具有附接的刀具的仪表化旋转工具的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]有许多用于在地下钻孔内创建、延伸、加大或进行其它工作的旋转切削工具，所述地下钻孔可以是在油气勘探和生产过程中钻探的钻孔。钻头是这样的工具的一个例子。其它包括用于维持或加大钻孔的直径的铰刀(reamer)以及用来移除已置于钻孔中的材料的铣刀(mill)。这样的工具通常具有用于切削元件的支撑结构以及固定到支撑结构的分离的由硬质材料制成的刀具。在一些工具中，刀具由诸如碳化钨、或碳化钨和其它一种或多种材料的混合物的硬质材料形成。在一些工具中，刀具包括多晶金刚石复合片(compact)，其可以被支撑在诸如碳化钨的其它硬质材料的本体上。这种具有多晶金刚石的刀具通常被称为PDC刀具。当工具具有由硬质材料制成的分离的刀具(有或没有多晶金刚石)时，这些刀具通常是单独制造的，并在后来附接到支撑结构。这可通过钎焊来完成。
[0002]在切削工具的使用过程中，它的刀具经受损耗(wear)，这可是通过磨损导致的损耗，虽然碎裂(chipping)和破损(breakage)也可发生。使经损耗的工具从钻孔松脱是费时的，因而是昂贵的。因此，在损耗量使得有必要这样做之前使工具从钻孔松脱对资源的大大浪费。有用于从地面或井下参数估计钻头损耗的方案，这些参数例如是穿透速度、转矩、旋转速度和工具压。一种这样的用于预测损耗的方案来自Detournay等人的工作“Drilling response of drag bits:theory and experiment，，，Internat1nal Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences vol 45 ppl347_1360 (2008)，另一种方案来自Rashidi等人的“Real Time Drill Bit Wear Predict1n by Combining Rock Energy andDrilling Strength Concepts，，，Society of Petroleum Engineers paper SPE 117109。
[0003]诸如钻头的切削工具可结合各种类型的传感器。钻头使用时从这样的传感器采集的信息被存储在容纳于切削工具自身内的电子存储器中，或者可以被传送到地面。US7168506示出了设置有多个传感器的钻头。这篇文献中提到了包括损耗传感器的若干种传感器。US8006781公开了一种钻头，其中，旨在用于检测损耗的传感器可以被构造成，在无损时承载电信号电流，而因损耗而损坏，从而可以通过电路停止承载信号电流而揭示损耗。在US8006781中，用于检测损耗的布线在硬质刀具下方的钻头本体内延伸。
【发明内容】
[0004]本概述被提供以介绍挑选出来在下面进一步描述的概念。本概述不是用于辅助限制所要求保护的主题的范围。
[0005]本文公开了一种旋转切削工具，在地下钻孔中使用，并包括支撑结构和固定(secure)到支撑结构的多个刀具(cutter)。刀具从支撑结构朝向要被工具切削的材料凸出。该工具具有位于从支撑结构突出的元件内的感测点处或联接到所述感测点的电操作感测装置(sensing means)，其中，定位所述感测点使得至少一个刀具到预定的部分损耗状态的磨损使感测点暴露于正在被工具切削的材料，从而产生感测点处的状况的变化。感测装置操作为用于检测感测点处的变化，并且该工具包括将数据从感测装置传送到地面的装置。
[0006]包含感测点的从支撑结构突出的元件可以是刀具中的一个。随着刀具通过磨损或可能地通过经由正在被切削的材料的碎裂或破损而被耗损掉，来自刀具的材料磨损最终到达感测点并使感测点暴露于正在被切削的材料。
[0007]另一种可能性是，突出元件本身不是刀具，而是从支撑结构朝向要被工具切削的材料凸出(类似刀具那样)的分离的(separate)突出部，但其尺寸确定为在由工具的至少一个刀具切出的孔内行进(travel)，以便受到保护而不与要被工具切削的材料发生磨损接触，直到所述至少一个刀具的磨耗使其尺寸减小并使突出部与要被工具切削的材料发生磨损接触。刀具的磨损将随着工具的使用而继续，并在刀具被损耗(虽然只是部分地磨损)时，将伴随着突出部的磨损，直到达到预定点，并且感测点暴露于被切削的材料。这产生了感测点处的可检测到的变化。与刀具分开的突出部可以与刀具直接相邻，或者可与最初保护突出部使其不与要切削的材料接触的一个刀具或多个刀具隔开。
[0008]虽然这里公开的概念可以用单一感测点实现，但一些实施例具有在从支撑结构突出的多个突出部中的多个感测点。多个突出部可以分布在旋转切削工具的切削表面上，从而可在多个点处监测磨损。一个以上的感测点设置在单个突出部中也是可能的，这样布置使得在一定量的磨损后暴露一个感测点，随后在一个或多个刀具发生更大磨损量之后暴露另一个感测点。
[0009]电子操作感测装置可以采取许多形式，并且可以包括位于感测点处的由位于其它地方的电路操作的传感器。在一些实施方式中，感测装置可以包括信号载线，其可以是电导体或光纤以承载沿着通向感测点的限定路径的电流或光信号。一条或多条信号载线可以通向感测点处的传感器，或者其本身可以构成用于感测感测点处状况的传感器的至少一部分。这样的信号载线可提供一种牺牲性的传感器，当感测点通过磨耗而变得暴露时，该传感器通过与正在被切削的材料接触而断裂或损坏，然后停止像它以前那样运行。
[0010]应当理解的是，这样的布置通过给出否定结果而检测感测点处的变化。传感器将起作用并能够给出正读数或值(例如在通过软件询问时)，直到感测点暴露并且信号载线断裂或损坏使得它停止运行，这是负读数或值。一条或多条信号载线可以连接到突出部内用于物理性质例如温度的传感器，以便当在感测点暴露前传感器完好无损时实现对该性质的测量。
[0011]感测装置可包括沿着一条或多条线路发送信号的电子电路，所述一条或多条线路通向感测点并来自感测点，或者构成感测点处的传感器的至少一部分。如果信号载线是光纤，则电子电路可包括光源和光检测器。
[0012]又一种可能性是，感测装置可以包括在工具内延伸到感测点的空腔，并且感测装置可以操作以检测在感测点暴露时流入该空腔的不透明的钻井流体。在这样的布置中，空腔用作感测点与用于检测进入空腔的流体的传感器之间的信号通道。
[0013]旋转切削工具可出现在若干种类的任一种内。一种是钻头，其主要(如果不是排他地)用于穿过地下岩层钻孔。这一类包括标准钻头、取芯钻头、偏心钻头和双中心钻头，所有这些都可以构造有附接到作为钻头主体的固定支撑结构的单独的刀具。钻头还可以在相对于钻头主体移动的支撑结构上具有刀具，例如牙轮钻头的情况。
[0014]构成刀具的支撑结构的钻头本体可以由钢制成，或者可以由诸如由金属粘合剂渗透的碳化妈粒子的基体的硬质材料制成。
[0015]切削工具的另一种类是用于维持或扩大钻孔的一部分的直径的铰刀和扩孔器(under-re