看世界PDC钻头的最新进展(一)

钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（一）

研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探。

在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移。

随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计。

一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本。

一位服务于Varel国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏”。

在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的PDC钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺”。

一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少”。

弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个PDC钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多”。

然而，弗莱明先生接着又说：“当钻头处于动态稳定的状态时，我们将会停止增加刀翼的数量，史密斯钻头目前就是这样做的，接下来把精力集中在切削齿技术上，不一定要增加更多的刀翼数量”。

全球产品冠军NOV井下公司的定向专家皮尔斯加勒特补充说：“减少更换牙轮钻头的起下钻，转为选用一只PDC钻头，或用一只较多刀翼的重型钻头替代一只较少刀翼的轻型钻头，以节省时间和成本，一般来说，刀翼越多，切削齿和金刚石体的密度就越高，钻头的耐用性就越高，钻头钻进的时间就越长”。

皮尔斯先生说：“与较少刀翼的轻型钻头相比，这只多刀翼的重型钻头会打的较慢”。不过，皮尔斯先生解释说：“由于没有起下钻换钻头，这只钻头仍然节省了作业者的时间和成本，例如：如果地层段是1000英尺（305米），虽然多刀翼钻头打的较慢，但这只钻头打完了整个层段，而一只轻型钻头虽然打的较快，但仅能打500英尺（152米），那么对于作业者来说，用一只钻头持续在井里打完整个层段则会更省钱”。

以下介绍几种新设计的PDC钻头和它们的现场表现：

贝克休斯公司

贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头，经过多项钻头参数的改进试验，得出的结论是：提高了钻头的机械钻速、耐用性、稳定性、方向可控性、切削齿结构的理想载荷及切削齿材质的性能，有限的元素分析用以保证结构的和力学的完美结合，计算的流体力学有助于液效率的评估，最优化的破岩效力的分配确保了钻头的稳定性和钻进效率，使得所有的切削齿都能均匀持续地吃进地层。

多排切削齿能使钻头应对各种岩性而不会牺牲钻头性能，贝克休斯的切割深度控制（DOCC）技术为钻头提供了一个稳定的、低震动的切削面控制，对于一个特定的应用，定制的钻头外形和切削齿布局，增强了金刚石体的破岩能力，使钻头的切削结构达到最佳。

贝克休斯将一项有专利的钻头力学模型与破岩力分布的实践相结合，提高了钻头的稳定性，使切削结构更加均匀连贯地承载负荷，依赖更低的能量钻进井眼，即使在较低机械钻速的情况下，也能获得最佳的效率和稳定性，它的平滑切割深度控制（SmoothCut DOCC）技术降低了钻头的损坏。

据贝克休斯公司发布的消息称，两项特定应用的新型切削齿已在现场得到验证，比先前切削齿的抗磨性能提高了6倍，在金刚石切削面与碳化物基岩面相互作用的过程中，获得了耐用性和热稳定性更高的最佳效果，切削刃上的残余应力被迁移，结合稳定性技术，减少了极端的和切削齿毁坏载荷的风险。

历史案例

在巴尼特（Barnett）页岩的钻进过程中，新钻头以平均47英尺/每小时（14.32米/每小时）的机械钻速，保持起始点的切线方向，打了1873英尺（571米）的阿托卡（Atoka）砂岩和本德（bend）砾岩段，钻进节省了作业者近35小时，相比之前的补偿井，减少了钻井费用58000美元。

在德克萨斯州某县的一口石灰岩井，一只7 7/8英寸的Quantec Force 强力Q507FX型PDC钻头用来打特拉维斯峰（Travis Peak）和棉花谷（Cotton Valley）不规则的硬砂岩和软页岩的过渡层系，钻头以平均21.3英尺/每小时（6.5米/每小时）的机械钻速打了1269英尺（386.8米），比补偿井平均快了31%，比一个6英里半径范围内的补偿井平均多打了122%的进尺，钻进节省了作业者18小时以上的钻井时间，每英尺节约成本24美元。

哈里伯顿钻头与服务公司

哈里伯顿钻头与服务分公司的FX钻头从铸型到黏合剂都使用了更抗腐蚀的材料，以抵御流体的腐蚀，正像该公司认为的那样，FX钻头是市场上任何PDC钻头切削齿热力学性能最高的产品，新设计刀翼的几何形状和喷嘴布局都提供了极好的流控制特性。

据公司报道，FX钻头包括了热稳定性和高抗磨损的X3切削齿，这种切削齿增强了钻头承受极高温的能力，一种新的加工处理方法显著地降低了金刚石切削结构的损坏概率，有助于保持钻头的切削齿打更多的进尺。

在定向应用方面，FX固定切削齿钻头有效地充实了斯佩里（Sperry）钻井技术服务公司的地质引导（Geo-Pilot）旋转导向钻井系统和井眼平滑（SlickBore）钻井配套系统，增强了钻进的偏斜控制，通过对制动器的作用，使钻头的震动明显减小，通过跟踪井底地层间的鼓脊形状，减少了钻头的跳动，稳定了钻具的侧摆。

哈里伯顿钻头与服务公司的FX钻头采用了更抗腐蚀的材料和先进的刀刃技术，使切削齿更抗磨损，为了打更硬的地层，钻头设计为双排齿结构，以增加可用的金刚石数量，而不减少钻头的开面体积。

案例研究

在墨西哥的布尔戈斯盆地，一个打定向井的作业公司需要一只能提高机械钻速的6 1/8英寸的钻头，用一只钻头打一个井段，哈里伯顿公司推荐了一只6 1/8英寸FMX453Z型号的钻头，该型钻头设计使用了X3切削齿，单只钻头下井打了整972米井段，创造了一项机械钻速70.4米/每小时、高于该区块最快井18%的现场纪录，这个井段的每米进尺成本从58.37美元下降为21.31美元。

NOV井下公司