安装在PDC钻头处的传感器可测量井下功能异常，并与自动钝度分级系统结合使用来计算钻头的损坏程度。高频数据使设计工程师能够确定提高钻井效率所需的钻头设计变化。
美国二叠纪米德兰盆地以其地层柱中的坚硬岩层而闻名。它们由高度夹层带组成，含有可超过30 Kpsi岩石抗压强度的坚硬石灰岩。最具挑战性的钻井应用之一是垂直+曲线+横向（VCL）的生产层段，这是由于夹层过渡通常会造成钻头损坏，无法跟踪切线（在垂直和横向层段中），以及在钻取曲线层段时难以实现所需的造斜率。在米德兰盆地，VCL层段通常是用8¾英寸或8½英寸的PDC钻头所钻的，且使用传统的泥浆马达，总钻探进尺约为13000英尺。该层段的岩性由软页岩组成，带有坚硬的石灰石夹层和偶尔的研磨带，这会导致钻头切削齿的损坏，并增加钻进整个井段所需的钻头/起下钻次数（即需要用两个以上的固定切削齿钻头）。
性能及钝钻头分析
在米德兰盆地钻井的作业商一直在寻求新技术来帮助提高其性能，并以更高的机械钻速在一次作业中连续钻完整个井段。前期在该地区是使用装有尺寸为13mm切削齿的六刀翼固定齿切削钻头对该区段进行钻井，但严重的钻头损坏使钻进深度受到了限制。地面电子钻井记录仪表明，当发现夹层地带时，会出现严重的振动。钻头处的振动类型及其来源尚不清楚，因此很难确定完整解决方案的正确方法。图1显示了钻头使用前后的钝化状态。

图1  钻头起出后的钝化情况
该段由岩石抗压强度约为5 KSPI的软页岩和具有硬石灰岩夹层的中高磨蚀性砂岩组成，砂岩的抗压强度可超过30 KPSI。图2展示了VCL层段的岩石分析情况。
 
图2：VCL生产井段岩石强度分析。
 
电子数据分析 
对应用8¾英寸钻头在钻VCL层段时所捕获的电子数据进行了分析，以确定在钻进这一具有挑战性的层段时钻头处的振动情况。目标是确定冠部、下部台肩和规径区域产生问题的根本原因，向我们展示钻头设计改进的正确方法，从而有助于消除未来钻头的严重损坏。图3显示了记录钻头数据的传感器以及它在钻头内的位置。

图3：钻头传感器的位置。
 
钻头振动数据分析未显示存在钻头粘滑现象。然而，在整个钻井过程中，钻头数据中出现了严重的横向振动，并伴有中度至高度的轴向振动。所发现的横向和轴向振动是长期的，而且不是操作参数所造成的结果。较高的侧向和轴向振动幅度与钻进曲线段时的钻头侧切和在侧（横）向段中发现的硬夹层有关，在横向段处，在钻井操作接近尾声时出现了机械钻速（ROP）下降的趋势趋势。图4显示了如前所示的8¾英寸钻头在钻VCL井段时的电子钻头数据分析，钻头在冠部处受损，并因机械钻速过低而被起出。
 
 
图4: 8¾英寸VCL井段钻井钻头数据分析。
 
对横向井段进行了深入的钻头数据分析，以了解高的横向和轴向冲击是如何产生的，因为这导致了钻头损坏，并使钻头不能在一次下井钻进中钻完该井段。钻头数据显示，在较低的伽马射线值下，横向和轴向振动增加，机械钻速下降。低伽马值通常表示存在硬夹层。分析得出的结论是，坚硬的夹层过渡钻井是产生高的横向和轴向振动的来源，会产生严重的钻头损坏，并使钻头不能一趟钻完成该井段。图5显示了横向井段的深入钻头数据分析，并显示了由低伽马值产生的具有低ROP（机械钻速）的较高横向和轴向振动。
 
 
图5：电子钻头数据，显示低伽马射线井段中增加的振动幅度和较低的ROP。
 
 
电子钻头数据分析还显示，当钻头从底部旋转离开、接触底部或从底部提起时，总是会产生高的横向振动。图6显示了在横向层段钻某一井段时的振动，当钻头离开底部时，具有较高的横向振动。
 
 
图6：显示了钻进特定井段开始和结束时离开井底时的峰值横向振动的电子钻头数据。
 
自动化钝级分析
近年来，数字化和自动化一直是钻井行业越来越关注的领域。其中一个关键领域是钻头磨损和损坏评估的数字化。目前，油田人员参考国际钻井承包商协会（IADC）的钻头分级标准，通过目视检查来分析和评定的钝级，但这可能是太过主观。
应用自动化钝级分级（ADG）系统对几只损坏了的8¾英寸的钻头进行了精确的钝级分析。该系统使用数字图像作为输入，计算出单个钻头齿的损坏情况。通过使用自动化过程，该系统提供了关于所分析的钻头中发生损坏的钻头位置的更高水平的可靠性、一致性和准确性。AGD系统显示出典型的钝化状态，即钻头冠部中的灾难性损伤，以及下部台肩和保径区域的高冲击损坏。图7显示了在VCL层段钻井的一系列钻头的ADG输出结果。
 
图7：一系列用于钻VCL井段的8¾英寸钻头的ADG输出结果。 
 
钻头冠部的损伤发生在第5到10颗齿之间，然后朝着内锥或朝着鼻部和肩部扩展，这就使钻头无法进一步钻进。在钻曲线或在横向井段中进行方向校正时，齿31至40在下肩部和保径区域中的掉块、断裂和脱层降低了钻头的侧切效率。
钻头设计分析
一般而言，在钻井过程中吃入面积最大的是钻头冠部的切削齿，由于功能异常而导致的任何剧烈的切削齿过度吃入都可能导致钻头齿的失效。在分析用于钻8¾英寸VCL井段的钻头设计时，模拟显示了从切削齿5到10的最大切削齿吃入情况，与ADG系统检测到的钻头冠部处损坏的切削齿相匹配。图8显示了用于钻8¾英寸VCL井段的钻头的切削齿吃入模拟情况。从钻头切削系统的布局来看，根据ADG系统，损伤最高的区域显示出齿的后倾角较小。图9显示了每个钻头齿的后倾角布置情况。由于在横向段中钻硬夹层时发生轴向和横向功能障碍情况时钻头齿出现了过载情况，在这些具有小后倾角的冠部和保径位置产生了灾难性的钻头损坏。
 
图8：用于钻8¾英寸VCL井段钻头的切削齿模拟情况
 
图9：所用钻头的每个齿的后倾角。
改进的PDC钻头设计
基于分析的钻头数据和钻头损伤情况，采用了一种先进的钻头切削结构布局，该结构具有更坚固的后倾角和DOC（切削深度控制）元件的最佳配置，以开发出更适合特定目的的改进型钻头设计。新型六刀翼13mm齿的钻头布局增加了冠部和保径区域切削齿的后倾角，同时设计了更长的切削齿基托和抗冲击齿更大的吃入面积。该钻头切削结构在钻穿具有硬夹层区段时提高了抗冲击性。图10显示了新旧钻头设计之间的后倾角的对比情况。图11显示了新旧钻头设计的抗冲击齿接触面积模拟情况。
 
图10：新旧钻头设计的后倾角对比情况。

图11：横向段中典型DOC（切削深度控制 ）（0.25 英寸/转）的抗冲击齿接触面积模拟。
 
新型PDC钻头设计。根据研究结果，。利用电子数据和ADG系统开发了一种新型8¾英寸钻头，并在米德兰盆地油井的VCL生产井段中进行了测试。与老设计相比，新型钻头提高了性能，减少了严重的冠部和保径处的损坏，同时使机械钻速（ROP）提高6%，进尺提高11%。同时，它将因机械钻速低而被起出的钻头数量减少了一半。还减少了损坏到无法修复（DBR）的钻头的数量。
图12显示了新型8¾英寸VCL层段专用钻头与之前钻头设计的性能对比。当使用新型8¾英寸钻头时，ADG系统显示出了更好的钝化状态。图13显示了新型钻头设计的ADG评定结果。回顾前10次最好的VCL井段的清理钻井情况，新型8¾英寸VCL层段专用钻头设计占据了前十次钻井中的九次。图14显示了8¾英寸VCL层段专用钻头的前10次应用情况。使用新型钻头设计的卓越性能也反映出，由于机械钻速（ROP）更快、钻头起下钻次数减少以及无法修复的损坏的成本的降低，每口井可节省约27,500美元的费用。
 
图12：新、旧8¾英寸VCL段专用钻头之间的性能比较。

图13：新型8¾英寸VCL段专用钻头的ADG结果，显示出更好的钝化状态。
 
 
图14：8¾英寸VCL段专用钻头的前10名钻井情况。
 
先进的自动钝度分级（ADG）系统能够显示出由高冲击所产生的钻头冠部、下部台肩和保径区域中切削齿的连续分层和断裂情况。电子钻头数据和ADG系统显示，在钻进硬夹层地层时，由于横向和轴向功能异常事件中发生的钻头切削齿过载，使钻头冠部出现灾难性损坏，下部台肩和保径区域也出现高冲击损伤情况。通过设计一种新型钻头切削结构布局，在钻头冠部和保径区域加大后倾角，并采用更长的切削齿基托且增加抗冲击减震齿的吃入面积，有效降低了钻头损坏情况，从而使钻头在钻穿夹层井段时提高了对横向和轴向冲击的抵抗能力。
通过测试应用电子数据和ADG（自动钝度分级）系统设计的新型固定切削齿钻头获得的现场数据显示，总体机械钻速（ROP）提高了6%，进尺提高了11%，并将因机械钻速过低而被起出的钻头和损坏无法修复的钻头的数量减少了一半，这使每口井可节省约27,500美元的综合成本。
设计中的改进变化表明，增大切削齿后倾角和减震齿的吃入面积将能更有效的进行钻井，而不会降低平均机械钻速（ROP）。电子钻头数据显示，当钻头从井的底部旋转离开、接触底部、或在从底部提起时，会持续出现高的横向振动情况，这可能会导致ADG系统在下部台肩和保径区域显示出切削齿分层剥落和断裂现象。所以，当将钻头从底部起出时，建议降低表面转速（RPM）和流量，以尽量减小横向冲击的幅度。