制造商们正在重新考虑切削齿在PDC胎体和混合型钻头上的布齿方式，以对地层施加更大的力，同时不损失钻头的控制性。改进的建模能力使我们能够更好地理解某种钻头与某种特定地层之间的相互作用，使个性化的预布齿以及设计出适合某种目的的钻头成为可能，正在开发的独特的切削齿保护措施能够延长钻头在多种地层中的寿命。钻头市场的竞争异常激烈，经营者们不断的寻找更新型的，更稳健的钻头，这些钻头通过更具有攻击性的结构曲线和更长的侧翼来实现更快的钻速或者更大的进尺。与此同时，他们要求在钻更复杂的地层时，钻头的寿命更长，钻头的控制性更好。为了提高机械钻速，准确地弄明白钻头如何与某一地层相互作用，以及如何为实现某种具体的用途而定制个性化的钻头，钻头制造商们推出了更先进的建模算法。最后钻头公司还会重新检查从切削齿布置到切削齿形状到保护性的切削齿帽等的一切部件。每家公司都有自己不同的改进方法，但是显然他们的最终目的是一致的。
Baker Hughes：新钻头增加控制速度
去年，Baker Hughes发布了它的第二代混合钻头，Kymera FSR，这种钻头结合了PDC钻头和牙轮钻头的特征。Baker Hughes的产品经理Alan Holliday说，尽管2011年第四季度发布的第一代钻头，在硬地层和含夹层的地层中取得了很好的效果，但我们也看到了在软地层和碳酸盐岩地层中的改进空间。
Baker Hughes的Kymera FSR定向混合型钻头结合更具攻击性的PDC切削结构和牙轮钻头的特征来增加机械钻速，同时保持钻头的控制性能。
为了进入这些市场(软地层和碳酸盐岩地层)和改善钻头的整体效率，Baker Hughes公司开始寻求使钻头更具攻击性同时仍保持较低反扭矩的方法。为了解决这个问题，Baker Hughes研制出一种优化的牙轮和PDC切削结构。与第一代模型相比，这种新结构允许钻头使用更小的钻压，同时能获得更高的机械钻速。“我们发现我们能够提高效率，保持平稳钻进，这是定向司钻从第一代产品开始逐渐感受到的，” Holliday先生说。他补充道“这种优化设计能够在碳酸盐岩地层中提高机械钻速50%到100%”。
在2014年第四季度Eagle Ford区块的一项工程中，一支作业队选择了第二代混合钻头分别在三口井中钻了造斜段，钻遇Austin白垩层和Anacacho地层。过去所使用的PDC钻头会产生很大的扭矩波动，造成BHA组合偏离设计好的轨迹，而且至少需要两个钻头才能完成造斜段。另外，大的扭矩波动迫使操作人员降低钻压，这限制了机械钻速。
这种新钻头被选中用来钻三口井的造斜段，平均长789英尺(240m)，三口井的平均总深度为12600英尺(3840m)。第一口井用了22个小时，平均机械钻速为36英尺(11m)/小时，第二个钻头完成整个造斜段用了17小时，平均机械钻速46英尺(14m)/小时，第三口井的平均机械钻速为41英尺(12.5m)/小时。与之对比的是两口邻井都需要多只钻头才能完成造斜段，其中一口井需要3只钻头钻35个小时，平均机械钻速23.7英尺(7.2m)/小时，另一口井需要2只PDC钻头钻27.5小时，平均机械钻速32.2英尺(9.8m)/小时。
根据Baker Hughes的说法，每只从井下取出来的Kymera钻头都处于良好状态。每个造斜段的单位进尺成本降低至少36%，三口井一共节约了503，122美元。
Halliburton：GeoTech具备两段式切削结构
Halliburton在二月份发布的固定切削齿PDC钻头GeoTech，适用于难钻的地层，例如硬地层或研磨性地层或软硬交错的地层。根据Halliburton的说法，与传统的切削结构相比，这种钻头具有两段式的切削齿布置，将一部分切削结构从钻头面移走，以便一部分齿比其他的齿切削量更大。“当你钻遇非常软的地层时不需要那么多的切削结构，过一会可能又钻遇硬地层或研磨性地层，此时你又需要那些移走的额外的PDC切削齿”，Halliburton的产品经理Brad Dunbar说。“我们正在努力优化，使钻头的一部分具有较轻的剪切结构，而另一部分具有较重的剪切结构”，必要时可以通过调整工作参数使钻头与第二部分切削结构啮合使其发挥作用，他补充说到。
Halliburton的GeoTech固定切削齿PDC钻头，适用于难钻的地层，例如硬地层或研磨性地层或软硬交错的地层。
这种钻头使用了先进的材料，包括新的基体/粘合剂材料，以及更抗研磨抗冲击和热机械稳定性更强的金刚石切削齿。但是Dunbar先生强调尽管这些材料使钻头更强健，如果没有完全理解怎么使用这些钻头的话他们也不会产生很好的效果。这就是为什么先进的数值模拟在这些新钻头中发挥重要作用的原因。
去年年底，Halliburton发布了它的3D设计软件IBits的新版本，该版本有更新的算法和模型。与Halliburton的岩石相互作用模型共同使用，这些工具有助于更真实地模拟地层以及钻头如何与地层相互作用。“更好的模拟有助于改变钻头的切削结构或者钻头的材料，以完成客户对机械钻速或者进尺的要求。” Dunbar先生说，例如，如果钻井人员想钻的快一点，软件会告诉你在钻头的哪些地方需要多少合适的切削结构来实现这个目标。
今年年初， GeoTech钻头在北海被用于钻海上的121/4英寸的井段，这些井段穿过7个不同的地层。下入GTD65D型号的GeoTech钻头，钻完整个8254英尺(2516m)的层段。这只钻头的平均机械钻速为93英尺(28.3m)/小时，三口邻井的平均机械钻速为74英尺(22.6m)/小时，至少节约11个小时的钻进时间。根据Halliburton的说法，钻头取出来后，钻头的磨损等级为1-1-BT，远小于邻井钻头的磨损程度。
斯伦贝谢：新型钻头StingBlade专注于效率
不同于传统的圆柱形PDC切削齿，用在StingBlade Conical Diamond Element Bit这种钻头上的Stinger金刚石元件是一种圆锥状的切削元件。这种形状允许切削齿对地层施加更加集中的点载荷，破岩机理为犁削与剪切相结合，破碎抗压强度大的岩石更有效率。除了Stinger独特的切削几何形状，该钻头有更厚的金刚石层，这可以改善抗冲击强度，使这些钻头钻的更远更快。
超过1000次StingBlade钻头使用情况表明55%的进尺增加和30%的机械钻速增加。White先生说“在以前的技术条件下，总是要权衡钻头寿命和钻进速度，所以StingBlade钻头创造更长的进尺和更高的机械钻速这种能力是具有开创意义的”。
Schlumberger的StingBlade圆锥形金刚石钻头独特的切削齿几何形状能提供很大的集中力，这对高效破碎高强度岩石是有必要的，有助于改善进尺，机械钻速和造斜速率。
更加集中的点载荷有助于工具面角的控制，更加集中的点载荷使得钻压施加更有效，使切削齿到地层的能量传递更有效。使用传统的PDC钻头定向时，当钻遇硬夹层或互层时，就会出现典型的扭矩和工具面角波动，这会降低造斜速度并延长建井周期。由于StingBlade钻头上圆锥形的切削元件，扭矩和工具面角波动的幅度降低了，使得定向司钻不偏离靶点并更快地完成造斜段。这种钻头也能够减少钻头和BHA的冲击和振动，改善钻井效率和延长BHA工具的寿命。
钻进时圆锥形的切削齿比圆柱形的切削齿受力更关于其中心线对称。因此每个Stinger切削齿的合成侧向力要比PDC切削齿的力要小。
拿一个钻头切削结构上所有的切削齿来说，如果Stinger类切削齿越多，在IDEAS软件中，该钻头越容易平衡，在现场中也是如此。 IDEAS设计平台是Schlumberger使用的，能帮助工程师们建立整个钻井系统的模型，从地面到钻头，包括钻头-岩石相互作用。这使得工程师们可以评估在某一虚拟环境中钻头的表现，并优化切削元件在切削结构上的布置。
装在钻头上的钻井动态测井设备显示StingBlade钻头比常规的PDC钻头减少53%的侧向振动和37%的轴向振动。根据Schlumberger的说法到目前为止StingBlade已经在27个国家取得了成功。
（来源： 金正纵横工程技术监测报告）