专利名称：地层参数和钻进参数的“钻头处”评估的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于形成钻孔的切削设备领域。
背景技术：
井眼通常是使用钻柱在被关注地层形成的，所述钻柱包括底部钻具组合(“BHA”)，所述底部钻具组合具有连接到其底端的钻头。所述钻头转动以使地层崩裂来钻出井眼。在有效地并节省成本地构建一口井方面，与BHA/钻头和正被钻进井眼周围的地层的状态相关的信息可能是有用的。例如，影响钻头的钻进动态特性的获知可以用于调节钻进參数(例如钻压或RPM)或者评估钻头的切削动作的有效性。与地层相关的信息对于确定地层的岩性或识别所关注的特征(例如地层界面)是有用的。本发明g在获得与钻头和地层相关的信息，以及可以用于增强钻进操作的其他信·
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发明内容
在各方面中，本发明提供了一种用于在地层中形成井眼的装置。该装置可以包括钻头本体和钻头本体中的传感器。所述传感器可以包括至少ー个切削元件并且可以配置成当钻头接合井眼表面时产生与所关注參数相关的信息。对本发明的更重要的特征的示例进行了相当宽泛地概括，以便于更好地理解接下来对本发明的详细描述并且可以理解对现有技术的贡献。当然，存在本发明的附加的特征，其将在下文中描述并且将构成所附权利要求的主題。
为了更详细地理解本发明，结合附图參照如下的实施方式的详细描述，在附图中类似的元件被标以类似的附图标记，其中图I图示了根据本发明制造的切削工具的一个实施方式的截面视图；图2示意性地图示了根据本发明的一个实施方式的具有感测元件的切削元件；图3示意性地图示了根据本发明的一个实施方式的具有控制电路的切削元件；图4示意性地图示了根据本发明的一个实施方式的具有压カ感测元件的切削元件；图5示意性地图示了根据本发明的一个实施方式的与两个切削元件一起使用的电阻率感测装置；图6以轴测示了根据本发明的一个实施方式的装备了仪器的PDC钻头。
具体实施例方式在各方面中，本发明提供了一种评估正被钻进的地层和/或测量ー个或多个钻进动态參数的钻头。由所述钻头所获得的信息可以用于确定地层的特性、监视钻头的状况或状态和/或调节钻进參数以优化钻进(例如増加钻进速度(ROP)，减小不希望有的振动，等等)。仅仅是出于便于解释的目的，在下面的讨论中指的是三牙轮钻头。但是，应该理解的是术语“钻头”包括所有类型的钻地钻头；例如刮刀钻头、PCD钻头、混合式钻头、取芯钻头、扩眼钻头、扩眼器等等。參见图I,示例性钻头10具有本体11,所述本体11具有三个悬垂巴掌,不过仅示出了ー个。钻头本体11的每个巴掌具有向下并向内朝向钻头10的转动轴线延伸的支承销
13。牙轮23安装在支承销13上并且相对于支承销13转动。牙轮23具有多个切削元件25，它们在该实施方式中示出的是压配合到牙轮23中的配合孔中的碳化钨插入物。为了便于讨论，代表性的切削元件被标记为25A-2 。正如下面更详细描述的，切削元件25和/或钻头本体11可以装备有传感器，所述传感器提供与钻头10和/或周围地层有关的信息。现參见图I和2，在一个实施方式中，传感器30可以包括切削元件25A，所述切削元件25A能够操作性地连接到感测元件31。“操作性地连接”一般意味着与切削元件25A相关的状态、行为或响应可以直接或间接地传递到所述感测元件31或者由所述感测元件31 检测到。“操作性的连接”可以包括但不局限干其中使用切削元件25A和感测元件31构成电路的电连接；以及其中将切削元件25A的运动或移动以某种形式传递到所述感测元件31的动态连接。在一些实施方式中，所述感测元件31可以至少部分地由可以响应于切削元件25A的状态而产生信号的材料制成。例如当切削元件25A与感测元件31之间的相互作用或共同作用造成ー个或多个材料性能(体积、形状、偏转、弾性等等)改变时，构成所述感测元件31的材料可以产生信号。合适的材料包括但不局限于响应电流变化的电流变(ER)材料、响应磁场变化的磁流变(MR)材料、响应电流变化的压电材料、电响应聚合物、柔性压电纤维和材料以及磁致伸縮材料。产生的信号可以对应干与地层15和/或钻头11相关的井下參数。示例性的井下參数包括但不局限于应力、应变、钻压(W0B)、振动、弯矩、扭矩、压力、温度、电阻率、滲透性、孔隙率等等。在图2中，图示了传感器30的一个实施方式，其包括切削元件25A，所述切削元件25A可以动态连接到感测元件31。所述传感器30可以布置在凹窝26或腔中。在一个实施方式中，传感器30可以包括表现出材料特性变化的材料。可以测量这种变化以估计诸如压力、温度、应变等之类的參数。在操作期间，切削元件25A接合井眼表面，比如井底17。所述感测元件31通过产生代表性的信号来响应于切削元件25A的移动、运动或状态。现參见图3，在一些实施方式中，传感器30可以包括表现出电特性变化的感测元件31。控制电路32与所述感测元件31操作性地连通。控制电路32可以配置成估计与材料30相关的电參数(例如电压、电流、电阻、电容等等)、磁參数或其他參数。例如，响应于施加的压力，所述材料可以变形，这可以产生与所述变形对应的电磁信号形式的信息。所述控制电路32可以将所述信息存储在合适的井下存储器(未示出)中和/或将所述信息传送到井上。现參见图4，在一个实施方式中，切削元件25b可以操作性地连接到感测元件34，所述感测元件34产生表示施加到所述切削元件25b的压カ的信号。所述压カ可以是由于钻压引起。所述感测元件34可以与压カ传递材料36连通。所述压カ传递材料36可以是固体(其是切削元件25b的一部分)、凝胶或流体。在一些实施方式中，所述感测元件34可以是应变传感器，其产生表示与该应变传感器连接的感测元件的长度变化的信号。可以将所述传感器34校准以产生可以被处理以用来估计切削元件25b与地层之间的压カ(例如接触压力)的信号。现參见图I和5，在一个实施方式中，传感器30可以使用电连接到控制电路32的切削元件25c，d来估计比如电阻率之类的地层參数。例如，每个切削元件25c，d可以与控制电路32电连接(图3)，所述控制电路32配置成估计构成与这些切削元件25c，d接触的地层的材料的电阻。在该实施方式中，所述切削元件25c，d可以起到电极的作用。在操作期间，电流流过切削元件25c，d之间的材料。所述控制电路32可以配置成估计切削元件25c, d之间的材料的电阻率或其他电參数。在其他实施方式中，钻头10可以包括传感器30，所述传感器30包括信号发生器40和接收器42。所述信号发生器40将信号导向地层中，所述接收器42检测来自地层的响应。该响应可以是反射信号、放射性衰变等等。在一个实施方式中，所述信号发生器40可以是声源。所述信号发生器40可以将切削元件25b作为聚焦元件或导波器使用以将声音信号或其他形式的能量波引入地层中。所述接收器42可以检测所述声音信号的反射。在 其他实施方式中，该信号可以是放射线、NMR信号、电磁信号、微波。许多系统可以用来将信号传输到传感器和上面所述的装置以及从所述传感器和上面所述的装置接收信号。例如，參见图1，钻头10可以包括信息获取系统50，该信息获取系统50可以包括用于操作所述传感器和上面所述的其他装置的控制器52和通讯装置54。所述控制器52可以包括信息处理装置。这里所使用的“信息处理装置”意思是指传输、接收、操纵、转换、计算、调制、变换、载波处理、存储或以其他方式利用信息的任何装置。在本发明的多个非限制性方面中，信息处理装置可以包括执行程序化指令的计算机或微处理器。所述通讯装置54可以使用基于RF、声音、压カ脉沖、EM等的信号传输介质。參见图6，示出了聚晶金刚石复合片(PDC)钻头60。该钻头60可以包括一个或多个上面结合图1-5描述的传感器及装置。在该实施方式中，信息获取系统62可以包括与钻头60中的一个或多个传感器(未示出)通讯的控制器。可以处理信息和传输/接收信号的该控制器可以使用信号载波器64来从所述传感器传输/接收数据和/或从BHA (未示出)或地表传输/接收数据。所述控制器可以包括信息处理器，该信息处理器与数据存储介质和处理器存储器实现数据连通。所述数据存储介质可以是任何标准的计算机数据存储装置，比如USB驱动器、记忆棒、硬盘、可移除的RAM、EPROM、EAR0M、闪存和光盘或者对于本领域技术人员公知的其他常用的记忆存储系统，包括基于因特网的存储。所述数据存储介质可以存储ー个或多个程序，所述程序在执行时使信息处理器执行所披露的方法。“信息”可以是任何形式的数据并且可以是“未处理的”和/或“处理过的”，例如直接的測量结果、间接的測量结果、模拟信号、数字信号等等。应该理解的是本发明的教导几乎可以用在想要估计切削动作动态特性和/或确定切削设备穿入其中的材料的特性的任何情形中。例如，ー些装置可以用于扩大由主钻头(比如图I和6中示出的钻头)形成的钻孔。这些孔扩大装置包括扩大由主钻头钻出的孔的扩眼钻头和扩孔器。此外，本发明的教导可以适用于其他切削设备，比如用在衬管钻进系统中的切削设备和用于切削除了岩石和土壌之外的材料(比如金属、合成物等等)的切削设备。虽然前面的描述涉及本发明的一种模式的实施方式，但是对于本领域技术人员来说各种修改是显而易见的。前面的描述g在包含在所附权利要求的范围内的所有变型。·
权利要求
1.一种钻头,包括 钻头本体；以及 钻头本体中的传感器，该传感器包括至少ー个切削元件，该传感器配置成当所述至少ー个切削元件接合井眼表面时产生与所关注參数相关的信息。
2.根据权利要求I所述的钻头，其中所述传感器产生与如下之一相关的信息(i)与钻头相关的压力；(ii)与钻头相关的应变；(iii)地层參数，(iv)钻头的温度，(v)周围介质的温度，以及(vi)振动。
3.根据权利要求I所述的钻头，其中所述传感器包括操作性地连接到所述至少ー个切削元件的感测元件。
4.根据权利要求3所述的钻头，其中“操作性地连接”是选自如下之ー的连接(i)动态连接，(ii)电连接。
5.根据权利要求I所述的钻头，其中所述至少ー个切削元件包括至少两个切削元件，其中所述參数是所述至少两个切削元件之间的材料的地层參数。
6.根据权利要求I所述的钻头，其中所述传感器包括传输信号的信号发生器，其中所述传感器产生表示地层对所传输信号的响应的信号。
7.根据权利要求I所述的钻头，还包括在所述钻头本体中的电路，所述电路配置成至少部分地处理来自于所述传感器的信号。
8.—种钻头,包括 钻头本体； 钻头本体中的传感器，所述传感器包括至少ー个切削元件和操作性地连接到所述至少ー个切削元件的感测元件，所述传感器配置成当所述至少ー个切削元件接合井眼表面时产生与所关注參数相关的信息； 配置成操作所述传感器的控制器；以及 配置成在所述控制器与所述传感器之间提供信号连通的连通装置。
9.根据权利要求8所述的钻头，其中所述传感器产生与如下之一相关的信息(i)与钻头相关的压カ；(ii)与钻头相关的应变；(iii)地层參数，(iv)钻头的温度，(V)周围介质的温度，以及(vi)振动。
10.根据权利要求8所述的钻头，其中“操作性地连接”是选自如下之ー的连接(i)动态连接，(ii)电连接。
11.根据权利要求8所述的钻头，其中所述至少ー个切削元件包括至少两个切削元件，其中所述參数是所述至少两个切削元件之间的材料的地层參数。
12.根据权利要求8所述的钻头，其中所述传感器包括传输信号的信号发生器，其中所述传感器产生表示地层对所传输信号的响应的信号。
13.根据权利要求8所述的钻头，还包括在所述钻头本体中的电路，所述电路配置成至少部分地处理来自于所述传感器的信号。
全文摘要
一种用于在地层中形成井眼的装置，可以包括钻头本体和在钻头本体中的传感器。所述传感器可以包括至少一个切削元件并且可以配置成当所述钻头接合井眼表面时产生与所关注参数相关的信息。
文档编号E21B47/12GK102869849SQ201180020941
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月26日 优先权日2010年4月28日
发明者S·库马尔, H·约翰, D·斯科特, A·迪乔瓦尼 申请人:贝克休斯公司