隨著當代科技的進 步， 數 字 化 技 術 已融入到了各行 各 業。 在 鉆 頭 制 造和油氣鉆井領域，數字孿生（映 射）技術結合鉆頭內傳感器等創 新成果大大縮短了產品迭代周 期，可有效的幫助鉆頭制造商和 鉆井作業商更快地將適用的鉆頭 投送到現場。 在幫助鉆井作業商為給定的 井段選擇合適的鉆頭時，鉆頭服 務公司通常需要做很多工作。
 
首 先，需要與作業商合作，以了解 該井段的鉆井計劃。其次，還需 要測量待鉆巖層的動力學性質， 這通常是通過作業商所提供的巖 石強度數據來完成的。另外，為 了幫助鉆井作業商實現其目標， 還需要確定給定鉆頭結構和給定 的井可能需要的定制量的多少。 通常，他們必須應用模擬軟件來 收集有關鉆頭潛在井下性能的多 個方面的信息。這之后通常還會 進行現場測試，而有時卻會產生 與模擬不同的結果，讓大家不得 不重新進行設計。 除了管理這類變量的挑戰以 外，鉆頭制造商還在不斷尋找各 種方法來突破其產品性能的極限， 因為他們認識到，鉆井作業商的 恒定目標就是不斷尋求以更快的 速度鉆到更深的井下目標深度。 國民油井（NOV）公司的鉆 頭生產管理人員明確表示，由于 當今鉆頭行業競爭非常激烈，如 果你不努力超越自己之前的產品 性能，你很快就會被取代。他們 認為，公司必須不斷超越自我， 不斷改進自身鉆頭的鉆井性能。 如果你不這樣做，別的公司就會 這樣做。
 
隨著世界各地鉆井活動的持 續增加，即使是微小的性能改進 也至關重要。貝克休斯公司鉆頭 產品生產線經理表示，其客戶很 多時候都在尋求快速解決方案， 而該公司的目標則是找到最佳解 決方案，將鉆頭的性能提升到客 戶所需的水平，并以最快的速度 實現這一目標。他認為，該公司 對所鉆地層的專業知識、對鉆頭 性能的理解以及為提供最佳結果 所需的技術都很專業，所有這些 對整個鉆頭選型過程都非常重要。 下面闡述一下美國幾家主要 鉆頭制造商（貝克休斯、哈里伯 頓和國民油井公司）是如何運用 增強模擬軟件改善其鉆頭服務的。 更好的軟件不僅可以更好地了解 給定鉆頭與目標巖層的相互作用， 還可以縮短鉆頭設計和現場測試 所需的時間，使鉆井作業商能夠 更快地將鉆頭投送到現場，從而 盡快開始鉆井和生產。
 
數字孿生技術
 
美國貝克休斯公司十分注重 數字孿生（映射）技術的應用。 其鉆頭鉆井模擬軟件可以創建鉆 頭和目標地層的數字孿生（映射） 影像，然后再應用專有的切削齒 力學模型來評估切削齒及鉆頭體 與巖石之間的相互作用?？梢詫︺@井作業商的特定性能限制挑戰 進行建模，以找到可定制的解決 方案。 與鉆井中的大多數其他過程 一樣，各公司一直在努力提高鉆 頭選型過程的效率。貝克休斯公 司可提供各種工具，以幫助鉆井 作業商找到適合其具體鉆井應用 領域的鉆頭。該公司在其位于德 克薩斯州 Woodlands 的工作地點 有一臺地面鉆機，可以對全尺寸 鉆頭進行模擬鉆探試驗。它還配 有一個壓力容器，可以用巖芯模 擬井下環境中的各種鉆井條件。
 
然而，為了簡化流程，同時 仍能提供精確的鉆頭性能分析， 貝克休斯公司表示，該公司不僅 在繼續投資于更好的軟件，同時 還在尋找各種方法以更好地利用 來自其各種產品系列的數十年的 現場數據。 雖然公司的客戶正在鉆進更 具挑戰性的巖性，但在鉆頭選型 過程中，公司知道能夠提供什么 樣的鉆頭產品，以及如何設計更 好的鉆頭來解決非常具體的鉆井 挑戰。公司可以縮短設計過程， 因為其工程技術人員了解其鉆頭 技術在井下的表現。
 
貝克休斯公司鉆頭設計過程 中的關鍵部分之一是其專有的鉆 頭鉆井模擬軟件，該軟件可以創 建鉆頭和目標地層的數字孿生（映 像）。然后，它使用專有的切削 齒力學模型來評估切削齒和鉆頭 體與巖石之間的相互作用。該軟 件可基于客戶輸入來建模鉆井應 用中的性能限制挑戰，進而評估 各種設計概念和可定制解決方案 的性能，這些可以是從地層變化 到優化固井浮動設備的鉆出作業 的任何內容。 用戶輸入井身參數和巖石屬 性后，軟件進行模擬，可以確定 特定鉆頭設計的鉆井行為，以預 測切削結構的進攻性和載荷條件。 這種類型的數字孿生能力允許在 建模鉆頭行為時具有更大的靈活 性，因為它還可以使用以前的數 字孿生數據，根據類似巖層的性 能和類似的鉆頭設計進行預測。
 
這種能力為貝克休斯公司提 供了更全面地了解鉆頭工況的可 能。在某些情況下，擁有數字孿 生映像會導致需要更少的甚至不 需要現場測試，從而將產品迭代 周期縮短幾天或甚至幾周。 由于貝克休斯公司創建了這 些模型，構建了數字孿生映像， 并建立了一個模擬數據庫，所以 可以更快地回答客戶的各種問題， 因為公司可以采用其之前已經建 立的模型，并對其進行修改，以 滿足當前的具體需求。因為已經 做了很多前期工作，使得整個過 程都得到了簡化。
 
貝 克休斯公司表示，雖然該 公司目前仍然進行產品的現場測 試，但發現一些長期客戶現在更 喜歡使用數字孿生技術來代替現 場測試。然而，這種方法需要客 戶和供應商之間有更高層次的相 互信任。公司曾花費很多時間根據過去的現場數據和實驗室數據 校準其數字能力，而當將這種能 力置于公司與客戶間牢固的關系 中后，就意味著雙方可以真正地 共同努力去簡化鉆頭選型流程。 在某些情況下，數字技術能 夠有效地幫助鉆井作業商在不需 要現場測試的情況下創下鉆頭鉆 井性能記錄。例如，在 2021 年， 一家公司在二疊紀盆地鉆進 12¼ 英 寸 中 間 井 段 時， 其 機 械 鉆 速 （ROP）達到了上限。通過計算 機模擬，貝克休斯公司確定了切 削齒是主要的 ROP 限制因素，然 后便在實驗室測試了不同的切削 齒及其在鉆頭表面的布齒位置。 最終，該公司推薦采用了 Prism 異形切削齒技術 的 Dynamus 鉆 頭，因為模擬結果表明，在被鉆井 段的韌性帶壓頁巖地層中，Prism 切削齒上的點載荷是提高機械鉆 速的理想選擇。 在現場，使用帶 Prism 切削 齒的 Dynamus 鉆頭在 16.3 小時 內 從 1405 英 尺 鉆 至 5200 英 尺 的整個中間段，平均機械鉆速為 232.8 英尺 / 小時。
 
根據貝克休斯 公司的統計，這比鉆井作業商的 目標高出了 37%，甚至創下了該 井段的鉆井記錄。 休斯公司表示，一旦將鉆頭 設計和現場數據輸入系統，其數 字孿生建模的下一步便是應用機 器學習方法使數字孿生模型的構 建實現自動化。 休斯公司在運用數字技術輔 助鉆頭選型的成長過程是這樣的， 其前期許多數字化工作都集中在 手動創建模型和構建數字孿生（映 像）上，但隨著時間的推移，公 司已經建立了一個模擬庫，這意 味著該公司可以有一個更快的過 程，由于已經做了很多前期工作， 所以可以調整和改進以前的模型， 以幫助構建新的模型。自動化可 以幫助該公司進一步減少調試時 間，且公司正致力于進一步加快 這一進程。
 
來自于鉆頭內傳感器
 
哈里伯頓公司認為，來自于 鉆頭內傳感器的各井下數據更直 接且更真實，該公司于 2020 年推 出的 Cerebro Force 鉆頭內傳感 器可以直接在鉆頭上采集鉆壓、 扭矩和彎曲方面的測量值，使該 公司能夠繪制出鉆頭真實的井下 運動圖。 哈里伯頓公司此前依靠在地 面采集的數據來進行鉆頭設計，但 在 2020 年推出其 Cerebro Force 鉆頭傳感器以后，公司便可以更 好地了解和記錄鉆頭在每一口井 中的運動模式。 Cerebro Force 鉆 頭 傳 感 器 可直接在鉆頭上獲取鉆壓、扭矩 和彎曲測量值，使該公司能夠繪 制出鉆頭的井下運動和任何相關 的鉆井功能障礙。在改進未來的 鉆頭設計時，這是非常有價值的。 哈里伯頓公司的戰略業務經 理 表 示，Cerebro Force 鉆 頭 傳 感器的主要功能是了解地下情況。 地面數據是在距離鉆頭數千英尺 以外的地方收集的，但鉆頭內傳 感則使技術人員能夠從井下的角 度看到究竟發生了什么事情，因 此能夠更清楚地了解鉆頭與巖石 界面的情況，并為鉆頭設計提供 更好參考數據。目前該公司正在 研究橫向振動、軸向振動、粘滑 和回旋發生的位置，然后將這些 信息與鉆頭設計、選型和具體的 鉆井作業相結合。
 
在 威 利 斯 頓（Williston） 盆地的一個項目中，來自鉆頭內 傳感器的數據幫助該公司設計了 一款 Cerebro 鉆頭?，F場測試數 據顯示，當滾動元件與地層接觸 時，鉆頭獲得了最快的機械鉆速 （ROP），同時使扭矩最小化。 當滾動元件嚙合時，扭矩被最小 化，從而提高了機械鉆速。然而， 傳感器數據也顯示，在每次測試 中，滾動元件處于嚙合狀態的比 例很小。 哈里伯頓公司設計人員隨后 降低了滾動元件嚙合時的切削深 度，這一舉措使滾動元件能夠在 鉆進過程中與地層嚙合的比例更 大，并因而提高了機械鉆速。改 進前的最高機械鉆速為 113.0 英 尺 / 小時，而改進后的最大機械鉆速則為 160.2 英尺 / 小時。 最近，哈里伯頓公司在其鉆 頭設計工具箱中添加了另一個十 分有用的工具——Oculus，這是 一個自動化軟件程序，可作為鉆 頭鈍化等級的評定系統。
 
該軟件 于 2021 年推出，使用機器學習算 法捕捉鉆頭上單個切削齒的精確 的鈍度信息。該程序可分析將鉆 頭從井中取出后拍攝的圖像，并 將數據編入到云數據庫中，然后， 它會自動對每顆切削齒的磨損程 度進行分級。 通過自動化鈍度分級過程， 消除了人工檢驗員目視檢查的主 觀性，使哈里伯頓公司能夠獲得 更精確的鉆頭鈍度測量和分類。 這使得包括在設計過程的測試階 段，對使用大量鉆頭上的鈍度分 析數據也變得更加容易。 哈里伯頓公司之前評估鉆頭 時，即使應用 IADC 代碼，也會 不可避免的帶有一些主觀性。比 如某個人可能會將鉆頭評為 1-2 級，另一個人可能評為 1-3 級， 而換一個人則可能會評定為 2-3 級。 而 通 過 應 用 Oculus 程 序， 為每顆切削齒拍攝數字圖像，將 其輸入系統，并給它一個更具體、 更客觀的等級，這樣就可以把一 些非常主觀的見解轉化為客觀準 確的數據。 哈里伯頓公司在的全球服務 中心都利用 Oculus 軟件進行固 定切削齒的鈍度分析。
 
該公司于 2022 年推出了其最新的 Hedron 固定切削齒平臺，將 Oculus 作 為更高效、更耐用的 PDC 鉆頭設 計的關鍵組件。 在 去 年 的 一 個 項 目 中， 哈 里伯頓公司與中東的一家定向鉆 井公司合作，該鉆井公司希望能 夠 提 高 機 械 鉆 速（ROP）。 哈 里伯頓公司利用類似地層的歷史 數 據， 選 擇 了 在 肩 部 區 域 使 用 帶 有 Geometrix 形 狀 切 削 齒 的 Hedron PDC 鉆頭作為起點，在 隨后的模擬和測試中，發現減小 金剛石體積會對鉆頭的穩定性產 生負面影響，并加劇了地層過渡 期間鉆頭肩部出現的輕微斷裂。 這一發現促使哈里伯頓公司尋找 改變鉆頭設計概念的方法，以提 高切削齒的效率，并將不穩定的 可能性降至最低。 根據 Oculus 系統提供的數 據，該公司保持了與參考鉆頭相 同的輪廓和切削齒位置，但引入 了最佳的后傾角方案，以提高效 率，并降低沖擊損壞的可能性。
 
在哈里伯頓公司的專有建模軟件 中進行測試后，在調整后傾角狀 態之前，對錐形面、鼻部和肩部 都進行了檢查。鉆頭的錐形面區 域沒有變化，因為在鉆頭設計軟 件中進行的設計模擬表明，這種 變化可能會導致錐形面切削齒過 度嚙合，從而加劇振動水平，并 增加產生井下功能障礙的可能性。 在建模軟件的最后一次測試 中，與參考鉆頭相比，鉆頭效率 提高了 26%。然后，對改進后的 鉆頭進行了現場測試，其機械鉆 速（ROP）達到了 81.2 英尺 / 小時， 比之前的 69.6 英尺 / 小時的記錄 高出了近 12 英尺 / 小時。 Oculus 系統在很大程度上幫 助哈里伯頓公司更好地了解了切 削齒在許多不同鉆井應用中的表 現，無論是磨損、沖擊環境還是 高熱環境，使得該公司能夠在向 客戶介紹其新型鉆頭技術時做出 更好的選擇。
 
提高鉆頭的適配性
 
國民油井（NOV）公司則非 常注重在提供其高性能鉆頭產品 時與鉆井作業商的有機合作與協 調。該公司一直專注于改進切削 齒的粉料牌號和形狀，以幫助鉆 井作業商提高鉆井性能。公司于 去年推出的新型 ION+5DX 切削 齒就是一個例子，其特點是齒的 工作脊能夠承受突然的沖擊，同 時向所鉆地層施加高的壓縮載荷。 NOV 公司擅長應用其豐富的 軟件程序來幫助鉆井作業商選取 合適的鉆頭。Terra-Scope 是該 公司長期以來所應用的井下地震 監測系統，它可以分析巖石強度 數據，并輸出目標地層最可能的 失效機制。例如，它可以確定鉆 頭是否更有可能在應力作用下失效（這需要 3D 形狀的切削齒）或 者更有可能在應變作用下失效（這 就需要全圓形切削齒）。
 
然后， 該公司使用其 Orbits 軟件進行模 擬，以檢驗某種給定鉆頭設計在 鉆井作業商指定的巖石屬性下的 性能。 NOV 公 司 認 為， 盡 管 Terra-Scope 和 Orbits 等 軟 件 很復雜，但現場工程師仍需要做 很多工作來梳理鉆機上可能發生 的或鉆井時鉆頭會發生的所有不 同情況，而查看所有可用數據并 提出合理的建議還需要大量的協 調工作。 這 就 是 NOV 工 程 技 術 人 員 一直認為鉆頭的選型過程實際上 就是鉆頭商家與鉆井作業商必須 緊密合作的根本原因。例如，在 Orbits 模擬程序中選擇將要使用 的鉆頭輪廓通常是一個反復的過 程，需要由作業者提供其性能目 標，并概述其在前幾次鉆進地層 時識別出的限制因素?？赡苄枰?兩到三次的產品更替才能為鉆井 作業商提供正確的鉆頭輪廓，使 其鉆井應用的價值最大化。
 
尤其是在二疊紀這樣的盆地， 鉆井作業員會在任何巖層中鉆各 種尺寸的井，就更加需要對鉆頭 設計進行個性化定制。在這些情 況下，最初的現場測試通常被證 明是非常有價值的。雖然模擬軟 件能夠很好地預估鉆頭的性能， 例如，可為各種井下振動和鉆頭 的攻擊性提供潛在理論，但通常 仍需要進行實際的鉆進，以更清 楚地了解影響鉆頭性能的具體因 素。例如，NOV 在其模擬軟件中 運行附加應用程序，用以分析發 生鉆頭回旋和粘滑等井下功能障 礙的可能性，但編程到這些附加 程序中的模型卻只能提供大致的 估計效果。 盡管多年來鉆頭選型的過程 一直保持相對不變，但 NOV 公司 表示，其取得最大進展的地方是 應用鉆頭提高鉆井作業商的鉆井 性能。這包括利用從以前的鉆頭 設計中獲得的知識，在未來的項 目中提高鉆井效率——特別是， 該公司一直致力于改善切削齒選 材牌號和切削齒形狀，以幫助使 鉆頭更加穩定并提高其耐用性。 NOV 公司認為，鉆井作業商 節省資金的方法是減少鉆井天數。 單個井段的機械鉆速（ROP）已 經達到了一個臨界點，所以現在 該公司正在研究如何用相同的鉆 頭鉆進更多的井段，這樣就不必 再為同樣的鉆井工具花費資金了。
 
這對切削齒來說是一個獨特的挑 戰，因為這樣一來在同一趟鉆進 中要經歷不同類型的巖石破壞。 該公司正在研究如何建造一個合 理的切削齒布局陣列，它可以使 鉆頭穿過研磨性頁巖、回到研磨 性砂巖、然后再回到頁巖中去—— 所有這些都在一個層段內進行， 而不需要用不同的鉆頭進行單獨 的鉆進。 2022 年 3 月，NOV 公 司 推 出了 ION+5DX 切削齒，該切削 齒包含一個工作脊，可以承受突 然的沖擊，同時向地層施加高的 壓縮載荷。應用這種切削齒的目 標是最大限度地減少沖擊損傷， 同時最大限度地提高機械鉆速。 該公司表示，與普通商用切削齒 的平均值相比，5DX 齒的材料韌 性（即材料在斷裂前每單位體積 可以吸收的能量）提高了 60%。 該公司研發切削齒的團隊一 直在研究新的切削齒材料牌號， 并不斷改善切削齒的形狀和布置。 通過應用更加耐沖擊的切削齒， 可以在設計方面更加積極，使鉆 頭更具進攻性，從而幫助公司的 鉆井客戶超越其目標。如果鉆井 作業商能夠在 24 小時內鉆 9000 英尺的水平段，該公司自信能夠 幫助其在未來更短的時間內鉆進 同樣的距離。 時代在發展，科技在進步。 有理由相信，隨著數字化技術應 用的不斷深入，包括數字孿生（映 射）技術在內的各種數字化工具 在簡化鉆頭選型、鉆頭設計和鉆 頭測試的過程中必將會發揮越來 越廣泛和重要的作用。