定向钻井中，钻头和螺杆故障占起钻前的一半以上。下面介绍一种技术方法，旨在优化钻头、螺杆钻具和井底钻具组合的匹配，以降低失效风险并提高钻井性能。整个工作流程包括每个复杂部件的详细建模和算法，在系统级别内有效地对其进行组合，下面将一一介绍。

数据仿真技术
钻头仿真。在四维——三维空间及随时间的瞬态行为中对钻头模型进行建模。在四维有限元建模中，能对PDC钻头和反向循环钻头进行建模。详细的切削结构模型包括确定切削齿的数量以及如何在三维切削齿空间内布齿，必须正确模拟钻头切削齿和岩石的相互作用来模拟真实的工况。此相互作用的特点是对与切削齿相互作用的几乎所有类型的岩石进行室内测试。螺杆钻具仿真。螺杆钻具由多个部件组成，马达总成包括定子/转子组，负责将水利能转化为机械能。转子是运动的部件，静止的定子是内部粘结橡胶的金属管。开发出优化螺杆钻具建模的工作流程，用来评估螺杆钻具在任何钻井条件下的性能和耐用性。模型包括性能、疲劳和滞后发热模拟能力。在此工作流程的框架内，技术人员使用三种模拟，结果之间存在相互关联。

钻柱模拟技术
正确的钻柱模拟对成功评估钻井性能和设备的可靠性至关重要。此研究中，钻柱和井底钻具组合的分析包括全面的有限元分析模型，还包括四维分析中对钻井过程进行适当的瞬态分析。此有限元模型使用六个自由度的三维梁单元，包含从钻头到地面的所有部件。该模型考虑了影响钻柱动态性能的因素，可预测时域的瞬态响应。此模型实现了井下驱动工具的详细工作机制和几何形状，来研究这些工具的动态特征和定向性能。在对所有备选的井底钻具组合进行比较分析的基础上，模拟结果为特定的应用而开发并检查集成的井底钻具组合的解决方案提供了机会。组合模拟和数据分析。以适当和有效的方式组合钻头、螺杆钻具、其它井底钻具组合及钻柱的详细模型是一项挑战。机器学习用于从钻头、螺杆和其它井底钻具组合中学习特定的输入和输出模式。完整的三维有限元分析动态模型将使用机器学习算法以确保在系统级别内组合其它部件的效果前，能模拟每个独立的部件。典型输出。此系统级建模提供了新功能，特别是它能通过评估、了解特定的或所有的钻井参数对多方面造成的影响，对这些参数进行详细的敏感性分析，并优化这些参数。例如：可以在系统级分析中同时分析钻井性能，部件的耐用性、稳定性和可操作性。

现场应用
使用新方法模拟来自特拉华盆地作业者的钻头、螺杆钻具和井底钻具组合。作业者和服务公司都试图提高81/2”水平段的钻井性能。传统的井底钻具组合为螺杆钻具驱动旋转导向，并配套使用六刀翼、主切削齿为16毫米的PDC钻头。先前的故障和可靠性问题归咎于每次试图提高钻井效率时，马达总成出现橡胶崩块。图1中显示的是螺杆钻具连续两次下井使用时，出现橡胶损坏。挑战来自如何设计包括钻头和螺杆的井底钻具组合？不牺牲可靠性的同时，如何获得高性能？如何推荐并实施有助于实现这些目标的钻井参数。

模拟与分析。工作流程的策略是检测多个井底钻具组合，配置两种不同的钻头选项和三种不同的螺杆钻具马达总成和钻井参数（钻压/压差、流量和每分钟的地面转速）。在规划阶段评估不同的选项，这包括两个钻头、三种马达总成（PS1、PS2 和 PS3），每个马达总成的两种不同的橡胶，以及每个橡胶的两种不同的过盈配合。由于计算时间快，在较短的规划阶段内评估了所有实例。除了这些选项外，还考虑了不同范围的钻井参数和钻井工况。实验设计灵敏度分析的主要输出分为三类：性能、耐用性和稳定性，并对结果进行了总结和分析。

钻压敏感性分析。螺杆钻具的物理特征意味着增加钻压将使马达总成产生更大的压差，马达总成提供的更大扭矩和更高的机械钻速可转化为更高的性能。关于稳定性，增加钻压将降低疲劳寿命，增加滞后发热，然而对大多数马达总成而言，疲劳和滞后发热则显示较低的失效风险。关于稳定性，增加钻压时，侧向振动值和轴向振动值都会增加且达到较高水平；另一方面，粘滑较低且不代表高风险。

每分钟地面转速（SRPM）灵敏性分析。SRPM会显著影响机械钻速，还会增加稳定性和耐用性的问题，将每分钟地面转速从110增加至140，只要选择合适的马达总成且流量值控制在合理的范围内，性能会提高6%，且不会显著改变耐用性和稳定性。

马达总成的比较。对马达总成灵敏性的分析如前所述，使用两种橡胶及两种过盈配合来评估三种不同的配置。PS3的机械钻速最高，比PS2的机械钻速高16%，比PS1的机械钻速高26%。PS3的可靠性最强，然而关于稳定性，PS3承受的轴向振动略高。虽然R2的性能比R1低2%，但其稳定性更强，疲劳寿命要高得多，且滞后温度更低。虽然R2的疲劳寿命更高，但作业者和服务公司仍在第一口井使用R1，R1满足要求。

第一口井所钻的井段的机械钻速比邻井提高了51%，节省了2.7天的钻井时间。下口井的所钻井段的触底机械钻速比邻井C提高了41%，转盘下的钻井时间节省了2.3天，这显示了螺杆和钻头组合新方案的稳定性。在随后的另一口井，使用新螺杆和钻头在米德兰盆地不到3.4天的时间内，一趟钻完成了2.4英里水平段的钻进，在格拉斯科克县创造了在最短的时间内，一趟钻完成最长水平段的钻进。