近年来，随着井眼形状和钻井作业过程变得越来越复杂，钻头开发商也不得不持续改进钻头结构、跟进钻头技术，以满足日益困难的钻井性能要求。聚晶金刚石复合片（PDC）钻头就是一个典型的例子，这类钻头在耐用性和效率方面一直保持持续改进，以支持更为复杂的操作参数以及BHA（底部钻具组合）的设计结构，包括性能更为强大的螺杆钻具和复杂的旋转导向系统。
 
智能钻头应势而生
 
随着研发资源在PDC钻头开发中的应用，钻头应用的关键性能指标越来越受到限制。当大多数井段仅用一个钻头就能钻完时，就很难减少每个井段所用的钻头数量了。而当钻井系统的水力配置无法有效地将钻屑排出环空时，则显著提高钻速同样具有挑战性。此外，井眼质量和定向要求有时会比提高钻速更为重要。因此，一种能够推动钻井性能进一步提高的创新钻头产品被广泛归类为“智能钻头”。隶属于国民油井（NOV）公司的ReedHycalog公司业务部门近来走在了智能钻头市场的最前沿，开发出了能测量钻井环境各个方面的技术，并能使这些测量参数有机结合，进而根据这些信息改进其井下作业数据。

该公司工程师们发现，近钻头和/或在钻头测量可与远离钻头的测量相结合，以改进BHA（底部钻具组合）模型、整体定向控制和钻井系统的稳定性。钻井参数和振动测量工具现在都非常精确，并能够以令人印象深刻的频率收集数据。一旦处理完毕，这些数据可以提供对井下动力学和效率方面的重要见解，以及一些不太明显的主题，如井眼质量和地层特征等。通过在钻头（而不是在底部钻具组合内的钻头几英尺以上）处进行这些测量，可以立即查看钻井过程的许多井下状况以及所钻地层方面的信息。这些井下测量的一个有趣的应用是将数据用于神经网络或大数据分析的潜力。如果能够在一个油田内捕获多口井的整个深度的井下数据，就可以得出关于钻头选择和底部钻具组合设计、参数优化和地质趋势的精确结论。许多这些统计分析都可以自动化，但其限制因素是大量高质量数据的可用性。与许多类型的测量工具相关的相对较高的成本限制了它们的部署，因此，在给定的应用中，通常不到10%的油井会应用到捕获高频数据的工具。而ReedHycalog公司则正在努力改进这类统计数据。
 
 
图1展示了安装在钻头柄部螺纹端的“在钻头”测量装置，可收集用于性能和动力学分析方面的井下数据。为了提高近钻头井下数据采集的可访问性，服务提供商目前正在部署一种小型、低成本的数据记录仪，用于记录和存储特定应用中ReedHycalog公司所有PDC钻头上的数据。这种@bit（在钻头）记录仪的形状像是一种1.6英寸直径的塞子，可牢固地安装在任何使用4½英寸或更大的API钻头柄部的钻头上。该记录仪可承受的最大压力为15000 psi，最高工作温度为257°F。虽然其尺寸很小，但该记录仪能够在井下环境中达到100赫兹的采样率和200小时的工作时间，同时记录三轴振动、井下温度和转速。

在该记录仪的整个开发过程中，重点一直放在其易用性上。这种@bit（在钻头）记录仪不影响钻柱底部钻具组合（BHA）的设计，其载体的安装或完成其数据下载仅需要几分钟的时间。通过使这种@bit（在钻头）记录仪在硬件和人力使用方面都经济可行，就可以在各油田实现广泛的推广应用。由于这种记录仪的尺寸非常小，所以不能存储大量的数据。然而，它能够在井下自动处理数据并存储这些信息，以便在需要时支持有关钻头动态性能的决策。@bit（在钻头）记录仪的数据是在几乎完全自动化的系统中运行后收集的，这就进一步降低了分析的成本。系统会自动生成一个简单的单页报告，为按天细分的钻井作业提供振动方面的统计信息。数据可被编入索引并上传到一个数据库中；利用这个数据库，钻井专家可以通过地图界面与钻井作业人员一起分析钻井性能趋势。

应用智能钻头的优势

应用智能自适应技术能够减少钻头的起下钻次数。如前所述，由于钻头耐用度的提高以及其他钻井系统（如井下马达、旋转导向工具和MWD组件）的改进，目前世界上许多井段都能仅用一只钻头即可钻完。考虑到起下钻作业的成本，尤其是在海上钻井作业中的起下钻作业成本特别高，从操作成本的角度来看，这是一个重大的发展。在钻井过程中减少更换钻头次数的缺点是，一旦选择了一种钻头并下入井下，这同一个钻头将经常会被用于在不同压力和水力条件下钻进许多不同的地层类型。而且，同一只钻头也可能会被赋予不同的定向目标，同时机械钻速要求也很高。
 
ReedHycalog公司开发了一种新技术，允许钻头在井下进行调整和改变，从而消除了将钻头起出地面的需要。这项新技术为钻头适应不断变化的动态环境、地层特征、定向要求等提供了潜力。通过这种方式，钻头可以在其整个井下生命周期内以尽可能高的效率进行钻井，进而提高机械钻速、井筒质量和定向性能，同时还能降低钻头或BHA（底部钻具组合）部件发生灾难性故障的可能性。目前对这种“智能自适应”钻头概念的测试允许司钻在钻井过程中部署额外的切削结构或切削深度控制元件。在这项技术的第一个产品原型中，是通过改变液压参数来触发自适应功能的；但未来的版本将使用其他部署方法。这项技术能够以几种有价值的方式进行应用。

图2展示了当在地面由司钻激活后，智能自适应钻头能够伸展出带有新的切削结构的刀翼，以提高钻头的耐用性并减少昂贵的钻头起下钻次数。在一个应用特例中，一位司钻要选择这样一个钻头，该钻头在钻井过程的前半部分要钻进的非常快，原因是这一井段的地层相对较软。为了实现这一点，其使用了一个布齿密度较稀的六刀翼钻头。但在钻井作业遇到极易磨损的砂岩时，在井眼上半部分工作得很好的这只六刀翼钻头却无法达到邻井钻头那样的钻进性能，就不得不将这只钻头起出井眼而更换适合特定应用的新钻头。众所周知，钻头的起下钻费用是很高的。而使用该公司的智能自适应钻头技术，司钻就可以在井上直接使用带有新切削齿的其它刀翼，这样就提高了钻头的耐磨性，即可以在不起出BHA（底部钻具组合）以更换钝钻头的情况下连续完成该井段的钻进。
 
这种智能自适应钻头也能很好的应用于造斜（弯曲）段和水平段为相同井眼尺寸的定向钻进井应用中。在钻弯曲段时，需要结合弯壳体井下马达对钻头进行切削深度控制，以确保平滑的扭矩响应。为了实现这一目标，可在智能自适应钻头上部署切削深度控制元件，以减少扭转波动和工具面控制方面的问题。然而，在钻完弯曲段以后，邻井钻井数据显示在横向段的机械钻速可以比弯曲段的机械钻速快三到四倍。在这种情况下，智能自适应钻头则可以缩回切削深度控制元件，让钻头切削结构吃入地层的深度更大，从而使钻头能够更快的在水平段进行钻进，如图3所示。
 
图3展示了钻完弯曲段后，通过收回可调刀翼，司钻可以迅速提高横向段的机械钻速，以减少钻机使用时间。除这些操作益处以外，其他方案还包括在井下时显著改变钻头切割结构、保径结构和/或液压设计以进一步优化钻井性能的能力。钻井作业中新的协同作用正在不断向前发展。随着技术和材料科学的进步，业界将会开发出新的在钻头测量产品，从而为钻井优化提供实时信息，并为钻井作业后的全面分析提供信息存储功能。钻头供应商和钻井作业公司必须共同努力，以确定井底的哪些信息能提供最大的价值，以及这些数据需要多久才能实现价值最大化。对智能自适应钻头的控制可以通过各种下行链接方法在地面实施，这些方法已经在业界得以使用。最终，这些方法也可能会显得太耗时，且无法提供所需的具体控制。
 
因此，智能自适应钻头的开发应致力于不需要与地面人员直接交互的系统。当这些智能钻头获得测量值时，应根据需要将这些数据与BHA（底部钻具组合）中其他工具的测量值结合起来以发挥更大的作用。当所需信息到位时，钻头（以及底部钻具组合的其他部分）应在不受地面干扰的情况下做出反应并适应不断变化的井下条件。随着智能钻头设计在未来几年的发展，这些闭环能力有可能显著提高钻井效率，改进地质导向和平衡钻井等工艺。