萬夫磊，韓烈祥，姚建林

(1國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 2川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 3四川川慶石油鉆采科技有限公司)

鉆頭是破巖的主要工具，鉆頭的性能對提高鉆進(jìn)速度、降低鉆井綜合成本起著重要作用。針對不同地層、不同井段、不同工況下的個(gè)性化高效PDC鉆頭越來越受到青睞。傳統(tǒng)的個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與制造仍依賴人工，效率低、成本高，嚴(yán)重制約了高效個(gè)性化鉆頭的發(fā)展。利用智能技術(shù)開展個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與制造，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，可以有效改變傳統(tǒng)方法的窘境，有效提高個(gè)性化鉆頭作業(yè)性能和設(shè)計(jì)制造效率。

一、鉆頭面臨的挑戰(zhàn)

國內(nèi)石油天然氣勘探開發(fā)正持續(xù)向深層、非常規(guī)延伸，而上述油氣藏中下部復(fù)雜難鉆地層硬度高、可鉆差、研磨性強(qiáng)、非均質(zhì)性強(qiáng)。一般情況下復(fù)雜難鉆地層進(jìn)尺僅占鉆井總進(jìn)尺的20%，但其鉆井成本卻占總鉆井成本的80%[1]。如何研制出滿足深部難鉆地層的高效、長壽命的個(gè)性化鉆頭，以提高深部難鉆地層的鉆井效率，降低鉆井成本是行業(yè)熱點(diǎn)問題。

鉆頭設(shè)計(jì)與制造涉及巖石力學(xué)、水力學(xué)、材料、機(jī)械加工制造等多個(gè)方面，傳統(tǒng)的個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與制造仍依賴人工，利用簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬、破巖實(shí)驗(yàn)和人的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造個(gè)性化鉆頭仍是主流方法，鉆井過程和鉆后評估時(shí)，對鉆頭的狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)和磨損判斷仍依靠經(jīng)驗(yàn)，尤其是鉆頭后評估因人而異，這種方法效率低、成本高、優(yōu)化改進(jìn)過程漫長，嚴(yán)重制約了高效個(gè)性化鉆頭的發(fā)展。

國外鉆頭技術(shù)發(fā)展迅速，以史密斯、貝克休斯、瑞德為代表，形成了耐磨性、攻擊性較強(qiáng)的鉆頭系列，通過開發(fā)新型耐磨抗溫切削齒和制造工藝，鉆頭性能不斷提高，硬地層平均進(jìn)尺200 m以上，平均壽命120 h以上。百施特、格銳特、惠靈豐等國內(nèi)知名的鉆頭廠家也相繼研制出了高性能金剛石鉆頭，但適應(yīng)深層能力仍舊較差，不同地區(qū)不同地層各有特點(diǎn)，雖然進(jìn)口鉆頭性能優(yōu)越，但鉆頭消耗量巨大，鉆井成本高[2-6]。

二、個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

人工智能(Artificial Intelligence，簡稱AI)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能學(xué)科研究的主要內(nèi)容包括：知識表示、自動(dòng)推理和搜索方法、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識獲取、知識處理系統(tǒng)、自然語言理解、計(jì)算機(jī)視覺、智能機(jī)器人、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等方面，從誕生以來，人工智能理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，可以對人的意識、思維的信息過程進(jìn)行模擬，計(jì)算機(jī)需要不斷從解決一類問題的經(jīng)驗(yàn)中獲取知識，學(xué)習(xí)策略，在遇到類似的問題時(shí)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)知識解決問題并積累新的經(jīng)驗(yàn)，就像普通人一樣，并且比人腦做得更快、更準(zhǔn)確[7-9]。

智能個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)包括智能設(shè)計(jì)、鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)識別、鉆后評估等三個(gè)核心。

1.智能設(shè)計(jì)制造技術(shù)

智能設(shè)計(jì)技術(shù)的核心思想是通過鉆頭大數(shù)據(jù)庫挖掘技術(shù)，獲得全面和完整的錄、測井資料，可實(shí)時(shí)分析目標(biāo)地層力學(xué)參數(shù)、可鉆性極值與鉆頭最優(yōu)指標(biāo)，擬合金剛石鉆頭需要突出的性能，為個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與優(yōu)選提供科學(xué)依據(jù)。

(1)建立工程技術(shù)“一體化”數(shù)據(jù)平臺(tái)，涵蓋鉆井、錄井、測井等相關(guān)專業(yè)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)采集入庫，為工程大數(shù)據(jù)應(yīng)用挖掘奠定基礎(chǔ)。

(2)建立可鉆性、研磨性、地層硬度和抗壓強(qiáng)度等計(jì)算模型，通過提取一體化平臺(tái)測井曲線的井徑、中子、密度、聲波等參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算獲得可鉆性、研磨性、硬度和抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵影響鉆頭設(shè)計(jì)的巖石力學(xué)特性。

(3)建立地層可鉆性、研磨性等巖石力學(xué)特性與鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)的反演模型，開發(fā)集鉆頭參數(shù)優(yōu)化、快速三維模型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)/水力學(xué)/磨損仿真分析于一體的金剛石鉆頭設(shè)計(jì)與數(shù)字仿真系統(tǒng)軟件，同時(shí)考慮井身結(jié)構(gòu)，得到金剛石鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，即刀翼數(shù)量、切削齒尺寸、布齒密度、冠部剖面形狀、保徑長度、后傾角等參數(shù)和對應(yīng)的IADC編號，實(shí)現(xiàn)鉆頭的全自動(dòng)CAD數(shù)字建模，快速形成個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)模型。

(4)利用鉆頭數(shù)字模擬與動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)仿真模塊開展數(shù)值模擬，通過井底流場和動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)，進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)模型，完成設(shè)計(jì)。

(5)利用3D打印和五軸加工聯(lián)動(dòng)的高精度快速制造技術(shù)快速完成模具、鉆頭的制造(圖1)。

浙江省新一代海洋氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)目前主要針對省一級需求開發(fā),未來探討各沿海市縣的需求,加入更多功能、開發(fā)更多產(chǎn)品問題。同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫建設(shè),擴(kuò)展基于CIMISS的數(shù)據(jù)環(huán)境接口,不斷提高平臺(tái)對數(shù)據(jù)獲取的高效穩(wěn)定及快速檢索,提高數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)K的執(zhí)行效率和展示接口,提供更加友好靈活的檢驗(yàn)結(jié)果展示。

圖1 3D打印快速成型胎體鉆頭工藝流程

傳統(tǒng)的胎體鉆頭存在制造工藝流程長、成本高、且胎體安全性相對較低等劣勢，使得鋼體鉆頭應(yīng)用需求不斷提高，同時(shí)鉆頭設(shè)計(jì)由平面2D設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展為立體3D數(shù)字化設(shè)計(jì)，也為數(shù)控加工技術(shù)與鉆頭加工的有機(jī)結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。按照三維設(shè)計(jì)模型，通過五軸數(shù)控加工中心對帶有水孔的粗加工鉆頭坯體進(jìn)行鉆頭的頂面和刀翼精加工，加工出鉆頭精細(xì)的輪廓細(xì)節(jié)，提高光潔度，同時(shí)進(jìn)一步加工切削齒齒孔，最終成型鉆頭本體。

2.實(shí)時(shí)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)識別技術(shù)

在鉆進(jìn)過程中，地質(zhì)和工程環(huán)境千變?nèi)f化，尤其是在深部難鉆地層，巖石的性質(zhì)受井底壓力和溫度條件(特別是壓力)的影響很大，鉆井過程中的鉆井液液柱壓力、圍限壓力、孔隙壓力都會(huì)直接影響巖石的強(qiáng)度、塑性和研磨性。隨著井深增加，井底壓力升高，巖石變得更加致密，強(qiáng)度增高，塑性增加，研磨性增強(qiáng)，且變化幅度受多種因素的制約，規(guī)律十分復(fù)雜，切削齒容易產(chǎn)生熱磨損、吃入巖石困難等問題；隨著地質(zhì)沉積的復(fù)雜化，巖石組分和微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜多變的狀態(tài)，部分地層存在軟硬互層、夾雜礫石甚至黃鐵礦等嚴(yán)重不均質(zhì)情況，這對于硬脆性的鉆頭材料來說則會(huì)產(chǎn)生致命的沖擊崩損甚至斷裂，導(dǎo)致鉆頭因鉆速迅速降低而起鉆。地層性質(zhì)、鉆井模式(復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方式)決定了鉆頭牙齒的載荷特性，對鉆頭牙齒的失效形式產(chǎn)生至關(guān)重要的影響[7]。例如個(gè)性化PDC鉆頭復(fù)合片的失效形式有：正常磨損、崩刃磨損(金剛石層沖擊崩損)、熱磨損、強(qiáng)度失效(沖擊斷裂)等多種。鉆頭上不同區(qū)域的切削齒失效往往也有顯著差異(心部一般為正常磨損，外部則容易崩損)，不同材料特性的復(fù)合片抵抗各種失效的能力也有明顯差異。鉆頭上牙齒的失效有時(shí)為單一形式的磨損，更多的時(shí)候則是不同失效形式并存，多重因素的綜合嚴(yán)重制約了PDC鉆頭在深部難鉆地層的工作性能。因此，在千變?nèi)f化的井下環(huán)境下監(jiān)測鉆頭狀態(tài)和預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要，是確保鉆頭發(fā)揮極限、避免先期破壞的關(guān)鍵。

2.1 井下隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

井下隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)的核心是利用井下數(shù)據(jù)采集裝置采集井下參數(shù)，實(shí)時(shí)高效的傳輸至地面。利用LWD、井下動(dòng)態(tài)記錄儀等工具可實(shí)時(shí)傳輸井下鉆井工程參數(shù)(隨鉆鉆具扭矩、振動(dòng)、鉆壓等)。國民油井公司的井下動(dòng)態(tài)記錄儀，直接連接在鉆頭上方，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆頭振動(dòng)、載荷、扭矩、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。哈里伯頓、貝克休斯等公司均也研制了實(shí)時(shí)井下參數(shù)檢測裝置。

2.2 機(jī)械比能鉆井參數(shù)優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)識別系統(tǒng)

機(jī)械比能(Mechanical specific energy，以下簡稱MSE)是作為一種用來描述鉆頭性能的概念被提出的，它提供了一種實(shí)時(shí)評價(jià)鉆井性能的工具。

(1)

式中：MSE—機(jī)械比能，WOB—鉆壓；Ab—鉆頭面積；ROP—機(jī)械鉆速；Db—鉆頭直徑。

式(1)為樊洪海的MSE模型，利用該模型，結(jié)合井下隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)，建立MSE鉆井參數(shù)優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)識別系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)鉆頭磨損、鉆井效率的隨鉆監(jiān)測與評價(jià)。主要技術(shù)思路是從鉆頭磨損對機(jī)械比能和鉆速的影響出發(fā)定量反算鉆頭磨損量，利用巖石側(cè)限抗壓強(qiáng)度將機(jī)械比能理論和鉆速方程結(jié)合起來，反算鉆頭磨損。

圖2反應(yīng)了鉆壓、機(jī)械鉆速與機(jī)械比能的關(guān)系。區(qū)域一中，鉆壓較低，鉆頭吃入深度不夠，破巖能量被大量損耗，能量利用率較低，導(dǎo)致機(jī)械鉆速較低；鉆速隨鉆壓的增加呈非線性增大的趨勢。區(qū)域二，隨著鉆壓和吃入深度的增大，鉆井效率逐漸增大。機(jī)械鉆速與鉆壓呈線性增加，在這一施工過程中增加鉆壓可以獲得較高的機(jī)械鉆速，破巖能量得到充分應(yīng)用。達(dá)到某一不穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，鉆速與鉆壓呈非線性關(guān)系，該點(diǎn)對應(yīng)的鉆壓即是最優(yōu)鉆壓。在該直線區(qū)域，對于給定的地層巖石，當(dāng)鉆壓處于該線性區(qū)域時(shí)，在特定的設(shè)計(jì)條件下能傳輸最大限度的能量。進(jìn)入?yún)^(qū)域三后，不穩(wěn)定點(diǎn)處已經(jīng)接近當(dāng)前鉆井系統(tǒng)可能獲得的最高鉆速。鉆壓較高，容易導(dǎo)致鉆具震動(dòng)，不能有效傳遞破巖能量，鉆井效率降低。主要體現(xiàn)為：鉆頭泥包、井底泥包、鉆具振動(dòng)、渦動(dòng)和粘滑、鉆頭非正常磨損和破壞等[10-13]。

圖2 鉆壓、機(jī)械鉆速與機(jī)械比能的關(guān)系

因此，利用MSE可優(yōu)化鉆井參數(shù)，讓施工參數(shù)處于區(qū)域二與區(qū)域三的交點(diǎn)處，可保障避免鉆頭非正常磨損和破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆頭工作效率，延長鉆頭工作時(shí)間和進(jìn)尺。

MSE鉆井參數(shù)優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)識別系統(tǒng)在四川某井(3 743～3 987 m)開展試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速3.36 m/h，同比鄰井(1.43 m/h)提高了127.97%，同比該區(qū)塊同井段最高指標(biāo)(3.16 m/h)提高了6.33%。在另外一口井，鉆至井深1 605 m后，MSE值急劇增加，機(jī)械鉆速顯著降低，扭矩儀表顯示數(shù)值波動(dòng)幅度大且頻繁，而其他參數(shù)無明顯變化，鉆進(jìn)井段巖性未發(fā)生變化，判斷為鉆頭發(fā)生鈍化，起鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭確已磨損。

MSE能實(shí)時(shí)識別地層巖性變化，不斷優(yōu)化鉆井參數(shù)，消除井下瓶頸因素，提高鉆頭工作效率，避免鉆頭非正常磨損和破壞，改變了傳統(tǒng)的靜態(tài)“后優(yōu)化”模式，實(shí)現(xiàn)鉆頭的智能化使用。

3.鉆后評估技術(shù)

為了克服人工檢測缺點(diǎn)，研制了一種智能鉆頭評估方法和裝置，利用三維激光掃描檢測技術(shù)自動(dòng)快速檢測和評估鉆頭磨損情況。三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破[9]。利用上述方法采集已磨損的鉆頭數(shù)據(jù)三維模型，獲取鉆頭磨損的關(guān)鍵特征值，分析識別胎體、刀翼、切削齒等磨損特征和參數(shù)信息，對比磨損特征庫，輸出鉆頭磨損檢測和評估結(jié)果，并給出鉆頭優(yōu)化和改進(jìn)建議。

三、應(yīng)用情況

個(gè)性化鉆頭技術(shù)已在川渝地區(qū)開展應(yīng)用，取得了顯著效果。利用智能設(shè)計(jì)制造技術(shù)，鉆頭的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造時(shí)間由原來的30 d降至4～5 d，時(shí)間節(jié)約了83%以上，制造效率提高了8倍以上，生產(chǎn)制造成本節(jié)約了50%以上。生產(chǎn)制造的個(gè)性化鉆頭結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)識別技術(shù)已應(yīng)用10余口井，與普通鉆頭相比，進(jìn)尺和機(jī)械鉆速等指標(biāo)更優(yōu)，且單井消耗的鉆頭數(shù)量更少。

例如，在四川某區(qū)塊，針對須家河、長興-龍?zhí)?、茅?棲霞等難鉆地層特點(diǎn)，利用工程技術(shù)“一體化”數(shù)據(jù)平臺(tái)開展數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)鉆頭在須家河組需要提高耐沖擊性、研磨性和穩(wěn)定性，在長興-龍?zhí)督M需要提高穩(wěn)定性、切削效率和壽命，在茅口-棲霞組需要提高鉆頭穩(wěn)定性、抗扭轉(zhuǎn)沖擊和保徑位置的抗研磨性等問題，利用智能個(gè)性化鉆頭技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)制造形成了CHM6164型和CHM5163型PDC鉆頭，產(chǎn)品價(jià)格僅為同類進(jìn)口產(chǎn)品的50%；上述鉆頭在3口井開展現(xiàn)場試驗(yàn)，配合使用機(jī)械比能鉆井參數(shù)優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)識別系統(tǒng)，單只進(jìn)尺同比鄰井PDC鉆頭提高了103%，平均機(jī)械鉆速同比提高65%。

四、認(rèn)識及建議

利用智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，本研究所形成的智能個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)，能輔助個(gè)性化鉆頭的智能設(shè)計(jì)制造和高效應(yīng)用，該技術(shù)包括個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)、鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)識別、鉆后評估等三個(gè)核心。通過地層巖石特征測井解釋模型，形成了地層巖石特性測井曲線反演-鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)-三維數(shù)字模型-優(yōu)選比對-3D打印和五軸加工聯(lián)動(dòng)的個(gè)性化鉆頭技術(shù)高效智能設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造。利用井下隨鉆監(jiān)測和機(jī)械比能鉆井參數(shù)優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)識別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆頭的智能化使用，利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能鉆頭評估。在川渝地區(qū)應(yīng)取得了顯著效果。

盡管該技術(shù)取得了較大進(jìn)展，但仍有諸多不足。例如:①相關(guān)大數(shù)據(jù)分析和反演算法和模型仍不成熟；②三維數(shù)字化模型數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)平臺(tái)融合度不足，仍不能實(shí)現(xiàn)快速、智能三維模型數(shù)值分析；③雖然3D打印實(shí)現(xiàn)了鉆頭模具成型，但仍需經(jīng)過橡膠模具和陶瓷模具兩步轉(zhuǎn)化，方可作為胎體鉆頭成型燒結(jié)模具，且暫未實(shí)現(xiàn)多種材料的3D智能打??；④ LWD、井下動(dòng)態(tài)記錄儀等井下隨鉆參數(shù)檢測工具數(shù)據(jù)傳輸效率和準(zhǔn)確率有限，且依賴進(jìn)口，不能滿足隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要；⑤鉆后評估技術(shù)尚不完善，仍未實(shí)現(xiàn)與智能鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)的互聯(lián)，且三維激光掃描檢測技術(shù)成本較高。

國外智能個(gè)性化鉆頭技術(shù)近年來發(fā)展迅速，例如石墨烯、超硬合金、納米等PDC復(fù)合片新材料，多維切削、可旋轉(zhuǎn)復(fù)合片；貝克休斯公司還研發(fā)了自適應(yīng)鉆頭、具備數(shù)據(jù)采集功能的鉆頭，國民油井公司研發(fā)了鉆頭黑匣子，實(shí)時(shí)記錄鉆頭工作狀態(tài)；依靠隨鉆測量和高速信息傳輸技術(shù)，將井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至鉆井遠(yuǎn)程決策支持中心(RTOC)，RTOC中心可對鉆頭工作狀況進(jìn)行分析并優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高鉆頭工作效率[2]。

下一步，將在智能個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析模型、生產(chǎn)制造技術(shù)和圖像識別技術(shù)等方面繼續(xù)開展攻關(guān)，利用深度學(xué)習(xí)等算法，提高數(shù)據(jù)分析和挖掘水平，開展低成本鉆頭評估技術(shù)研究，提高智能優(yōu)化設(shè)計(jì)水平，提高智能制造水平，并在更多的地區(qū)推廣應(yīng)用。