石油圈
钻头行业缺乏科学、精确的创新方法来进行钻头磨损分析。纵观历史，行业标准方法一直仅侧重于观察钻头切削结构的内外部情况，提供的磨损分析报告较为简单随意。PDC钻头磨损分级是一种主观分析，包含对特定应用的钻头的大量性能数据的处理分析。Taurex钻头公司利用其自动计量实验室（AML）技术帮助解决了该难题。
编译 | 无忧
近年来，作业者通过多种钻井优化措施，成倍地提高了钻井效率。这些措施包括改进工具设计，延长可用寿命，提高钻井设备的输出功率以及精确的参数优化。
PDC钻头可以算是钻柱中最不可或缺的组件，但采用上述优化措施会给PDC钻头带来新挑战。随着钻头上方的工具变得更加耐用、强大与高效，钻头需要承受更多的能量输出。因为作业者致力于缩短钻井作业工期，所以PDC钻头的固定式刀翼设计需针对不同岩石性质与井段长度进行优化，以实现性能提升。这需要准确了解地层特征、钻井参数以及底部钻具组合会如何影响钻头磨损，进而为不同作业进行优化设计。
如今PDC钻头已处于创新的最前沿，但缺乏对钻头磨损数据的大规模采集，Taurex开发出的自动化技术方法，可准确记录PDC钻头的磨损情况。
图1.Taurex公司的AML技术是一套自动化的三维机器视觉系统与计量检测程序。该技术可应用于大批量的钻头修复工作流程，每只钻头仅需不到五分钟即可生成一个精准的磨损量化数字模型。
01. 技术原理
AML技术可生成钻头磨损报告，其中包含每个切削齿的精确磨损测量值，以助力钻头评价以及科学的钻头优化策略。
首先，将钻头送达Taurex公司的集中维修设施，钻头以特定的方向被装载到AML旋转台上，以确保对齐（见上图1）。然后，全自动扫描程序利用计量级光学激光扫描仪来捕捉点云，并将其转换为三维多边形网格模型，形成磨损数字模型。系统自动检查该模型，测量每个切削齿的金刚石损耗，并添加颜色图，以显示整个钻头与切削齿的磨损趋势。最终，将这些数据整合到综合数据集中，工程师参考这些信息，可在产品研发期间做出明智决策。
随着钻井优化的进步，这种处理钻头磨损的方法已被证明是有效的。AML不仅可精确分析钻头磨损情况，而且还支持创建丰富的数据库，其中包含明确的磨损等级，从而能够与定制设计相关联，以分析磨损趋势并改进设计（见图2）。
图2.利用Taurex公司的内部软件，工程师可生成金刚石磨损率的相关模型。
02. 应用案例
1 案例一
Taurex公司与Delaware盆地的某个作业者合作，利用AML技术在最初的PDC钻头设计中找出问题，从而减少了钻至中完井深所需的钻头数量。实施AML技术前，该区块通常需要2至3只钻头才能钻至中完井深，1只钻头钻至中完井深的成功率为0。
根据首次设计迭代的AML分析结果，工程师们能够确定，在钻头切割结构的某特定区域内，金刚石都会发生损耗。为解决该问题，工程师们进行了多次修改，降低该区域的整体工作量。最终结果是，后续设计的钻头的平均进尺增加了21%，1只钻头钻至中完井深的成功率达到54%，节省了因钻头过早磨损而导致的高昂的起下钻费用。
2 案例二
在Midland盆地，作业者要求钻出大狗腿井眼，工具刚性更大与钻进扭矩更高造成了独特挑战。利用AML技术分析该作业最初使用的钻头，发现了相同的磨损模式。经确定，切割结构下肩部的切削齿发生损坏，会导致横向切割效率降低，进而降低了造斜率与机械钻速。在该问题区域，设计了一种改进的切削齿，以承受诊断出的磨损模式。与邻井进行对比，机械钻速提高了42%，金刚石磨损量减少了40%(见图3)。
图3. 左图为初始钻头磨损情况的扫描图像，可发现作业期间钻头持续出现磨损。右图为升级后切削齿的扫描图像，金刚石片的磨损量显著减少。
03. 结论
AML技术有助于识别设计中的薄弱环节，并可准确测量升级后切割齿所保留的金刚石片数量。将该信息提供给切割齿供应商，用以改进切割齿的设计。
Taurex最近升级了AML技术，增加了高分辨率自动摄影等功能。这将使该公司能够利用机器学习方法，全面实现钻头磨损的数字化测量。
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