位于美國德克薩斯州東部的Haynesville頁巖儲層在鉆井和完井方面存在許多挑戰(zhàn)。該區(qū)域易沖擊地層的特征（包括石灰?guī)r、硬石膏、頁巖和砂巖等夾層）顯著影響了機械鉆速，從而增加了井下鉆進時間及綜合成本。
 
提高鉆速
 
Haynesville頁巖氣水平井的成本取決于水平段的長度、鉆機成本和其它一些相關(guān)因素。在過去十年里，顯著提高機械鉆速和縮短鉆機時間相對停滯，然而Rockcliff能源公司的經(jīng)驗證明：專為盆地環(huán)境而設(shè)計的鉆頭能將機械鉆速提高69%，從而減少了鉆機的工作時間及相關(guān)鉆井成本。Rockcliff能源公司是一家獨立的鉆井作業(yè)商，專注開發(fā)東德克薩斯州的Haynesville頁巖區(qū)塊。
 
在迦太基油田，Rockcliff能源公司在鉆9-7/8井段遇到如下挑戰(zhàn)：該井段要求在14個不同巖性、抗壓強度不確定、以及沖擊和磨損情況都不確定的不同地層中鉆進。由于抗壓強度較高、砂巖的研磨性強、夾層的高沖擊性以及橫向振動強，鉆頭切削結(jié)構(gòu)損壞嚴重，位于該井段一半多處的Travis Peak地層最難鉆進。Rockcliff公司希望提高鉆頭的機械鉆速來減少鉆井天數(shù)。斯倫貝謝旗下的史密斯鉆頭公司與Rockcliff團隊合作開發(fā)了一種適用于盆地環(huán)境鉆井的鉆頭。
 
設(shè)計鉆頭
 
該鉆頭的設(shè)計理念為鉆頭必須考慮許多變量，包括切削齒類型和井下沖擊與振動。為開發(fā)出最佳的鉆頭結(jié)構(gòu)，井下測量數(shù)據(jù)至關(guān)重要，通過井底鉆具組合進行井下測量的數(shù)據(jù)無法提供鉆頭與巖石之間相互作用的真實信息，但通過鉆頭數(shù)據(jù)采集技術(shù)來驗證地層不同層位巖石和鉆頭之間的相互作用，可為優(yōu)化鉆頭設(shè)計提供有用信息。
 
Rockcliff公司給史密斯鉆頭公司的團隊提供了各種數(shù)據(jù)輸入，包括可用于性能分析的地面數(shù)據(jù)和地層上部數(shù)據(jù)。史密斯鉆頭公司的技術(shù)團隊與Rockcliff公司技術(shù)人員共同確定了鉆頭的性能要求，旨在提高鉆頭的機械鉆速和進尺。
 
史密斯鉆頭公司建議使用斯倫貝謝公司的Synapse性能洞察和優(yōu)化服務(wù)在兩口鄰井部署鉆頭內(nèi)數(shù)據(jù)采集，用于了解鉆具組合的動態(tài)情況。通過不同地層，分析鉆具組合動態(tài)是優(yōu)化鉆井性能的關(guān)鍵因素，分析的主要目標之一是減少有害的井下沖擊和振動，從而延長設(shè)備的壽命、提高機械鉆速、改善井眼條件和定向控制，并降低綜合鉆井成本。
 
史密斯鉆頭公司將井下數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)和地層上部數(shù)據(jù)上傳到云中，通過云中的專有算法將各項輸入合并并同步到一份報告中。初步發(fā)現(xiàn)表明：ROP的增加與沖擊和振動的減少相關(guān)聯(lián)，通過與Rockcliff公司分享該研究成果，最終制定出鉆頭設(shè)計的優(yōu)化方案。
 
數(shù)字化建模
 
在兩口鄰井的鉆進過程中，鉆頭數(shù)據(jù)不斷輸入平臺來重新校準模擬模型，提供有關(guān)鉆頭設(shè)計參數(shù)的即時見解。使用該動態(tài)建模系統(tǒng)，鉆頭和巖石間的相互作用能在虛擬環(huán)境中被量化和驗證，從而定制材料和鉆頭結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)方法比，這種虛擬設(shè)計的鉆頭減少了為提高性能而設(shè)計的迭代次數(shù)。此外還減少了因鉆頭失效而導(dǎo)致多次起下鉆的風(fēng)險，同時也減少了因鉆頭設(shè)計不當（這通常會導(dǎo)致鉆頭損壞而無法修復(fù)）而產(chǎn)生的額外成本。
 
設(shè)計鉆頭時，選擇切削元件至關(guān)重要。史密斯鉆頭公司通過地層每個層段的特性和優(yōu)化服務(wù)獲得的知識，使用錐形金剛石和凹面金剛石切削元件進行鉆頭設(shè)計。凹面金剛石元件有一帶較厚金剛石層的錐形脊，可顯著改善沖擊損壞，其獨特的凹面特征有效降低了切削齒的后傾角，從而可以更深地切削巖石。在給定的鉆壓下，與常規(guī)聚晶金剛石復(fù)合片相比，錐形金剛石元件的圓錐形狀能在地層形成高度集中的點載荷。
 
實際應(yīng)用
 
一次鉆井過程中，專為Rockcliff公司的Carthage油田所設(shè)計的鉆頭與最近的鄰井（2英里范圍內(nèi)）相比，其鉆進速度提高了69%，以114英尺/小時的速度鉆進了6734英尺，而鄰井使用第三方鉆頭的機械鉆速僅68英尺/小時，進尺更少。這項服務(wù)為Rockcliff公司節(jié)省了近40小時的鉆井時間，并創(chuàng)造了一項ROP新記錄。該性能提升表明：淺孔鉆井中的ROP不再滯后，與基本的設(shè)計結(jié)構(gòu)相比，鉆頭的振動降低了55%。
 
美國德克薩斯州東部Haynesville頁巖盆地Carthage油田，Rockcliff能源公司的定制鉆頭鉆井性能應(yīng)用效果明細。Haynesville頁巖的鉆井性能提升相對停滯了近十年，特定的、適用于盆地環(huán)境的鉆頭技術(shù)正在幫助突破停滯瓶頸。通過更少的設(shè)計迭代，作業(yè)者可以獲得量化的機械鉆速增益，從而縮短了鉆井時間，能夠更快地在未來的井中應(yīng)用更為優(yōu)化的鉆頭設(shè)計，這最終會對鉆井界緊張的資本支出預(yù)算和整體經(jīng)濟狀況產(chǎn)生積極的影響。為盆地鉆井環(huán)境專門設(shè)計的新型鉆頭將給美國德克薩斯州東部的Haynesville頁巖儲層開發(fā)帶來積極的效應(yīng)。