在美 国 德 克 萨 斯 州 狭长 地 带 的 油 气 钻 探中，有效钻穿坚硬耐磨 的 花 岗 岩 冲 积 物（Granite Wash 简 称 GW） 水 平段储层面临一个独特的挑战。石油公司采用导向马达钻具组合钻水平段井眼，想通过改善 PDC 钻头的性能来提高钻井效率，然而岩性极不均匀的混杂地层使 6 1 / 8 ″ 水平段井眼的钻进过程变化无常，表现不佳。PDC 钻头的刀翼与复合片固定组件有着先天的局限性。复合片只有小部分面积接触地层，其磨损使钻井效率下降，磨损过程中会产生很高的摩擦热，摩擦热会破坏金刚石复合片与刀翼本体及复合片之间的粘合强度，加速复合片降级。同时，大位移段钻进还使得传递钻压变得困难、为让 PDC 钻头的复合片在钻进期间能完全转动，以提高整体钻进效率和钻头寿命。
 
打造新型 PDC 钻头
 
多数情况下，为了增加储层暴露，石油公司会采用导向马达钻具组合钻一个长的水平井眼，还想通过延长钻头寿命的方法来提高钻井效率。水平段产出的良好表现可能蕴藏着更大的经济吸引力。然而，在穿越该油田水平段的过程中，钻头寿命和性能表现不尽人意，最终归结为该油田的地质构造属于不均匀或异质的地层岩性。性能多变和不稳定的钻头表现导致频繁起下钻换钻头，钻头缩径和复合片磨损严重。如果石油公司在他们预期钻井效率差的地区能延长钻头寿命，那么每口井的经济效益就能得到显著提高。工程师们开发出一种专用的嵌入式外壳， 并焊进钻头刀翼的体内，形成了旋转式复合片 PDC 钻头。复合片安装在一个圆形轴上，与嵌入 外 壳 配 装 在 一 起， 使 复 合 片 能360°转动。坚固的系统工艺将复合片与轴组件牢固地安装在嵌入壳内，确保了优越的可靠性。转动式复合片与一个标准 PDC 钻头的复合片外径相同，允许灵活设计和多复合片布局选择。
 
复合片优化止损
 
为 了 实 现 降 本 增 效 的 既 定 目标，该行业一直在努力提高 PDC钻头复合片的耐磨性和钻头的整体性 能。 为 了 提 高 复 合 片 的 热 稳 定性，引入了一项滤取工艺，该工艺能提高复合片的抗磨性能。接下来的研究重点集中在确定摩擦热对复合片的破坏性影响，这种极端温度会导致复合片加速磨损，特别是采用非滤取工艺复合片时磨损会更加迅速。磨损越严重，产生的温度也越高，温度越高，磨损会更加严重，出现恶性循环。为了打破这种恶性循环，保持复合片锋利和降温至关重要，如果复合片能均匀分散磨损的话，钻头寿命会大大延长，这样的构想能让复合片保持锋利，延长使用，如果复合片在切割地层时能够转动就能达到这一目的。转动能均匀分布复合片的磨损，还能有效降低复合片的摩擦温度，从而延长钻头寿命。为 了 验 证 一 只 全 转 动 复 合 片PDC 钻头的效果，结合实验室的综合试验，进行了广泛的基于有限元的建模设计，新型转动式复合片的现场测试结果显示，这种工艺设计能延长复合片的寿命，延长钻头在井下的使用时间。图 1 展示了一款创新型的嵌入式外壳设计，保护复合片安全使用和 360° 全向转动，转动式复合片可靠地安置在高抗磨的刀翼上， 以提高钻头钻进的耐久性。
 
高研磨性的挑战
 
为 了 了 解 GW 地 层 的 天 然 属性和特征，工程师们使用一种岩石强度分析系统来定量判定地层的无侧限抗压强度。来自德克萨斯州惠勒县所钻的一口直井数据，分析显示 GW 地层的无侧限抗压强度在10,000~15,000psi 之间，偶尔会升至 20,000psi，地层磨蚀指数呈现出正常到中度影响等级的高研磨性特征。一项专门揭示 GW 地层的岩性评价获悉，这种地层主要由石英、伴有石英或方解石胶结的长石组成，通过所获的知识与无侧限抗压强度数 据 的 综 合 分 析， 工 程 师 们 判 定GW 地层可能是测试转动式复合片耐磨性能的理想地层。
 
钻出“双高”效益
 
为了评价转动复合片 PDC 钻头在 GW 地层的性能表现，以下给出两个研究案例。GW 层析已证明是一个获知和开发转动式复合片 PDC 钻头的理想地层，到目前为止，转动复合片PDC 钻头已在一处 GW 层析下井应用了 265 次， 持续报出极好的性能、价值和效果。Sabine 油气公司在他们开发的 GW 地层应用转动复合片PDC 钻头超过 20 次，案例提供的一组数据包括石油公司 6 1 / 8 ″ 水平段井眼，下井钻进深度超过 8,700ft，那是在德克萨斯西北 Roberts 县一个 4 英里区域范围的钻井数据。为了从数据集中去除那些钻过曲线段的钻头，选择了一个深度大于 8,700ft 的井段，因某些原因短时间下井被起出的钻头、相应的机械钻速也被除外，由于这是因机械钻速原因起出的下井时间最短的钻头，分析仅包括至少钻了 400ft 的钻 头， 查 询 的 数 据 限 定 在 四 部 不同钻机的 51 只钻头，这些钻头钻了 18 个水平段，其中 12 只钻头采用了转动复合片，其余 39 只为固定 复 合 片 PDC 钻 头。

数 据 显 示，12 只转动复合片钻头下井平均钻进了 1,411ft，平均机械钻速 31.7ft/hr.，39 只固定复合片钻头下井平均进尺 1,268ft，机械钻速 23.7ft/hr.。计算结果显示，平均转动复合片钻头超过固定复合片钻头进尺11%，平均机械钻速提高 34%。为了证明转动复合片钻头降低钻井成本的能力，进行了一项每英尺成本（CPF）经济分析，假设一只钻头的固定成本为 20,000US$，每天 60,000US$（2,500$/hr.）的钻机日费不包括钻头费用。 CPF= （钻头费用 +（钻机日费率 * 钻头下井小时））/ 钻头进尺，钻头下井小时 = 进尺 / 机械钻速；计算结果：平均转动复合片钻头每英尺成本为93.04$/ft.；平均固定复合片钻头每英尺成本为 121.39$/ft.。

计算结果表明，转动复合片钻头提高成本效益 23%。石 油 公 司 用 两 只 刀 翼 数 和 切削结构完全相同的钻头，不过一只配有转动复合片，另一只为固定复合 片， 钻 一 段 GW 水 平 段 地 层，结 果 为 显 示， 转 动 复 合 片 钻 头 进尺 2,546ft.、钻时 70hrs.、机械钻速 36.4ft/hr.；接着使用一只固定复合片钻头钻进了 2,216ft.、钻时73.5hrs.、 机 械 钻 速 30.2ft/hr.；平均转动复合片钻头每英尺成本为76.59$/ft.；平均固定复合片钻头每英尺成本为 91.94$/ft.。图 2 给出了转动复合片与固定复合片钻头钝拙状况的对比，绿色箭头显示了转动复合片的磨损情况，而右色箭头显示的固定复合片遭受到一个明显的磨平痕迹，两只钻头钻进的进尺相同，但转动复合片比固定复合片钻头快 17%，优势明显。