在钻井作业中，虽然钻头只是钻井系统的一个微小组成部分，但它的性能却会对作业效率产生巨大影响。斯伦贝谢Smith Bits公司产品经理Wiley Long说：“整体来看，虽然钻头成本可能低于钻井总成本的1%，但毫无疑问，没有任何一个部件对整体钻井性能的影响比钻头更大。”
鉴于钻头在钻井作业中的重要性，开发商一直在寻找钻进时间更长、ROP更高的新型钻头。此外，钻头工具的地面控制也是开发商非常在意的影响因素，以期能够最大限度地简化钻头定向的调整工作，实现定向钻井简单控制的目标。
为了满足开发商的应用需求，各服务及工具公司都先后采用高级模拟和有限元分析方法，对影响钻头ROP、耐久度等主要参数的问题进行了研究，包括碎屑清除效果差、摩擦生热高和振动等问题。基于这些研究成果，行业内目前已经开发出了多种新型切削齿和布局，并改进了钻头的液压系统。
Halliburton全球业务发展经理John Campbell表示，任何时候，只要有可能，开发商都希望只用一颗钻头完成整个钻井作业。“开发商希望钻头能够在垂直钻进时保持高效，并且能够满足高狗腿度要求，在水平方向钻进时能够精准控制。当然，如果同一颗钻头就能全部满足、或是尽可能满足上述要求，那自然是最好的。”
在钻进时间较长的作业中，特别是量深超过10,000ft的水平段，钻头必须坚固耐用。此外，承包商一般会采用高功率泵来建造钻井平台，定向操作方也会推出高功率电机，那么就会有更多的能量被传送到钻头。“为了处理钻头接受到的这些能量，我们需要强度更高的材料来获得更耐用的工具。”
在过去，提高ROP往往要以降低耐久性为代价；但在目前的钻头行业，“鱼和熊掌”已经可以兼得。Campbell说：“纵观钻头行业历史，开发商必须平衡耐久性和ROP，当试图增加钻头的耐久性时，一般也会增加切削齿体积，这会引起ROP降低。”而钻头切削齿布局的最新进展则很好地消除了这一问题，切削齿的锋利程度降低得更缓慢，钻进过程中的ROP也就更理想。
液压技术更新
钻进速度越快，钻屑产生速率越高；如果这些钻屑不能及时排出、发生堆积，那么ROP就会降低，钻井能量也会损失。此外，钻屑的积聚还会对钻头造成隔离，并增大摩擦，导致钻头和切削齿周围温度升高。实际上，这种情况非常常见，钻头温度升高后，会导致切削齿降解并发生损坏。Ulterra创新项目经理Chris Casad表示，“降低温度可以减少钻头的损坏，使其锋利的时间更长，保持整个钻井过程中的高ROP。”
Ulterra利用计算流体动力学优化SplitBlade钻头上喷嘴和通道的布置，目标是优化钻屑的清除、增加ROP
经过多年的开发和测试，Ulterra将于3月底发布了具有优化喷嘴设计和流通功能的PDC钻头—SplitBlade。通过计算流体动力学（CFD），确定了喷嘴和通道位置，改善了钻屑清除效果。
另外，钻头内侧切削齿上的切面向前推进，在钻进过程中更早地与地层接触，同时加强了工具面控制。这提高了切削齿在岩层上的“抓取力”，从而更好地实现钻进方向控制。
采用SplitBlade技术的钻头，每个切削齿都有两个专用通道，同时钻头锥体和肩部还有喷嘴。“钻头锥体、肩部是最易发生钻屑积聚的两个区域，新型设计使SplitBlade能够将钻屑与其分离。保持锥体清洁可以实现更好的方向和转向控制，并保持肩部清洁，从而使钻头钻进更快。”
通常情况下，在钻屑清除时，锥体上的钻屑都会经过钻头肩部，并可能积聚在该部位。采用新型技术的钻头，锥体和肩部的专用喷嘴、通道设计为钻屑清除提供了一条捷径。此外，肩部不再受到所有钻屑的影响，并且不必处理大量的碎屑。钻头可以将能量投入钻井过程，提高钻进速率。
Casad表示，通道和喷嘴的位置以及喷嘴方向是通过CFD计算确定的，同时还在液压优化的基础上进行概念化。
Ulterra对不同的喷嘴、喷嘴尺寸、喷嘴位置和喷嘴方向进行了计算机模拟，确定了钻屑清除的最佳流动路径以及实现该流动路径的最佳设计。“我们使用CFD模拟这些喷嘴插入的正确位置，这也是将喷嘴定向与碎屑结构、切削齿结构结合的最正确方法。”
“通过CFD模拟，我们也认识到了钻头主切削齿喷嘴定向方式非常不合理，每个喷嘴的流动路径彼此阻碍。实际上，外喷嘴堵塞了内喷嘴的流动，阻止了流动路径”。随后，Ulterra做了CFD模拟，确定了喷嘴偏移和流动方向设计，为每个喷嘴创建相互分离且互不干扰的流动路径。
Ulterra公司表示，SplitBlade钻头迄今已完成了近300万英尺的钻进作业，在300多台钻机上得到了应用。2017年夏天，该钻头首次在德克萨斯州Lavaca的Eagle Ford进行了实地测试。
与同类型钻头相比，SplitBlade将ROP平均提高了30％。在其中的一口井中，钻头在68小时内完成了斜井和水平段的钻井作业，量深超过11,000ft，ROP达到了172ft/hr。试运行后钻头的钝化状况为1-1-TD，由于具有更好的液压系统、生热处理方式和碎屑排出设计，钻头磨损状况较低。
自Lavaca的首次实际测试之后，Ulterra已经在Eagle Ford各地为运营商服务，目前服务区域已经扩展到东、西德克萨斯州各油田。
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（本文转自石油圈）
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