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1、10申请公布号CN103348086A43申请公布日20131009CN103348086ACN103348086A21申请号201180064216922申请日2011111661/418,21720101130US13/296,90520111115USE21B10/5420060171申请人贝克休斯公司地址美国得克萨斯申请人六号元素有限公司72发明人DE斯科特AA迪吉奥凡尼CJH沃特74专利代理机构中国国际贸易促进委员会专利商标事务所11038代理人赵培训54发明名称带有用于采集与地钻钻井工具相关的信息的金刚石传感器的刀具57摘要公开了一些方法及相关工具和元件，这些方法及相关工具和元件涉。
2、及产生和获取钻探地层操作期间的性能数据。性能数据可包括钻井操作期间与地钻钻井工具相关的热力和机械信息。例如，地钻钻井工具的刀具可包括基底，切削元件布置在该基底上。刀具还可包括至少一个金刚石传感器和传导通道，该传感器与切削表面结合，传导通道与所述至少一个金刚石传感器可操作地连接。该至少一个金刚石传感器可被构造成，响应于外加激励产生压电信号。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2013070586PCT申请的申请数据PCT/US2011/0610242011111687PCT申请的公布数据WO2012/074755EN2012060751INTCL权利要求书1页说明书4页附图3页19中华人民。
3、共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图3页10申请公布号CN103348086ACN103348086A1/1页21一种用于地钻钻井工具的刀具，该刀具包括切削元件；以及，至少局部地嵌入切削元件中的至少一个金刚石晶体，该至少一个金刚石晶体被构造为，当切削元件正在钻孔时产生压电信号。2根据权利要求1的刀具，还包括数据采集模块，该数据采集模块被构造为接收来自于所述至少一个金刚石晶体的压电信号。3根据权利要求1的刀具，其中，所述至少一个金刚石晶体还包括单金刚石晶体。4根据权利要求1的刀具，其中，该至少一个金刚石晶体还包括多晶晶体。5根据权利要求1的刀具，其中，压电信号表示施加。
4、的压力。6根据权利要求1的刀具，其中，切削元件还包括传导通道，该传导通道与所述至少一个金刚石晶体保持通信。7根据权利要求1的刀具，其中，所述至少一个金刚石晶体还包括多个金刚石晶体。8根据权利要求1的刀具，其中，切削元件还包括至少多晶金刚石材料。9根据权利要求1的刀具，还包括基底，切削元件布置在该基底上。10一种用于形成切削元件的方法，该切削元件用于地钻钻井工具，该方法包括将至少一个金刚石晶体至少局部嵌入切削元件中，所述至少一个金刚石晶体被构造为，当切削元件正在钻孔时产生压电信号。11根据权利要求10的方法，还包括形成至少局部由多晶金刚石材料制成的切削元件。12根据权利要求11的方法，将所述至少。
5、一个金刚石晶体嵌入切削元件中之后，对切削元件进行高温/高压合成处理。13根据权利要求12的方法，在高温/高压合成处理之后，在切削元件上形成切削表面。14根据权利要求13的方法，所述至少一个金刚石晶体的至少一部分在所述切削表面上暴露。15一种用于测量地钻钻井工具的切削元件的属性的方法，该方法包括使用嵌入在切削元件中的金刚石晶体的压电响应确定切削元件的属性。16根据权利要求15的方法，其中，该属性包括压力。17根据权利要求15的方法，其中，当切削元件与地层接合时确定所述属性。权利要求书CN103348086A1/4页3带有用于采集与地钻钻井工具相关的信息的金刚石传感器的刀具技术领域0001本公开内。
6、容通常涉及用于采集信息的装置和方法，该信息与地钻钻头、连接到钻头上的刀具、以及钻探地下地层时使用的其他工具相关。背景技术0002在表征和评估钻头的耐久性、性能和潜在故障时，与钻头以及钻头的某些部件相关的信息是有用的。通常，在使用之后通过检验钻头可获取这种信息。本公开内容能满足如下需求在使用钻头期间可获取与钻头及相关部件的性能或特性相关的信息。发明内容0003在许多方面，本公开内容提供了一种用于地钻钻井工具的刀具。该刀具可包括切削元件以及至少一个局部嵌入该切削元件中的金刚石晶体。在切削元件正在钻孔时，该金刚石晶体可产生压电信号。0004在许多方面，本公开内容提供了一种用于形成刀具的方法，该刀具用。
7、于地钻钻井工具。该方法可包括，将至少一个金刚石晶体至少局部地嵌入切削元件中。在切削元件正在钻孔时，该金刚石晶体可产生压电信号。0005在许多方面，本公开内容提供了一种用于测定地钻钻井工具的刀具性能的方法。该方法可包括通过使用嵌入切削元件中的金刚石晶体的压电响应，测定切削元件的属性。0006本领域的普通技术人员结合附图思考下面的详细说明时，可明显看出本公开内容的这些特征、优点和替换方面。附图说明0007权利要求书具体提出和清楚请求本公开内容的保护范围，尽管本说明书以上述权利要求书结束，但是，结合附图理解下面公开的描述内容时，可更容易看出本公开内容的优点，附图如下0008图1示出了示例性地钻钻头的。
8、截面图；0009图2A根据公开的某实施例示出了刀具的等角图；0010图2B根据公开的某实施例示出了抛光之前的刀具的截面图；0011图2C根据公开的某实施例示出了抛光之后的刀具的截面图；以及，0012图3A和3B根据公开的另一实施例示出了具有数据通信系统的刀具。具体实施方式0013文中所示的视图并不是任何具体材料、装置、系统或方法的实际视图，仅是用来描述本公开内容的理想化视图。另外，图中的共同元件具有类似的数字标记。0014文中使用的术语“钻头”意为和包括在地层中形成或扩大井眼期间用于钻孔的任说明书CN103348086A2/4页4何类型钻头或工具，例如包括固定切削刃钻头、旋转钻头、冲击式钻头、。
9、取心钻头、偏心钻头、双心钻头、扩眼器、磨机、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头以及本领域公知的其他钻头和工具。0015文中使用的术语“多晶材料”意为和包括任何一种含有多个晶粒或晶体材料的材料，这些晶粒或晶体材料通过粒间的粘合力直接粘结在一起。材料各颗粒的晶体结构可随机地定位在多晶材料的空间内。0016文中使用的术语“聚晶复合片”意为和包括任何一种含有多晶物质的结构，通过将压力施加到（如，压紧）所用的前体材料的过程来形成所述多晶物质。0017图1示出了示例性地钻钻头100的截面图。地钻钻头100包括钻头体110。地钻钻头100的钻头体110可由钢形成。可供选择地，钻头体110可由颗粒基复合材料形成。。
10、0018地钻钻头100可包括多个连接到钻头体110的表面112上的刀具154。通常，固定切削刃钻头的刀具154为盘形或基本上为圆柱形。刀具154包括切削表面155，其位于刀具154的基本上为圆形的端面上。可通过在支撑基底上处理硬的超耐磨材料（如，在高压高温条件下被形成为金刚石台的相互结合的多晶金刚石颗粒）来形成刀具154。传统地，可在高压高温过程中将金刚石台形成在基底上，或在高压高温过程之后将金刚石台粘结到基底上。这类刀具154通常称之为多晶压块多晶复合片或“聚晶金刚石复合片”（PDC）刀具154。刀具154可沿刮刀150布置在凹座156内，凹座156形成在钻头体110的表面112中，支撑物1。
11、58可从后面支撑刀具，所述支撑物可与钻头体110的顶部114一体形成。刀具154可与钻头体110分开制造，然后固定在于钻头体110的外表面上形成的凹座156内。如果刀具154与钻头体110分开形成，可使用粘结材料（如，粘结剂、黄铜合金等）将刀具154固定到钻头体110上。0019钻头体110还可包括翼状部或刮刀150，各刮刀被排屑槽152分开。内部的流体通道（未示出）在钻头体110的表面112和纵向孔140之间伸展，所述纵向孔贯穿钢柄120并穿过钻头体110的局部部分。喷管插入物（未示出）也设置在钻头体110的表面112上，位于内部流体通道内。0020地钻钻头100可固定到钻柱（未示出）端部上。
12、，该钻柱包括管道和设备节段部分，这些节段部分端对端地连接在地钻钻头100和位于待被钻探的地层表面上的其他钻井设备之间。在一个实例中，可将钻头体110固定到带有螺纹连接部分125的钢柄120上，并使钢柄120与钻柱的螺纹连接部分接合，以这种方式可将地钻钻头100固定到钻柱上。这种螺纹连接部分的一个例子为美国石油协会（API）标准规定的螺纹连接部分。钻头体110还可包括顶部114和钢板坯116。钢板坯116局部嵌入顶部114中。顶部114可包括颗粒基复合材料，如，嵌入铜合金基材料中的碳化钨颗粒。钻头体110通过螺纹连接部分122和焊缝124固定到柄120上，所述焊缝沿钻头体110和钢柄120之间的。
13、交界面在钻头体的外表面上环绕钻头100延伸。也存在可将钻头体110固定到钢柄120上的其他方法。0021在某些实施例中，钻头100包括数据收集模块190。模块190可包括一些部件，如，模拟数字转换器、分析硬件/软件、显示器以及用于收集和/或解释数据的其他部件（用于收集和/或解释钻头100中的传感器产生的数据）。例如，一些包括这种处理模块的地钻钻头被称为“数据位”模块配置钻头，包括用于获取和处理与钻头和钻头体相关的数据的电子设备，例如，美国专利NO7,604,072中描述了这种电子设备，该美国专利于2008说明书CN103348086A3/4页5年10月20日被授予专利权、名称为“METHODA。
14、NDAPPARATUSFORCOLLECTINGDRILLBITPERFORMANCEDATA用于收集钻头运行性能数据的方法和装置”，该美国专利的全部公开内容组合在文中作为参考。0022钻井操作期间，钻头100定位在井孔底部，使刀具154靠近待被钻探的地层。回转台或顶驱等设备可用于使钻柱和钻头100在钻孔内旋转。可供选择地，钻头100的柄120可直接结合到井下马达的驱动轴上，该井下马达可用于使钻头100旋转。当钻头100旋转时，钻井液通过纵向孔140和内部流体通道（未示出）被泵送到钻头体110的表面112上。钻头100的旋转引起刀具154刮擦并剪切下伏地层的表面。岩屑与钻井液混合并悬浮在钻井液。
15、中，穿过排屑槽152、以及钻孔和钻柱之间的环形空间，到达地层表面。0023当刀具刮擦和剪切掉下伏地层的表面时，会产生大量热和机械应力。钻头100的部件（如，刀具154）可被构造成在操作期间获取与这些部件的特性、性能和/或环境状况有关的信息。例如，本公开内容的实施例可包括金刚石传感器，其嵌入地钻钻头100的一个或更多个刀具154中。根据金刚石传感器的压电响应，可获取与刀具154的性能相关的信息，如，热力和机械（如，应力和压力）数据。尽管以示例形式示出和描述刀具154，但是，本公开内容的实施例可包括位于钻头100内的其他部件，这些部件被构造成来获取与钻头100的金刚石传感器（其产生压电响应）相关的。
16、信息。0024图2AC示出了根据本公开内容的某实施例的刀具154。刀具154可包含在地钻钻头（如，类似于图1所示的地钻钻头）中。图2A以等角投影的方式示出了刀具154，该刀具包括一个或更多个传感器210AD，这些传感器嵌入形成在基底230上的切削元件220中。“嵌入”意为，传感器可定位在切削元件220中或其上。在某些实施例中，在加工（如，HPHT合成）和抛光刀具154之前，嵌入金刚石传感器210AD。在其他实施例中，在加工和抛光期间或之后嵌入金刚石传感器210AD。传感器210AD可由金刚石材料制成，因而可称之为金刚石传感器210AD。切削元件220可至少局部由多晶金刚石材料（如聚晶金刚石复合。
17、片PDC）制成。如后面所述，每个金刚石传感器210AD可与数据采集模块190（图1）保持数据通信。0025金刚石传感器210AD被构造成用于提供环境信息，如岩石切削过程中的温度和/或压力。金刚石传感器210AD可包括单晶金刚石或多晶金刚石。金刚石材料可以是天然的或合成的单晶金刚石材料。金刚石传感器210AD可被构造成响应于外加激励（如，机械应力、压力、温度等）产生压电信号。通常，压电信号可以是与外加激励（如，压力或温度）的关系已知的电压。金刚石传感器210AD可以三维地分布在切削元件220上，可以具有不均匀的尺寸、深度、纵横比和/或晶体取向。0026图2B局部地示出了抛光之前的刀具154。在高。
18、温/高压（HPHT）合成之前，金刚石传感器210AD可以嵌入在切削元件220中。高温/高压合成是一种公知的处理工艺，其中，核心反应晶格承受极端温度和压力以重复天然金刚石的形成过程。反应晶格可包括碳源以及可能的一些晶种。选择温度和压力以将碳源转变成金刚石结构。高温/高压合成期间，晶体金刚石（可以是单晶金刚石）可以基本上保持其所有的原始体积、可以被局部损耗使体积减小、可以在一个或更多个晶向上局部生长或体积增加。并且，高温/高压合成期间施加的力可以将单晶金刚石破裂成一个或更多个部分。这些部分可以以前述方式发生体积变化。另外，可通过反常晶粒生长方式促进金刚石原料的一个或更多个普通微米金刚砂团说明书CN。
19、103348086A4/4页6粒生长，相对于聚晶金刚石复合片基质的其余部分而言生长为伸长的或扩大的结构。0027图2C示出了高温/高压合成之后根据规格被抛光的刀具154。抛光过程可包括例如研磨、精研等过程。抛光过程中，切削表面155被形成为具有其他特征，如斜面224。抛光工艺也可将金刚石传感器210AD的表面212AD在切削元件220的表面155上暴露出来。如图2AC所示，金刚石传感器210AD可定位在切削元件220的上部分中。在其他实施例中，金刚石可位于刀具154的任何位置，包括切削元件220的下部分区域或基底230中的区域。对于一些刀具254而言，基底230（图2A）和切削元件220可由相。
20、同材料一体形成。0028图3A和3B根据公开的某实施例示出了刀具154的信号传递系统。如图3A所示，刀具154可包括一个或更多个金刚石传感器210、传导通道250和终端器260。每个金刚石传感器210可以通过传导通道250可操作地连接到相应的终端器260上。即，终端器260可被构造为通过传导通道250接收金刚石传感器210产生的电压信号。传导通道250可由足以使金刚石传感器210与终端器260保持电通信的导电材料形成。终端器260也可由导电材料（如金属、金属合金等）形成。0029在某些实施例中，传导通道250和终端器260可沉积在刀具154的切削表面155上。可供选择地，传导通道250和终端器。
21、260可至少局部地嵌入切削元件220内。例如，图3B示出了至少局部地嵌入在刀具154的切削元件220内的金属终端器260。可通过在切削表面155上形成凹陷（如槽、沟），然后将用于所述传导通道250和终端器260的合适材料沉积在所述凹陷内，这样就可以实现嵌入处理。将合适材料沉积在凹陷内可产生传导通道250和终端器260，形成与切削表面155基本平坦（齐平）的表面。可在形成刀具154的期间来形成所述凹陷，或者，在形成刀具154之后，通过电火花加工或放电加工（EDM）、激光刻蚀或加工、或对于本领域普通技术人员来说公知的其他类似技术等加工方法来形成所述凹陷。0030图3B还示出终端器260可连接到端口。
22、270，该端口包括多个用于将数据信号通信给数据采集模块（未示出）的通道。终端器260通过传导元件272（如，电线、基于图案的敷金属）可操作地连接到端口270。传导元件272可沿切削表面155伸展，或至少局部地埋入（即，嵌入）刀具154内。请注意为简单起见，示出传导元件272为单线，但是，这种传导元件272可以包括两向传导路径。0031运行中，端口270可通过传导通道240、终端器260和传导元件272从金刚石传感器210接收表示外加激励（如，压力或温度）的电信号，并将该信号传送给数据采集模块190（图1）。这种从端口270向数据采集模块传送数据的过程可以包括有线或无线通信。端口270、传导元件。
23、272，或两者均可与钻头内的处理模块相联。0032本公开内容的另一实施例可包括被构造为微机电系统（MEMS）装置的金刚石传感器，该微机电系统装置可包括一个或更多个集成在共同基底上的元件。这些元件可包括传感器、致动器、电子元件和机械元件。微机电系统装置可包括可产生压电响应的晶体金刚石。微机电系统装置被构造为检测切削元件的温度或机械属性（如，压力）。微机电系统装置可操作地与传导通道连接。包括一个或更多个微机电系统装置的这种实施例也可包括绝缘层和硬化层。0033尽管前面的描述内容包括许多具体细节，但是这些具体细节并未限制本公开内容的范围，仅用来描述某些典型实施例。类似地，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可设计出本公开内容的其他实施例。说明书CN103348086A1/3页7图1说明书附图CN103348086A2/3页8图2A图2B图2C说明书附图CN103348086A3/3页9图3A图3B说明书附图CN103348086A。