已经完成了超过5.6百万英尺的地层深度。

▲锥形切削齿提高了施加于岩石上中心点的载荷，同时加厚的切削齿提高了钻头的冲击能力和抗磨能力。

巴西盐下油田海上钻井项目中，某公司使用了StingBlade钻头钻进盐下储油层，该储层主要由硬质碳酸盐组成，并含有部分硬质硅酸盐结节。StingBlade钻头尺寸为12-1/4英寸，钻压超过5万磅/英寸。通过采用这种新型钻头，该公司只用了一个钻头进尺就钻完了整个井段，节省了花在钻头进尺上的开支，与邻近井相比，进尺超过了25%，钻速超过了11%。

改善切削结构，提高钻头稳定性

▲CounterForce的切削结构可以防止钻头过度咬合，产生更持续稳定的扭矩，提高定向钻井的性能。

在一些难以到达的油藏中，甲方公司总会想办法不断设计越发复杂的井身结构以及更长的水平段。为了实现所要求的轨迹和井段长度，旋转导向系统的应用越发广泛。然而，由于许多旋转导向系统在高震动下会失效，因此不得不起钻更换设备。而且，在钻井过程中，钻井操作人员会监测震动情况，并根据需要调整参数从而稳定井下钻具组合。如果震动超过了某一临界值，需要停止钻进，上提井下钻具，消除钻柱谐波。

这些不同的机械故障使得钻井人员不得不降低部分参数，舍弃最优钻速。为应对难钻储层，Ulterra公司设计了CounterForce 型PDC钻头。

该钻头具有一种特殊的切削齿结构，可以减少反扭矩，从而提高钻井效率（上图所示）。这些切削齿以交替的侧前角进行排列，在一同工作时可以抵消横向震动，平稳岩石切削作用，因此提高了钻头的动态稳定性，增强了对切削面的控制。

在德克萨斯州南部，一家大公司为解决该系统的震动问题，将该CounterForce PDC钻头安装在了威德福公司的旋转导向系统上。钻进时，井下钻具从表层套管下部开始，经过造斜段和水平段，最后钻至总井深处。整个过程只进行一次下钻。

CounterForce U516M 与该地区所使用的其他PDC钻头相比，其钻进平均速度提高了10%，同时因工具失效造成的起下钻时间减少了32%。该U516M型号的钻头，在2015年共下钻41次，该钻头是生产商所使用的钻头中性能表现最好的。通过使用电子钻井记录仪测量震动水平，再次证实了CounterForce钻头的良好性能。

在德克萨斯州南部的四口井中，其中三口井的旋转导向系统上采用了CounterForce U516M钻头，另外一口安装的是普通钻头。通过测量发现，与邻近井相比，使用了CounterForce钻头后粘滞滑动下降了35%，平均钻速增加了27%，作业时间均减少了13个小时。在墨西哥湾东部，一家大型钻井公司在难钻进的第三纪中新世和白垩系地层地区（井眼尺寸16-1/2英寸）钻井时，希望能够减少震动水平。所以该生产商选用了CounterForce U713M型钻头，将其安装在旋转导向系统上，与相邻井相比，粘滞滑动现象下降了30%，钻速提高了14%。

PDC单次下钻为Eagle Ford气藏节省开支

▲稳定性极高的Voyager钻头。Varel International公司的Voyager固定切削刃PDC钻头，使用消震功能来控制钻头震动。

该钻头结构起到了一个限制扭矩的作用，优化平滑扭矩响应下的切削深度，如上图所示。该工程系统控制钻头的方法为：采用独特的切削结构设计，并微调切削工具的后倾度和侧倾度。这种钻头设计通过减少起下钻次数，缓解直线段、弯曲段和水平段井筒钻进时的震动情况来降低Eagle Ford页岩地区的钻井成本。通过分析钻头特点和工程尺寸，同时结合公司的算法、岩石分析软件以及大量的油田运行性能数据，最终形成了这一独特设计。

设计工程师采用了建模系统提高旋转能力和防狗腿能力，减少在特殊的地层、井身结构和井下钻具组合中的钻头漂移和震动。该PDC钻头可以提高钻头在直线和水平井段的钻速和耐用性，在井筒弯曲段达到满足需求的工具面控制要求。在试验区域内，通常Eagle Ford钻井的新钻头需要起下钻两到三次，从而更换震动受损的井下钻具组合部件。起下钻次数增多会降低钻井效率和增加钻井费用，这是由于延长了钻井时间和增加了在井下马达、钻头、随钻测井工具等上面的开支。

邻井中长为4457.7英尺（约1358.7米）的切线段，钻井时间平均为29.8小时，钻速为149.6英尺/每小时。长约6780.6英尺（2066.7米）的弯曲/水平段，钻井时间平均为104.9小时，钻速为64.63英尺/每小时。三节井段连起来（约11238英尺，3425.3米）的钻井时间平均为134.7小时，钻速为83.4英尺/每小时，但是由于增加了18小时的起下钻时间，总的钻井时间达到了152.7小时，钻速降至了73.6英尺/每小时。

新一代的Voyager 7-7/8英寸V513H PDC钻头，可以一次性钻完垂直段、弯曲段和水平段，不需要花费额外费用，用来起下钻操作和更换井下钻具，大大地提高了钻头的性能。Voyager钻头的10个钻头行程就钻进了整个3段井眼，而只用了一个钻头和一套井下钻具。钻进12,125.4英尺（约3695.8米）的距离平均用时为120.8小时，钻速达到了100.38英尺/每小时。除了减少操作时间、节省资金以外，该钻头还提高了钻井效率和井身质量。

世界上最大的钻头

▲Varel公司的45英寸-铣齿牙轮钻头为扩大井径提供了一种可行方案。

一家独立的能源公司最近完成了丹麦北海地区的一份合同，其采用的油田钻头可能是目前世界上最大的。Varel公司设计并制作了45英寸（约1.14米）的铣齿钻头，如上图所示，墨西哥制造工厂完成后通过海运将这个重达5100磅（约2.3吨）的庞然大物运至英国亚伯丁。这种复合钻头在中心处含有一个可更换的PDC钻头，从而省去了传统扩眼作业中所必须的领眼。

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