安裝在PDC鉆頭處的傳感器可測量井下功能異常，并與自動鈍度分級系統結合使用來計算鉆頭的損壞程度。高頻數據使設計工程師能夠確定提高鉆井效率所需的鉆頭設計變化。
美國二疊紀米德蘭盆地以其地層柱中的堅硬巖層而聞名。它們由高度夾層帶組成，含有可超過30 Kpsi巖石抗壓強度的堅硬石灰巖。最具挑戰性的鉆井應用之一是垂直+曲線+橫向（VCL）的生產層段，這是由于夾層過渡通常會造成鉆頭損壞，無法跟蹤切線（在垂直和橫向層段中），以及在鉆取曲線層段時難以實現所需的造斜率。在米德蘭盆地，VCL層段通常是用8¾英寸或8½英寸的PDC鉆頭所鉆的，且使用傳統的泥漿馬達，總鉆探進尺約為13000英尺。該層段的巖性由軟頁巖組成，帶有堅硬的石灰石夾層和偶爾的研磨帶，這會導致鉆頭切削齒的損壞，并增加鉆進整個井段所需的鉆頭/起下鉆次數（即需要用兩個以上的固定切削齒鉆頭）。
性能及鈍鉆頭分析
在米德蘭盆地鉆井的作業商一直在尋求新技術來幫助提高其性能，并以更高的機械鉆速在一次作業中連續鉆完整個井段。前期在該地區是使用裝有尺寸為13mm切削齒的六刀翼固定齒切削鉆頭對該區段進行鉆井，但嚴重的鉆頭損壞使鉆進深度受到了限制。地面電子鉆井記錄儀表明，當發現夾層地帶時，會出現嚴重的振動。鉆頭處的振動類型及其來源尚不清楚，因此很難確定完整解決方案的正確方法。圖1顯示了鉆頭使用前后的鈍化狀態。
圖1 鉆頭起出后的鈍化情況
該段由巖石抗壓強度約為5 KSPI的軟頁巖和具有硬石灰巖夾層的中高磨蝕性砂巖組成，砂巖的抗壓強度可超過30 KPSI。圖2展示了VCL層段的巖石分析情況。
圖2：VCL生產井段巖石強度分析。
電子數據分析
對應用8¾英寸鉆頭在鉆VCL層段時所捕獲的電子數據進行了分析，以確定在鉆進這一具有挑戰性的層段時鉆頭處的振動情況。目標是確定冠部、下部臺肩和規徑區域產生問題的根本原因，向我們展示鉆頭設計改進的正確方法，從而有助于消除未來鉆頭的嚴重損壞。圖3顯示了記錄鉆頭數據的傳感器以及它在鉆頭內的位置。
圖3：鉆頭傳感器的位置。
鉆頭振動數據分析未顯示存在鉆頭粘滑現象。然而，在整個鉆井過程中，鉆頭數據中出現了嚴重的橫向振動，并伴有中度至高度的軸向振動。所發現的橫向和軸向振動是長期的，而且不是操作參數所造成的結果。較高的側向和軸向振動幅度與鉆進曲線段時的鉆頭側切和在側（橫）向段中發現的硬夾層有關，在橫向段處，在鉆井操作接近尾聲時出現了機械鉆速（ROP）下降的趨勢趨勢。圖4顯示了如前所示的8¾英寸鉆頭在鉆VCL井段時的電子鉆頭數據分析，鉆頭在冠部處受損，并因機械鉆速過低而被起出。
圖4: 8¾英寸VCL井段鉆井鉆頭數據分析。
對橫向井段進行了深入的鉆頭數據分析，以了解高的橫向和軸向沖擊是如何產生的，因為這導致了鉆頭損壞，并使鉆頭不能在一次下井鉆進中鉆完該井段。鉆頭數據顯示，在較低的伽馬射線值下，橫向和軸向振動增加，機械鉆速下降。低伽馬值通常表示存在硬夾層。分析得出的結論是，堅硬的夾層過渡鉆井是產生高的橫向和軸向振動的來源，會產生嚴重的鉆頭損壞，并使鉆頭不能一趟鉆完成該井段。圖5顯示了橫向井段的深入鉆頭數據分析，并顯示了由低伽馬值產生的具有低ROP（機械鉆速）的較高橫向和軸向振動。
圖5：電子鉆頭數據，顯示低伽馬射線井段中增加的振動幅度和較低的ROP。
電子鉆頭數據分析還顯示，當鉆頭從底部旋轉離開、接觸底部或從底部提起時，總是會產生高的橫向振動。圖6顯示了在橫向層段鉆某一井段時的振動，當鉆頭離開底部時，具有較高的橫向振動。
圖6：顯示了鉆進特定井段開始和結束時離開井底時的峰值橫向振動的電子鉆頭數據。
自動化鈍級分析
近年來，數字化和自動化一直是鉆井行業越來越關注的領域。其中一個關鍵領域是鉆頭磨損和損壞評估的數字化。目前，油田人員參考國際鉆井承包商協會（IADC）的鉆頭分級標準，通過目視檢查來分析和評定的鈍級，但這可能是太過主觀。
應用自動化鈍級分級（ADG）系統對幾只損壞了的8¾英寸的鉆頭進行了精確的鈍級分析。該系統使用數字圖像作為輸入，計算出單個鉆頭齒的損壞情況。通過使用自動化過程，該系統提供了關于所分析的鉆頭中發生損壞的鉆頭位置的更高水平的可靠性、一致性和準確性。AGD系統顯示出典型的鈍化狀態，即鉆頭冠部中的災難性損傷，以及下部臺肩和保徑區域的高沖擊損壞。圖7顯示了在VCL層段鉆井的一系列鉆頭的ADG輸出結果。
圖7：一系列用于鉆VCL井段的8¾英寸鉆頭的ADG輸出結果。
鉆頭冠部的損傷發生在第5到10顆齒之間，然后朝著內錐或朝著鼻部和肩部擴展，這就使鉆頭無法進一步鉆進。在鉆曲線或在橫向井段中進行方向校正時，齒31至40在下肩部和保徑區域中的掉塊、斷裂和脫層降低了鉆頭的側切效率。
鉆頭設計分析
一般而言，在鉆井過程中吃入面積最大的是鉆頭冠部的切削齒，由于功能異常而導致的任何劇烈的切削齒過度吃入都可能導致鉆頭齒的失效。在分析用于鉆8¾英寸VCL井段的鉆頭設計時，模擬顯示了從切削齒5到10的最大切削齒吃入情況，與ADG系統檢測到的鉆頭冠部處損壞的切削齒相匹配。圖8顯示了用于鉆8¾英寸VCL井段的鉆頭的切削齒吃入模擬情況。從鉆頭切削系統的布局來看，根據ADG系統，損傷最高的區域顯示出齒的后傾角較小。圖9顯示了每個鉆頭齒的后傾角布置情況。由于在橫向段中鉆硬夾層時發生軸向和橫向功能障礙情況時鉆頭齒出現了過載情況，在這些具有小后傾角的冠部和保徑位置產生了災難性的鉆頭損壞。
圖8：用于鉆8¾英寸VCL井段鉆頭的切削齒模擬情況
圖9：所用鉆頭的每個齒的后傾角。
改進的PDC鉆頭設計
基于分析的鉆頭數據和鉆頭損傷情況，采用了一種先進的鉆頭切削結構布局，該結構具有更堅固的后傾角和DOC（切削深度控制）元件的最佳配置，以開發出更適合特定目的的改進型鉆頭設計。新型六刀翼13mm齒的鉆頭布局增加了冠部和保徑區域切削齒的后傾角，同時設計了更長的切削齒基托和抗沖擊齒更大的吃入面積。該鉆頭切削結構在鉆穿具有硬夾層區段時提高了抗沖擊性。圖10顯示了新舊鉆頭設計之間的后傾角的對比情況。圖11顯示了新舊鉆頭設計的抗沖擊齒接觸面積模擬情況。
圖10：新舊鉆頭設計的后傾角對比情況。
圖11：橫向段中典型DOC（切削深度控制 ）（0.25 英寸/轉）的抗沖擊齒接觸面積模擬。
新型PDC鉆頭設計。根據研究結果，。利用電子數據和ADG系統開發了一種新型8¾英寸鉆頭，并在米德蘭盆地油井的VCL生產井段中進行了測試。與老設計相比，新型鉆頭提高了性能，減少了嚴重的冠部和保徑處的損壞，同時使機械鉆速（ROP）提高6%，進尺提高11%。同時，它將因機械鉆速低而被起出的鉆頭數量減少了一半。還減少了損壞到無法修復（DBR）的鉆頭的數量。
圖12顯示了新型8¾英寸VCL層段專用鉆頭與之前鉆頭設計的性能對比。當使用新型8¾英寸鉆頭時，ADG系統顯示出了更好的鈍化狀態。圖13顯示了新型鉆頭設計的ADG評定結果。回顧前10次最好的VCL井段的清理鉆井情況，新型8¾英寸VCL層段專用鉆頭設計占據了前十次鉆井中的九次。圖14顯示了8¾英寸VCL層段專用鉆頭的前10次應用情況。使用新型鉆頭設計的卓越性能也反映出，由于機械鉆速（ROP）更快、鉆頭起下鉆次數減少以及無法修復的損壞的成本的降低，每口井可節省約27,500美元的費用。
圖12：新、舊8¾英寸VCL段專用鉆頭之間的性能比較。
圖13：新型8¾英寸VCL段專用鉆頭的ADG結果，顯示出更好的鈍化狀態。
圖14：8¾英寸VCL段專用鉆頭的前10名鉆井情況。
先進的自動鈍度分級（ADG）系統能夠顯示出由高沖擊所產生的鉆頭冠部、下部臺肩和保徑區域中切削齒的連續分層和斷裂情況。電子鉆頭數據和ADG系統顯示，在鉆進硬夾層地層時，由于橫向和軸向功能異常事件中發生的鉆頭切削齒過載，使鉆頭冠部出現災難性損壞，下部臺肩和保徑區域也出現高沖擊損傷情況。通過設計一種新型鉆頭切削結構布局，在鉆頭冠部和保徑區域加大后傾角，并采用更長的切削齒基托且增加抗沖擊減震齒的吃入面積，有效降低了鉆頭損壞情況，從而使鉆頭在鉆穿夾層井段時提高了對橫向和軸向沖擊的抵抗能力。
通過測試應用電子數據和ADG（自動鈍度分級）系統設計的新型固定切削齒鉆頭獲得的現場數據顯示，總體機械鉆速（ROP）提高了6%，進尺提高了11%，并將因機械鉆速過低而被起出的鉆頭和損壞無法修復的鉆頭的數量減少了一半，這使每口井可節省約27,500美元的綜合成本。
設計中的改進變化表明，增大切削齒后傾角和減震齒的吃入面積將能更有效的進行鉆井，而不會降低平均機械鉆速（ROP）。電子鉆頭數據顯示，當鉆頭從井的底部旋轉離開、接觸底部、或在從底部提起時，會持續出現高的橫向振動情況，這可能會導致ADG系統在下部臺肩和保徑區域顯示出切削齒分層剝落和斷裂現象。所以，當將鉆頭從底部起出時，建議降低表面轉速（RPM）和流量，以盡量減小橫向沖擊的幅度。
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