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。該區域易沖擊地層的特征（包括石灰巖、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能源公司的經驗證明：專為盆地環境而設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鉆井成本。Rockcliff能源公司是一家獨立的鉆井作業商，專注開發東德克薩斯州的Haynesville頁巖區塊。
 
在迦太基油田，Rockcliff能源公司在鉆9-7/8井段遇到如下挑戰：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，鉆頭切削結構損壞嚴重，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。斯倫貝謝旗下的史密斯鉆頭公司與Rockcliff團隊合作開發了一種適用于盆地環境鉆井的鉆頭。
 
設計鉆頭
 
該鉆頭的設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。為開發出最佳的鉆頭結構，井下測量數據至關重要，通過井底鉆具組合進行井下測量的數據無法提供鉆頭與巖石之間相互作用的真實信息，但通過鉆頭數據采集技術來驗證地層不同層位巖石和鉆頭之間的相互作用，可為優化鉆頭設計提供有用信息。
 
Rockcliff公司給史密斯鉆頭公司的團隊提供了各種數據輸入，包括可用于性能分析的地面數據和地層上部數據。史密斯鉆頭公司的技術團隊與Rockcliff公司技術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性能洞察和優化服務在兩口鄰井部署鉆頭內數據采集，用于了解鉆具組合的動態情況。通過不同地層，分析鉆具組合動態是優化鉆井性能的關鍵因素，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據、地面數據和地層上部數據上傳到云中，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。初步發現表明：ROP的增加與沖擊和振動的減少相關聯，通過與Rockcliff公司分享該研究成果，最終制定出鉆頭設計的優化方案。
 
數字化建模
 
在兩口鄰井的鉆進過程中，鉆頭數據不斷輸入平臺來重新校準模擬模型，提供有關鉆頭設計參數的即時見解。使用該動態建模系統，鉆頭和巖石間的相互作用能在虛擬環境中被量化和驗證，從而定制材料和鉆頭結構。與傳統方法比，這種虛擬設計的鉆頭減少了為提高性能而設計的迭代次數。此外還減少了因鉆頭失效而導致多次起下鉆的風險，同時也減少了因鉆頭設計不當（這通常會導致鉆頭損壞而無法修復）而產生的額外成本。
 
設計鉆頭時，選擇切削元件至關重要。史密斯鉆頭公司通過地層每個層段的特性和優化服務獲得的知識，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，與常規聚晶金剛石復合片相比，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。
 
實際應用
 
一次鉆井過程中，專為Rockcliff公司的Carthage油田所設計的鉆頭與最近的鄰井（2英里范圍內）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。這項服務為Rockcliff公司節省了近40小時的鉆井時間，并創造了一項ROP新記錄。該性能提升表明：淺孔鉆井中的ROP不再滯后，與基本的設計結構相比，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、適用于盆地環境的鉆頭技術正在幫助突破停滯瓶頸。通過更少的設計迭代，作業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用更為優化的鉆頭設計，這最終會對鉆井界緊張的資本支出預算和整體經濟狀況產生積極的影響。為盆地鉆井環境專門設計的新型鉆頭將給美國德克薩斯州東部的Haynesville頁巖儲層開發帶來積極的效應。