在超过 5 万次下钻中，异形切削 齿解决了钻井问题，结果表明，通过 将切削齿组合与地层和井下条件相匹 配，可以提高机械钻速，延长钻头寿命， 延长钻次，从而提高作业成本效益。 切削齿对该行业来 说 并 不 新 鲜。 自 20 世 纪 90 年 代 以 来， 随 着 钻 井 环境的变化和更复杂的地层带来 的新挑战，它们被引入到钻头技 术组合中。多年来，开发团队一 直在研究导致切削齿损坏和钻井 功能障碍的井下条件，不断在材 料和几何形状之间取得平衡。这些知识已经成为研发重点 的跳板，以改进切削齿设计，以 应对苛刻的钻井条件和更复杂的 井眼。如今，在一次下钻穿越多 个地层的应用中，从互层地层到 硬岩和磨蚀性地层，再到砂石、 粘土、砂岩和石灰石，异形切削 齿的性能达到了新的极限。
 
开发异形切削齿技术
 
利用最新的材料研究成果， 开发了一套完整的异形切削齿 ( 图 1)，以解决一系列具有挑战性的 地层类型和应用。钻井工程师可 以将专用切削齿组合在单个钻头 上，以有效地钻穿复杂的地层。 在这些开发工作中出现的一 种先进切削齿 ( 图 1A) 是一种提 高硬地层性能的设计。由此产生 的切削齿具有新颖的边缘几何形 状，可以承受高冲击载荷，并且 在金刚石表面具有二次倒角，使 其能够承受比聚晶金刚石复合片 (PDC) 切削齿更高的载荷。这使 得它能够在坚硬的互层地层中保 持钻井效率，从而提高了该段的 图 1 - 通过将切削齿组合在单个钻头上，司钻人员可以解决一系列挑战，即使是复 杂的地层也可以在一次快速钻进中完成。
 
总钻速 (ROP)。 当在坚硬的磨蚀地层中钻井 时，岩石切削齿相互作用产生的 热量会破坏切削齿的完整性，导 致过早磨损和性能下降。工程师 们专注于改进切削齿尖端，开发 出一种切削齿 ( 图 1B)，在坚硬、 磨蚀性地层中保持低温，在砂岩 中尤其有效，在砂岩中，它比传 统的切削齿表现出更少的微压裂 和磨损。 复杂的下入通常意味着钻头 必须钻穿非常不同的地层，从互 层的坚硬岩石到更具磨蚀性的地 层。为了应对这些变化的条件， 切削齿必须在高冲击载荷条件下 有效，并且在完井时仍能正常工 作。
 
另一种专门的切削齿 ( 图 1C) 可以提供这种平衡性能，减少切 削齿 / 岩石界面的摩擦和热量产 生，分解岩屑，在给定 ROP 的情 况下，实现更快的钻进和更长的 钻速，更低的钻压 (WOB) 要求。 在需要点加载的情况下，例 如在蒸发岩或高泥浆比重环境中 钻井，以及在钻压有限的钻井中， 需要一种能够将更多重量分配到 更小岩石部分的切削齿。贝克休 斯针对这些情况设计了一种切削 齿 ( 图 1D)，它比标准切削齿更 有效地穿透地层，利用可用能量 产生更大的切削深度，从而实现 更快的钻进速度。 最新增加的专用切削齿组合 ( 图 1E) 采用了更苛刻的条件， 其设计具有更高的耐用性，包括 二次倒角，切削齿中心的缓解， 以及增强的点加载能力。
 
应用异形切削齿专业知识
 
所有这些专业切削齿的共同 目标是提高机械钻速，延长钻头 寿命，延长钻进时间，每种设计 都有特定的应用和性能特征，可 以提高钻井效率。但是优化这些 异形的切削齿在钻头上的位置并 不容易。有许多相互关联的变量， 因此决定改变什么来提高性能是 一项艰巨的挑战。找到最佳的前 进路径意味着为作业确定合适的 工具，通常，这意味着不仅要使 用一种刀具，而且要将多种刀具 适当地放置在钻头的正确部位。 与钻井相关的成本占陆上钻 井项目总成本的 30-40%，因此 寻找改善流程的方法可以显著影 响利润。在加拿大不列颠哥伦比 亚省东北部进行的常规钻井项目 中，面临的挑战是找到一种方法， 有效地钻过具有坚硬岩石和高磨 蚀性地层的互层岩性，这些地层 会导致邻井的过度振动和频繁的 切削齿断裂。
 
通 过对井下环境的计算机 模 拟， 我 们 找 到 了 一 种 实 用 的 解 决 方 案， 即 使 用 6-3/4in。 Dynamus 延寿 PDC 钻头配备了 两种特种切削齿，以解决钻井挑 战。ShockWave 切削齿提供了 耐用性，在互层地层中有效钻进， 消除了热损伤和切削齿切屑的问 题，而 Apex 切削齿解决了磨损 问题，在主切削齿磨损时提供了 备用，使钻进能够在不降低机械 钻速的情况下进行。 这种成形刀具的组合减少了 一次更换钻头的计划运行，节省 了 26 小时的钻井时间，并比衬垫 平均值提高了 76% 的计量。 常 规钻井带来了一系列挑战，而页 岩钻井则带来了另一系列挑战。 对于在阿根 廷 Vaca Muerta 页 岩中执行钻井计划的作业者来 说 , 问题是一口长的小井眼水平 井 , 其中高重量转移导致过早的 井底组件故障 , 钻机系统有限的 功率输入限制了补偿井的钻速。
 
专家们进行了先进的仿真建模，以确定钻头和特种切削齿的 组合，以最好地解决高钻重传递 问题并提高机械钻速。他们决定 在 6-3/4 英寸，延长寿命的 PDC 钻头可以提高长段页岩水平段的 ROP。通过将 Prism 切削齿合理 地安装在钻头上，作业者能够安 全地提高钻压，提高 ROP，而不 会有工具损坏的风险。将专用切 削齿与 AutoTrak 自动油藏导航 钻井系统相结合，在单次水平段 井眼作业中，ROP 比平均井眼作 业提高 13%，钻井方案中最佳井 眼作业的 ROP 提高了 29%( 图 2)。 不理想的钻井总是对作业不 利，但在深水中，钻井成本约占 钻井和完井总成本的 60%，效率 低下的代价尤其高昂。
 
对于加勒 比海地区的钻井公司来说，这是 一个重要的驱动因素，因为在该 地区，复杂的深水钻井段穿过粘 土和砂岩，存在坚硬的互层碳酸 盐条带，这使得在不施加过大的 导向力的情况下很难达到预期的 钻井速度。钻头振动过大，在分 支井中出现粘滑现象。 仿真建模使钻井工程师能 够确定钻头 / 切削齿组合，从而 实现精确的转向控制和更好的 钻 头 稳 定 性。 模 拟 结 果 决 定 使 用 121/4-in，使用寿命延长的 PDC 钻头，配有两个专用切削齿。 Apex 切削齿的点载荷使其能够 以较低的 WOB 穿透韧性地层， 而 StabilisX 切削齿提高了扭转 稳定性，可以穿透坚硬地层，将 这种切削齿组合安装在钻头上， 并使用 AutoTrak 自动油藏导航 钻 井 系 统，ROP 提 高 了 30%， 粘滑率降低了 80%，同时延长了 钻头寿命，增加了钻进长度。
 
钻进
 
先进的切削齿技术在苛刻的 钻井环境中提供了一系列性能改 进，但这并不是旅程的终点。使 用复杂的模拟软件来真正了解地 层的需求，以及每个切削齿在 钻头上的特定位置的表现，这 有助于工程师解决当前的钻井 挑战，同时改进和完善切削齿 和钻井过程。 在超过 5 万次下钻中，异形 切削齿解决了钻井问题，结果表 明，通过将切削齿组合与地层和 井下条件相匹配，可以提高机械 钻速，延长钻头寿命，延长钻次， 从而提高作业成本效益。 这些切削齿的性能与增强的 建模能力相结合，也建立了可靠 性的记录，随着钻井环境的发 展，对异形切削齿开发的持续 投资将继续推进技术的发展， 以确保钻井人员拥有适合工作 的工具。技术