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

數據仿真技術
鉆頭仿真。在四維——三維空間及隨時間的瞬態行為中對鉆頭模型進行建模。在四維有限元建模中，能對PDC鉆頭和反向循環鉆頭進行建模。詳細的切削結構模型包括確定切削齒的數量以及如何在三維切削齒空間內布齒，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測試。螺桿鉆具仿真。螺桿鉆具由多個部件組成，馬達總成包括定子/轉子組，負責將水利能轉化為機械能。轉子是運動的部件，靜止的定子是內部粘結橡膠的金屬管。開發出優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、疲勞和滯后發熱模擬能力。在此工作流程的框架內，技術人員使用三種模擬，結果之間存在相互關聯。

鉆柱模擬技術
正確的鉆柱模擬對成功評估鉆井性能和設備的可靠性至關重要。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的瞬態分析。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性能的因素，可預測時域的瞬態響應。此模型實現了井下驅動工具的詳細工作機制和幾何形狀，來研究這些工具的動態特征和定向性能。在對所有備選的井底鉆具組合進行比較分析的基礎上，模擬結果為特定的應用而開發并檢查集成的井底鉆具組合的解決方案提供了機會。組合模擬和數據分析。以適當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模型是一項挑戰。機器學習用于從鉆頭、螺桿和其它井底鉆具組合中學習特定的輸入和輸出模式。完整的三維有限元分析動態模型將使用機器學習算法以確保在系統級別內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對多方面造成的影響，對這些參數進行詳細的敏感性分析，并優化這些參數。例如：可以在系統級分析中同時分析鉆井性能，部件的耐用性、穩定性和可操作性。

現場應用
使用新方法模擬來自特拉華盆地作業者的鉆頭、螺桿鉆具和井底鉆具組合。作業者和服務公司都試圖提高81/2”水平段的鉆井性能。傳統的井底鉆具組合為螺桿鉆具驅動旋轉導向，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，馬達總成出現橡膠崩塊。圖1中顯示的是螺桿鉆具連續兩次下井使用時，出現橡膠損壞。挑戰來自如何設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這些目標的鉆井參數。

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總成和鉆井參數（鉆壓/壓差、流量和每分鐘的地面轉速）。在規劃階段評估不同的選項，這包括兩個鉆頭、三種馬達總成（PS1、PS2 和 PS3），每個馬達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，在較短的規劃階段內評估了所有實例。除了這些選項外，還考慮了不同范圍的鉆井參數和鉆井工況。實驗設計靈敏度分析的主要輸出分為三類：性能、耐用性和穩定性，并對結果進行了總結和分析。

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總成產生更大的壓差，馬達總成提供的更大扭矩和更高的機械鉆速可轉化為更高的性能。關于穩定性，增加鉆壓將降低疲勞壽命，增加滯后發熱，然而對大多數馬達總成而言，疲勞和滯后發熱則顯示較低的失效風險。關于穩定性，增加鉆壓時，側向振動值和軸向振動值都會增加且達到較高水平；另一方面，粘滑較低且不代表高風險。

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

馬達總成的比較。對馬達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，然而關于穩定性，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，但作業者和服務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%，轉盤下的鉆井時間節省了2.3天，這顯示了螺桿和鉆頭組合新方案的穩定性。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，一趟鉆完成了2.4英里水平段的鉆進，在格拉斯科克縣創造了在最短的時間內，一趟鉆完成最長水平段的鉆進。