钻柄上具有负载传感器的钻头优先权声明
本申请要求于2013年3月4日申请的、名称为“DrillBitWithaLoad
SensorontheBitShank”的美国专利申请序列号13/784,116的申请日的
优先权。
技术领域
本发明总体上涉及在钻头中包括钻压和扭矩传感器的钻头以及使用
这种钻头用于钻井的设备和方法。
背景技术
使用钻柱来钻出油井(井孔)，所述钻柱包括管状构件，所述管状构
件具有钻进组件(也称作底部钻具组合或“BHA”)。钻头连接到BHA
的底部。通过使所述钻柱旋转或者通过BHA中的电机来使所述钻头旋转
以使地层碎裂，从而钻出井孔。BHA包括用于提供关于与钻进操作、BHA
的行为(也称作“BHA参数”)和被钻进的井孔周围的地层(也称作“地
层参数”)有关的多个参数的信息的装置和传感器。在钻头中也安装传感
器来提供关于多个参数的信息。已经提出了在钻头中安装钻压和扭矩传
感器。然而，这些传感器一般安装成这些传感器基于施加在钻头上的间
接力来提供信号。
本发明这里提供了一种钻头，其包括负载传感器，该负载传感器响
应于施加在这些传感器上的直接力提供信号。这里使用的术语“力”包
括钻头上的重量、扭矩和压力。
发明内容
在一个方面中，在一个实施方式中披露的钻头可以包括：具有切削
部的钻头本体、连接到切削部的钻柄以及颈部；与钻柄表面接触的感测
元件；以及在感测元件上的至少一个传感器，其中所述至少一个传感器
响应于感测元件的弯矩和该感测元件上的钻压中的一个提供信号。
在另一个方面中，在一个实施方式中披露了的一种提供钻头的方法
可以包括：提供钻头，所述钻头具有钻头本体，所述钻头本体具有切削
部和连接到所述切削部的钻柄部；在所述钻柄的外表面上成型一腔体；
以及将传感器组件牢固地放置在所述腔体中，其中所述传感器组件包括
感测元件和安装在所述感测元件上的至少一个传感器，所述传感器提供
与用于确定钻头上扭矩的所述感测元件的弯矩相对应的信号。
相当概括地总结了这里所披露的设备和方法的某些特征的示例以便
于可以更好地理解其下面的详细描述。当然，存在下文中披露的该设备
和方法的另外的特征，这些特征将会构成所附权利要求的主题。
附图说明
为了详细理解本发明，结合附图参照下面的详细描述，其中类似的
元件总体上标注了类似的数字，其中：
图1是配置成使用根据本发明的一个实施方式制造的钻头的示例性
钻进系统的示意图；
图2是结合有根据本发明的一个实施方式制造的一个或多个负载传
感器的示例性钻头的轴测图；
图3是示出了根据本发明的一个实施方式的示例性钻头的钻柄中的
一个或多个预加载传感器的布置的轴测图；
图4示出了连接到根据本发明的一个实施方式的钻头的钻柄的负载
传感器和压力传感器；
图5示出了用于确定钻压和扭矩的布置在电桥上的传感器，所述电
桥可以以不同配置放置在图4中示出的感测元件上；以及
图6示出了钻柄上的、配置成提供钻压和扭矩测量结果的传感器组
件。
具体实施方式
图1是可以使用这里所披露的钻头以用于钻进井孔的示例性钻进系
统100的示意图。图1示出了井孔110，其包括上部111和下部114，所
述上部111具有安装其中的套管112，所述下部114正在被钻柱118钻进。
所述钻柱118包括管状构件116，所述管状构件116在其底端携带有底部
钻具组合(BHA)130。所述管状构件116可以通过将钻管段连接或者
通过连续油管构成。钻头150连接到BHA130的底端以用于将岩层碎裂，
以在地层102中钻出具有选定直径的井孔110。这里使用的术语井孔和钻
孔是同义词。
示出的钻柱118被从地表167处的钻架180输送到井孔110中。为
了便于解释，图1中示出的示例性钻架180是陆上钻架。这里所披露的
设备和方法还可以与海上钻架一起使用。可以使用连接到钻柱118的转
盘169和上驱动器169a来在地表处使钻柱118旋转以使钻进组件130旋
转，从而使钻头150旋转以钻出井孔110。还可以在钻进组件中设置钻进
电机155(也称作“井下动力钻具”)以使钻头150旋转。可以是基于计
算机的单元的控制单元(或控制器或地表控制器)190可以放置在地表
167处以用于接收和处理由钻头150中的传感器和钻进组件130中的其他
传感器传递的数据并且用于控制钻进组件130中各个装置和传感器的选
定的操作。在一个实施方式中，地表控制器190可以包括处理器192、用
于存储数据的数据存储装置(或计算机可读介质)194以及处理器192
可访问的计算机程序196以用于执行包含在这些程序中的指令。所述数
据存储装置194可以是任何合适的装置，包括但不局限于只读存储器
(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁带、硬盘和光盘。为了
钻进井孔110，在压力下将钻进流体179泵送到管状构件116中。所述钻
进流体179在钻头150的底部排出并且经由钻柱118与井孔110的内壁
110a之间的环形空间119(也称作“环空”)返回到地表。
继续参见图1，所述钻头150包括用于估测正如参照图2-4更详细描
述的钻头150的一个或多个参数或特征的一个或多个负载传感器160和
相关的电路165。所述钻进组件130还可以包括一个或多个井孔传感器，
它们称作随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)传感器，它们共同由
数字175表示。所述钻进组件130还包括控制单元(或控制器)170，该
控制器170用于处理从钻头150与MWD和LWD传感器175接收到的
数据。所述控制器170可以包括诸如微处理器之类的处理器172、数据存
储装置174和程序176，所述处理器使用所述程序来处理井下数据并经由
双向遥感单元188与地表控制器190传递这些数据和其他数据。所述数
据存储装置174可以是任何合适的存储装置，包括但不局限于只读存储
器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存和磁盘。
图2示出了示例性钻头150的轴测图，该钻头150包括传感器组件
240，该传感器组件240包括至少一个根据本发明的一个实施方式的负载
传感器。所述钻头150包括钻头本体212，该钻头本体212包括钻头牙轮
212a、钻柄212b和颈部212c。钻头牙轮212a包括许多刀片轮廓件(或
轮廓件)214a，214b，…，214n。许多切削齿沿着每个轮廓件放置。例
如，示出了轮廓件214a包含切削齿216a-216m。示出的所有轮廓件终止
于钻头215的底部。每个切削齿具有切削表面或切削元件，比如切削齿
216a的元件216a’，当在钻进井孔(比如井孔110(图1))过程中钻头
150转动时所述切削表面接合岩层。每个切削齿216a-216m具有后倾角
和侧前角，它们共同限定了钻头的侵彻性和由这些切削齿形成的切削深
度。在一个方面中，所述传感器组件240包括一个或多个传感器244，所
述传感器244配置成在井孔钻进过程中提供钻压(“WOB”)和钻头扭矩
(“TOB”)的测量结果。诸如压力传感器之类的其他传感器可以包括在
所述传感器组件240中。此外，所述钻头150还可以包括用于检测振动、
摆动、弯曲、粘滑、涡旋等的传感器。在一个方面中，所述负载传感器
242连接到钻头150的钻柄212c，正如参照图4更详细描述的。可以使
用传导装置242将信号从传感器组件240传递到钻头本体中的电路250，
该电路可以配置成处理所述传感器信号。在一个方面中，所述电路250
可以放置在所述颈部212c中。在一个方面中，所述电路250可以包括将
来自于传感器244的信号放大并数字化的电路。所述电路250还可以包
括处理器，该处理器配置成根据该处理器可访问的程序化指令处理传感
器信号。可以将所述传感器信号发送到钻进组件中的控制单元170以用
于处理。所述电路250、控制器170和控制器140可以经由任何合适的数
据通讯方法彼此通讯。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的钻柄212b的某些细节。所
述钻柄212b包括通孔310以及围绕所述孔310的一个或多个圆形段(比
如颈段312、中间段314和下段316)，所述孔310用于将钻进流体供应
到钻头150的牙轮212a。所述钻柄的上端包括凹入区域318。所述颈部
312上的螺纹319将所述钻头150连接到所述钻进组件130(图1)。在一
个方面中，所述传感器组件240可以放置在所述柄部212b的所述段314
中的腔体或凹入部338中。传导装置242可以从传感器244和任何其他
传感器，比如压力传感器，延伸到所述凹入部318中的电路250。所述电
路250可以通过从所述电路250延伸到控制器170的传导装置或者经由
在钻头150与钻进组件130(图1)之间的短传声波传输方法连接到井孔
控制器170(图1)。在一个方面中，所述电路250可以包括将来自于传
感器244的信号放大的放大器以及将放大的信号数字化的模拟到数字
(A/D)转换器。在另一个方面中，可以在不需要提前放大的情况下将所
述传感器信号数字化。所述传感器组件240可以容纳钻压传感器332和
扭矩传感器334。钻压和扭矩传感器还可以单独封装并且放置在钻头150
中任何合适的位置上。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的包含传感器组件440的钻
柄部400的一段410的轴测图。在图4中示出的特定结构中，传感器组
件440放置在成型于钻柄段410中的腔体411中。所述腔体411内的外
腔420提供了传感器组件440的入口。在将传感器440放置在腔体411
上之后可以通过螺钉426a-426d将与所述外腔420一致的盖425放置在
腔体411上以将所述腔体411密封。所述传感器组件440包括：第一感
测元件或构件442，其具有竖直段442a、上斜端442b和下斜端442c；第
二感测元件444，其具有竖直段444a、上斜端444b和下斜端444c。所述
感测元件442和444可以由任何合适的材料制成，比如金属、合金或含
金属材料。当施加力时所述感测元件442和444可以弯曲。可以将诸如
应变计之类的一个或多个传感器连接在所述感测元件442和444上的一
个或多个合适的位置上。在感测元件442的特定结构中，靠近竖直段442a
上下端设置凹口443a和443b以连接诸如应变计447a和447b之类的传
感器。类似地，所述感测元件444包括用于连接传感器449a和449b的
凹口446a和446b。这些传感器还可以连接到竖直段442a和444a上的
其他位置，比如连接到这些段的中间部中。
可以在所述感测元件上使用任何合适的传感器用于测量钻压和扭
矩，包括但不局限于应变计。图5示出了可以用在传感器组件440中的
布置在惠斯通电桥500中的传感器(应变计)。示出的惠斯通电桥500包
括：彼此交叉的传感器502和504与传感器504和506，从而形成电桥。
示出了在传感器502与508之间的交叉点510a和传感器504与506之间
的交叉点510b上提供输入电压Vin。通过传感器502和506之间的交叉
点512a与传感器504和508之间的交叉点512b之间的传感器500提供
输出电压Vout。在钻柄在640所示出的方向上的压缩负载或扭转负载下
的情况下，传感器502和504被压缩同时传感器506和508用于正如在
WOB情况下温度补偿或者在TOB情况下伸长。每个这样的传感器可以
通过任何合适的连接机构连接到其相应的感测元件。每个这样的传感器
可以利用金属丝或蚀刻元件或本领域中公知的另外的方法制造。
回来参见图4，下面描述一种将传感器元件442和444放置在钻柄段
410中的方法。在一种结构中，可以在钻柄段410中成型竖直腔体450a
以便于传感器元件442的竖直段442a可以容纳或至少部分地放置在竖直
腔体450a内部，而感测元件442的上端442b和下端442c保持在竖直腔
体450a的外部。类似地，竖直腔体450b可以成型在钻柄段410中以便
于感测元件444的竖直段444a容纳或至少部分地放置在竖直腔体450b
的内部，而感测元件444的上端444b和下端444c保持在竖直腔体450b
的外部。在钻柄段410中成型上水平腔体452a和下水平腔体452b以分
别容纳机构453和455来将感测元件442和410保持就位。在一个实施
方式中，机构453是长度可变的装置，其可以包括分别倚靠感测元件442
和444的上端442b和444b放置的安装块454a和454b，如图4中所示。
机构453还可以包括在构件457b和457c上的转轮457a。构件457b和
457c的端部包括相反的螺纹，其在安装块454a和454b中相容的螺纹中
移动以便于当所述转轮457a在第一方向(例如顺时针)上转动时，块454a
和454b彼此远离移动，当所述转轮457a在第二方向(逆时针)上转动
时，安装块454a和454b彼此靠近移动。类似地，腔体452b中的机构
455可以包括分别倚靠感测元件442和444的下端442c和444c放置的安
装块458a和458b，如图4中所示。这些装置455可以放置在腔体452b
中以使安装块458a和458b将所述下端442c和444c保持就位。长度可
变的装置455可以在构件459b和459c上包括转轮459a。构件459b和
459c的端部包括相反的螺纹，其在安装块458a和458b中相容的螺纹中
移动以便于当所述转轮459a在第一方向(例如顺时针)上转动时，块458a
和458b彼此远离移动，当所述转轮459a在第二方向(逆时针)上转动
时，安装块458a和458b彼此靠近移动。为了将传感器元件442和444
放置在钻柄段410中，这些构件放置在它们各自的腔体中。所述长度可
变的构件453放置在腔体452a中，使所述转轮457a转动以将安装块454a
倚靠感测元件442的上端442b放置并且将安装块454b倚靠感测元件444
的上端444b放置。类似地，所述长度可变的构件455放置在腔体452b
中，使所述转轮459a转动以将安装块458a倚靠感测元件442的下端442c
放置并且将安装块458b倚靠感测元件444的下端444c放置。然后将帽
425固定放置在钻柄段410中，从而将传感器组件440固定在钻柄中的腔
体内部并且将传感器组件440与外部环境密封。这里所述的安装机构是
可以用于将感测元件442和444放置在钻柄中的多个机构中的一个。例
如，可以将感测元件结合在一起，比如通过将传感器元件的端部熔接或
焊接到所述钻柄。可以使用任何其他的机构或方法将传感器元件放置在
钻柄中。在所述钻柄上靠近传感器组件440的位置设置连通通道470以
使传导装置从传感器组件440中的各个传感器延伸到钻头中的电路250
(图3)。可以将诸如温度或压力传感器475之类的另外的传感器直接放
置在钻柄中或放置在盖425中。可以使用温度和压力测量结果执行对应
变计的温度和压力补偿，比如应变计447a，447b，449a和449b。在一
个方面中，当在地表处将传感器组件安装在钻头中时由盖425提供的密
封可以将传感器组件440保持在环境压力下。
在操作中，当使钻头转动来钻进井孔时，诸如447a，447b，449a和
449b之类的传感器监视感测元件中的应变变化，这可以与钻压(WOB)
和钻头扭矩(TOB)相关。处理器170和/或190从这些信号确定钻压和
扭矩。操作人员或处理器可以响应于确定的钻头上的钻压和扭矩改变钻
进参数或者采取与钻进井孔相关的另一个动作。
图6示出了钻柄段610上的传感器组件601的实施方式，其配置成
提供与施加在钻头上的力相对应的钻压和扭矩的测量结果。所述传感器
组件601包括在上端622a和下端624处固定在钻柄610中的第一感测元
件620。为了确定重量或者说钻压，在一种结构中，传感器502和504
可以沿着感测元件520的纵向轴线方向520a连接到所述感测元件520。
传感器506和508可以垂直于感测元件520的轴线520a放置以提供测量
结果用于温度补偿。在图6的特定实施方式中，示出的传感器502，504，
506和508位于感测元件520的中部。然而，这些传感器可以放置在任何
合适的位置上。当钻头从而也使钻柄610承受钻压时，比如在井孔钻进
期间的钻压，传感器元件520从而也使传感器502和504承受这种钻压。
每个这样的传感器提供与钻压对应的信号，从中确定钻压。与感测元件
520的轴线520a垂直的传感器506和508不承受任何显著的钻压，从而
不提供信号输出或者提供相对小的信号输出。然而，传感器506和508
承受与传感器502和504相同的温度，可以使用它们的输出用于适合于
钻压测量结果的温度补偿。
继续参见图6，为了使用感测元件630上的弯矩确定钻头扭矩，在一
种结构中，可以将传感器502和506沿着感测元件630的轴线630a放置
在第一位置上，比如靠近上端632，并且将传感器504和508沿着所述轴
线630a放置在与所述第一位置间隔开的第二位置上，比如靠近下端634。
当钻柄段610例如顺时针转动时，所述上端632将易于顺时针移动并且
所述下端634逆时针移动，从而使感测元件630弯曲。由钻头扭矩(TOB)
在感测元件630上造成的弯矩改变了传感器502，504，506和508的电
阻，它们产生信号，从中可以确定钻头扭矩。可以使用电路250(图3)
中的处理器、处理器170和/或处理器190(图1)从分别由感测元件620
和630的传感器提供的信号计算钻压和钻头扭矩。
上面的描述涉及为了图示和解释目的的某些实施方式。然而，对于
本领域技术人员显而易见的是可以对上面所述的实施方式做出许多修改
和变化而不脱离这里所披露的概念和实施方式的范围和精髓。因此下面
的权利要求旨在解释为包含所有这些修改和变化。