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定向鉆井中，鉆頭和螺桿故障占起鉆前的一半以上。下面介紹一種技術(shù)方法，旨在優(yōu)化鉆頭、螺桿鉆具和井底鉆具組合的匹配，以降低失效風(fēng)險并提高鉆井性能。整個工作流程包括每個復(fù)雜部件的詳細(xì)建模和算法，在系統(tǒng)級別內(nèi)有效地對其進行組合，下面將一一介紹。

數(shù)據(jù)仿真技術(shù)
鉆頭仿真。在四維——三維空間及隨時間的瞬態(tài)行為中對鉆頭模型進行建模。在四維有限元建模中，能對PDC鉆頭和反向循環(huán)鉆頭進行建模。詳細(xì)的切削結(jié)構(gòu)模型包括確定切削齒的數(shù)量以及如何在三維切削齒空間內(nèi)布齒，必須正確模擬鉆頭切削齒和巖石的相互作用來模擬真實的工況。此相互作用的特點是對與切削齒相互作用的幾乎所有類型的巖石進行室內(nèi)測試。螺桿鉆具仿真。螺桿鉆具由多個部件組成，馬達(dá)總成包括定子/轉(zhuǎn)子組，負(fù)責(zé)將水利能轉(zhuǎn)化為機械能。轉(zhuǎn)子是運動的部件，靜止的定子是內(nèi)部粘結(jié)橡膠的金屬管。開發(fā)出優(yōu)化螺桿鉆具建模的工作流程，用來評估螺桿鉆具在任何鉆井條件下的性能和耐用性。模型包括性能、疲勞和滯后發(fā)熱模擬能力。在此工作流程的框架內(nèi)，技術(shù)人員使用三種模擬，結(jié)果之間存在相互關(guān)聯(lián)。

鉆柱模擬技術(shù)
正確的鉆柱模擬對成功評估鉆井性能和設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。此研究中，鉆柱和井底鉆具組合的分析包括全面的有限元分析模型，還包括四維分析中對鉆井過程進行適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)分析。此有限元模型使用六個自由度的三維梁單元，包含從鉆頭到地面的所有部件。該模型考慮了影響鉆柱動態(tài)性能的因素，可預(yù)測時域的瞬態(tài)響應(yīng)。此模型實現(xiàn)了井下驅(qū)動工具的詳細(xì)工作機制和幾何形狀，來研究這些工具的動態(tài)特征和定向性能。在對所有備選的井底鉆具組合進行比較分析的基礎(chǔ)上，模擬結(jié)果為特定的應(yīng)用而開發(fā)并檢查集成的井底鉆具組合的解決方案提供了機會。組合模擬和數(shù)據(jù)分析。以適當(dāng)和有效的方式組合鉆頭、螺桿鉆具、其它井底鉆具組合及鉆柱的詳細(xì)模型是一項挑戰(zhàn)。機器學(xué)習(xí)用于從鉆頭、螺桿和其它井底鉆具組合中學(xué)習(xí)特定的輸入和輸出模式。完整的三維有限元分析動態(tài)模型將使用機器學(xué)習(xí)算法以確保在系統(tǒng)級別內(nèi)組合其它部件的效果前，能模擬每個獨立的部件。典型輸出。此系統(tǒng)級建模提供了新功能，特別是它能通過評估、了解特定的或所有的鉆井參數(shù)對多方面造成的影響，對這些參數(shù)進行詳細(xì)的敏感性分析，并優(yōu)化這些參數(shù)。例如：可以在系統(tǒng)級分析中同時分析鉆井性能，部件的耐用性、穩(wěn)定性和可操作性。

現(xiàn)場應(yīng)用
使用新方法模擬來自特拉華盆地作業(yè)者的鉆頭、螺桿鉆具和井底鉆具組合。作業(yè)者和服務(wù)公司都試圖提高81/2”水平段的鉆井性能。傳統(tǒng)的井底鉆具組合為螺桿鉆具驅(qū)動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，并配套使用六刀翼、主切削齒為16毫米的PDC鉆頭。先前的故障和可靠性問題歸咎于每次試圖提高鉆井效率時，馬達(dá)總成出現(xiàn)橡膠崩塊。圖1中顯示的是螺桿鉆具連續(xù)兩次下井使用時，出現(xiàn)橡膠損壞。挑戰(zhàn)來自如何設(shè)計包括鉆頭和螺桿的井底鉆具組合？不犧牲可靠性的同時，如何獲得高性能？如何推薦并實施有助于實現(xiàn)這些目標(biāo)的鉆井參數(shù)。

模擬與分析。工作流程的策略是檢測多個井底鉆具組合，配置兩種不同的鉆頭選項和三種不同的螺桿鉆具馬達(dá)總成和鉆井參數(shù)（鉆壓/壓差、流量和每分鐘的地面轉(zhuǎn)速）。在規(guī)劃階段評估不同的選項，這包括兩個鉆頭、三種馬達(dá)總成（PS1、PS2 和 PS3），每個馬達(dá)總成的兩種不同的橡膠，以及每個橡膠的兩種不同的過盈配合。由于計算時間快，在較短的規(guī)劃階段內(nèi)評估了所有實例。除了這些選項外，還考慮了不同范圍的鉆井參數(shù)和鉆井工況。實驗設(shè)計靈敏度分析的主要輸出分為三類：性能、耐用性和穩(wěn)定性，并對結(jié)果進行了總結(jié)和分析。

鉆壓敏感性分析。螺桿鉆具的物理特征意味著增加鉆壓將使馬達(dá)總成產(chǎn)生更大的壓差，馬達(dá)總成提供的更大扭矩和更高的機械鉆速可轉(zhuǎn)化為更高的性能。關(guān)于穩(wěn)定性，增加鉆壓將降低疲勞壽命，增加滯后發(fā)熱，然而對大多數(shù)馬達(dá)總成而言，疲勞和滯后發(fā)熱則顯示較低的失效風(fēng)險。關(guān)于穩(wěn)定性，增加鉆壓時，側(cè)向振動值和軸向振動值都會增加且達(dá)到較高水平；另一方面，粘滑較低且不代表高風(fēng)險。

每分鐘地面轉(zhuǎn)速（SRPM）靈敏性分析。SRPM會顯著影響機械鉆速，還會增加穩(wěn)定性和耐用性的問題，將每分鐘地面轉(zhuǎn)速從110增加至140，只要選擇合適的馬達(dá)總成且流量值控制在合理的范圍內(nèi)，性能會提高6%，且不會顯著改變耐用性和穩(wěn)定性。

馬達(dá)總成的比較。對馬達(dá)總成靈敏性的分析如前所述，使用兩種橡膠及兩種過盈配合來評估三種不同的配置。PS3的機械鉆速最高，比PS2的機械鉆速高16%，比PS1的機械鉆速高26%。PS3的可靠性最強，然而關(guān)于穩(wěn)定性，PS3承受的軸向振動略高。雖然R2的性能比R1低2%，但其穩(wěn)定性更強，疲勞壽命要高得多，且滯后溫度更低。雖然R2的疲勞壽命更高，但作業(yè)者和服務(wù)公司仍在第一口井使用R1，R1滿足要求。

第一口井所鉆的井段的機械鉆速比鄰井提高了51%，節(jié)省了2.7天的鉆井時間。下口井的所鉆井段的觸底機械鉆速比鄰井C提高了41%，轉(zhuǎn)盤下的鉆井時間節(jié)省了2.3天，這顯示了螺桿和鉆頭組合新方案的穩(wěn)定性。在隨后的另一口井，使用新螺桿和鉆頭在米德蘭盆地不到3.4天的時間內(nèi)，一趟鉆完成了2.4英里水平段的鉆進，在格拉斯科克縣創(chuàng)造了在最短的時間內(nèi)，一趟鉆完成最長水平段的鉆進。