在美 國 德 克 薩 斯 州 狹長 地 帶 的 油 氣 鉆 探中，有效鉆穿堅硬耐磨 的 花 崗 巖 沖 積 物（Granite Wash 簡 稱 GW） 水 平段儲層面臨一個獨特的挑戰。石油公司采用導向馬達鉆具組合鉆水平段井眼，想通過改善 PDC 鉆頭的性能來提高鉆井效率，然而巖性極不均勻的混雜地層使 6 1 / 8 ″ 水平段井眼的鉆進過程變化無常，表現不佳。PDC 鉆頭的刀翼與復合片固定組件有著先天的局限性。復合片只有小部分面積接觸地層，其磨損使鉆井效率下降，磨損過程中會產生很高的摩擦熱，摩擦熱會破壞金剛石復合片與刀翼本體及復合片之間的粘合強度，加速復合片降級。同時，大位移段鉆進還使得傳遞鉆壓變得困難、為讓 PDC 鉆頭的復合片在鉆進期間能完全轉動，以提高整體鉆進效率和鉆頭壽命。
 
打造新型 PDC 鉆頭
 
多數情況下，為了增加儲層暴露，石油公司會采用導向馬達鉆具組合鉆一個長的水平井眼，還想通過延長鉆頭壽命的方法來提高鉆井效率。水平段產出的良好表現可能蘊藏著更大的經濟吸引力。然而，在穿越該油田水平段的過程中，鉆頭壽命和性能表現不盡人意，最終歸結為該油田的地質構造屬于不均勻或異質的地層巖性。性能多變和不穩定的鉆頭表現導致頻繁起下鉆換鉆頭，鉆頭縮徑和復合片磨損嚴重。如果石油公司在他們預期鉆井效率差的地區能延長鉆頭壽命，那么每口井的經濟效益就能得到顯著提高。工程師們開發出一種專用的嵌入式外殼， 并焊進鉆頭刀翼的體內，形成了旋轉式復合片 PDC 鉆頭。復合片安裝在一個圓形軸上，與嵌入 外 殼 配 裝 在 一 起， 使 復 合 片 能360°轉動。堅固的系統工藝將復合片與軸組件牢固地安裝在嵌入殼內，確保了優越的可靠性。轉動式復合片與一個標準 PDC 鉆頭的復合片外徑相同，允許靈活設計和多復合片布局選擇。
 
復合片優化止損
 
為 了 實 現 降 本 增 效 的 既 定 目標，該行業一直在努力提高 PDC鉆頭復合片的耐磨性和鉆頭的整體性 能。 為 了 提 高 復 合 片 的 熱 穩 定性，引入了一項濾取工藝，該工藝能提高復合片的抗磨性能。接下來的研究重點集中在確定摩擦熱對復合片的破壞性影響，這種極端溫度會導致復合片加速磨損，特別是采用非濾取工藝復合片時磨損會更加迅速。磨損越嚴重，產生的溫度也越高，溫度越高，磨損會更加嚴重，出現惡性循環。為了打破這種惡性循環，保持復合片鋒利和降溫至關重要，如果復合片能均勻分散磨損的話，鉆頭壽命會大大延長，這樣的構想能讓復合片保持鋒利，延長使用，如果復合片在切割地層時能夠轉動就能達到這一目的。轉動能均勻分布復合片的磨損，還能有效降低復合片的摩擦溫度，從而延長鉆頭壽命。為 了 驗 證 一 只 全 轉 動 復 合 片PDC 鉆頭的效果，結合實驗室的綜合試驗，進行了廣泛的基于有限元的建模設計，新型轉動式復合片的現場測試結果顯示，這種工藝設計能延長復合片的壽命，延長鉆頭在井下的使用時間。圖 1 展示了一款創新型的嵌入式外殼設計，保護復合片安全使用和 360° 全向轉動，轉動式復合片可靠地安置在高抗磨的刀翼上， 以提高鉆頭鉆進的耐久性。
 
高研磨性的挑戰
 
為 了 了 解 GW 地 層 的 天 然 屬性和特征，工程師們使用一種巖石強度分析系統來定量判定地層的無側限抗壓強度。來自德克薩斯州惠勒縣所鉆的一口直井數據，分析顯示 GW 地層的無側限抗壓強度在10,000~15,000psi 之間，偶爾會升至 20,000psi，地層磨蝕指數呈現出正常到中度影響等級的高研磨性特征。一項專門揭示 GW 地層的巖性評價獲悉，這種地層主要由石英、伴有石英或方解石膠結的長石組成，通過所獲的知識與無側限抗壓強度數 據 的 綜 合 分 析， 工 程 師 們 判 定GW 地層可能是測試轉動式復合片耐磨性能的理想地層。
 
鉆出“雙高”效益
 
為了評價轉動復合片 PDC 鉆頭在 GW 地層的性能表現，以下給出兩個研究案例。GW 層析已證明是一個獲知和開發轉動式復合片 PDC 鉆頭的理想地層，到目前為止，轉動復合片PDC 鉆頭已在一處 GW 層析下井應用了 265 次， 持續報出極好的性能、價值和效果。Sabine 油氣公司在他們開發的 GW 地層應用轉動復合片PDC 鉆頭超過 20 次，案例提供的一組數據包括石油公司 6 1 / 8 ″ 水平段井眼，下井鉆進深度超過 8,700ft，那是在德克薩斯西北 Roberts 縣一個 4 英里區域范圍的鉆井數據。為了從數據集中去除那些鉆過曲線段的鉆頭，選擇了一個深度大于 8,700ft 的井段，因某些原因短時間下井被起出的鉆頭、相應的機械鉆速也被除外，由于這是因機械鉆速原因起出的下井時間最短的鉆頭，分析僅包括至少鉆了 400ft 的鉆 頭， 查 詢 的 數 據 限 定 在 四 部 不同鉆機的 51 只鉆頭，這些鉆頭鉆了 18 個水平段，其中 12 只鉆頭采用了轉動復合片，其余 39 只為固定 復 合 片 PDC 鉆 頭。

數 據 顯 示，12 只轉動復合片鉆頭下井平均鉆進了 1,411ft，平均機械鉆速 31.7ft/hr.，39 只固定復合片鉆頭下井平均進尺 1,268ft，機械鉆速 23.7ft/hr.。計算結果顯示，平均轉動復合片鉆頭超過固定復合片鉆頭進尺11%，平均機械鉆速提高 34%。為了證明轉動復合片鉆頭降低鉆井成本的能力，進行了一項每英尺成本（CPF）經濟分析，假設一只鉆頭的固定成本為 20,000US$，每天 60,000US$（2,500$/hr.）的鉆機日費不包括鉆頭費用。 CPF= （鉆頭費用 +（鉆機日費率 * 鉆頭下井小時））/ 鉆頭進尺，鉆頭下井小時 = 進尺 / 機械鉆速；計算結果：平均轉動復合片鉆頭每英尺成本為93.04$/ft.；平均固定復合片鉆頭每英尺成本為 121.39$/ft.。

計算結果表明，轉動復合片鉆頭提高成本效益 23%。石 油 公 司 用 兩 只 刀 翼 數 和 切削結構完全相同的鉆頭，不過一只配有轉動復合片，另一只為固定復合 片， 鉆 一 段 GW 水 平 段 地 層，結 果 為 顯 示， 轉 動 復 合 片 鉆 頭 進尺 2,546ft.、鉆時 70hrs.、機械鉆速 36.4ft/hr.；接著使用一只固定復合片鉆頭鉆進了 2,216ft.、鉆時73.5hrs.、 機 械 鉆 速 30.2ft/hr.；平均轉動復合片鉆頭每英尺成本為76.59$/ft.；平均固定復合片鉆頭每英尺成本為 91.94$/ft.。圖 2 給出了轉動復合片與固定復合片鉆頭鈍拙狀況的對比，綠色箭頭顯示了轉動復合片的磨損情況，而右色箭頭顯示的固定復合片遭受到一個明顯的磨平痕跡，兩只鉆頭鉆進的進尺相同，但轉動復合片比固定復合片鉆頭快 17%，優勢明顯。