近年来，通过采用新型切削结构、独特的切削齿形状以及先进的建模软件而开发出来的各种新型钻头层出不穷，目的在于不断提高机械钻速、改善钻头的可控性并提高耐用性。 为了达到此类目的，制造商们正在重新考虑 PDC 钻头和混合钻头的布齿方式，使之能在不影响钻头可操作性的情况下增强对地层的压力。改进的建模性能可以更好地掌握特定钻头在特定地层的反应，以便提前定制更为适用的钻头。研发中的独特切削齿保护措施可以帮助延长钻头在多种不同地层类型中的使用寿命。鉴于当前钻头市场的竞争异常激烈，钻井作业者必须不断寻找更新、更耐用的钻头，以及能够钻出更长的横向井段的钻头。同时，钻井作业者对在各种地层中钻头的耐用性和操作性都有更高的要求。为了帮助提高机械钻速，钻头制造商争相采用更先进的算法来更好的建模，以便能够确切知道钻头在特定地层的实际反应，以及如何为特定的应用定制钻头。钻头公司也不断重新检验其各项设计，包括布齿方式、齿的形状、以及齿的保护措施等。每家公司在改进的过程中采用的方法不同，但他们的最终目标一致，那就是提高机械钻速（ROP）、提高钻井进尺、缩短钻井时间并降低钻井成本。
 
高钻速新型MicroCORE PDC 钻头
 
当 Tercel 公司几年前推出第一代 微 型 岩 心（MicroCORE）PDC钻头时，该公司就希望生产出一种能够在钻井同时钻出岩芯样品的钻头。这些“微型岩心”的尺寸大小要求能够足以方便地质评价，从而推动了这种钻头的研发。然而，该公司在研发中发现，通过改进这种钻头最初为产生岩心而优化了的独特切削结构可大幅提高机械钻速。2015 年底，该公司通过重新设计钻头轮廓、PDC 切削齿和钻头水力系统，以及通过优化岩心腔直径与深度的以及微型岩心的剪切过程，最终推出其改进型钻头版本。新钻头的具体设计是将 PDC 切削齿安装在钻头面的外径处，并取消钻头中心的切削齿，从而在钻头中间加工一个圆柱形的腔体以便能够产出岩心。岩心腔后部的附加剪切齿可以切断所收集的岩心。如果需要的话，岩心就可以从钻头中释放出来并沿环空上返到地面以便能够对岩心进行评价。传统钻头的钻井能量大部分都消耗在钻头中心，在圆弧半径周围的齿移动缓慢，而钻头外部的齿移动得很快，通过取消钻头中心的齿，可以将能量重新分配到切削结构中工作最多的切削齿上。在 2014 年 夏 季， 这 种新型钻头在美国南部德克萨斯 州 的 Eagle Ford 三 口 水平井中使用，而相邻的五口类似的井则使用不带岩心切削 功 能 的 PDC 钻 头。 由 于在该地区钻进弯曲段和水平段时遇到了很多问题，所以当时钻井作业人员特别希望在 8¾ 英寸井段中能够大幅提高机械 钻 速。 在 钻 井 过 程 中， 钻 井 商先 是 以 10~14°/100 英 尺 的 造 斜率 钻 了 8,500 英 尺 的 造 斜 段， 然后在没有起钻更换钻头、更换底部钻 具 组 合， 继 续 钻 进 了 7,000 英尺 的 侧 向 段， 总 进 尺 深 度 大 约 是16,500 英尺。Tercel 公司的微型岩心（MicroCORE）PDC 钻头的平均机械钻速达到了 92 英尺 / 小时，而邻井的其它钻头同样也钻进了 弯 曲 段 和 侧 向 段，PDC 钻 头 的平均机械钻速则仅为 72 英尺 / 小时。该钻头在美国北达科他 州的Bakken、 印 尼 的 Tunu field 及79新品上市 Overview of New Technologies·New Product Introduction 新技术纵览P+E英国的北海南部也进行了应用，并取得良好效果。
 
可控性强的二代新型混合钻头
 
2015 年， 贝 克 休 斯（BakerHughes） 推 出 有 机 融 合 PDC 钻头和牙轮钻头各自优点的 KymeraFSR 第二代混合钻头。贝克休斯于2011 年第四季度推出了第一代混合钻头模型。第一代混合钻头在坚硬和有夹层的地层中表现出色，在更软的地层和碳酸盐地层中有更大的发展空间。为了占领这部分市场并提高钻头的整体效率，贝克休斯开始想办法在保持其混合钻头低扭转反应的同时使其更具有攻击性。为此，贝克休斯公司的技术人员研发了一种优化的滚动牙轮和 PDC 切削结构。与其第一代混合钻头相比，这种新的结构使该钻头能在更低的钻压要求下达到更高的整体平均机械钻速。这种具有新型切削结构的混合钻头不但能够提高效率， 还能维持定向。钻井商曾高度评价其第一代产品平滑钻进的特征。该公司这种经优化设计的钻头在碳酸盐地层中的性能提高了 50%~100%。在第四季度的 Eagle Ford 钻井项目中，钻井人员在 Austin Chalk和 Anacacho 地层中三口独立的井中选择使用了第二代混合钻头钻弯曲段。在这种井段曾使用 PDC 钻头进行钻进， 但产生的扭矩波动很大，使底部钻具组合偏离其预定轨迹，需要至少两只钻头才能通过弯曲段。此外，高的扭矩波动迫使钻井作业人员减小钻压，机械钻速（ROP）受到了严重制约。贝克休斯公司的新型混合钻头被选择用于钻进三个弯曲段（每个弯曲段平均长度为 789 英尺）。三口井的平均总深度是 12,600 英尺，第一口井以 36 英尺 / 小时的平均机械 钻 速（ROP） 钻 进 了 22 小 时；第二口井钻头完成该井段用时 17 小时，平均机械钻速为 46 英尺 / 小时；第三口井的平均机械钻速为 41英尺 / 小时，而两口邻井则需要用多个钻头钻进弯曲段。其中一口井用了三只钻头、用时超过 35 小时才钻完预定井段，平均机械钻速仅为23.7 英尺 / 小时。另外一口井用了两只 PDC 钻头、用时超过 27.5 小时，平均机械钻速为 32.2 英尺 / 小时。每只 Kymera FSR 钻头在起出后新度都非常高，钻井作业人员在每个弯曲段的每英尺成本至少降低了 36%，三口井总共为钻井作业商节约了 503,122 美元。
 
两级切削结构的新型 PDC 钻头
 
哈利伯顿（Halliburton）公司推出的 GeoTech 固定切削齿 PDC钻头，是专门针对难钻地层而设计的钻头，比如坚硬或研磨性大的地层，或交替夹杂着坚硬和松软岩石的地层。与传统钻头的切削结构相比，这种新型 GeoTech 钻头的显著特点是具有两级布齿结构，具体而言是在钻头面的轮廓上对切削结构进行了改变，从而使某些切削齿能够比其它切削齿在钻井过程中切削更多的岩石。这种新颖设计的基本考虑是，钻头在钻井过程中有时候会遇到不需要太多切削结构的软地层，但过后却有可能会进入更硬或研磨性更大的地层，此时就需要更多的 PDC 齿。该公司的新型切削结构设计是在钻头的某个部位布置较稀的切削结构，而在其它部位则布置成切削齿密度较高的切削结构，通过调整钻井操作参数便能够在必要的时候使钻头发挥其第二级切削结构与地层的啮合钻进作用。该钻头融合了先进的材料，包括新型胎体 / 粘结材料以及更耐磨、更具抗冲击性且热机械性能更好的金刚石切削齿。然而，虽然这些材料让钻头更坚固耐用，但是在没有完全了解使用方法之前就投入使用也不会达到预期效果。所以，先进的模拟系统对充分发挥这类钻头的性能起着关键作用。2015 年末，哈里伯顿（Halli-burton）公 司 推 出 了 一 种 新 型 的IBitS 三维设计软件 , 以更新算法和模型。这些工具与哈里伯顿的岩石交互作用模型协同作用，可以更逼真地模拟地层和了解钻头与地层是如何相互作用的。通过更好的模拟有助于根据具体要求改变钻头切削结构或改变钻头的材料，从而满足客户的机械钻速或进尺需求。如果一个钻井作业商想提高钻井速度的话，那么为了达到这一目标，应用该软件就可以确定钻头正确的位置，布置正确的切削结构数量。今年初在北海地区，哈里伯顿公司的一只GeoTech GTD65D 钻头被用于钻进一口海洋井 12¼ 英寸井段中七种截然不同的地层，该钻头向下钻钻进了 8,254 英尺长的井段，实现了93 英尺 / 小时的平均机械钻速，与其它三口邻井 74 英尺 / 小时的平均机械钻速相比，节约钻井时间至少11 小时。起出后，该钻头的磨损等级是 1-1-BT，比邻井钻头的磨损要小很多。（未完待续）