近年來，隨著井眼形狀和鉆井作業過程變得越來越復雜，鉆頭開發商也不得不持續改進鉆頭結構、跟進鉆頭技術，以滿足日益困難的鉆井性能要求。聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭就是一個典型的例子，這類鉆頭在耐用性和效率方面一直保持持續改進，以支持更為復雜的操作參數以及BHA（底部鉆具組合）的設計結構，包括性能更為強大的螺桿鉆具和復雜的旋轉導向系統。
 
智能鉆頭應勢而生
 
隨著研發資源在PDC鉆頭開發中的應用，鉆頭應用的關鍵性能指標越來越受到限制。當大多數井段僅用一個鉆頭就能鉆完時，就很難減少每個井段所用的鉆頭數量了。而當鉆井系統的水力配置無法有效地將鉆屑排出環空時，則顯著提高鉆速同樣具有挑戰性。此外，井眼質量和定向要求有時會比提高鉆速更為重要。因此，一種能夠推動鉆井性能進一步提高的創新鉆頭產品被廣泛歸類為“智能鉆頭”。隸屬于國民油井（NOV）公司的ReedHycalog公司業務部門近來走在了智能鉆頭市場的最前沿，開發出了能測量鉆井環境各個方面的技術，并能使這些測量參數有機結合，進而根據這些信息改進其井下作業數據。

該公司工程師們發現，近鉆頭和/或在鉆頭測量可與遠離鉆頭的測量相結合，以改進BHA（底部鉆具組合）模型、整體定向控制和鉆井系統的穩定性。鉆井參數和振動測量工具現在都非常精確，并能夠以令人印象深刻的頻率收集數據。一旦處理完畢，這些數據可以提供對井下動力學和效率方面的重要見解，以及一些不太明顯的主題，如井眼質量和地層特征等。通過在鉆頭（而不是在底部鉆具組合內的鉆頭幾英尺以上）處進行這些測量，可以立即查看鉆井過程的許多井下狀況以及所鉆地層方面的信息。這些井下測量的一個有趣的應用是將數據用于神經網絡或大數據分析的潛力。如果能夠在一個油田內捕獲多口井的整個深度的井下數據，就可以得出關于鉆頭選擇和底部鉆具組合設計、參數優化和地質趨勢的精確結論。許多這些統計分析都可以自動化，但其限制因素是大量高質量數據的可用性。與許多類型的測量工具相關的相對較高的成本限制了它們的部署，因此，在給定的應用中，通常不到10%的油井會應用到捕獲高頻數據的工具。而ReedHycalog公司則正在努力改進這類統計數據。
 
 
圖1展示了安裝在鉆頭柄部螺紋端的“在鉆頭”測量裝置，可收集用于性能和動力學分析方面的井下數據。為了提高近鉆頭井下數據采集的可訪問性，服務提供商目前正在部署一種小型、低成本的數據記錄儀，用于記錄和存儲特定應用中ReedHycalog公司所有PDC鉆頭上的數據。這種@bit（在鉆頭）記錄儀的形狀像是一種1.6英寸直徑的塞子，可牢固地安裝在任何使用4½英寸或更大的API鉆頭柄部的鉆頭上。該記錄儀可承受的最大壓力為15000 psi，最高工作溫度為257°F。雖然其尺寸很小，但該記錄儀能夠在井下環境中達到100赫茲的采樣率和200小時的工作時間，同時記錄三軸振動、井下溫度和轉速。

在該記錄儀的整個開發過程中，重點一直放在其易用性上。這種@bit（在鉆頭）記錄儀不影響鉆柱底部鉆具組合（BHA）的設計，其載體的安裝或完成其數據下載僅需要幾分鐘的時間。通過使這種@bit（在鉆頭）記錄儀在硬件和人力使用方面都經濟可行，就可以在各油田實現廣泛的推廣應用。由于這種記錄儀的尺寸非常小，所以不能存儲大量的數據。然而，它能夠在井下自動處理數據并存儲這些信息，以便在需要時支持有關鉆頭動態性能的決策。@bit（在鉆頭）記錄儀的數據是在幾乎完全自動化的系統中運行后收集的，這就進一步降低了分析的成本。系統會自動生成一個簡單的單頁報告，為按天細分的鉆井作業提供振動方面的統計信息。數據可被編入索引并上傳到一個數據庫中；利用這個數據庫，鉆井專家可以通過地圖界面與鉆井作業人員一起分析鉆井性能趨勢。

應用智能鉆頭的優勢

應用智能自適應技術能夠減少鉆頭的起下鉆次數。如前所述，由于鉆頭耐用度的提高以及其他鉆井系統（如井下馬達、旋轉導向工具和MWD組件）的改進，目前世界上許多井段都能僅用一只鉆頭即可鉆完?？紤]到起下鉆作業的成本，尤其是在海上鉆井作業中的起下鉆作業成本特別高，從操作成本的角度來看，這是一個重大的發展。在鉆井過程中減少更換鉆頭次數的缺點是，一旦選擇了一種鉆頭并下入井下，這同一個鉆頭將經常會被用于在不同壓力和水力條件下鉆進許多不同的地層類型。而且，同一只鉆頭也可能會被賦予不同的定向目標，同時機械鉆速要求也很高。
 
ReedHycalog公司開發了一種新技術，允許鉆頭在井下進行調整和改變，從而消除了將鉆頭起出地面的需要。這項新技術為鉆頭適應不斷變化的動態環境、地層特征、定向要求等提供了潛力。通過這種方式，鉆頭可以在其整個井下生命周期內以盡可能高的效率進行鉆井，進而提高機械鉆速、井筒質量和定向性能，同時還能降低鉆頭或BHA（底部鉆具組合）部件發生災難性故障的可能性。目前對這種“智能自適應”鉆頭概念的測試允許司鉆在鉆井過程中部署額外的切削結構或切削深度控制元件。在這項技術的第一個產品原型中，是通過改變液壓參數來觸發自適應功能的；但未來的版本將使用其他部署方法。這項技術能夠以幾種有價值的方式進行應用。

圖2展示了當在地面由司鉆激活后，智能自適應鉆頭能夠伸展出帶有新的切削結構的刀翼，以提高鉆頭的耐用性并減少昂貴的鉆頭起下鉆次數。在一個應用特例中，一位司鉆要選擇這樣一個鉆頭，該鉆頭在鉆井過程的前半部分要鉆進的非?？?，原因是這一井段的地層相對較軟。為了實現這一點，其使用了一個布齒密度較稀的六刀翼鉆頭。但在鉆井作業遇到極易磨損的砂巖時，在井眼上半部分工作得很好的這只六刀翼鉆頭卻無法達到鄰井鉆頭那樣的鉆進性能，就不得不將這只鉆頭起出井眼而更換適合特定應用的新鉆頭。眾所周知，鉆頭的起下鉆費用是很高的。而使用該公司的智能自適應鉆頭技術，司鉆就可以在井上直接使用帶有新切削齒的其它刀翼，這樣就提高了鉆頭的耐磨性，即可以在不起出BHA（底部鉆具組合）以更換鈍鉆頭的情況下連續完成該井段的鉆進。
 
這種智能自適應鉆頭也能很好的應用于造斜（彎曲）段和水平段為相同井眼尺寸的定向鉆進井應用中。在鉆彎曲段時，需要結合彎殼體井下馬達對鉆頭進行切削深度控制，以確保平滑的扭矩響應。為了實現這一目標，可在智能自適應鉆頭上部署切削深度控制元件，以減少扭轉波動和工具面控制方面的問題。然而，在鉆完彎曲段以后，鄰井鉆井數據顯示在橫向段的機械鉆速可以比彎曲段的機械鉆速快三到四倍。在這種情況下，智能自適應鉆頭則可以縮回切削深度控制元件，讓鉆頭切削結構吃入地層的深度更大，從而使鉆頭能夠更快的在水平段進行鉆進，如圖3所示。
 
圖3展示了鉆完彎曲段后，通過收回可調刀翼，司鉆可以迅速提高橫向段的機械鉆速，以減少鉆機使用時間。除這些操作益處以外，其他方案還包括在井下時顯著改變鉆頭切割結構、保徑結構和/或液壓設計以進一步優化鉆井性能的能力。鉆井作業中新的協同作用正在不斷向前發展。隨著技術和材料科學的進步，業界將會開發出新的在鉆頭測量產品，從而為鉆井優化提供實時信息，并為鉆井作業后的全面分析提供信息存儲功能。鉆頭供應商和鉆井作業公司必須共同努力，以確定井底的哪些信息能提供最大的價值，以及這些數據需要多久才能實現價值最大化。對智能自適應鉆頭的控制可以通過各種下行鏈接方法在地面實施，這些方法已經在業界得以使用。最終，這些方法也可能會顯得太耗時，且無法提供所需的具體控制。
 
因此，智能自適應鉆頭的開發應致力于不需要與地面人員直接交互的系統。當這些智能鉆頭獲得測量值時，應根據需要將這些數據與BHA（底部鉆具組合）中其他工具的測量值結合起來以發揮更大的作用。當所需信息到位時，鉆頭（以及底部鉆具組合的其他部分）應在不受地面干擾的情況下做出反應并適應不斷變化的井下條件。隨著智能鉆頭設計在未來幾年的發展，這些閉環能力有可能顯著提高鉆井效率，改進地質導向和平衡鉆井等工藝。