用于井下成像的耐磨电极的制作方法

交叉引用有关申请

本申请要求于2015年4月29日提交的题目为“wearresistantelectrodesfordownholeimaging”的美国申请号14/699,009的权益，其公开内容通过引用结合于此。

背景技术：

本公开涉及使用具有多晶金刚石(pcd)电极的传感器组件的测井。

该部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本技术的各个方面有关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供有助于更好地理解本公开内容的各个方面的背景信息。因此，应当理解的是，这些陈述应当就此来阅读，而不是作为任何形式的承认。

识别地质地层的组成可以提供关于烃可能存在或不存在的信息。因此，已经开发了许多井下工具，其试图从井眼内分析地质地层。这些工具包括，尤其是，地层电阻率测井工具。通过测量穿过地质地层的电阻率，可以在井不同深度确定地质地层的组成。

但是如果井下工具测量不能穿透用作井下工具和地质地层之间的绝缘体的井眼中的井孔流体，则井下工具不能有效地操作。通过迫使井下工具靠着井眼壁，较少的井孔流体可能干预。然而，将抵靠井眼壁将压力施加到井下工具，或者井下工具刮到井眼壁上，可能会导致井下工具腐蚀或破裂。

技术实现要素：

以下阐述本文公开的某些实施方式的概述。应该理解的是，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施方式的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖下面可能没有阐述的各个方面。

本公开的实施例涉及使用多晶金刚石(pcd)电极的测井。井下装置可包括钻铤和安装在钻铤上的第一电极。此外，第一电极可以包括由金刚石颗粒和导电溶剂-催化剂形成的多晶金刚石(pcd)面，并且第一电极可以包括碳化物基底。所述第一电极可以可移动地耦合在所述钻铤内，并且所述第一电极可以被配置成延伸并缩回到井眼中以保持与所述井眼的壁接触。此外，第一电极可以被配置成测量地质地层的阻抗。

在另一示例中，井下装置可以包括钻铤，安装在钻铤上的稳定器，以及可移动地安装在稳定器内的第一电极和第二电极。第一电极和第二电极可以包括用金刚石颗粒和导电溶剂-催化剂形成的pcd面。此外，发射环形变压器可以安装在稳定器内并围绕第一电极的圆周，并且测量环形变压器可以安装在稳定器内并且围绕第二电极的圆周。此外，第一电极和第二电极可以在钻井操作期间保持与井眼的壁的接触。第一电极可以在钻井操作期间将电流注入到地质地层中，并且第二电极可以在钻井操作期间从地质地层接收电流。

此外，井下装置可以包括钻铤，安装在钻铤上的镦粗部，以及可移动地安装在镦粗部内的第一电极，该第一电极包括用金刚石颗粒和导电溶剂-催化剂形成的pcd面。此外，井下装置可以包括安装在镦粗部上的铰接垫。第一电极可以被配置成通过设置在铰接垫上的孔延伸和缩回。此外，铰接垫可以可移动地安装到镦粗部，并且第一电极和铰接垫可以在钻井操作期间保持与井眼的壁接触。

上面提到的特征的各种改进可以关于本公开的各个方面来进行。另外的特征也可以被并入这些各个方面中。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，下面关于一个或多个所示实施例讨论的各种特征可以单独或以任何组合的方式并入到本公开的上述方面的任一个中。上面提出的简要概述旨在使读者熟悉本公开的实施例的方面和背景，而不限于所要求保护的主题。

附图说明

通过阅读以下详细描述并参考附图，可以更好地理解本公开的各个方面，在附图中：

图1是根据一实施例的包括具有多晶金刚石电极的地层电阻率测井工具的钻井系统的示意图；

图2是根据一实施例的多晶金刚石(pcd)电极的透视图；

图3是根据一实施例的用于制造图2的pcd电极的方法的流程图；

图4是根据一实施例的用于用图2的pcd电极获得地层测量的方法的流程图；

图5是根据一实施例的用于当由图2的pcd电极测量时使用井眼内的水基泥浆的具有已知电阻率的地质地层的测量复阻抗的曲线图；

图6是根据一实施例的用于当由图2的pcd电极测量时使用井眼内的油基泥浆的图5的地质地层的测量复阻抗的曲线图；

图7a和图7b是根据一实施例的由图2的pcd电极测量的阻抗量值对用于分别在100khz频率和10mhz频率下变化岩心的已知地层电阻率的曲线图；

图8是根据一实施例的钻柱上的钻铤的侧视图，其中图2的pcd电极安装在钻铤的稳定器上；

图9是根据一实施例的钻铤以及安装在钻铤的镦粗部上的图2的pcd电极的侧视图；

图10是根据一实施例的可以安装在图8的稳定器中或图9的镦粗部中的图2的pcd电极的示例的横截面视图；

图11是根据一实施例的用于使用图10的pcd电极的地质地层的地层电阻率测量的示意性电路图；

图12是根据一实施例的随钻测井(lwd)工具的三电极配置的横截面视图；

图13是根据一实施例的图12的三电极lwd工具的替代构造的横截面视图；

图14a是根据一实施例的图2的pcd电极以及返回电极的实施例的顶视图；

图14b是根据一实施例的图14a的pcd电极和返回电极的横截面视图；

图15是根据一实施例的lwd工具的双电极构造的横截面视图；

图16是根据一实施例的lwd工具的单探针配置的顶视图；

图17是根据一实施例的按压在地质地层上的钮扣设计探针的横截面视图；

图18是根据一实施例的其中源电极和返回电极都是pcd盘的探针的顶视图；

图19是根据一实施例的电流沿着一轴线从图18的源电极流动到返回电极的图18的探针；

图20是根据一实施例的具有图18的探针的两个探针的lwd工具的顶视图；

图21是根据一实施例的包括接地垫的图2的pcd电极的横截面视图；

图22a是根据一实施例的接地垫围绕pcd电极的图21的pcd电极的顶视图；

图22b是根据一实施例的图22a的pcd电极的横截面视图；

图23是根据一实施例的在钻铤或稳定器内具有一些未对准的pcd电极的横截面视图；

图24是根据一实施例的pcd电极的横截面视图，其中径向力通过弹簧施加到pcd电极；

图25是根据一实施例的当钻井流体泵被启动时的图24的pcd电极的横截面视图；

图26a和26b描绘了根据一实施例的pcd电极的横截面视图，其中可以省略图24和图25中的压力启动；

图27是根据一实施例的在径规垫上包括pcd电极的钻头的透视图；

图28是根据一实施例的包括图27的pcd电极的图27的径规垫的横截面视图；

图29是根据一实施例的具有pcd电极的图28的径规垫的顶视图；

图30是根据一实施例的安装在图27的钻头的径规垫中的有线pcd传感器的横截面视图；

图31是根据一实施例的用于将图30的有线pcd传感器的各个部件粘结到单个刚性复合材料中的方法的流程图；

图32a是根据一实施例的图30的有线pcd传感器的横截面视图，其中钮扣电极面对导电pcd材料；

图32b是根据一实施例的具有由碳化钨衬底围绕的绝缘环的图32a的有线pcd传感器的横截面视图；

图33a是根据一实施例的具有同轴电缆的图30的有线pcd传感器的横截面视图；

图33b是根据一实施例的具有同轴电缆的有线pcd传感器的横截面视图；

图34是根据一实施例的图30的多于一个的有线pcd传感器用于复杂地层测量方案的图27的径规垫的横截面视图；

图35是根据一实施例的钎焊到电极尾部的图2的pcd电极的横截面视图；

图36是根据一实施例的具有整体绝缘的图2的pcd电极的横截面视图；

图37是根据一实施例的具有由不同pcd材料制成的若干区域的图2的pcd电极的横截面视图；

图38是根据一实施例的构建图37的pcd电极的方法的流程图；

图39是根据一实施例的用于制造绝缘环的烧结装置的横截面视图；

图40是根据一实施例的用于形成图39的绝缘环的方法的流程图；

图41是根据一实施例的确定具有pcd电极的地质地层的地层电阻率的方法的流程图；

图42是根据一实施例的具有被动聚焦方案的lwd工具的侧视图；

图43是根据一实施例的具有铰接垫的图42的lwd工具的变型的侧视图；

图44是根据一实施例的具有带聚焦特征的成像系统的lwd工具的横截面视图；

图45是根据一实施例的具有向铰接垫提供有效的力施加的推球的图44的lwd工具的横截面视图；

图46是根据一实施例的图43的铰接垫以及耦合到该铰接垫的铰链的横截面视图；

图47a是根据一实施例的图42的pcd电极和图43的铰接垫当在与稳定器的直径相似的直径的井眼中操作时的位置的顶视图；

图47b是根据一实施例的图42的pcd电极和图43的铰接垫当在具有1英寸超径规井的井眼中操作时的位置的顶视图；

图48a是根据一实施例的铰接pcd电极的横截面视图；

图48b是根据一实施例的在井眼的超径规井中的图48a的铰接pcd电极的横截面视图；

图49是根据一实施例的在具有用于检测径向延伸的装置的钻铤内的图2的pcd电极的横截面视图；

图50是根据一实施例的钻头的透视图；

图51是根据一实施例的图50的钻头的分解横截面视图；以及

图52是根据一实施例的有线pcd传感器安装在钻头的径规垫上的图50的钻头的横截面视图。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。所描述的实施例是当前公开的技术的示例。另外，为了提供这些实施例的简要描述，实际实施的特征可能没有在说明书中进行描述。应当理解的是，在任何这样的实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，可以做出许多实施具体决定以实现开发者的具体目标，诸如符合与系统相关的以及业务相关的约束条件，这些约束条件可从一个实施方式到另一个实施方式变化。而且，应该认识到，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于该公开的本领域内的技术人员会是设计、制作和制造的普通工作。

当介绍本公开的各种实施例的元件时，冠词“a”，“an”和“the”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包含”，“包括，“和”具有“旨在是包含性的并且意味着可以是除了列出的元件之外的其他元件。另外，应该理解的是，参照本公开的”一个实施例“或”一实施例“被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。

在地质地层中识别烃产层的一种方式是通过地质地层电阻率测井。如在本公开中所描述的地质地层电阻率测井涉及使用地质地层的电阻率特性。地质地层中的烃分子如储层油可以以已知的方式影响地质地层的电阻率。因此，通过电阻率测井，可通过将测得的电阻率与代表含油地质地层的已知值进行比较来识别储层油的存在。

如上所述，如果井下工具测量不能穿透井眼中的井孔流体，则井下工具可能不能够预测地质结构的性质。实际上，井眼中的井孔流体可以在井下工具和地质地层之间提供绝缘层。如果发生这种情况，井下工具可以发射并检测不是来自地质地层而是来自流过井眼的井孔流体的电流。通过将井下工具压靠在井眼壁上，可以干涉较少的井孔流体。

为了在井下工具被压靠在井眼壁上时确保井下工具的完整性，可以使用多晶金刚石(pcd)形成可以保持与井眼壁接触的井下工具的传送和/或接收电极。与大部分由金属或金属合金制成的电极相比，电极的pcd结构在被压靠地质结构时可能不太可能侵蚀或损坏。实际上，电极可以在随钻测井操作(lwd)期间保持与地质地层的机械接触，而没有太多侵蚀或损坏。电极可以位于例如井底钻具组合(bha)的稳定器叶片上或者甚至位于bha的钻头上。

考虑到此，图1示出了包括具有这样的电极的测井工具的钻井系统10。钻井系统10可用于将井钻入地质地层12中，并获得可用于识别地质地层12的特性的电阻率测量。在钻井系统10中，地面16处的钻机14可旋转在其下端处具有钻头20的钻柱18。当钻头20旋转时，钻井流体泵22被用于将钻井流体23(其可被称为“泥浆”或“钻井泥浆”)向下泵送通过钻柱18沿箭头方向的中心到钻头20。用于冷却和润滑钻头20的钻井流体23通过钻头20离开钻柱18。钻井流体23然后当它流回到地面16时通过钻柱18和地质地层12之间的环形空间30将钻屑从井眼26的底部带走，如由箭头表示的返回钻井流体24所示。然而，如上所述，当钻井流体23流过钻柱18与地质地层12之间的环空30时，钻井流体23可开始侵入并与储存在地层中的流体混合，所述流体可被称为地层流体(例如，天然气或石油)。在地面16上，返回的钻井流体24被过滤并被输送回泥浆坑32用于重新使用。

如图1所示，钻柱18的下端包括可包括钻头20以及各种井下工具的井底钻具组合(bha)34。井下工具可以收集关于地质地层12的各种信息和/或井的钻井状态。例如，随钻测量(mwd)工具36可以测量某些钻井参数，例如钻井工具的温度、压力、取向等。类似地，随钻测井(lwd)工具38可以测量地质地层12的物理性质，诸如密度、孔隙度、电阻率，岩性等。mwd工具36和/或lwd工具38可以包括发射和/或检测通过地质结构12的电流的电阻率工具。在某些实施例中，电阻率工具可以位于bha的稳定器叶片上，或者甚至钻头20上。

mwd工具36和/或lwd工具38可以收集可以在bha中存储和处理的各种数据40，或者如图2所示，可能被送到地面进行处理。在本公开的示例中，mwd工具36和/或lwd工具38可以包括经由pcd电极发射和/或检测电流的电阻率工具。收集的数据40可以包括返回到电阻率工具的电流水平，其可以包含关于地质地层12的特性的信息。数据40可以经由控制和数据采集系统42发送到数据处理系统。控制和数据采集系统42可以以任何合适的方式接收数据40。在一个示例中，控制和数据采集系统42可以经由脉冲通过地质地层12的电信号或者经由使用钻井流体23的泥浆脉冲遥测来传输数据40。此外，数据40还可以经由有线钻杆被发送到控制和数据采集系统42。在另一个示例中，数据40可以在返回到地面时直接从mwd工具36和/或lwd工具38取回。

数据处理系统44可以包括处理器46，存储器48，存贮器50和/或显示器52。数据处理系统44可以使用数据40来使用任何合适的技术来确定井的各种性质。如将在下面进一步讨论的，mwd工具36和/或lwd工具38可以在保持与地质地层12的机械接触的同时获得数据40，而不会侵蚀或损坏电阻率工具。因此，当井眼26填充有导电水基泥浆(wbm)或绝缘油基泥浆(obm)时，可以从地质地层12收集高分辨率数据(即，大约1/2英寸分辨率)。

为了处理数据40，处理器46可以执行存储在存储器48和/或存贮器50中的指令。这样，数据处理系统44的存储器48和/或存贮器50可以是可以存储指令的任何合适的制造品。存储器48和/或存贮器50可以是rom存储器，随机存取存储器(ram)，闪存，光存储介质或硬盘驱动器等。显示器52可以是能够显示由mwd工具36和/或lwd工具38测量的与井的属性有关的测井和/或其他信息的任何合适的电子显示器。可以理解的是，尽管数据处理系统44通过示例示出为位于地面处，但是数据处理系统44可以位于mwd工具36和/或lwd工具38中。在这样的实施例中，一些数据40可以被处理和存储井下，而一些数据40可以实时发送到地面。特别是在lwd中可能是这种情况，其中在钻井或扩井操作期间可以将有限量的数据40传送到地面。

应该注意的是，虽然本公开的电阻率工具是以随钻测井(lwd)配置作为示例来描述的，但是可以采用任何其他合适的方式(例如，试井电缆(wireline)，试井钢丝(slickline)，连续管等)。电阻率工具中使用的pcd电极54的一个示例出现在图2中。在使用油基泥浆(obm)的钻井流体23中的电气或电磁井孔成像可以使用电极54和地质地层12之间的紧密接触。由于obm是高电阻的，所以电极54和地质地层12之间的obm层可能降低电成像能力(例如，电阻率测量)。大多数电气和电磁测量通过pcd电极54与井眼26的壁之间的小于约1/8英寸厚的obm层是可获得的。因此，lwd工具38可受益于电极54保持接触或紧靠井眼26的井孔壁。

试井电缆成像工具中使用的电极对于lwd环境来说可能太脆弱了。典型的电缆测井操作可能涉及测井1000英尺的裸眼井。1000英尺的lwd工作可能需要20个小时，钻进速度(rop)为每小时50英尺。在直径为8.5英寸的井孔中，每次旋转对应于约2.25英尺的方位位移。对于180rpm的典型速率，在1000英尺井孔期间覆盖的方位距离可能超过486,000英尺。因此，与井孔壁接触的lwd工具38可以比电缆工具经历486倍多的与井孔壁的接触。而且，由lwd工具38在钻井操作期间经历的力量比在电缆测井中经历的力大几个数量级。因此，lwd工具38可以受益于坚固的设计。

因此，在lwd工具38中使用的pcd电极54可以包括一层多晶金刚石(pcd)56和碳化物基底58(例如，碳化钨)。pcd56可以耐受钻井过程的磨损和磨蚀。另外，碳化物基底58可以在lwd过程期间支撑pcd电极54上的冲击和负载，并且碳化物基底58可以进一步允许pcd56被钎焊到其他装置(例如，钻头20)。pcd56和碳化物基底58的组合通过具有相似性质的两种材料来促进。这些性质可以包括材料的相似热膨胀系数和材料的类似杨氏模量。性质可以足够相似，使得两种材料在温度和弹性应力下充分追踪。

考虑到上述情况，图3描绘了用于形成pcd56的方法60的流程图。方法60可以被描述为烧结过程。在烧结过程期间，pcd56可以形成在碳化物基底58的顶部(例如，碳化钨块)上。此外，烧结过程使得相邻金刚石颗粒之间的金刚石(即碳)键生长，从而形成多晶结构(即，pcd56)。最初，将金刚石颗粒和溶剂-催化剂材料置于烧结罐(方框62)中。在烧结中放置的金刚石颗粒的尺寸谱通常可以跨越几微米至多达40微米或更多。金刚石颗粒的尺寸谱能够实现pcd56中期望的金刚石体积。此外，固体材料例如金属粉末，可以作为溶剂-催化剂材料加入。例如，钴通常用作溶剂-催化剂材料。在这种情况下，钴填充pcd56中的金刚石颗粒之间的孔隙空间。

pcd材料可以被优化以获得特定的机械性能，这可以提高pcd56作为钻头部件的性能。例如，对于钻头的多晶金刚石复合片(pdc)切割器，pcd材料56的某些有用特性具有耐磨性、抗冲击性和热稳定性。pcd材料56可以被优化以提高这些特性的性能。为了获得高耐磨性，pdc切割器可以由细金刚石颗粒制成。例如，金刚石颗粒的直径可以小于10微米。这可能会延长寿命，因为任何钻石的损失都只限于小块。

另外，为了改善抗冲击性，pdc切割器可以包含直径约40微米的大金刚石颗粒。通过大的金刚石颗粒，任何冲击诱发的破裂可能被大的金刚石颗粒阻塞的可能性较高。这是因为金刚石颗粒本身比多个金刚石颗粒之间的结合更强。而且，由于pcd56是多晶的，所以一个金刚石颗粒中的破裂可能不容易传播到另一个金刚石颗粒中，因为晶体是随机取向的。

为了提高热稳定性，pdc切割器可以用酸处理以从金刚石颗粒之间的孔隙空间浸出钴(或其他溶剂-催化剂)。浸出过程移除表面附近的一层钴。在钻井条件下，由于摩擦，pdc切割器的边缘可能变得非常热。当在pdc切割器的切割尖端出现几百摄氏度的温度时，钴热膨胀可能引起金刚石基质的裂缝，从而破坏金刚石颗粒之间的结合。这可能会缩短钻头的有用寿命。移除钴层可以减少由于热膨胀而导致的破裂机会。然而，浸出的pdc切割器可能比未浸出的pdc切割器具有更低的抗冲击性，这是由于在浸出之后在孔隙空间留下的空隙附近可能出现应力集中。

当在摩擦是问题的情况下使用pcd56时，浸出可以通过降低pcd56的摩擦系数来增加有用寿命。包括pcd材料的两个物体之间的摩擦系数可以低至5％。这可能远远低于大多数其他材料的典型摩擦系数(例如高达30％)。低摩擦是pcd材料的应用的好处，例如金刚石止推轴承。

另外，浸出可以降低表面液压锁定的风险。表面液压锁定可能发生在两个光滑表面之间(例如，在推力轴承和面密封件之间)，其在压力下在流体中操作。浸出的表面包括空的微型空腔，其可以填充有加压流体以避免锁定效应。锁定效应的降低可能取决于微型腔的类型以及在这些腔中供应加压流体的方法。

在基于pcd56的期望特性将金刚石颗粒和溶剂-催化剂材料放入烧结罐之后，将压力施加到烧结罐(方框64)。可以施加压力，使得先前在温和接触下的金刚石颗粒彼此压靠。该压力引起金刚石颗粒的弹性变形。

接下来，将热量与压力一起施加到烧结罐(方框66)。随着施加到烧结的温度增加，一些金刚石材料可能在低压区域(即，最小的接触应力)中恢复成石墨。另外，溶剂-催化剂(例如钴粉)可能开始熔化并占据由金刚石材料中的间隙所产生的空间。

在将热施加到烧结罐之后的一点处，金刚石颗粒之间的附加的溶剂-催化剂可来自碳化钨衬底。由于金刚石颗粒仍处于高接触应力下且熔融的溶剂-催化剂处于高压下，所以金刚石颗粒之间会生长碳-碳键。这产生了pcd56的多晶结构。在足够的生长时间之后，压力和温度以受控的方式减少直到达到室内条件(方框68)。

为了发生烧结过程，熔化的钴能够使压力传递到碳颗粒上。另外，钴作为用于碳键生长的溶剂-催化剂。另外，在pcd烧结过程中(即方法60)，几种金属可以充当溶剂-催化剂。例如，众所周知铁使碳具有高溶解性(例如在制造生铁的过程中)。然而，经验表明，在烧结过程发生后，钴生产高质量的pcd材料，残余催化剂体积最小。另外，钴可以由碳化钨衬底提供。在剪切切割器应用中，例如，烧结后的钴体积可以在4％至7％的范围内。在方法60的方框68期间，钴保持在金刚石台内。在方法60结束处，金刚石台被附接到碳化钨衬底。

现在转向pcd电极54的操作，图4描绘了使用pcd电极54作为传感器以获得地层测量的方法90。最初，如上所述，使用方法60建立传感器(方框92)。随后，使用pcd电极54的传感器获得包括obm或wbm的钻井流体23中的地质地层12的地层测量(方框94)。例如，传感器可以使用下面详细描述的装置和方法来检测地质地层的电阻率。

未浸出的pcd材料(例如pcd56)包含烧结成基质的金刚石颗粒，该基质具有基质的金属填充孔隙空间。尽管pcd56的金刚石基质本身是绝缘的，但是孔隙空间中的金属可以是高度导电的。例如，金属可以包括钴，并且钴可以在整个pcd56的孔隙空间中连接。这可以使pcd56导电。

pcd材料也可以是绝缘体。浸出pcd56移除了pcd56表面附近的金属，并且可能在金刚石颗粒之间的孔隙空间中留下一层空隙。可以用电阻材料(例如环氧树脂)填充空隙层以形成永久绝缘层。

当金刚石颗粒用绝缘溶剂-催化剂如碳酸钙(caco3)或碳酸镁(mgco3)代替钴烧结时，形成另一种形式的电绝缘pcd。这可能在孔隙空间中产生具有绝缘材料的pcd56。因此，整个pcd材料可以是绝缘的。因此，pcd材料为需要坚固耐用的导电或绝缘电气部件的电气应用提供了新的机会。

未浸出的pcd电极54可以测量包括导电水基泥浆(wbm)的钻井流体23和包括非导电油基泥浆(obm)和合成基泥浆(sbm)的钻井流体23在压靠地质地层12时的地层电阻率。执行一系列实验，涉及将不同的pdc电极按压在不同的岩心上，同时测量复杂的电阻抗z＝z′+jz″，其中z是具有实部z′和虚部z″的复数。

改变pcd电极54的金刚石含量和金刚石粒度分布可能对未经浸出的pcd材料的电性质具有显着的影响。钴含量越高，pcd56的电阻越低。然而，由钴作为溶剂-催化剂形成的任何未浸出的pcd材料当由于pcd材料的电阻远低于岩心的阻力而作为pcd电极54抵靠岩心进行测试时可以提供令人满意的结果。相反，环氧树脂回填到浸出的表面层的浸出的pcd56具有显着的效果，因为非导电表面层可能具有比岩心高得多的电阻。因此，浸出的pcd材料可以基本上作为电绝缘体来操作。

此外，当铜被用作溶剂-催化剂以将电流传输到wbm的不同盐度的钻井流体23中时，未浸出的pcd电极54可以同样良好地操作。未浸出的pcd和wbm之间基本上没有接触阻抗。另一方面，在具有不同载流子的两种介质之间的界面处可能发生接触阻抗。

考虑到上述内容，图5描绘了对于3英寸直径×2英寸厚的电阻率为rt＝1欧姆·米且当由pcm电极54测量时用wbm涂覆的砂岩岩心的测得的复阻抗98的曲线图96。阻抗数据在100khz至20mhz的频率范围100内绘制。复阻抗98的实部(实线表示)在整个频率范围内具有z′＝23.5±0.2欧姆的平均值和标准偏差。复阻抗98的虚部的平均值和标准偏差(用虚线表示)是z″＝0.5±0.2欧姆，其在实验精度内基本上没有电抗。

在obm环境中，图6描绘了上文在图5中描述的针对相同砂岩岩心的测量的复阻抗98的曲线图102。通过obm涂覆砂岩岩心，在pcd电极54和砂岩岩心之间的界面提供与岩心电阻r串联的复阻抗。该界面阻抗可以被处理为并联电阻re和电容ce。如所示的，可能导致测得的阻抗变得复杂。

在图5和6中使用相同的岩心。因此，图5和6之间的区别是围绕岩心的泥浆类型(即wbm对obm)。阻抗的实部(用实线表示)和虚部(用虚线表示)在obm中比在wbm中大，并且实部和虚部也具有强烈的频率相依性。如图6所示，在较低的频率下，界面阻抗更显著。因此，较高的频率可能导致界面阻抗的减小的影响。例如，在100khz时，带有obm的实部z'大约是带有wbm值的七倍。而在20mhz时，带有obm的实部z'大约是带有wbm值的两倍。当pcd电极54以obm操作时，可以针对不同材料的其他岩心发现类似的复杂行为。

图7a和7b分别描绘了针对六个不同岩心的阻抗量值108对地层电阻率110的曲线图104和106。在曲线图104中以100khz的频率和在曲线图106中以10mhz的频率描绘了wbm(由正方形表示)和obm(由三角形表示)两者的数据。obm数据与wbm数据在10mhz下和在100khz下相比具有较小的不同。因此，以1mhz至10mhz或更高的范围在obm中操作pcd电极54可以提供使界面阻抗的影响最小化的数据。

另外，在曲线图104和106中，wbm和obm数据是最小二乘拟合到由曲线图104和106表示的对数-对数图中的直线。曲线图104和106描述了阻抗量值108和wbm和obm中的地层电阻率110之间的强关系。阻抗量值108和地层电阻率110之间的单调关系可以指示pcd电极54在被压靠井眼26的壁时可以用于测量obm或wbm中的地层电阻率。地层电阻率和阻抗之间的关系(诸如曲线图104和106中的直线所示的关系)可以用于从测量的阻抗来确定地层电阻率。复阻抗的实部z'也与地层电阻率具有类似的关系，并且可以用来代替所述量值。另外，所测量的阻抗可以用于产生地质地层12和井眼26的壁的电图像。可以使用阻抗量值108的测量中的差异而不是从地层电阻率110的绝对值测量来产生电图像。

另外，可以理解的是，稳固靠在井眼26的壁而施加在pcd电极54上的力可以为或高于24psi。在此压力下，pcd电极54的读数变为稳定的。这可以表明24psi的压力使得pcd电极54的导电部分(即，金刚石颗粒之间的钴)与井眼26的壁之间能够充分接触。例如，施加在pcd电极54上的力可以介于20psi和130psi之间的压力。

考虑到上述情况，图8描绘了钻柱18的钻铤112的侧视图，其中pcd电极54安装在钻铤112的稳定器114上。另外，钻铤112被描绘在井眼26内。在所示实施例中，pcd电极54与地质地层12之间的机械接触可改善obm中的地层电阻率110的电测量。如上所述，施加到pcd电极54的力可足以提供与地质地层12的恒定接触，但是该力可能不会高至以便实际上切入到地质结构12中。因此，该力可能低至10磅，或者该力可以高达几百磅。

另外，可能有几种不同的将电极施加到井孔壁的方法。以下描述了几个示例，但是其他变型也可以落入当前公开的主题的范围内。例如，图8描绘了pcd电极54的压力启动，以建立与地质地层12的机械接触。钻铤112可以具有6.75英寸的直径。此外，当安装在钻铤112上时，稳定器114可以具有8.25英寸的直径。因此，这种布置可以用在具有8.5英寸直径的井眼26中。稳定器114的最大间距可以是在径规内井眼26中的1/4英寸。此外，稳定器114可以包含至少一个移动pcd电极54。例如，在所示实施例中，三个pcd电极54被示出为设置在其中一个稳定器114内。

随着钻铤112旋转，pcd电极54作为lwd工具38的方位角的函数连续地测量地层电阻率110。lwd工具38的方位角可以使用磁力计和地磁场或者通过加速度计和重力方向来确定。pcd电极54的读数可以在多个方位角区域中并且在不同的时间存储在存储器48中以进行处理。

此外，随着井眼26的钻井，pcd电极54沿着井眼26的轴线移动并且为地质地层12的电阻率数据提供第二维度。因此，采集方位数据的时间也存储在存储器48中，而不是pcd电极54的深度位置。pcd电极54的深度位置相对于保持在钻井系统10的表面(例如，在数据处理系统44中)上的时间是已知的，但深度位置在lwd工具38的井下可能不是已知的。因此，pcd电极54沿着井眼26的壁的位置是这样构造的：通过结合电阻率测量对从lwd工具38发生的测量的时间以及深度对油钻井系统10的地面处提供的时间。可以使用这种方位测量来形成地质地层12和井眼26的壁的图像。这样的图像可用于识别地质，并被用于引导井眼26的轨迹。

在另一实施例中，图9描绘了钻铤112以及几个稳定器114的侧视图。另外，pcd电极54安装在钻铤112的单独的镦粗部116上。在该实施例中，镦粗部116具有4英寸的外半径，稳定器114的直径为8.25英寸。因此，由于8.25英寸直径的稳定器114，镦粗部116距离地质地层12至少1/8英寸。从镦粗部116到地质地层12的最大距离在8.5英寸的直径井眼26中为3/8英寸。因为镦粗部116的表面在8英寸直径上，所以8.25英寸的稳定器114可以防止镦粗部116与地质地层12直接接触。然而，pcd电极54可移入和移出镦粗部116，以建立与地质地层12的接触。

可安装在图8和图9的配置中的pcd电极54的示例的横截面视图描绘在图10中。pcd电极54通过钻铤112的内部118与环形空间30之间的压力差而压靠地质地层12。当钻井流体泵22打开时，由于通过钻头20的压力下降，钻铤112内的压力大于井眼26中的压力。因此，pcd电极54在钻井时压靠井眼26的表面，这是因为施加到pcd电极54的压力在压力下从钻井流体23进入到钻铤112中的孔119中。当钻井流体泵22关闭时，pcd电极54是中性的或者可以被弹簧120缩回。另外，机械止动件122可以防止pcd电极54移动太远而进入井眼26，当钻井流体泵22被启动时。

此外，电流124流过pcd电极54并进入地质结构12。电流124由发射环形变压器126产生，并由测量环形变压器128测量。在所示实施例中，环形变压器126和128被刚性地安装在钻铤112中，并且当pcd电极54冲入和滑出稳定器114或镦粗部116时不移动。因此，由于pcd电极54的运动，从而没有应力施加在环形变压器126和128，它们的绕组，或它们的馈电线。尽管图10示出的实施例公开了环形变压器126和128的使用，可以理解，附接到pcd电极54的导线也被设想用于发送和接收电流124。

另外，pcd电极54的上部130可以与钻铤112绝缘。绝缘可以是围绕pcd电极54的管132，其附接到稳定器114或镦粗部116的垫，或附接到pcd电极54。此外，浸出的pcd材料的绝缘层134可涂覆pcd电极54以提供与钻铤112的附加绝缘。pcd电极54的基底136可通过金属-金属接触和/或通过弹簧120接地。电路可以通过电流124通过钻铤112的主体返回到pcd电极54的基底136而闭合。

由于环形变压器126和128的紧密靠近，可以在两个环形变压器126和128之间放置小屏蔽件138，以防止它们之间的任何直接的电或磁耦合。屏蔽件138可以是金属的，并且屏蔽件138也可以具有高磁导率以防止来自发射环形变压器126的杂散磁场与测量的环形变压器128耦合。

考虑到此，图11是用于通过图10中所描绘的pcd电极54配置来测量地质地层12的地层电阻率的示意性电路图140。通过围绕pcd电极54的主体的发射环形变压器126产生pcd电极54两端的电压。环形变压器126可以包括具有m个线匝的磁性材料(例如铁氧体)环。另外，pcd电极54的主体可以用作一匝。因此，围绕pcd电极54的环形变压器126可以作为m:1匝源变压器工作。具有源电阻zsource的射频(rf)电压源vsource可以驱动环形线形变压器126。通常，工作频率可以在100khz到100mhz的范围内。因此，环形变压器126的绕组中的电流在pcd电极54的长度上产生电压降vs。输送到环形变压器126的电流是已知的，并且用于m:1变压器的互感也是众所周知。因此，pcd电极54两端的电压降vs是已知的。

电流im从pcd电极54的面流入地质地层12。随后，经由另一个接触点例如通过稳定器114，电流im返回到钻铤112。测量环形变压器128可以也围绕pcd电极54，并且环形变压器128可以测量注入到地层中的电流量im。在这种情况下，环形变压器128是1：n匝变压器，其中n是环形变压器128的导线匝数。运算放大器142可以用于增加由测量环形变压器128接收的测量信号。另外，电流im可以取决于地层电阻率、pcd电极54的形状、其他几何因素以及井眼26内的obm的存在。

可以由测量环形变压器128的测量通过以下等式来计算复阻抗：z＝k*vs/im其中k是取决于pcd电极54的几何形状和电路细节的常数。由于电压降vs和注入电流im是已知的，可以确定pcd电极54和地质地层12的复阻抗z＝z'+jz”。在obm中，界面阻抗可以由一电阻re和一电容ce并联表示。pcd电极54的界面阻抗和电流返回已经在该模型中结合。通常地，电阻re和电容ce将是频率的函数。所述地层可以由与界面阻抗串联的电阻器r表示。在非常高的频率范围(例如，大于20mhz)和非常高的地层电阻率(例如大于100ohm-m)下，地质地层12也可以具有小的介电效应，这可以被考虑，如果需要的话。随后，z＝z'+jz”，z'和/或|z|可被用于推导地层电阻r。几何因子可将地层电阻率rt与地层电阻r相关，其中几何因子是已知的常数。

另外，替代的电路方法是对源和测量功能二者仅使用一个环形变压器。在该实施例中，环形线的阻抗被测量，并且该测量的阻抗被用于导出地层电阻率rt。与上面讨论的两种环形线方法相比，这种方法对地层电阻率rt可能不太敏感。

在另一实施例中，三电极配置的横截面视图在图12中示出。在所示实施例中，两个外部pcd电极54b是用于电流124的返回点，而中心pcd电极54a将电流124提供到地质地层12中。该配置提供了其中电流124返回的位置保持接近接近具有测量环形变压器128的pcd电极54a。外部pcd电极54b不包含环形线或电线，而是pcd电极54b通过金属-金属接触和/或由弹簧接地到钻铤112和/或稳定器114或镦粗部116。可以注意到，虽然pcd电极54a和54b被图示为单个材料块，但是本文所述的pcd电极54的其他构造被设想用于在本文公开的三电极构造或任何其他电极构造内使用。

在另一配置中，图13中描绘了不同的三电极配置的横截面视图。两个外部pcd电极54c是电流源，并且中心pcd电极54d可以测量感应电流124。两个外部pcd电极54c包括发射环形变压器126，其被同相驱动以产生彼此相等的电压降。外部pcd电极54c将电流124注入地质地层12中，地质地层12经由中心pcd电极54d返回。中心pcd电极54d可以包括测量环形变压器128。分离发射环形变压器126和测量环形变压器128可以限制环形变压器126和128之间的伪耦合。

图12和13的三电极配置的替代配置被提供在图14a中描述的pcd电极54和返回电极144的一实施例的顶视图中。pcd电极54类似于图12的pcd电极54a，但是两个外部pcd电极54b被替换为铰接垫(即，返回电极144)。返回电极144可以经由铰链146耦合到稳定器114或镦粗部116。

另外，图14b描绘了pcd电极54和返回电极144的横截面视图。返回电极144包括铰链146和液压柱塞148。此外，稳定器114内或者镦粗部116内的止动件150可以防止返回电极144从钻铤112延伸开太远。稳定器114或镦粗部116的锥度还可以使垫在当压差为零的同时进入或离开井眼26时收缩。

而且，返回电极144的中心部分可以包括开口152，以允许pcd电极自由移动。返回电极144和pcd电极54两者的移动可以被单独地启动。另外，例如，返回电极144可以经由铰链146被接地到钻铤112。在此配置中，pcd电极54具有发射环形变压器126和测量环形变压器128二者。另外，导电pdc切割器或其他pcd材料可安装在返回电极144上以减少磨损并提供与地质地层12的接触。

图15描述了双电极配置的横截面视图。pcd电极54c位于发射环形变压器126内，并且pcd电极54d位于测量环形变压器128内。位于两个pcd电极54c和54d之间的地质地层12的体积被测量。因此，图像像素大致是电极之间的中心到中心的距离×pcd电极54c和54d的宽度。另外，两个pcd电极54c和54d可以平行于或垂直于钻铤112的轴线对齐。在一些实施例中，对于obm填充的裂缝存在不对称的响应。如果裂缝垂直于两个pcd电极54c和54d之间的电流124流动，那么裂缝可能阻塞电流124。如果裂缝平行于电流124流动，那么将具有非常小的影响。如果有两对电极，则可以测量两个裂缝取向。例如，一对可以与lwd工具38的轴线对齐，而另一对可以垂直于lwd工具38的轴线对齐。可选地，围绕两个pcd电极54c和54d的表面可以通过绝缘体154绝缘以最小化直接返回到稳定器114或镦粗部116的电流124。

图16描绘了单探针配置的顶视图。描绘的探针156缩回并且与稳定器114的面齐平。此外，探针156可以安装在稳定器114的叶片中，或者探针156可以安装在镦粗部116中或者钻铤112的任何其他可想到的部分。两个电极由中心钮扣电极158和同心环形环电极160组成。中心钮扣电极158的面可以是例如附着到碳化钨棒的未浸出的pcd盘。同心环形环电极160可以由探针156的金属体形成，其可以是碳化钨。此外，同心环形环电极160可以具有钎焊到探针156的金属体上的未浸出的pcd面。此外，同心环形环电极160可以是钎焊在探针156的金属体的碳化钨上的pcd材料。中心钮扣电极158可以通过绝缘材料162与同心环形环电极160绝缘。绝缘材料162在探针156的面处可以是浸出的pcd材料用于耐磨性，或者绝缘材料162可以是用caco3溶剂-催化剂制成的pcd56。

另外，探针156还可以包括倒角表面164。倒角表面164可以使探针156能够通过井眼26的直径的变化被向内推向稳定器114，具体地在突然切向接触的情况下。此外，pcd电极54的最大行程通常可以等于倒角表面164的高度。这可以防止pcd电极54在具有有皱纹的表面的情况下悬挂在井眼26中。例如，假定pcd电极54的最大行程是0.5英寸，倒角表面164的角度是45度。如果期望的接触区域的直径是0.5英寸，那么pcd电极54的直径将是是倒角表面164的高度的两倍加上接触区域的直径，例如3×0.5＝1.5英寸。在下文中，该特定配置的探针156可以被称为钮扣设计探针156。

另外，图17描述了钮扣设计探针156压靠在地质地层12上的横截面视图。如前所述，通过钻头20上的压降可以提供使钮扣设计探针156压靠在地质地层12上的启动力。中心钮扣电极158可附接到导电杆166，导电杆166穿过测量环形变压器128，屏蔽件138和发射环形变压器126，并进入钻铤112中的孔168中。杆166可以在杆166的大部分长度上具有绝缘材料162。特别地，绝缘材料162可以延伸穿过包含环形变压器126和128的区域。在环形变压器126和128下方，杆166可以建立与钻铤112的材料电接触。该电接触可以简单地是金属-金属，或者也可以使用弹簧120。钮扣设计探针156的主体，包含同心环形环电极160，也通过金属-金属接触和/或通过弹簧120与稳定器114和/或钻铤112电接触。钮扣设计探针156的外表面可以含有未浸出的pcd用于低的摩擦系数，同时保持与稳定器114的固体电接触。如前面所述的实施例，可以有止动件122来限制径向运动，钮扣设计探针156上的倒角表面164，以及用于泥浆的孔119启动钮扣设计探针156。

此外，图17中描绘了电流124行进的路径。通过钮扣设计探针156压靠地质地层12，两个电极158和160建立与地质地层12的电接触。电流124通过中心钮扣电极158注入到地质地层12中，电流124经由同心环形环电极160返回。在钮扣设计探针156的前方可以有明确限定的电流量。电流124从中心钮扣电极158径向流动到同心环形环电极160。因此，图像像素可以近似为同心环形环电极160的尺寸，其可以提供非常高的分辨率。此外，电流124从同心环形环电极160流入钮扣设计探针156的主体中，进入钻铤112或稳定器114中，并且流到耦合到中心钮扣电极158的杆166的下部170上，从而完成一电路。

另外，围绕杆166的绝缘材料162可以防止电流124流入包括环形变压器126和128的区域中。由于由钻井流体23的压差操作的启动功能，该区域可以包含钻井泥浆。在绝缘obm中，绝缘材料162可以不提供任何附加的绝缘效果。然而，在wbm中，绝缘材料162可以防止钻井流体23中的电流使环形变压器126和128的测量短路。因此，钮扣设计探针可以在wbm以及obm和sbm中操作。

在单探针配置的另一个变型中，图18描绘了探针172的顶视图，其中源电极174和返回电极176都是pcd盘。源电极174位于探针172的金属体178的偏离中心的位置。这为返回电极176提供了空间，其可以被钎焊到金属体178的面上。

除了电流124不再是径向的之外，探针172可以按照与钮扣设计探针156类似的方式操作。例如，图19描述了电流124沿着一轴线流动的的探针172，该轴线连接两个电极174和176。探针172的配置可以检测地质地层12中的obm填充裂缝，该裂缝横向于连接两个电极174和176的轴线。例如，具有两个探针172a和172b的lwd工具38的顶视图在图20中进行了描述。两个探针172a和172b在垂直方向上取向。这样的取向可以使得能够检测大部分的obm填充裂缝。

图21描述了pcd电极54的附加实施例的横截面视图。pcd电极54应该是导电的，其使得电流124能够从钻铤112、稳定器114或镦粗部116传送到pcd电极54的面180并进入地质地层12(未示出)中。电流124可以经由地质地层12和钻铤112之间的附加接触(例如经由稳定器114)或者经由一些其它元件(例如，其他pcd电极54)返回到钻铤112。对于钮扣设计探针156，电流返回可以由同心环形环电极160限定。对于图18-20中所述的探针172，电流返回也可以由返回电极176限定。

pcd电极54的面180可以由耐磨材料制成，因为当钻铤112旋转时，其被压向井眼26内的地质地层12。例如，面180可以由未经浸出的pcd制成。面180也可以由其他耐磨导电材料例如碳化钨或钨铬钴合金制成。未经浸出的pcd材料可以将耐用性和耐磨性与足够的导电性能相结合。在一个实施例中，面180可以是其半径与井眼26的半径相似或略小的球形的。在另一实施例中，面180可以是半径与井眼26的半径相似或略小的圆柱形的。在这样的实施例中，面180的轴线可以平行于钻铤112的竖直轴线。为了保持pdc电极54的轴向对齐，可以在电极和工具之间使用键合系统。另外，表面180与地质地层12之间的接触区域可以确定本申请中描述的pcd电极54的图像像素的尺寸。像素尺寸可以与适当的接触力相平衡以提供足够的电接触。例如，如上所述，pcd电极54的面180可以被倒圆以匹配井眼26的曲率。因此，面180可以即使面180的尺寸增加，也保持整个面180上的足够的电接触。

此外，面180可能不是完全平滑的，以避免对地质地层12的压力锁定。例如，当没有运动发生且泥饼是软的时，压力锁定可以在高流体静压下发生。这些条件可能类似于用于钻柱差动卡钻的条件。面180可以标记有深度在0.005英寸至0.040英寸范围内以及间距范围为0.020英寸至0.080英寸的凹槽。还设想了面180上的凹槽的其他深度和间距。

倒角表面164可以由耐磨材料制成，倒角表面164可以是电绝缘的。当pcd电极54在井眼26的壁上滑动时，泥饼可能积聚在倒角表面164处。即使obm是绝缘的，积聚的泥饼也可以是稍微导电的。泥饼可以包含导电粘土颗粒和/或导电化学物质形成钻井流体23。通过封入的泥饼，一些电流可以从导电倒角表面164进入地质地层12中。任何附加的电流都可以稍微放大图像像素。因此，倒角表面164可以由绝缘浸出的pcd材料制成或用非导电性溶剂-催化剂例如碳酸钙(caco3)烧结的未浸出的pcd材料制成。

围绕pcd电极54的上部圆柱形部分，pcd电极54可具有上部移动引导表面182。另外，上部静态引导表面184可定位在钻铤112或稳定器114上。表面182和184可以抵抗pcd电极54的侧向运动，所述侧向运动是由于当钻铤112旋转时pcd电极54与井眼26的壁接触而产生的侧向负载引起的。两个表面182和184之间的摩擦系数可以尽可能小以允许pcd电极54平稳地移进和移出安装在钻铤112上的稳定器114。两个表面182和184也可以是非常耐磨的。它们也可以抵抗电极的面因井孔不规则的影响。

因此，可以使用浸出的pcd材料来形成表面182和184。在浸出钴之后，pcd材料中的空隙空间可以用诸如环氧树脂的非导电材料填充。另一实施例可以使用本质上绝缘的pcd材料。本质上绝缘的pcd材料可以用碳酸钙作为溶剂-催化剂代替钴来制造。第三实施例可以使用陶瓷材料。另外，对于上面在图16和17中所讨论的钮扣设计探针156，表面182和184可以是导电的。因此，表面182和184可以由碳化钨或未浸出的pcd材料制成。

另外，在电极上可存在下移动引导表面186，在钻铤112上可存在下静态引导表面188。下引导表面186和188除了上引导表面182和184之外还可以操作成：使电极对齐并且使得能够运动到钻铤112或稳定器114中或从其出来。下引导表面186和188可以是耐磨的并具有低摩擦系数。此外，下引导表面186和188在环形组件190的下方，以增加上引导表面182和184与下引导表面186和188之间的距离，这可以减少侧负载的冲击。下引导表面186和188可以是导电的，以提供pcd电极54的基底136接地到钻铤112。因此，例如，下引导表面186和188可以由未浸出的pcd材料制成。此外，替代材料可以包括碳化钨、导电硅粘合金刚石或钨铬钴合金(stellite)。可选地，弹簧120还可以在基底136和钻铤112之间提供接地功能。

此外，来自钻铤112的内部部分的钻井流体23可以施加在pcd电极54的基底136上，以在pcd电极54上对地质地层12产生力。没有正向密封可用在pcd电极54周围。因此，可能发生围绕pcd电极54的钻井流体23的流动。可以在上引导表面182和184上形成(轴向的或螺旋的)凹槽，以增加钻井流体23穿过表面182和184并进入井眼26的流动。以这种方式，上引导表面182和184的侵蚀可以避免。此外，表面182和184中的螺旋凹槽可以引起pcd电极54的旋转，这可以促进pcd电极54上的均匀磨损，并且也清除积聚在pcd电极54前面的滤饼。

尽管pcd电极54的基底136可以为pcd电极54提供到钻铤112的接地触点，但是也可以使用接地垫192来建立接地触点。接地垫192可以用接地弹簧194推压在pcd电极54上。接地垫192和接地弹簧194可以接合在用于接地垫192的凹槽196中。这可以提供接地垫192不是随着pcd电极54的移动而被拖动。接地垫192可以由导电耐磨材料制成，诸如未浸出的pcd材料、导电硅粘结金刚石、碳化钨、钨铬钴合金，或这些材料的组合。当由导电pcd制成时，可以使用大百分比的金属催化剂(例如约20体积％)。

另外，接地垫192可部分地包围pcd电极54，如图21所示，或者接地垫192可以基本包围pcd电极54，如图22a和22b中所描述的。图22a是pcd电极54的顶视图，其中接地垫192基本包围pcd电极54。另外，接地弹簧194也被描绘为包围接地垫192和pcd电极54。图22b描绘了图22中所示的pcd电极54的横截面视图。

在另一实施例中，图23示出了pcd电极54的横截面视图，一些未对准在钻铤112或稳定器114内。导引表面182,184,186和188之间的间隙是小的。压降可以穿过下部引导表面186和188施加，间隙198在10和100微米之间。上移动引导表面182和184可以包括稍大的间隙200(例如250微米)。通过这样的紧密间隙，pcd电极54的配置可以使得pcd电极54以最小的摩擦滑动，即使在上下导向表面182,184,186和188之间存在一些未对准。如所描绘的，钻铤112或稳定器114中的孔的轴线202可能不总是与pcd电极54的轴线204对准。因此，为了在引导表面182,184,186和188之间提供最小的摩擦，引导表面182,184,186和188的长度可以被限制。例如，在图23所示的实施例中，上引导表面182可具有短接触区域，诸如可包围pcd电极54的一部分的环表面206。

在另一个实施例中，图24描绘了pcd电极54的横截面视图，其中弹簧208施加径向力而不是直接由压降施加。柱塞210可以位于pcd电极54和弹簧208下方。柱塞210可以具有o形密封圈，或者其可以与钻铤112中的孔212具有紧密公差。当钻井流体泵22关闭时，没有压降，并且柱塞210缩回。弹簧208将柱塞210耦合到pcd电极54，使得当钻井流体泵22停用时，pcd电极54也缩回。相反，当钻井流体泵22被启动时，柱塞210上的压降迫使柱塞210向外移动，直到柱塞210碰到止挡件214。因此，柱塞210上的压降产生比弹簧208的力大的力来启动柱塞210。例如，如果压降是750psi，则直径为1英寸的柱塞可以产生625磅的力，该力可能远大于弹簧208的力。

现在参考图25，当钻井流体泵22被启动时，描绘了pcd电极54的横截面视图。弹簧208被柱塞210启动，并且弹簧208提供径向力以将pcd电极54压靠在井眼26的壁上。由于施加到pcd电极54的径向力在当钻井流体22被启动时可以是弹簧208的力，因此该配置在大多数情况下可以提供限定范围的力。另外，pcd电极54中的通气孔216可允许钻井流体23自由通过井眼26，而不在pcd电极54上施加附加的力。

上述实施例涉及当钻井流体泵22被停用时缩回pcd电极54。当pcd电极54进入或离开井眼26时可能发生这种情况。然而，由于pcd电极54的pcd材料的坚固特性，在某些情况下可能不需要缩回pcd电极。例如，图26a和26b描绘了pcd电极54的横截面视图，其中可以省略与图24和25相关描述的压力启动。pcd电极54可以通过弹簧208处于恒定启动的构型。因此，压力可以不通过钻井流体23施加到pcd电极54。通气孔216仍然可以被提供以均衡跨越pcd电极54的基底136的压力。只要最大电极行进距离不大于倒角表面164的高度，pcd电极54就不会在钻入和钻出井眼26的过程中挂在井眼26的壁架上。

弹簧208可以施加力fr＝k(h0-h)(lb-f)，其中k是以lb-f/in为单位的弹簧常数，h0是弹簧208在未压缩时的长度(英寸)，以及h是弹簧208在压缩时的长度。用于简单螺旋弹簧的弹簧常数由下式给出：k＝(gd⁴)/(8nd³)，其中g是刚性模量，d是线直径，n是匝数，d是弹簧208的外径。对于不锈钢，g＝3*10⁷psi。例如，设d＝0.1英寸，d＝1.5英寸，n＝8，则k＝70lb-f/in。另外，让松弛的弹簧长度为h0＝2英寸。此外，使压缩长度h1＝1.5英寸，电极的最大延伸为0.5英寸，如图26a所示的。力是fr＝70(2-1.5)＝35lb-f。在图26b中，pcd电极54完全缩回到钻铤112内，压缩长度h2＝1英寸。力变为fr＝70(2-1)＝70lb-f。因此，pcd电极54上的力的范围在35和70lb-f之间。此外，增加未压缩长度h0可以减小施加到pcd电极54的力的范围。

在另一实施例中，图27描绘了包括pcd电极54的钻头20的透视图。钻头20可以包括安装在冠部220上的pdc切割器218和围绕钻头20的圆周安装并且位于pdc切割器218上方的径规垫222。径规垫222可以不切割地层，而是径规垫222可以在钻井操作期间稳定钻头20并且使横向方向上的振动最小化。因此，径规垫222的直径可以非常接近由pdc切割器218产生的井眼26的直径。此外，由于径规垫222不断地摩擦地质地层12并吸收横向力，因此径规垫222可处于恒定的磨蚀应力下。因此，径规垫222通常可使用热稳定的多晶金刚石(tps)镶片来减少碳化钨径规上的磨损。

在所示的实施例中，pcd电极54可以被集成到钻头20上的径规垫222中。将pcd电极54安装在径规垫222上的优点是径规垫222与井眼26的壁接触。因此，不使用用于启动的液压机构或弹簧。因此，pcd电极54可以在绝缘obm和导电的wbm中提供有效的测量。此外，电阻率测量点位于钻头20处，其可以提供地质地层12的性质的第一指示。例如，这样的性质可以包括地层的变化或者进入异常高的压力或低的压力地层的指示。如果地层压力异常低，则可能发生喷发损失，并且可能检测到电阻率的快速变化。此外，安装在径规垫222上的pcd电极54可以产生井眼26的图像。这可以在地质导向水平井时是有用的，例如，当钻头20离开电阻产层并进入导电性页岩时。

考虑到上述情况，图28描绘了包括pcd电极54的径规垫222的截面视图。pcd盘224可以钎焊到由机械加工在径规垫222中的环形凹槽包围并包括碳化钨衬底227的柱226上。柱226也可以是焊接到钻头20的钢体中的螺纹杆。此外，在钻井操作期间，柱226可以足够坚固以支撑pcd电极54。机加工的凹槽接收源发射环形变压器126，屏蔽件138和测量环形变压器128。可以有从环形变压器126和128的电连接(电线和压力隔壁)，其耦合到安装在钻头20中的电子装置(未示出)。另外，绝缘环228可以由绝缘pcd材料制成。例如，用碳酸钙烧结的pcd。在一些实施例中，也可以使用陶瓷环。此外，金属环230可以被钎焊到绝缘环228，并且金属环230可以在绝缘环228的下方延伸。金属环230可以被压配合到圆形凹槽中以锁定两个环形变压器126和128和屏蔽件138就位。此外，可以将高温环氧树脂注入圆形凹槽中以密封其中流体可能进入的任何空隙。另外，图29描绘了具有pcd电极54的径规垫222的顶视图，如上面关于图28所述的。

在另一实施例中，图30描绘了安装在钻头20的径规垫222中的有线pcd传感器232的横截面视图。有线pcd传感器232可以不使用环形线，而是可以将有线pcd传感器232直接连线到测量电子装置。有线pcd传感器232可以包括在绝缘环236中的钮扣电极234。钮扣电极234可以与径规垫222的顶表面238齐平，并且径规垫222的直径基本类似于井眼26的直径。因此，钮扣电极234可能与井眼26的壁保持恒定的直接接触。由于钮扣电极234在径规垫222中，因此其可能摩擦地质地层12，但钮扣电极可以切入到地质地层12中。此外，钻头20可以具有一个或多个有线pcd传感器232，钻头20也可以包含有线pcd传感器232所耦合到的测量电子装置。电源、数据处理器和遥测装置也可以存在于钻头20中或其附近。

有线pcd传感器232可被设计成占据钻头20的小体积。钮扣电极234可由直径约0.4英寸和厚度为0.2英寸的碳化钨(wc)盘组成。钮扣电极的底部可能有一个直径约0.1英寸的浅孔。另外，绝缘环236可以由具有碳酸钙溶剂-催化剂的pcd材料制成。绝缘环的直径约为0.8英寸，厚度为0.4英寸。此外，绝缘环可以具有0.4英寸直径的凹陷以接收钮扣电极234，并且具有0.13英寸直径的孔以接收导线240。碳化钨衬底242可以定位在绝缘环236下方并且直径大约0.8英寸，厚度为0.3英寸。它也可以具有与绝缘环236中的孔相似的0.13英寸的孔以接收导线240。导线240可以具有带铜涂层和聚醚醚酮(peek)绝缘层的钢芯。可以有一直径为0.1英寸的金属头244，其耦合到导线240上并且位于钮扣电极234内(例如通过焊接)。上面列出的尺寸是说明性的以给出有线pcd传感器232可以占据的尺寸的示例；然而，其他尺寸也构想出来。

另外，防旋转销246可以被包括在有线pcd传感器232的配置中。防旋转销246可以使有线pcd传感器232的旋转最小化，这可以保持导线240的寿命。进一步地，防旋转销246可以用于将有线pcd传感器232保持在径规垫222内的适当位置。防旋转销246可以定位在碳化钨衬底242的底表面248上。

此外，可以将o形环堆叠件250增加到导线240。导线240可以抵抗由o形环堆叠件250和导线240上的压降引起的力。可以将有线pcd传感器232插入钻头20的径规垫222中的凹部中。可以通过横向螺栓252将有线pcd传感器232锁定就位。此外，在钻头20内部，可以将导线240的裸端254插入可以附接到传感器电子装置的插座(未示出)中。插座和电子装置可处于大气压力下并位于压力壳体内。

为了分别制作有线pcd传感器232的导电部分和非导电部分，例如钮扣电极234和绝缘环236，图31是用于将有线pcd传感器232的各个部件结合到单个刚性复合材料中的方法241的流程图。最初，可以制造有线pcd传感器232的各个部件(方框243)。例如，钮扣电极234、绝缘环236和碳化钨衬底242可以分别制造。此外，钮扣电极234可以包括诸如钴的导电溶剂-催化剂，使得钮扣电极234是导电的pcd材料。另外，绝缘环236可以用碳酸钙(caco3)制造以产生绝缘pcd材料，或者绝缘环236可以用钴制造，其中表面浸出并用导电材料回填以产生绝缘pcd材料。

随后，可以将有线pcd传感器232的各个部件放置在烧结罐中(方框245)。将部件放置在烧结罐中可以在进行附加的烧结过程之前将有线pcd传感器232的各个部件对准在合适的位置。在烧结罐内对准之后，可以进行烧结操作(方框247)。烧结操作可将先前制造的单独部件熔合在一起以生成单一刚性复合材料。此外，烧结操作可能涉及施加足够的压力和热量来熔化钴并将所述部件熔合在一起。

在烧结操作之后，可以将有线pcd传感器232的附加部件增加到有线pcd传感器232(方框249)。该步骤可以准备用于安装在钻头20内的有线pcd传感器232。附加部件可以包括导线240、金属头244和o形环堆叠件250。在安装到钻头20中时，防旋转销246和横向螺栓252也可以被增加到有线pcd传感器232，如以上在图30的讨论中所讨论的。

可存在有线pcd传感器232的若干设计变型。例如，图32a是有线pcd传感器232的截面视图，其中钮扣电极234可以面对导电pcd材料256以向钮扣电极234提供更强的鲁棒性。在另一设计变型中，图32b是图32a的有线pcd传感器232的横截面视图，其中绝缘环236由碳化钨衬底242包围。包围绝缘环236的碳化钨衬底242可将绝缘环236放置成处于压缩状态。例如，如果绝缘环236由陶瓷材料制成，则陶瓷材料的初始压缩可增加绝缘环236的抗冲击性。类似地，如果绝缘环236由绝缘pcd材料制成，则通过碳化钨基板242的初始压缩也可以提高绝缘环236的抗冲击特性。以上在图30和32中描述的pcd传感器232可以在单个传感器实施例中使用用于射频阻抗测量。从射频阻抗测量，可以获得地层电阻率。另外，用于有线pcd传感器232的电流返回可以通过钻头20的径规垫222。

另外，图33a描绘了钎焊到有线pcd传感器232的碳化钨衬底242上的高压力同轴电缆257，以代替由图30中描绘的o形环堆叠件250提供的压力密封。高压力同轴电缆257可以额定为1000摄氏度和10000psi。因此，高压力同轴电缆257可以被钎焊到碳化钨基板242，以提供同轴电缆257和wc基板252之间的压力密封。另外，碳化钨衬底242可以具有常规的o形环凹槽258，以将有线pcd传感器232压力密封到钻头20的径规垫222上。此外，类似于图30中所描述的有线pcd电极232，钮扣电极234的直径可以是0.4英寸。此外，绝缘环236的直径可以是0.8英寸。此外，碳化钨衬底242的直径可以是大约1英寸。

另外，图33b描绘了钎焊到有线pcd传感器232的碳化钨基板242的高压力同轴电缆257，其中包括o形环凹槽258和o形环261的有线pcd传感器242的一部分的直径减小。o形环凹槽258和o形环261可以使有线pcd传感器232能够压力密封到钻头20的径规垫222。

图34是使用多于一个有线pcd传感器232的用于复杂的地层测量方案的实施例的横截面视图。所示出的实施例包括安装在钻头20的径规垫222中的四个有线pcd传感器232。两个外部有线pcd传感器232可以将交流电注入到地质地层12中。注入交流电可以在地质地层12中建立电压(或电位)场259。两个内部有线pcd传感器232可通过以非常高的阻抗通信地耦合到运算放大器(未示出)来监测两个内部有线pcd传感器232之间的地质地层12中的电压降(δv)。两个内部有线pcd传感器232可以汲取非常小的电流。因此，两个内部有线pcd传感器232之间的界面上的很少或不存在电压降以及地质地层12对电压降的影响可以被观察到。

现在转向形成pcd电极54的不同变型，图35是钎焊至电极尾部260的pcd电极54的横截面视图。pcd电极54的上主体262可以在碳化钨基底58的长部分上被烧结为圆柱。烧结过程的溶剂-催化剂可以是钴。在烧结过程之后，电极面可以包括pcd56的厚层。pcd56的厚层的形状可以使用具有对应于期望形状的几何形状的金属烧结罐从烧结过程直接获得。此外，pcd电极54可以用钴烧结以提供耐磨性和抗冲击性。钴通常可以在5体积％和10体积％之间，但是当期望增加导电性时可以使用更高量的钴。此外，pcd56和碳化钨基底58之间的界面264可以是接近球形的以使pcd56中的应力最小化并且避免烧结过程的冷却阶段期间的裂纹。此外，近球形的界面264可以实现从pcd56到碳化钨基底58的良好的负载传输。

在烧结过程之后，上主体部分262可以是1.5英寸直径×1.2英寸长度的近似圆柱。上主体部分262可以例如经由电火花加工(edm)机械加工成最终形状。pcd56的球形顶表面可以通过具有特定形状的电极的切入式edm来校正(或获得)。另外，也可以使用受控研磨来使pcd56成形。倒角表面164可以通过在edm过程期间涉及电极的旋转的线切割edm(wire-edm)来获得。此外，短尾部266可以通过电火花加工过程或通过研磨来获得。

电极尾部260可以作为单独的部件烧结。电极尾部260的总直径可以在0.4英寸的范围内，而电极尾部的总长度可以约为1英寸。电极尾部260的pcd部分268的长度可以高达0.8英寸。电极尾部260中的长pcd部分268的益处包括当pcd部分268为下移动引导表面186时的耐磨性以及pcd部分268与下静止引导表面188之间的低摩擦。

在机加工之后，电极尾部260和上主体262可以在接缝269处钎焊在一起。上主体262的短尾部266可以使用感应钎焊过程附接到pcd部分268，同时限制热传递进入pcd部分56和268中。在pcd部分56和58外部的这种热量的抑制可以有助于避免由于高温烧结过程而在pcd部分56和58中产生裂纹。

在另一种配置中，图36是具有整体绝缘的pcd电极54的横截面视图。pcd电极54的上主体262可以包含具有浸出表面270和未浸出表面271两者的更大体积的pcd56。未浸出表面271可以是导电的，而浸出表面270可以是绝缘的。浸出后，浸出表面270可以填充绝缘材料，例如环氧树脂。在所示的实施例中，倒角表面164和上移动引导表面182可以浸出并绝缘。

不同pdc材料的复合材料也可用于形成pcd电极54。例如，图37是具有由不同pcd材料制成的若干区域的pcd电极54的横截面视图。该复合材料可以为pcd电极54的每个区域提供不同的性能。例如，所示的pcd电极54被分成五个区域。面180可以由导电pcd56制成，以便是导电的、耐磨损的、并且耐冲击的。该面180可以是未浸出的pcd，其中钴为溶剂-催化剂并且由跨越1至40微米的尺寸的宽范围的金刚石颗粒组成。

pcd电极54的圆周可以位于上移动引导表面182的周围。pcd电极54的该部分可以是电绝缘的并且耐磨损的。因此，上移动引导表面182可以由浸出的pcd材料制成，或者用绝缘溶剂-催化剂(例如碳酸钙)制成。另外，在烧结过程中可以使用小的金刚石颗粒来提供适当水平的耐磨性。

另外，pcd电极54的倒角表面164可以是耐磨的，抗冲击的和电绝缘的。因此，pcd材料可以是面180的pcd材料和上移动引导表面182之间的折衷。也就是说，倒角表面164的pcd材料可以用导电溶剂-催化剂制成，但倒角表面164也可以浸出并用绝缘材料重新填充。

此外，环形区域272可以为pcd电极54提供机械强度和一些抗疲劳性以承受任何方向的重复负载。特别地，当pcd电极54延伸到井眼26中并且在面180或倒角表面164上发生横向负载时，横向力可以施加到上和下移动引导表面182和186。因此，pcd电极54可以足够坚固以抵抗弯曲。该强度可以由环形区域272来处理，环形区域272可以由未浸出的pcd制成，该浸出的pcd包括钴溶剂-催化剂和一定范围的小到中等尺寸的金刚石颗粒(1-10微米)。钴溶剂-催化剂可以为大约10体积％以提供机械强度(例如，抵抗弯曲并提供承受疲劳负载的能力的抗拉强度)。另外，pcd中心区域273可以提供在pcd电极54的操作的频率范围下的导电性。

在构造图37所示的复合pcd电极54时，可以使用几种方法。例如，图38是用于构造图37所示的复合pcd电极54的方法274的流程图。首先，pcd电极54的每个区域可以通过在烧结过程之前混合期望比例的金刚石颗粒和溶剂-催化剂来制备(方框275)。混合物可以保持在适当的区域形状中，或借助于包括为混合物的一部分的蜡或热塑性物质沉积在适当的区域位置。

在制备混合物之后，可以在烧结过程之前将混合物提供给对应于复合pcd电极54的区域的区域(方框276)。例如，混合物可以使用模具形成为区域形状，并且模制形状可以被安装在烧结罐中对应于复合pcd电极54的区域的区域中。另外，可以在混合物熔化时使用包含所述混合物的各种注射器将混合物形成在烧结罐内的区域形状。注射器可将混合物沉积在它们在烧结罐内的各自位置。

随后，上面关于图3描述的烧结过程可以制作复合pcd电极54(方框277)。另外，在完成烧结过程时，可以将复合pcd电极54机加工成最终形状(方框278)。可以认识到，尽管上述方法274包括单个烧结过程，但是多个烧结过程也可以制作复合pcd电极54。例如，每个区域可以放置在单独的烧结罐中并单独烧结。一些烧结区域可以被机加工以解决任何形状的缺陷，然后烧结区域可以被装载到最终的烧结罐中。此时，烧结区域可以经历最终的烧结循环。此外，还构想到上述过程的任意组合。例如，若干区域可以单独地经历烧结过程，以及若干烧结区域可以在用于最终烧结过程的最终烧结罐中与预烧结混合物的成形模具结合以制作复合pcd电极54。

图39是用于制作可以用作图37所示的上移动引导表面182的绝缘环的烧结装置279的截面视图。下面详细描述的过程可以用于制作包含孔的绝缘pcd部件。使用两个金属罐，主罐280和设置在主罐280内的内罐281，执行烧结过程。罐280和281二者可以是圆柱形的。此外，内罐281可以对应于上移动引导表面182的中心孔的尺寸，其是在制作过程完成时可以从绝缘环移除的部分。内罐281可以充满绝缘混合物282(例如金刚石颗粒和碳酸钙)，用于烧结。主罐280可以包含用于绝缘环的绝缘pcd材料的绝缘混合物282。罐280和281可包含相同的混合物282，使得绝缘混合物282的尺寸在烧结过程期间减小相似的量。在完成烧结过程之后，罐280和281可以溶解在酸中。当内罐281溶解时，则可以移除与绝缘环的中心孔对应的绝缘pcd材料的内圆柱。例如，这留下绝缘pcd的外环，其可被研磨成对应于上移动引导表面182的最终形状。另外，内罐281可具有更复杂的形状(例如，圆锥形状)以在绝缘环内制作具有复杂形状的绝缘体。

另外，图40是用于形成绝缘环的方法283的流程图，如图39中所讨论的。最初，内罐281可以放置在主罐280内(方框284)。内罐281和主罐280都可以由类似的材料制成。例如，内罐281和主罐280二者都可以由容易溶解在某些酸中的金属制成。此外，构成内罐281和主罐280的材料可以是能够承受在烧结过程中施加的热量和压力的材料。

随后，主罐280和内罐281被填充绝缘混合物282(方框285)。主罐280和内罐281中的绝缘混合物282可以是相同的。如上面关于图38所讨论的，在主罐280和内罐281中的绝缘混合物282在当绝缘混合物282的组分相同或相似时在烧结过程期间尺寸按比例减小。也可以认识到，钴，或者另一导电溶剂-催化剂，可被使用来代替绝缘混合物282。在这种情况下，所得到的pcd材料的表面可能被浸出以在所得到的pcd材料中产生绝缘性质。

接下来，可以在罐280和281上执行烧结过程(方框286)。烧结过程可以类似于上面在图3的讨论中所讨论的方法60。在烧结过程期间，可以形成绝缘环的碳键以建立绝缘的pcd材料。

一旦方框286的烧结过程完成，罐280和281就可以被溶解(方框287)。在溶解罐280和281时，可以移除绝缘环的中心孔内的材料。因此，由绝缘pcd材料制成的绝缘环可以保留。为了提供与pcd电极54或钻铤112的其他部件的适当配合，可以在溶解罐280和281时将绝缘环研磨成最终形状(方框288)。以这种方式，可以移除由烧结过程引起的任何缺陷。

现在转向pcd电极54的操作，图41是用于用pcd电极54确定地质地层的地层电阻率的方法290。最初，可以经由至少一个pcd电极54将交流电注入到地质地层12中(方框292)。发射环形变压器126可以在pcd电极54上产生电压降。pcd电极54上的电压降可以产生由于pcd电极54与地质地层12接触而注入到地质地层12中的电流。另外，在obm环境中，交流电流的频率可以在大约100khz到100mhz的范围内。此外，在wbm环境中，交流电流的频率可以在大约1khz至100mhz的范围内。

随后，测量环形变压器128可以测量注入到地质地层12中的电流(方框294)。电流可以在pcd电极54处进入地质地层12，并且通过钻铤112和地质地层12之间的另一接触点返回到钻铤112。此外，在返回到钻铤112时，电流可以朝向pcd电极54向回行进，其可以包括用于测量返回电流的测量环形变压器128。测量环形变压器128也可定位在安装在钻铤112、稳定器114、镦粗部116或钻头20的一部分上的另一pcd电极54周围。另外，测量环形变压器128也可直接测量电流注入到地质地层12中。

接下来，可以分析所测量的电流以确定地质地层12的地层电阻(方框296)。通过已知的pcd电极54上的电压降的值和已知的返回电流的值，可以计算与地质地层12接触的pcd电极54的复阻抗。从复阻抗可以确定地层电阻率。复阻抗可以包括obm造成的影响。这样的确定可以通过上面讨论的数据处理系统44来完成。

在确定地层电阻之后，可以从地层电阻的值计算地层电阻率(方框298)。几何因子可以将地层电阻与地层电阻率相关联。另外，几何因子可以是已知的常数。此外，地层电阻率计算也可以通过数据处理系统44来完成。

由方法290生成的地层电阻率对于确定地质地层12的特性会是有益的。例如，地层电阻率可以指示地质地层12的矿物成分的特性。此外，使用当前说明书中描述的技术，地层电阻率可以在钻井操作期间在绝缘obm的存在下确定，同时抵抗pcd电极54的磨损。

基于上述构思的lwd工具38的变型也可以是可用的。例如，图42描绘了具有被动聚焦方案的lwd工具38的侧视图。发射环形变压器126可安装在钻铤周围而不是pcd电极54周围。发射环形变压器126可在钻铤112上产生电压降，其可刺激电流300流入地质地层12。存在至少一个pcd电极54d，其具有安装在pcd电极54d周围的测量环形变压器128。另外，pcd电极54d可以类似于图13中所描绘的pcd电极54d。另外，由于稳定器114的至少一个叶片可以基本连续地与地质地层12接触，因此当前返回位置可以简单地由稳定器114的叶片构成。

镦粗部116可以与pcd电极54d具有相同的电压，并且可以用作防护电极。与当所述当前返回位置(例如，稳定器114)靠近pcd电极54d时相比，该配置可以将来自pcd电极54d的电流300更深地聚焦到地层中。在所示实施例中，由于在钻铤112上产生的电压降，电流返回到发射环形变压器126的另一侧。此外，该配置的移动部分限于pcd电极54d。

图43描绘了图42的配置的变型的侧视图，其中铰接垫302替代固定镦粗部116。压力启动的柱塞可将铰接垫302推靠在井眼26的壁上。铰接垫302的操作可基本上类似于以上关于图14a和14b所述的返回电极144的操作。另外，铰接垫302可以围绕两个或更多个pcd电极54d。多个pcd电极54d可以被时分多路复用或以不同的频率工作，以最小化串扰的发生。

在lwd工具38的另一个变型中，图44是具有带聚焦特征的成像系统的lwd工具38的横截面视图。钻铤112可以具有三叶片稳定器114。两个稳定器叶片可以是固定的，而第三稳定器叶片可以包括铰接垫302和pcd电极54。pcd电极54可以穿过铰接垫中的窗口304。钻铤112包括允许钻井流体23流动的内孔306。内孔306可以是偏心的以能使用于pcd电极54的长的行程。

pcd电极54可具有发射环形变压器126和测量环形变压器128。当lwd工具38旋转时，pcd电极54可生成井眼26的图像。此外，钻铤112的壁上的压降可以提供将pcd电极54压靠在井眼26的壁上的力。

另外，铰接垫302可以通过保持与pcd电极54相同的电压而作为聚焦电极工作。保持相同的电压可以迫使来自pcd电极54的电流更深入到地质地层12中。铰接垫302可以由可向铰接垫302提供机械力和电压的垫可移动电极308驱动。此外，垫可移动电极308还可具有驱动环形线310。驱动环形线310可使得铰接垫302能够保持与pcd电极54相同的电压水平。发射环形变压器126和驱动环形线310可以具有相同的匝数，但是驱动环形线310可以具有更大的磁芯，并且可以使用较大规格导线来提供较高的电流水平以补偿比pcd电极54更大尺寸的铰接垫302。垫可移动电极308可以推动由导电的耐磨材料(例如未浸出的pcd)制成的接触垫312。

现在参考图45，推球313可以用于图44的配置中以向铰接垫302提供有效的力施加。钻铤112的壁上的压降可以施加到推球上。推球313和/或保持推球313的孔314可以是绝缘的，使得推球313和/或孔314不会使铰接的球杆302与钻铤112短路。因此，推球313和孔314可以由浸出pcd或本质绝缘pcd制成。

此外，图46是铰接垫302和耦合到铰接垫302的铰链146的横截面视图。铰链146可以是绝缘的以避免铰接垫302与钻铤112短路。因此，铰链146可以在铰链146的两端通过绝缘插镶片316耦合到钻铤112。插镶片316的一端可以具有球形腔，而另一端可以具有卵形狭槽。这样的配置可以允许铰链146的轴线从与lwd工具38的轴线平行偏离，这可以使铰接垫302与井眼26的壁之间的接触增加。即使当井眼26不是柱形时，或者当lwd工具38不平行于井眼26的轴线时，附加的自由度可以使铰接垫302接触地质地层。

借助于示例，图47a和47b是图42-45中描述的示出在井眼26内的lwd工具38的顶视横截面视图。图47a描绘了当在与稳定器114的直径相似的直径的井眼26中操作时pcd电极54和铰接垫302的位置的顶视图。此外，图47b描绘了当在具有1英寸超径规井的井眼26中操作时pcd电极54和铰接垫302的位置的顶视图。在两种情况下，pcd电极54接触井眼26的壁，而铰接垫302不会在井眼26中与1英寸超径规井接触。

使用上述技术的lwd工具38的另一变型在图48a和48b中进行了描绘。图48a是铰接的pcd电极318的横截面视图。铰接的pcd电极318在铰链320上枢转，而不是在直线轨迹上进出。井眼26的直径可以是8.5英寸，并且铰接的pcd电极318可以与稳定器114齐平。另外，测量环形变压器128可以放置在铰链320和铰接的pcd电极318的接触面322之间。在obm中，电流可以流入地质地层12中，而不是直接通过obm流入钻铤112中。此外，图48b是井眼26的超径规井中的铰接的pcd电极318的横截面视图。铰接的pcd电极318可以延伸以在井眼26的超径规井中接触。铰接的pcd电极318可以通过液压力或通过弹簧机构向外压靠井眼26的壁。

对于以上讨论的任何实施例，可能期望确定pcd电极54或铰接的pcd电极318的径向延伸。相应地，图49是具有用于检测径向延伸323的装置的钻铤112内的pcd电极54的横截面视图。为了合适的测量，可以将电极压靠在地层上。pcd电极54的径向延伸323的测量可以用作高分辨率卡尺。因此，可以通过安装在钻铤112上的霍尔效应传感器324和安装在pcd电极54上的永磁体326来测量径向延伸323。霍尔效应传感器324的输出可以在永磁体326和霍尔效应传感器324之间的距离减小时而增加。

用于测量径向延伸323的另一种方法包括使用pcd电极54的室的底部附近的导线环328的电感。低频电流可以施加到导线环328，其可以产生局部磁场。因为pcd电极54包含在碳化钨和/或pcd材料中的钴，所以pcd电极的附近可影响导线环328的电感。

通过分析pcd电极54的径向延伸323对施加到pcd电极54的推力，可以从地质地层12推导出与岩石力学相关的特征。在硬地层中，径向延伸323可以是小的，而在软岩石中，径向延伸323可以更大。这可以能使确定岩石强度特性(应力)以及用于井眼26的稳定性的裕度。

图50描绘了钻头340。钻头340可以包括：碳化钨基质主体342，其包括pdc切割器218；钢锁定环344；和一双api销346。为了提供更多的细节，图51是钻头340的截面视图。钨碳化物基质主体342的顶部可以具有键348，其配合到锁定环344中的匹配槽中。锁定环344被放置在碳化钨基质主体342中，并且双api销346被拧入基质主体中。双api销346可以包括阳螺纹350，并且碳化钨基质主体342可以包括接收阳螺纹350的阴螺纹352。因此，双api销346和wc基质主体342可以被扭转到适当的水平。随后，锁定环344和双api销346可以焊接在一起，以防止锁定环344和双api销346松开。

此外，图52是钻头340的截面视图，其适于接收安装在径规垫222中的有线pcd传感器232。基质主体342可以被加长以适应将有线pcd传感器232与通信电路354耦合。通信电路354可包括用于阻抗测量的射频(rf)电子装置。因此，有线pcd传感器232可将rf信号发射到地质地层12中并测量地质地层12的阻抗。

压力壳体356可以包含执行阻抗测量的通信电路354。通信电路354还可以提供方位位置功能、钻井机械功能、电力功能、存储功能和遥测功能。数据可以在有线pcd传感器232处被采集，并且数据可以被存储在通信电路354的存储器中和/或被传送到mwd工具36。压力壳体的下端可以包含o形环358，并且下端可以装配到基质主体342中的圆形孔360中。o形环358在压力壳体356和基质主体342之间形成压力密封。第二压力隔壁362也可以结合在压力壳体356内。在o形环358下面，在压力壳体356中可以有开口364以接受来自有线pcd传感器232的导线240。压力壳体356可以键合到基质主体342上，使得压力壳体356的开口364与来自有线pcd传感器232的导线240对准。

此外，压力壳体356可机械地锁定到钻头340中。压力壳体356中的插座366可完成通信电路354到导线240的耦合。通信电路354到有线pcd传感器232的耦合可以与基质主体342和充当外部导体的压力壳体356是同轴的。此外，有线pcd传感器232被插入径规垫222中的孔中。防旋转销246或横向螺栓252(未示出)可以将传感器锁定在适当的位置，如前面在关于图30的讨论中所描述的。另外，尽管图52描绘了图30和31的有线pcd电极，但是可以构想到将有线pcd电极232的任何配置与钻头340一起使用。此外，还可以构想到，任何其他类型的钻头20可以与有线pcd电极232一起使用。

已经通过示例的方式示出了上述特定实施例，并且应该理解的是，这些实施例可以容许各种修改和替代形式。应该进一步理解的是，权利要求不旨在限于公开的特定形式，而是涵盖落入本公开的精神和范围内的修改、等同物和替代方案。