異形切削齒并不是行業新技術，自20世紀90年代以來就已應用，它們一直是鉆頭系列技術的一部分，當時鉆井作業環境發生變化，更復雜的地層帶來了新挑戰。多年來，開發團隊一直在研究造成切削齒損壞、鉆井效率低下的井下條件，不斷地在材料與幾何形狀之間尋找平衡。

這些信息為重點研發工作提供了數據支撐，以改進切削齒設計，來應對苛刻的鉆井條件以及更復雜的井筒。如今，異形切削齒可單趟鉆穿多個地層，從夾層到硬質巖石、研磨性地層，包括礫巖、泥巖、砂巖以及石灰巖，將作業效率提高至新的極限。

一、 異形切削齒研發技術

如圖1所示，利用最新型材料研究出一整套異形切削齒，以應對一系列具有挑戰性的地層和作業。鉆井工程師可將量身定制的切削齒安裝在單只鉆頭上，來高效地鉆穿復雜地層。

鉆井工程師可利用一整套異形切削齒來應對一系列挑戰，這些切削齒可組合安裝在單只鉆頭上，單趟作業就可快速鉆穿復雜地層。

這些研發工作中涌現出了一種先進的切削齒(圖1a)設計，可提高硬質地層的作業效率。這種切削齒擁有新穎的切削刃形狀，可以承受高沖擊載荷，金剛石表面的輔助倒角，使其能夠承受比聚晶金剛石復合片(PDC)更高的載荷。這使得它能夠在堅硬夾層中保持高效鉆進，從而提高該層段的機械鉆速(ROP)。

在堅硬的研磨性地層中鉆進時，巖石與切削齒之間的相互作用所產生的熱量，會破壞切削齒的完整性，導致過早磨損與效率降低。工程師們專注于優化切削齒尖端，研發一種新型切削齒（圖1b），能夠在堅硬的研磨性地層中保持低溫，在砂巖中尤為有效。與常規切削齒相比，微裂紋與磨損顯著減少。

多趟鉆進通常意味著鉆頭必須鉆穿從硬質夾層到研磨性更強的多個不同的地層。為了應對這種多變的情況，切削齒必須在高沖擊載荷條件下保持有效，并且在本趟作業結束時仍能正常工作。研發出的另一種特殊切削齒（圖1c）可實現這種兼顧的性能，減少切削齒與巖石界面處的摩擦和熱量，破碎巖屑，并在預設機械鉆速下，以更低的鉆壓（WOB）實現更快的鉆進、更長的進尺。

在需要施加點載荷的條件下，例如鉆穿蒸發巖或高泥漿比重環境或限制鉆壓的鉆進情況下，則需切削齒能夠將更多鉆壓分配到更小的巖石接觸面積。針對這些情況，貝克休斯設計了一款切削齒（圖1d），與標準切削齒相比，它能夠更有效鉆入地層，產生更大的切削深度，從而實現更快的鉆井作業。

這種特殊設計的切削齒系列的最新產品適用于更嚴苛的作業條件，采用了輔助倒角、切削齒中心凸起、更高點載荷等設計思路，從而提供了更高的耐用性。

二、異形切削齒應用實踐

所有這些特殊切削齒的共同目標是提高鉆速、延長鉆頭壽命，并使更長單趟進尺成為可能。每種設計都擁有適用場景與性能特征，以提高鉆井效率。但是，優化這些異形切削齒在鉆頭上的位置并不容易。由于存在許多相互關聯的變量，決定改變哪些項來提高性能是一項艱巨的挑戰。尋找最優解意味著要為作業確定合適的切削齒，通常，這不僅僅是單個切削齒，而是將多種切削齒類型合適地安裝在鉆頭的正確位置。

鉆井相關成本占陸上油氣井總成本的30-40%，因此尋找優化作業的方法可顯著提高利潤。在加拿大不列顛哥倫比亞省東北部執行的常規鉆井項目中，需要尋找一種方法，有效地鉆穿硬質互層和高研磨性地層，這些地層導致鄰井發生過度振動，造成切削齒頻繁斷裂。

通過對井下環境進行計算機模擬，得出一套實用的解決方案，即使用6?英寸井眼。Dynamus系列長壽命PDC鉆頭配備了兩種特殊切削齒，以解決鉆井難題。ShockWave切削齒在多夾層地層可長時間進行高效鉆進，避免了熱損傷與切削齒崩落問題，而Apex切削齒則解決了磨損問題，在主切削齒磨損時提供備用切削齒，確保鉆進期間ROP不會降低。

這種異形切削齒組合省去了更換鉆頭的一趟起下鉆，節約了26小時作業時間，單趟進尺超出同平臺平均值76%。

常規鉆井作業遭遇一系列挑戰，而頁巖鉆井則會遭遇更多挑戰。在阿根廷Vaca Muerta頁巖區塊進行鉆井作業的作業者，所遇問題是長井段、小井眼水平井，高鉆壓傳遞造成底部鉆具組合過早失效，而鉆機系統的功率不足，限制了鄰井的鉆速。

專家們進行了先進的建模分析，以確定鉆頭與特殊切削齒的組合，來完美解決高鉆壓傳遞問題，提高機械鉆速。他們決定在6.75英寸長壽命PDC鉆頭上使用Prism切割齒，以提高頁巖長水平段的機械鉆速。通過將Prism切削齒合理地安裝在鉆頭上，作業者能夠安全地增加鉆壓以提高機械鉆速，且不會有損壞工具的風險。將特殊切削齒與AutoTrak儲層自動導向鉆井系統相結合，在水平段的單趟鉆進過程中，機械鉆速比鄰井平均鉆距提高了13%，最佳鉆進程序的機械鉆速提高了29%。

 某家作業公司初最作業的五口井使用了常規切削齒的PDC鉆頭，改用精心挑選的異形切削齒后，安全地將機械鉆速提高了13%。最優的切削齒提速超過了29%。

在深水鉆井作業中，鉆井成本約占鉆完井總成本的60%，效率低下會造成大量損失，這對于加勒比地區的作業者來說是一個重要的驅動因素。在該地區的砂泥巖地層中需進行復雜的造斜作業，期間會鉆遇堅硬的碳酸鹽巖夾層，如果不施加足夠的導向力，就很難達到預期的造斜率。鉆頭在鄰井中遭遇了巨幅振動，并發生了粘滑。

借助建模分析手段，鉆井工程師能夠確定鉆頭與異形切削齒組合，以實現精準的導向控制以及更高的鉆頭穩定性。基于模擬結果，選用了12.25英寸長壽命PDC鉆頭，配備2種特殊切削齒。Apex切削齒的點載荷能夠以較低的鉆壓鉆穿塑性地層，StabilisX切削齒提高了扭轉穩定性，以切削堅硬的地層。將這種切削齒組合安裝于鉆頭上，結合AutoTrak自動導向鉆井系統，將機械鉆速提高30%，減少了80%的粘滑，同時延長了鉆頭壽命，并增加了單趟進尺。

三、 不斷鉆進

先進的異形切削齒技術可在苛刻的鉆井環境中提供一系列性能改進，但這并不是發展的終點。使用復雜的模擬軟件可真正了解地層的需求以及每個切削齒在鉆頭上不同位置的性能，有助于工程師解決當前的作業挑戰，同時改進、完善切削齒和鉆進過程。

這些切削齒的性能與模擬分析能力相結合，形成了可靠性的跟蹤記錄，隨著鉆井環境的發展，對異形切削齒研發的持續投資將不斷提升技術，以確保鉆井人員擁有趁手的作業工具。