随着国际油价持续下行，上游业务的成本压力日益增大，迫切需要进一步提高机械钻速，缩短钻井周期，从而降低作业成本，新研发的钻头逐渐成为上游市场新的宠儿。钻头是钻井提速的关键工具，如何提高钻头钻速和行程进尺，延长使用寿命，成为国外承包商集中攻关的目标。斯伦贝谢、贝克休斯、国民油井等国际巨头加快了 PDC 钻头、牙轮钻头的研发，并推出了多种新型钻头，在钻井降本增效方面取得了一定成果。

国民油井华高公司从优化钻头几何结构入手，在深入分析钻头失效原因和破岩机理的基础上，设计了Tektonic PDC 钻头，见图 1 所示。该钻头采用正向耙形刀翼结构，有利于岩屑的返出，螺旋型刀翼布局，降低切削齿吃入岩石后的围压，安装有Reflektor 光滑切削齿，降低摩擦力和表面温度，利于减少热量，可延长钻头使用寿命。该钻头主要用于页岩地层直井段、斜井段钻进。通过模拟钻头在井下的振动状态，分析钻头的切削齿失效原因，进一步优化切削结构，提高钻头的自我清洁和冷却功能。Williston 盆地的一口水平井使用 Tektonic 钻头，钻速达到 47.85m/h，比邻井提高 39%，创当地进尺最长和钻速最高纪录。

面对当前低油价的背景，哈里伯顿研发的重点放在提高钻井效率方面，基于用户界面的钻头产品设计软件，钻头设计人员广泛收集现场使用者的理念和感受，从中提取有价值的信息，分析出钻头应用中存在的问题，有针对性的对钻头产品进行改进设计，最大限度提高钻井效率，降低成本。按照这种流程，研 究 人 员 设 计 出 MMD64C PDC钻 头， 见 图 2 所 示。 该 钻 头 采 用MegaForce 力平衡设计，使切削齿均匀受力，并提高胎体材料的耐磨性能。在现场应用中，该钻头克服了常规切削齿磨损严重的问题，钻速提高 51%，周期缩短 30%。

斯伦贝谢研制出 ONYX360 聚晶金刚石复合片切削齿，见图 3 所示。该钻头采用全新的切削设计理念，旋转切削齿安装在保护套内，在钻头破岩时，切削齿可以 360°自由旋转，均匀切削地层，磨损量分布均匀，避免过早磨损，从而保证了切削齿的攻击性，大大提高了切削齿的耐磨性和钻头进尺，延长了钻头在高研磨性地层的使用寿命。另外，由于切削齿的持续旋转，将切削齿与地层之间的滑动摩擦改变为滚动摩擦，降低了两者之间摩擦产生的热量，避免切削齿温度过高发生热裂而过早失效。在俄克拉荷马西部的一口水平井，施工人员使用了16mm360°旋转切削齿钻头，钻速提高 40%，进尺增加 100%。锥形齿 PDC 钻头对于常规的 PDC 钻头而言，由于钻头外围转速高，内部转速低，钻头中心部位的岩石难以得到有效破碎，而刀翼外部的切削齿由于承担主要的破岩工作， 因此更易失效，尤其是应对硬地层。

斯伦贝谢研制锥形切削齿 PDC 钻头，见图 4 所示，表面的聚晶金刚石涂层厚度更厚，从而提高其耐磨性。 该钻头破岩时，由于锥形齿与岩石的接触面积小，在岩石破碎坑的中心产生局部应力集中，在切削齿的重复切削下，使岩石更易破碎，大大提高了岩石的破碎效率和钻速。锥形齿能够适应页岩、砂岩、石灰岩等多种地层，目前已应用超过 1400 井次，显著提高钻速和进尺，减少钻头用量。

阿特拉公司也不甘落伍，推出一 种 新 型 CounterForce 反 作 用力 PDC 钻头，见图 5 所示。该钻头采用独特的切削齿布齿方法，降低扭矩波动，降低钻头扭矩和横向振动，减少钻头粘滑现象和冲击影响，提高钻头工具面稳定性。优化硬质合金齿的布置位置，控制主切削齿的吃入深度，在井底岩石产生破碎坑后，进一步促进岩石裂纹扩张，从而大大提高了破岩效率。通过优化布齿结构和选用高效切削齿，可有效减少钻头工作扭矩波动 大、 切 削 齿 过 早 失 效 的 现 象，有助于提高钻头机械钻速、增加单 趟 入 井 进 尺。 在 现 场 应 用 中，CounterForce 钻头粘滑幅度降低35%， 钻 速 提 高 27%， 钻 井 时 间平均缩短 32%。

瓦锐公司制造了世界上最大的混合钻头，见图 6 所示。该钻头钻头直径 1.143m，重量达到 2.3 吨，外 部 为 三 牙 轮 铣 齿 钻 头， 中 心 为PDC 钻头。瓦锐公司还研发出一款固定齿 PDC 钻头。见图 7 所示。该钻头的切削结构专门为定向设计，冠部呈锥形，从而减小钻头与地层的接触面积，优化切削齿后倾角和刀翼结构，利于降低扭矩、提高钻速和定向能力。设计人员通过对钻头结构和几何特征分析，采用减振功能设计，降低钻头振动幅度，使切削平稳，以提高 PDC 钻头的定向和扭矩控制能力，使其具有更好的动态稳定性和定向控制性，可以一趟钻完成造斜、 稳斜和水平段钻进，避免中途换钻头，大大节省起下钻时间。石油行业常说“钻头不到，油气不冒”，随着油气勘探逐渐向深层、非常规迈进，对钻头的要求也越来越高，尤其是在中国四川盆地、塔里木盆地，油气埋藏深，地层条件极其复杂，对钻头要求高，钻头技术的发展决定了钻井所能达到的深度，国外钻头技术的进步也将给中国钻头行业带来了启发。国内钻头研发企业应加大攻关力度，着力研发适合高硬度、高研磨性地层的高效钻头，为深层油气开发提供支持。