BR112020026895A2 - Aparelhos e métodos para a formação de corte instrumentado para uma ferramenta de perfuração de solo - Google Patents

Abstract

são revelados um elemento de corte instrumentado, uma ferramenta de perfuração de solo e métodos relacionados. o elemento de corte instrumentado pode incluir uma base de substrato, uma camada de diamante disposta sobre a base de substrato, um sensor disposto na camada de diamante, um fio condutor acoplado ao sensor e disposto em uma trincheira lateral formada no substrato de base e um material de enchimento disposto na trincheira lateral. a ferramenta de perfuração de solo pode incluir prender o elemento de corte instrumentado a uma lâmina do corpo de uma broca. um método relacionado pode incluir a formação do elemento de corte instrumentado e da ferramenta de perfuração de solo.

Description

"APARELHOS E MÉTODOS PARA A FORMAÇÃO DE CORTE INSTRUMENTADO PARA UMA FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO DE SOLO" REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE

[0001] Este pedido reivindica o benefício da data de depósito do Pedido de Patente nº de série U.S. 16/026.922, depositado em 3 de julho de 2018, para "Apparatuses and Methods for Forming an Instrumented Cutting for an Earth-Boring Drilling Tool". A matéria deste pedido está relacionada à matéria do Pedido de Patente nº U.S. 15/456.105, depositado em 10 de março de 2017, pendente, que é uma continuação do Pedido de Patente nº de série U.S. 13/586.650, depositado em 15 de agosto de 2012, agora o documento de Patente nº U.S. 9.605.487, emitido em 28 de março de 2017. A matéria também é relacionada ao Pedido de Patente nº de série U.S. 15/450.775, depositado em 6 de março de 2017, pendente, que é uma continuação do Pedido de Patente nº de série U.S. 14/950.581, depositado em 24 de novembro de 2015, agora o documento de Patente nº U.S.

9.598.948, emitido em 21 de março de 2017, que é uma continuação do Pedido de Patente nº U.S. 13/586.668, depositado em 15 de agosto de 2012, agora o documento de Patente nº U.S. 9.212.546, emitido em 15 de dezembro de 2015. À revelação de cada um destes pedidos e documentos de patente está incorporada ao presente documento a título de referência em sua totalidade.

CAMPO TÉCNICO

[0002] A presente revelação se refere genericamente a brocas de perfuração para perfuração de solo, elementos de corte fixados às mesmas e outras ferramentas que podem ser usadas para perfurar formações subterrâneas. Mais particularmente, modalidades da presente revelação se referem a elementos de corte instrumentados para obter medições em broca a partir de uma broca de perfuração para perfuração de solo durante a perfuração.

ANTECEDENTES

[0003] A indústria de óleo e gás gasta quantidades consideráveis para projetar ferramentas de corte, como brocas de perfuração de fundo de poço que incluem brocas de rocha de cone de rolamento e brocas cortadoras fixadas. Tais brocas de perfuração podem ter vida útil relativamente longa com falha relativamente infrequente. Em particular, quantidades consideráveis são gastas para projetar e fabricar brocas de rocha de cone de rolamento e brocas cortadoras fixadas de uma maneira que minimize a probabilidade de uma falha catastrófica da broca de perfuração durante as operações de perfuração. A perda de um cone de rolamento ou de um compacto de diamante policristalino de uma broca durante operações de perfuração pode impedir as operações de perfuração e, o pior, pode precisar de operações de acabamento onerosas.

[0004] Informações de diagnóstico relacionadas a uma broca de perfuração e a certos componentes da broca de perfuração podem estar ligadas à durabilidade, ao desempenho e à potencial falha da broca de perfuração. Além disso, informações características com respeito à formação de rochas podem ser usadas para estimar o desempenho e outros recursos relacionados às operações de perfuração. Medições de perfilagem durante a perfuração (LWD - "logging while drilling"), medição durante a perfuração (MWD - "measuring while drilling") e dispositivo de medição de extremidade frontal (FEMD - "fronttend measurement device") são convencionalmente obtidas a partir de medições atrás da cabeça de perfuração, como a muitos pés de distância da interface de corte. Como resultado, erros e atrasos podem ser introduzidos nos dados, o que pode resultar em zonas de pagamento perdidas, atrasos na obtenção de informações e parâmetros de perfuração que não são suficientemente otimizados.

REVELAÇÃO

[0005] As modalidades da presente revelação incluem um elemento de corte instrumentado para uma ferramenta de perfuração de solo. O elemento de corte instrumentado compreende uma base de substrato, uma camada de diamante disposta sobre a base de substrato, um sensor disposto na camada de diamante, um fio condutor acoplado ao sensor e disposto em uma trincheira lateral formada na base de substrato e pelo menos um material de enchimento disposto na trincheira lateral ou um material de cobertura que cobre a trincheira lateral. O sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição do furo de poço, uma condição da formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo.

[0006] Outra modalidade inclui um método para formar uma ferramenta de perfuração de solo. O método compreende formar uma base de substrato e uma camada de diamante com um inserto de metal incorporado para um elemento de corte instrumentado, formar um canal na camada de diamante responsiva à lixiviação de pelo menos uma porção da camada de diamante para remover o inserto de metal incorporado, formar uma trincheira lateral dentro de pelo menos uma porção lateral da base de substrato para formar um espaço aberto contíguo com o canal, inserir um sensor no canal e um fio condutor associado dentro da trincheira lateral e dispor pelo menos um material de enchimento disposto na trincheira lateral ou um material de cobertura que cobre a trincheira lateral. O sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição do furo de poço, uma condição da formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo.

[0007] Outra modalidade inclui uma ferramenta de perfuração de solo que compreende: um corpo que inclui pelo menos uma lâmina que tem uma abertura que se estende através da mesma, e um elemento de corte instrumentado preso a pelo menos uma lâmina. O elemento de corte instrumentado compreende uma base de substrato, uma camada de diamante disposta sobre a base de substrato, um sensor disposto na camada de diamante, um fio condutor acoplado ao sensor e disposto em uma trincheira lateral formada na base de substrato e pelo menos um material de enchimento disposto na trincheira lateral ou um material de cobertura que cobre a trincheira lateral. O sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição do furo de poço, uma condição da formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo.

[0008] Outras modalidades incluem um método para operar uma ferramenta de perfuração de solo. O método compreende obter dados de medição com um sensor embutido em uma camada de diamante de um elemento de corte instrumentado durante uma operação de perfuração em uma formação de terra subterrânea, e transmitir os dados de medição para um módulo de coleta de dados através de um fio condutor acoplado ao sensor e que passa através de uma trincheira lateral preenchida com material de enchimento ou coberta por um material de cobertura. Os dados de medição são indicativos de pelo menos uma característica indicativa de uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição de furo de poço, uma condição da formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo. O método inclui ainda determinar a pelo menos uma característica através de análise dos dados de medição pelo módulo de coleta de dados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0009] A Figura 1 ilustra uma vista em seção transversal de uma broca de perfuração para perfuração de solo exemplificadora.

[0010] A Figura 2 é uma vista em perspectiva do elemento de corte instrumentado da Figura 1.

[0011] A Figura 3 é uma seção transversal do elemento de corte instrumentado da Figura 2 tomada ao longo da linha 3-3.

[0012] As Figuras 4A a 4F mostram seções transversais simplificadas e esquematicamente ilustradas de um elemento de corte instrumentado da Figura 1 em vários estágios de fabricação que ilustram um método para produzir o elemento de corte instrumentado.

[0013] As Figuras 5 a 7 são vistas de topo de várias configurações dos elementos de corte instrumentados de acordo com modalidades da revelação.

[0014] As Figuras 8 a 10 são vistas em seção transversal laterais das camadas de diamante de várias configurações de elementos de corte de acordo com modalidades adicionais da revelação.

[0015] As Figuras 11 a 14 são vistas em seção transversal laterais de várias configurações de elementos de corte de acordo com modalidades adicionais da revelação.

[0016] A Figura 15A é uma vista de lado externo da broca de perfuração para perfuração de solo girada para mostrar as fendas não solicitadas que separam as lâminas.

[0017] A Figura 15B é uma vista em seção transversal parcial simplificada da Figura 15A.

[0018] As Figuras 16A e 16B são vistas em seção transversal laterais de uma porção de uma broca de perfuração para perfuração de solo em vários estágios de fabricação que ilustam um método para conectar o elemento de corte instrumentado ao módulo de coleta de dados.

[0019] A Figura 17 é uma vista em seção transversal lateral de uma porção de uma broca de perfuração para perfuração de solo que mostra outro método para prender o elemento de corte instrumentado de acordo com outra modalidade da revelação.

[0020] A Figura 18 é uma vista em seção transversal lateral de uma porção de uma broca de perfuração para perfuração de solo que mostra outro método para prender o elemento de corte instrumentado de acordo com outra modalidade da revelação.

[0021] A Figura 19 é um diagrama esquemático simplificado de uma porção da broca de perfuração para perfuração de solo de acordo com outra modalidade da revelação.

[0022] A Figura 20 é um diagrama esquemático simplificado de uma porção da broca de perfuração para perfuração de solo de acordo com outra modalidade da revelação.

[0023] A Figura 21 é um gráfico que mostra dados de medição indicativos da relação entre a temperatura de cortador medida e a taxa de penetração da ferramenta de perfuração durante uma operação de perfuração. MODO(S) PARA REALIZAR A INVENÇÃO

[0024] Na seguinte descrição detalhada, é feita referência aos desenhos anexos, que formam uma parte da mesma e em que são mostradas, a título de ilustração, modalidades específicas nas quais a revelação pode ser praticada. Essas modalidades são descritas em detalhes suficientes para possibilitar que os elementos versados na técnica pratiquem a revelação, e deve-se entender que outras modalidades podem ser utilizadas e que alterações estruturais, lógicas e elétricas podem ser feitas dentro do escopo da revelação.

[0025] Com referência genérica à seguinte descrição e aos desenhos anexos, várias modalidades da presente revelação são ilustradas para mostrar sua estrutura e seu método de operação. Elementos comuns das modalidades ilustradas podem ser projetados com numerais de referência iguais ou similares. Deve-se entender que as figuras apresentadas não devem ser ilustrativas das vistas reais de qualquer porção específica da estrutura ou do método real, porém, são meramente representações idealizadas empregadas para mostrar mais clara e completamente a presente revelação definida pelas reivindicações abaixo. As figuras ilustradas podem não estar desenhadas em escala.

[0026] Conforme usado aqui, uma "broca de perfuração" significa e inclui qualquer tipo de broca ou ferramenta usada para perfuração durante a formação ou o alargamento de um furo de poço em formações subterrâneas e inclui, por exemplo, brocas cortadoras fixadas, brocas de perfuração giratórias, brocas de percussão, brocas de núcleo, brocas excêntricas, brocas bicentrais, escareadores, moinhos, brocas de arrasto, brocas de cone de rolamento, brocas híbridas e outras brocas de perfuração e ferramentas conhecidas na técnica.

[0027] Conforme usado na presente invenção, o termo "material policristalino" significa e inclui qualquer material que compreende uma pluralidade de grãos ou cristais do material que são ligados diretamente em conjunto pelas ligações intergranulares. As estruturas de cristal dos grãos individuais do material podem ser aleatoriamente orientadas no espaço dentro do material policristalino.

[0028] Conforme usado na presente invenção, o termo "compacto policristalino" significa e inclui qualquer estrutura que compreende um material policristalino formado através de um processo que envolve a aplicação de pressão (por exemplo, compactação) ao material precursor ou aos materiais precursores usados para formar o material policristalino.

[0029] Conforme usado na presente invenção, o termo "material rígido" significa e inclui qualquer material que tem um valor de dureza Knoop de cerca de

3.000 Kgf/mm? (29.420 MPa) ou mais. Materiais rígidos incluem, por exemplo, diamante e nitreto de boro cúbico.

[0030] A Figura 1 é uma vista em seção transversal de uma broca de perfuração para perfuração de solo 100, que pode implantar modalidades da presente revelação. A broca de perfuração para perfuração de solo 100 inclui um corpo de broca 110. O corpo de broca 110 da broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode ser formado de aço. Em algumas modalidades, o corpo de broca 110 pode ser formado a partir de um material compósito de matriz de partícula. Por exemplo, o corpo de broca 110 pode incluir adicionalmente uma coroa 114 e um bloco bruto de aço 116. O bloco bruto de aço 116 é parcialmente incorporado na coroa 114. À coroa 114 pode incluir um material compósito de matriz de partícula como, por exemplo, partículas de carbureto de tungstênio incorporadas em um material de matriz de liga de cobre. O corpo de broca 110 pode ser preso à haste 120 através de uma conexão rosqueada 122 e uma solda 124 que se estende ao redor da broca de perfuração para perfuração de solo 100 em uma superfície externa da mesma ao longo de uma interface entre o corpo de broca 110 e a haste 120. Outros métodos são contemplados para prender o corpo de broca 110 à haste 120.

[0031] A broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode incluir uma pluralidade de elementos de corte 160, 200 fixados na face 112 do corpo de broca 110.

A broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode incluir pelo menos um elemento de corte instrumentado 200 que é instrumentado com um sensor configurado para obter dados em tempo real com relação ao desempenho do elemento de corte instrumentado 200 e/ou às características da formação de rocha, como medições de resistividade. Em algumas modalidades, a broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode também incluir elementos de corte não instrumentados 160. Os elementos de corte instrumentados 200 podem ser operacionalmente acoplados a um módulo de coleta de dados 130 configurado para receber e/ou processar o sinal de dados a partir do sensor. O módulo de coleta de dados 130 pode incluir também um circuito de controle que é configurado para medir a tensão e/ou os sinais de corrente dos sensores. O circuito de controle pode incluir também uma fonte de alimentação (por exemplo, fonte de tensão ou fonte de corrente) que é usada para energizar os sensores a fim de realizar as medições. O circuito de controle pode incluir também um oscilador para gerar a corrente que flui através da formação subterrânea em uma frequência desejada. Em algumas modalidades, o módulo de coleta de dados 130 pode ser integrado dentro da broca de perfuração para perfuração de solo 100 independentemente ou ao longo de outra porção da coluna de perfuração. O módulo de coleta de dados 130 pode ser também acoplado a um sistema de LWD.

[0032] De modo geral, os elementos de corte 160, 200 de uma broca de perfuração do tipo cortador fixado têm um formato de disco ou um formato substancialmente cilíndrico. Os elementos de corte 160, 200 incluem uma superfície de corte 155 localizada em uma superfície de extremidade substancialmente circular do elemento de corte 200. A superfície de corte 155 pode ser formada colocando-se um material superabrasivo rígido, como partículas mutuamente ligadas de diamante policristalino formadas em uma "camada de diamante" sob condições de alta temperatura e alta pressão (HTHP - "high temperature, high pressure"), em um substrato de apoio. À camada de diamante pode ser formada sobre o substrato durante o processo de HTHP ou pode ser ligada ao substrato depois disso. Tais elementos de corte 200 são frequentemente chamados de elemento de corte 200 de compacto policristalino ou compacto de diamante policristalino (PDC - "polycrystalline diamond compact").

[0033] Os elementos de corte 160, 200 podem ser fornecidos ao longo de lâminas 150 e dentro de bolsos 156 formados na face 112 do corpo de broca 110, e podem ser apoiados por trás por suportes 158 que podem ser integralmente formados com a coroa 114 do corpo de broca 110. Os elementos de corte 200 podem ser fabricados separadamente do corpo de broca 110 e presos dentro dos bolsos 156 formados na superfície externa do corpo de broca 110. Se os elementos de corte 200 forem formados separadamente do corpo de broca 110, um material de ligação (por exemplo, adesivo, liga de brasagem, etc.) pode ser usado para prender os elementos de corte 160, 200 no corpo de broca 110. Em algumas modalidades, pode não ser desejável prender os elementos de corte instrumentados 200 no corpo de broca 110 por meio de brasagem uma vez que os sensores 209 (Figura 3) podem não ser capazes de suportar os procedimentos da brasa térmica. Como resultado, outro processo de ligação pode ser realizado (por exemplo, uso de adesivos). Conforme mostrado na Figura 1, os elementos de corte instrumentados 200 podem estar localizados próximos ao fundo da coroa 114 do corpo de broca 110, enquanto os elementos de corte não instrumentados 160 estão localizados nas laterais da coroa 114. Obviamente, o posicionamento dos diferentes tipos de elementos de corte 160, 200 em diferentes locais também é contemplado. É contemplado, dessa forma, que a broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode incluir qualquer combinação de elementos de corte instrumentados 200 e elementos de corte não instrumentados 160 em uma variedade de diferentes locais nas lâminas 150.

[0034] O corpo de broca 110 pode incluir adicionalmente fendas não solicitadas 152 que separam as lâminas 150. Vias para passagem de fluidos internas (não mostradas) se estendem entre a face 112 do corpo de broca 110 e um furo longitudinal 140, que se estende através da haste 120 e parcialmente através do corpo de broca

110. Insertos de bocal (não mostrados) também podem ser fornecidos na face 112 do corpo de broca 110 dentro das vias para passagem de fluidos internas.

[0035] A broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode ser presa na extremidade de uma coluna de perfuração (não mostrada), que pode incluir um cano tubular e segmentos de equipamento (por exemplo, colares de perfuração, um motor, uma ferramenta de condução, estabilizadores, etc.) acoplados de extremidade a extremidade entre a broca de perfuração para perfuração de solo 100 e outro equipamento de perfuração na superfície da formação a ser perfurada. Como exemplo, a broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode ser presa à coluna de perfuração, com o corpo de broca 110 sendo preso na haste 120 que tem uma porção de conexão rosqueada 125 e engatando com uma porção de conexão rosqueada da coluna de perfuração. Um exemplo de tal porção de conexão rosqueada é uma porção de conexão rosqueada do Instituto Americano de Petróleo (API - "American Petroleum Institute").

[0036] Durante operações de perfuração, a broca de perfuração para perfuração de solo 100 é posicionada no fundo de um furo de poço de modo que os elementos de corte 200 fiquem adjacentes à formação de solo a ser perfurada. Um equipamento, como uma mesa giratória ou um acionamento superior, pode ser usado para girar a coluna de perfuração e a broca de perfuração 100 dentro do orifício de perfuração. Alternativamente, a haste 120 da broca de perfuração para perfuração de solo 100 pode ser acoplada ao eixo de acionamento de um motor de fundo de poço, que pode ser usado para girar a broca de perfuração para perfuração de solo 100. Conforme a broca de perfuração para perfuração de solo 100 é girada, o fluido de perfuração é bombeado para a face 112 do corpo de broca 110 através do furo longitudinal 140 e das vias para passagem de fluidos internas (não mostradas). A rotação da broca de perfuração para perfuração de solo 100 faz com que os elementos de corte 200 raspem através da superfície da formação subjacente e cortem na direção oposta à mesma. Os cortes de formação se misturam com o fluido de perfuração, são suspensos dentro do mesmo e passam através das fendas não solicitadas 152 e do espaço anular entre o furo de poço e a coluna de perfuração até a superfície da formação de solo.

[0037] Quando os elementos de corte 160, 200 raspam através da superfície da formação subterrânea e cortam na direção oposta à mesma, uma quantidade significativa de calor e tensão mecânica pode ser gerada. Componentes da broca de perfuração para perfuração de solo 100 (por exemplo, os elementos de corte instrumentados 200) podem ser configurados para detecção de dados operacionais, dados de desempenho, dados de formação, dados ambientais durante as operações de perfuração, conforme será discutido na presente invenção com relação às Figuras 2 a 14. Por exemplo, sensores podem ser configurados para determinar informações de diagnóstico relacionadas ao desempenho real ou à degradação dos elementos de corte ou outros componentes de broca de perfuração para perfuração de solo 100, características (por exemplo, dureza, porosidade, composição de material, torque, vibração, etc.) da formação subterrânea ou outros dados de medição. Além disso, medições obtidas pelos elementos de corte instrumentados 200 durante a perfuração podem permitir um controle de broca ativo (por exemplo, geodirecionamento), como mediante correlação da condição de desgaste, profundidade ativa de controle de corte, entendimento da extensão do engate de formação durante a perfuração, medições de resistividade de formação do tipo coxim e/ou identificação sobre onde na broca de perfuração para perfuração de solo 100 podem ocorrer instabilidades. Conforme será descrito abaixo, as medições na broca podem ser obtidas a partir do um ou mais elementos de corte instrumentados 200, como a partir de uma pluralidade de elementos de corte instrumentados 200 posicionados em vários locais na broca de perfuração para perfuração de solo 100.

[0038] Modalidades da revelação incluem métodos para produzir um elemento de corte instrumentado e uma broca de perfuração usada para determinar medições na broca durante as operações de perfuração. O sinal elétrico para as medições pode ser gerado dentro do sensor incorporado disposto na camada de diamante do elemento de corte da broca de perfuração para perfuração de solo. O módulo de coleta de dados 130 pode armazenar e processar as informações e ajustar a agressividade da broca de ajuste autoajustável e/ou ajuste manual para otimizar o desempenho da perfuração.

Por exemplo, se uma temperatura medida do elemento de corte 200 exceder um valor predefinido, o módulo de coleta de dados 130 pode enviar um sinal para o módulo de ajuste autoajustável dentro da broca para ajustar a profundidade de corte do cortador ou gerar avisos transmitidos ao piso do equipamento (por exemplo, por meio de um sistema de telemetria) para permitir que o perfurador altere parâmetros de perfuração a fim de mitigar o risco de superaquecimento e danificar os cortadores.

[0039] A Figura 2 é uma vista em perspectiva do elemento de corte instrumentado 200 da Figura 1. A Figura 3 é uma seção transversal do elemento de corte instrumentado 200 da Figura 2 tomada ao longo da linha 3-3 da Figura 2.

[0040] O elemento de corte instrumentado 200 pode incluir um substrato 202 e uma camada de diamante 204 formada no mesmo com um formato substancialmente cilíndrico. Adicionalmente, o elemento de corte 200 pode incluir um material de enchimento 206 que pode se estender em uma direção transversal do elemento de corte 200 e que se estende para dentro de pelo menos uma porção do substrato 202 e da camada de diamante 204 conforme formada dentro de uma trincheira, como será discutido mais abaixo. A largura do material de enchimento 206 pode ser uma porção relativamente fina do elemento de corte geral 200. Com referência específica à Figura 3, o elemento de corte instrumentado 200 pode incluir um sensor 209 incorporado dentro da camada de diamante 204. O sensor 209 pode ser acoplado a um fio condutor 210 que carrega o sinal do sensor 209 para uma unidade de aquisição de dados (não mostrada na Figura 3). O sensor 209 pode ser configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos um dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte (como temperatura, estado de tensão/alongamento, campo magnético e resistividade elétrica, etc.), uma condição de perfuração, uma condição do furo de poço, uma condição da formação e uma condição da ferramenta de perfuração de solo. O sensor 209 pode incluir sensores como sensores termopares, termistores, sensores químicos, transdutores acústicos, detectores gama, sensores dielétricos, sensores de resistividade, detectores de temperatura de resistência (RTDs - "resistance temperature detectors"), sensores piezorresistivos (por exemplo, diamante dopado) e outros sensores similares.

[0041] Conforme discutido acima, a camada de diamante 204 pode ser formada a partir de um material superabrasivo rígido, como partículas mutuamente ligadas de diamante policristalino formadas sob condições de HTHP. O substrato 202 pode ser formado a partir de um material de suporte (por exemplo, carbureto de tungstênio) para a camada de diamante 204. O material de enchimento 206 pode incluir adesivos metálicos, pastas/adesivos metálicos-cerâmicos, adesivo cerâmico, cola de silicato para altas temperaturas, epóxis e outros materiais semelhantes. Em algumas modalidades, a trincheira lateral pode ser coberta por uma tampa ou um material de cobertura configurado para fechar a abertura da trincheira lateral como uma cobertura para a trincheira lateral sem necessariamente preencher toda a trincheira lateral. Em algumas modalidades, o material de cobertura pode se estender pelo menos parcialmente para dentro da trincheira lateral. Algumas modalidades podem incluir também tanto o material de cobertura quanto pelo menos uma porção da trincheira lateral carregada com material de enchimento 206. O material de enchimento 206 e/ou material de cobertura podem ser configurados para retenção do sensor 209 e do fio condutor 210, bem como para proteção por ser isolado do ambiente durante as operações de perfuração.

[0042] Um conduto 208 pode também se estender para dentro de pelo menos uma porção do substrato 202 através de um bolso formado através da porção de fundo do substrato 202 oposta à camada de diamante 204. O conduto 208 pode se estender aproximadamente no meio da porção de fundo do substrato 202, e pode incluir uma rota interna usada para direcionar o fio condutor 210 do elemento de corte instrumentado 200 até o módulo de coleta de dados 130. O diâmetro da cavidade que é formada dentro do substrato 202 para receber o conduto 208 pode ser maior que a largura da trincheira lateral que é formada para receber o fio condutor 210.

[0043] Modalidades da revelação podem utilizar o processo de sinterização de diamante para incorporar diretamente um inserto de metal dentro da camada de diamante 204 e criar túneis de abertura após remover os insertos de metal incorporados durante o processo de lixiviação. Sensores podem ser inseridos nos túneis de abertura para assegurar isolamento elétrico e proteção. Dessa forma, as modalidades podem ser uma solução viável e com boa relação custo/benefício para a detecção de temperatura, progressão de marca de desgaste ou propagação de rachadura do cortador. Os sensores 209 incorporados à camada de diamante 204 podem assumir o formato de insertos de metal que podem ser incorporados durante o processo de HTHP. O formato dos sensores 209 pode incluir um único sensor substancialmente linear em formato ou uma rede/matriz com um formato projetado pelos insertos de metal.

[0044] As Figuras 4A a 4F mostram seções transversais simplificadas e esquematicamente ilustradas de um elemento de corte instrumentado 200 da Figura 1 em vários estágios de fabricação que ilustram um método para produzir o elemento de corte instrumentado 200. As seções transversais correspondem à porção do elemento de corte 200 tomada ao longo da linha 3-3 da Figura 2.

[0045] Na Figura 4A, o elemento de corte 200 é formado com um substrato 202 e uma camada de diamante 204 no mesmo. A camada de diamante 204 pode ter também um inserto de metal 212 incorporado à mesma durante a formação da mesma. O elemento de corte 200 pode ser formado sinterizando-se um pó de diamante com um substrato de carbureto de tungstênio em um processo de HTHP para formar a camada de diamante 204 e o substrato 202. O inserto de metal 212 pode ser formado a partir de um metal que pode sobreviver ao processo de HTHP. Como exemplo, o inserto de metal 212 pode ser um material que exibe uma temperatura de fusão maior que 1.600ºC. Como exemplos não limitadores, o inserto de metal 212 pode ser formado a partir de materiais que incluem rênio (Re), níquel (Ni), titânio (Ti) e suas ligas. Por exemplo, o inserto de metal 212 pode incluir um fio de liga de Re (por exemplo, Re > 5%, em peso) incorporado à camada de diamante 204 durante o processo de sinterização que forma o elemento de corte instrumentado 200. Outros exemplos de liga de Re incluem TaRe, WRe, OsRe,

MoRe, Ir>Re, NbRe, RuRe, etc. Além disso, ligas ternárias ou quaternárias são contempladas para o inserto de metal 212, como TaWRe, MoWTaRe, etc.

[0046] Em algumas modalidades, o inserto de metal 212 pode incluir um fio (ou uma rede de fio) que se estende longitudinalmente através da camada de diamante

204. Em outras modalidades, o fio pode ser formado em diferentes formatos (por exemplo, curvado) quando incorporado dentro da camada de diamante 204. Como o fio pode ser formado em vários formatos, o material selecionado para o fio pode exibir uma dureza mínima e resistência para o formato desejado a fim de resistir à deformação e ao craqueamento. Em algumas modalidades, o inserto de metal 212 pode ser substancialmente uniforme, o que fornece uma cavidade substancialmente uniforme (consulte a Figura 4C) para dispor o sensor (consulte a Figura 4E). Também é contemplado que o diâmetro do inserto de metal 212 pode não ser uniforme em algumas modalidades. Por exemplo, a ponta do inserto de metal 212 dentro da camada de diamante 204 pode ter um diâmetro menor que a extremidade do inserto de metal 212 adjacente à borda externa da camada de diamante 204. Um diâmetro maior adjacente à borda externa pode fornecer uma quantidade maior de material de enchimento (consulte a Figura 4F) para reter melhor o sensor.

[0047] Com referência à Figura 4B, pelo menos uma porção da camada de diamante 204 pode ser removida de modo que o inserto de metal 212 possa estar localizado mais próximo à superfície da camada de diamante 204. Em algumas modalidades, a posição inicial do inserto de metal 212 pode ser adequada de modo que a remoção da porção da camada de diamante 204 pode não ser necessária. A remoção da camada de diamante 204 pode ser realizada através de um processo de lapidação ou outros métodos que seriam aparentes aos versados na técnica.

[0048] Com referência à Figura 4C, o inserto de metal 212 pode ser removido removendo-se o inserto de metal 212 incorporado à camada de diamante 204 para formar um canal aberto 214. A remoção do inserto de metal 212 pode ser realizada através da lixiviação ácida de toda a camada de diamante 204 ou de uma porção da mesma, ou através de outros métodos que seriam aparentes aos versados na técnica. Assumindo que o inteiro inserto de metal 212 foi lixiviado a partir da camada de diamante 204, o formato do canal aberto resultante 214 pode ser substancialmente o formato do inserto de metal 212. Uma vez que a porção lixiviada 221 da camada de diamante 204 é não condutiva, o isolamento elétrico para o sensor pode ser alcançado. O canal resultante 214 pode ter uma razão de aspecto que é maior do que poderia ser, de outra forma, alcançável com o uso de métodos como usinagem a laser. Tais outros métodos podem também provar a dificuldade de se alcançar um canal relativamente uniforme 214 e, em vez disso, resultam em um canal mais afunilado 214. Em algumas modalidades, a razão de aspecto do canal 214 pode ser maior que 20:1 (comprimento:diâmetro). Em alguns casos, a razão de aspecto pode ser aproximadamente 30:1 (por exemplo, 15 mm/0,5 mm).

[0049] Com referência à Figura 4D, pelo menos uma porção do substrato 202 pode ser removida para formar uma trincheira lateral 216 que se estende do topo do substrato 202 até o fundo do substrato 202. Adicionalmente, uma cavidade 218 pode ser formada no fundo do substrato 202, como em uma posição que é próxima do centro do substrato

202. A trincheira lateral 216 e/ou cavidade 218 podem ser formadas através de um processo de remoção a laser, usinagem por descarga elétrica (EDM - "electrical discharge machining") ou outros processos similares. A cavidade 218 pode ser formada de modo a ter um formato que é configurado para receber o conduto 208 (Figura 2). A trincheira lateral 216 pode se conectar à cavidade 218 para formar uma rota contígua do canal 214 dentro da camada de diamante 204 até a cavidade 218 no fundo do substrato 202. Para realizar essa rota contígua, pelo menos uma porção do fundo da camada de diamante 204 também pode precisar ser removida.

[0050] Com referência à Figura 4E, o sensor 209 pode ser inserido no canal 214 da camada de diamante 204, e o conduto 212 pode ser inserido dentro da cavidade 218 do substrato 202. O conduto 212 pode ser preso no substrato 202 (por exemplo, por meio de rosca, brasa, encaixe por pressão, adesivo, etc.). Adicionalmente, o fio condutor 210 acoplado ao sensor 209 pode ser rosqueado através da trincheira lateral 216 e do conduto 212 e a um conector 220.

[0051] Com referência à Figura 4F, o material de enchimento 206 pode ser disposto dentro da trincheira para prender e proteger o sensor 209 e o fio condutor 210.

[0052] Embora as Figuras 4A a 4F mostrem um único inserto de metal 212 usado para formar uma única cavidade 218, modalidades da revelação podem incluir múltiplos insertos de metal incorporados para formar múltiplas cavidades. Em tais modalidades, os insertos de metal podem ter diferentes características, como diferentes formatos, diferentes comprimentos, diferentes diâmetros, etc., que podem facilitar a formação de diferentes tipos de sensores, ou em alguns casos, dispor múltiplos sensores dentro de uma única cavidade.

[0053] As Figuras 5 a 7 são vistas de topo de várias configurações dos elementos de corte instrumentados de acordo com modalidades da revelação. Conforme mostrado no presente documento, os sensores 209 podem ser incorporados dentro das camadas de diamante 204 de acordo com diferentes formatos e números de sensores 209. Conforme discutido acima, os formatos dos sensores 209 podem ser com base, em grande parte, no formato do inserto de metal usado para formar a cavidade dentro da camada de diamante 204. Por exemplo, a Figura 5 mostra sensores 209 posicionados em uma porção central da camada de diamante 204 e que também são substancialmente paralelos uns aos outros. Os sensores 209 da Figura 5 podem também ter diferentes comprimentos.

[0054] A Figura 6 mostra múltiplos sensores 209 posicionados em uma porção externa da camada de diamante 204 e que podem ser curvados. Os sensores curvados 209 podem ser vantajosos durante o processo de fabricação conforme o processo de lixiviação (consulte a Figura 4C) dos insertos de metal curvados adjacentes ao perímetro externo pode ser melhorado em comparação com os insertos de metal na área interna da camada de diamante 204, uma vez que a profundidade de lixiviação no perímetro externo pode ser mais profunda do que a profundidade de lixiviação no topo da camada de diamante 204. Adicionalmente, ter um canal curvado no perímetro externo (e no sensor correspondente 209) pode evitar o enfraquecimento da área central da camada de diamante.

[0055] A Figura 7 mostra múltiplos sensores 209 posicionados em uma porção central da camada de diamante 204 e que também não são paralelos (isto é, angulados) uns em relação aos outros. É contemplado que os diferentes sensores 209 incorporados dentro de uma única camada de diamante 204 podem também ter outras características diferentes (por exemplo, tipo de sensor, tipo de material, tamanho de diâmetro, etc.) uns em relação aos outros. Em algumas modalidades, os diferentes sensores 209 podem ser do mesmo tipo de sensor, de modo que cada sensor 209 é um canal diferente acoplado ao módulo de coleta de dados.

[0056] Em algumas modalidades, os múltiplos sensores 209 podem estar dispostos em diferentes profundidades dentro da camada de diamante 204. Dessa forma, um primeiro sensor e o pelo menos um sensor adicional podem ser deslocados um do outro em diferentes planos em relação a uma superfície de corte da camada de diamante. Ter múltiplos canais em diferentes profundidades pode fornecer informações relacionadas à profundidade de marca de desgaste para o elemento de corte instrumentado, conforme os sensores 209 adjacentes à superfície de corte são destruídos. Os fios condutores para múltiplos sensores podem ser direcionados dentro de diferentes trincheiras formadas (e, então, carregados pelo material de enchimento). Em algumas modalidades, a mesma trincheira pode ser usada. Por exemplo, um primeiro fio condutor pode ser inserido dentro da trincheira e uma porção de material de enchimento pode ser disposta dentro da trincheira para cobrir o primeiro fio condutor. Um segundo fio condutor pode, então, ser disposto dentro da trincheira e outra porção de material de enchimento pode ser disposta para cobrir o segundo fio condutor. Diferentes condutos ou outras formas de separação podem também ser usados para separar os fios condutores para transmissão de dados até o módulo de coleta de dados.

[0057] As Figuras 8 a 10 são vistas em seção transversal laterais das camadas de diamante 204 das várias configurações de elementos de corte de acordo com modalidades adicionais da revelação. Conforme discutido, o formato do canal 214 dentro da camada de diamante 204 pode ser substancialmente similar ao formato do inserto de metal originalmente incorporado durante a formação da camada de diamante 204. O sensor 209 pode também ser substancialmente similar ao formato do canal 214 pelo projeto do inserto de metal. Em algumas modalidades, no entanto, o sensor 209 pode não se conformar perfeitamente ao formato do canal correspondente 214. Por exemplo, a ponta do canal 214 pode ser plana (Figura 8), côncava (Figura 9) ou pontiaguda (Figura 10), o que pode resultar no sensor 209 com uma ponta curvada com um encaixe diferente. Una combinação apropriada de formato de sensor e formato de canal pode fornecer uma melhor sensibilidade de sensor (por exemplo, contato térmico).

[0058] As Figuras 11 a 14 são vistas em seção transversal laterais das várias configurações de elementos de corte 200 de acordo com modalidades adicionais da revelação. Em vez de ter a cavidade e a trincheira lateral, o substrato 202 pode incluir um ou mais canais 230 formados (por exemplo, perfurados) através de todo o substrato 202 para se alinhar e conectar ao canal formado dentro da camada de diamante 204, de modo que o sensor e o material condutor tenham uma trajetória através de todo o substrato 202. Na Figura 11, os canais 230 podem ser lineares e paralelos entre si e direcionalmente orientados na direção do eixo geométrico longitudinal do elemento de corte instrumentado 200. Na Figura 12, os canais 230 podem ser lineares e paralelos entre si e direcionalmente orientados em uma direção que é angulada ao eixo geométrico longitudinal do elemento de corte instrumentado 200. Na Figura 13, os canais 230 podem ser uma combinação de lineares e curvados, com o canal linear 230 direcionalmente orientado na direção do eixo geométrico longitudinal do elemento de corte instrumentado 200. Na Figura 14, os canais 230 podem ser uma combinação de lineares e curvados, com o canal linear 230 direcionalmente orientado em uma direção que é angulada em relação ao eixo geométrico longitudinal do elemento de corte instrumentado 200.

[0059] A Figura 15A é uma vista de lado externo de uma broca de perfuração para perfuração de solo 100 girada para mostrar as fendas não solicitadas 152 que separam as lâminas 150 e com um sistema de condutos 250 preso na superfície traseira da lâmina 150. O sistema de condutos 250 é configurado para fornecer uma passagem protegida entre o elemento de corte instrumentado 200 a porções internas da broca de perfuração 100 onde o módulo de coleta de dados pode residir. Em particular, o fio condutor acoplado ao sensor do elemento de corte instrumentado 200 pode ser direcionado através da abertura da lâmina 150, conforme discutido mais completamente abaixo, e adicionalmente ao longo do sistema de condutos 250 para entrar no corpo da broca e se acoplar ao módulo de coleta de dados.

[0060] O sistema de condutos 250 pode se estender ao longo da porção externa da lâmina 150 através da fenda não solicitada 152 e se acoplar à broca de perfuração 100 em um ponto de conexão com a vedação 258. A fiação condutora estendida pode ser adicionalmente direcionada dentro da broca de perfuração para alcançar o módulo de coleta de dados. O sistema de condutos 250 pode incluir múltiplas seções que podem ser acopladas em conjunto em diferentes juntas. Por exemplo, uma primeira seção 252 pode se estender para dentro da abertura formada dentro da lâmina 150 e flexionar ao longo da superfície externa do lado traseiro da lâmina 150. A primeira seção 252 pode se conectar a uma segunda seção de 254 na junta 255 e continuar a se estender acima da superfície do corpo de broca até um ponto de conexão para entrar, adicionalmente, no corpo de broca. Bráquetes 256 podem ser colocados sobre o sistema de condutos 250 para prender o sistema de condutos na lâmina 150. Em algumas modalidades, o sistema de condutos 250 pode incluir uma única seção que se estende do fundo da lâmina 150 até a região de topo onde o ponto de conexão com o corpo de broca de perfuração está localizado. Ter múltiplas seções pode ter o benefício de substituir mais facilmente a fiação e/ou o elemento de corte instrumentado mediante remoção de um segundo para acessar e desconectar a fiação.

[0061] A Figura 15B é uma vista em seção transversal parcial simplificada da Figura 15A. Diversos detalhes da broca de perfuração para perfuração de solo 100 são omiítidos para mostrar mais claramente o conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200 que se estende pelo menos parcialmente através da lâmina 150 para se alinhar com a porção da primeira seção 252 do sistema de condutos 250 que se estende pelo menos parcialmente para dentro do lado traseiro da lâmina 150 a fim de receber a fiação condutora. Como a segunda seção 254 do sistema de condutos 250 se alinha com as passagens internas na porção superior da broca de perfuração 100, uma vedação 252 pode ser colocada naquele ponto de conexão. Uma terceira seção 260 do sistema de condutos 250 pode estar localizada dentro da haste 120 e se alinhar com a porção superior da segunda seção 254 na vedação 258 ou próxima à mesma para orientar adicionalmente a fiação até o módulo de coleta de dados.

[0062] As Figuras 16A e 16B são vistas em seção transversal laterais de uma porção de uma broca de perfuração para perfuração de solo em vários estágios de fabricação que ilustam um método para conectar o elemento de corte instrumentado 200 ao módulo de coleta de dados. Primeiro com referência à Figura 16A, o elemento de corte instrumentado 200 pode ser inserido em um bolso 265 da lâmina 150. A parte traseira do bolso 265 pode incluir também uma abertura 270 que se estende através da lâmina 150. Dessa forma, antes de inserir o elemento de corte instrumentado 200, a lâmina 150 pode ter um bolso aberto 265 que tem um tamanho e formato suficientes para receber o elemento de corte instrumentado 200 e uma abertura 270 que se estende da parte traseira do bolso 265 através de toda a lâmina 150 que tem um tamanho e formato suficientes para receber o conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200.

[0063] O conduto 208 fixado ao elemento de corte instrumentado 200 e o fio condutor correspondente 210 podem ser inseridos na abertura 270 da lâmina 150. Um tubo-guia temporário 280 pode também ser inserido através do lado traseiro da abertura 270 para facilitar o rosqueamento do fio condutor 210 e do conector 220 para passagem completa através da lâmina 150. O conduto 208 e o tubo-guia 280 podem servir também para proteger o fio condutor 210 da chama durante processo de brasagem. O elemento de corte instrumentado 200 pode, então, ser afixado à lâmina, como através de um processo de brasagem. O local do conduto 208 no centro do eixo geométrico do elemento de corte instrumentado 200 e a abertura 270 que está localizada no centro do bolso 265 podem permitir que o elemento de corte instrumentado 200 seja girado durante o processo de brasagem.

[0064] Com referência à Figura 16B, o tubo-guia temporário 280 (Figura 16A) pode ser removido e, então, substituído pelo sistema de condutos 250 que pode ser inserido na abertura 270 da lâmina para se alinhar com o conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200. O sistema de condutos 250 recebe o fio condutor 210 e o conector correspondente 220. Embora a Figura 16B mostre um vão substancial dentro da abertura 270 da lâmina 150 e do conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200, é contemplado que o vão entre a porção do sistema de condutos 250 dentro da abertura 270 e o conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200 seja mínimo. Em algumas modalidades, a porção do sistema de condutos 250 se estende dentro da abertura 270 e do conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200

[0065] O conector 220 pode se acoplar ao outro conector 260 e à fiação condutora correspondente para estender adicionalmente a trajetória dos sinais a serem transmitidos através do sistema de condutos 250 para dentro da broca de perfuração 100 e adicionalmente para a unidade de aquisição de dados. O sistema de condutos 250 pode se estender ao longo da porção externa da lâmina 150 através da fenda não solicitada 152 e se acoplar à broca de perfuração em um ponto de conexão com a vedação 252. O material condutor estendido pode ser adicionalmente direcionado dentro da broca de perfuração para alcançar o módulo de coleta de dados.

[0066] Conforme discutido acima, o sistema de condutos 250 pode incluir múltiplas seções 252, 254 que podem ser acopladas em conjunto em diferentes juntas. Por exemplo, a primeira seção 252 pode se estender para dentro da abertura 270 formada dentro da lâmina 150 e flexionar ao longo da superfície externa do lado traseiro da lâmina 150. A primeira seção 252 pode se conectar à segunda seção de 254 na junta 255 e continuar a se estender acima da superfície do corpo de broca até um ponto de conexão para entrar, adicionalmente, no corpo de broca. Caso se torne desejável remover (ou substituir) o elemento de corte instrumentado 200, uma ou mais seções do sistema de condutos podem ser removidas (por exemplo, desconectadas em uma das juntas) e os conectores 220, 260 podem ser desconectados um do outro. O elemento de corte instrumentado 200 pode ser removido do bolso 265 da lâmina 150 por meio de um processo de remoção de brasagem, sendo que após isso o elemento de corte instrumentado 200 juntamente com seu conduto 208 e fio condutor 210 podem ser removidos e substituídos por um elemento de corte instrumentado configurado de maneira similar. O novo conector do novo elemento de corte instrumentado pode, então, ser acoplado ao conector 260, e a primeira seção 252 do sistema de condutos pode ser fixada novamente à segunda seção 254 e presa na lâmina 150.

[0067] Em algumas modalidades, o conduto 208 do elemento de corte instrumentado pode ter um comprimento que se estende completamente pela abertura da lâmina 150, de modo que a primeira seção 252 do sistema de condutos 250 não precisa se estender para dentro da abertura 270. Como resultado, uma junta de canto pode ser acoplada na abertura 270 ou próximo a ela para acoplar o conduto 208 do elemento de corte instrumentado 200 e a primeira seção 252 do sistema de condutos 250.

[0068] A Figura 17 é uma vista em seção transversal lateral de uma porção de uma broca de perfuração para perfuração de solo que mostra outro método para prender o elemento de corte instrumentado 200 de acordo com outra modalidade da revelação. Nesse exemplo, um pino de retenção 275 pode ser uma liga com memória de formato implantada dentro do substrato 202 e também dentro da lâmina 150. Dessa forma, a brasagem do elemento de corte 200 na lâmina 150 pode não ser necessária. O pino de retenção 275 pode ser fixado ao substrato 202, e o fio condutor 210 pode ser direcionado ao redor do pino de retenção 275. Como resultado, o fio condutor 210 pode não ser direcionado através do centro do substrato 202. Em vez disso, o fio condutor 210 pode ser direcionado através de uma trincheira ao longo do perímetro externo do substrato 202 para se alinhar com uma abertura correspondente 270 na lâmina 150. Em algumas modalidades, o pino de retenção 275 pode ter um canal formado no mesmo, de modo que o fio condutor 210 pode ser rosqueado através do pino de retenção 275.

[0069] A Figura 18 é uma vista em seção transversal lateral de uma porção de uma broca de perfuração para perfuração de solo que mostra outro método para prender o elemento de corte instrumentado 200 de acordo com outra modalidade da revelação. Nesse exemplo, uma camada de suporte de aço 282 secundária pode ser formada no fundo do substrato 202. A camada de suporte de aço 282 pode facilitar a prisão do elemento de corte instrumentado 200 à lâmina 150 por meio de um parafuso de aço 285 ou outro mecanismo de fixação.

[0070] A Figura 19 é um diagrama esquemático simplificado de uma porção da broca de perfuração para perfuração de solo de acordo com outra modalidade da revelação. Em particular, o conduto do elemento de corte instrumentado 200 não se estende completamente através da lâmina 150 como em exemplos anteriores. Em vez disso, a lâmina inclui uma cavidade na qual um transmissor sem fio 290 acoplado ao elemento de corte instrumentado 200 é alojado. O transmissor sem fio 290 é configurado para transmitir sem fio os dados de medição para o módulo de coleta de dados 130 durante as operações de perfuração, como por meio de radiofrequência (RF), Wi-Fi, BLUETOOTHO, comunicação de campo próximo (NFC -"near-field communication") e outros padrões de comunicação sem fio e protocolos.

[0071] A Figura 20 é um diagrama esquemático simplificado de uma porção da broca de perfuração para perfuração de solo de acordo com outra modalidade da revelação. Em particular, o transmissor sem fio 290 é incorporado ao elemento de corte instrumentado 200. Por exemplo, o transmissor sem fio 290 pode ser incorporado ao material de enchimento e inserido na trincheira lateral e/ou na cavidade durante a fabricação ao inserir o sensor e outra fiação. Com referência à Figura 19, o transmissor sem fio 290 é configurado para transmitir sem fio os dados de medição para o módulo de coleta de dados 130 durante as operações de perfuração.

[0072] A Figura 21 é um gráfico 2100 que mostra dados de medição indicativos da relação entre a temperatura de cortador 2102 medida e a taxa de penetração (ROP - "rate of penetration") 2104 da ferramenta de perfuração durante uma operação de perfuração. Conforme aparente através da Figura 21, a temperatura de cortador medida 2102 e a ROP 2104 estão correlacionadas nos dados de teste, de modo que, durante a operação, a medição da temperatura de cortador 2102 através do elemento de corte instrumentado possa ser transmitida pelo fio condutor e, por fim, até o módulo de coleta de dados para processamento e análise adicionais. Nesse exemplo, a temperatura de cortador 2102 pode ser convertida (por exemplo, através de uma tabela de consulta, fórmula de conversão, etc.) em uma ROP 2104 que pode ser exibida a um operador. Dados adicionais podem também ser derivados dos dados de temperatura ou de outros dados de sensor que dependem do tipo de sensor, incluindo, por exemplo, progressão de marca de desgaste, propagação de rachadura, características (por exemplo, dureza, porosidade, composição de material, torque, vibração, etc.) da formação subterrânea ou outros dados de medição.

[0073] Modalidades exemplificadoras não limitadoras adicionais da presente revelação são apresentadas abaixo.

[0074] Modalidade 1: Um elemento de corte instrumentado para uma ferramenta de perfuração de solo que compreende: uma base de substrato; uma camada de diamante disposta sobre a base de substrato; um sensor disposto dentro da camada de diamante, sendo que o sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição de furo de poço, uma condição de formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo; um fio condutor acoplado ao sensor e disposto dentro de uma trincheira lateral. formada dentro da base de substrato; e ao menos um dentre um material de cobertura disposto para cobrir a trincheira lateral ou um material de enchimento disposto dentro da trincheira lateral.

[0075] Modalidade 2: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 1, sendo que o material de enchimento é selecionado do grupo que consiste em adesivos metálicos, adesivos cerâmico-metálicos, adesivos cerâmicos, cola de silicato de alta temperatura, epóxis e pastas.

[0076] Modalidade 3: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 1 ou modalidade 2, sendo que o sensor é selecionado dentre o grupo que consiste em um termopar, um termistor, um sensor químico, um transdutor acústico, um detector de gama, um sensor dielétrico, um sensor de resistividade, um detector de temperatura resistivo (RTD) e um sensor piezorresistivo.

[0077] Modalidade 4: O elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das modalidades 1 a 3, que compreende adicionalmente ao menos um sensor adicional disposto na camada de diamante.

[0078] Modalidade 5: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 4, sendo que o sensor e o pelo menos um sensor adicional são deslocados um do outro em diferentes planos em relação a uma superfície de corte da camada de diamante.

[0079] Modalidade 6: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 4, sendo que o sensor e o pelo menos um sensor adicional são posicionados em um mesmo plano em relação a uma superfície de corte da camada de diamante.

[0080] Modalidade 7: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 6, sendo que o sensor e o pelo menos um sensor adicional são posicionados em canais na camada de diamante que se estendem paralelos uns aos outros.

[0081] Modalidade 8: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 6, sendo que o sensor e o pelo menos um sensor adicional são posicionados em canais na camada de diamante que são angulados entre si.

[0082] Modalidade 9: O elemento de corte instrumentado, de acordo com a modalidade 6, sendo que o sensor e o pelo menos um sensor adicional são posicionados em canais curvos adjacentes a uma borda periférica da camada de diamante.

[0083] Modalidade 10: O elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das modalidades 1 a 9, sendo que o sensor é posicionado em um canal situado em uma porção central da camada de diamante.

[0084] Modalidade 11: O elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das modalidades 1 a 10, sendo que o sensor é posicionado em um canal uniforme que tem uma razão de aspecto maior que 20:1.

[0085] Modalidade 12: O elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das modalidades 1 a 11, que compreende adicionalmente um conduto disposto em uma porção traseira do substrato com o fio condutor passando através da trincheira lateral e através do conduto tendo um conector em uma extremidade do fio condutor.

[0086] Modalidade 13: Um método de formação de uma ferramenta de perfuração de solo, sendo que o método compreende: formar uma base de substrato e uma camada de diamante com um inserto de metal embutido para um elemento de corte instrumentado; formar um canal na camada de diamante em resposta à lixiviação de pelo menos uma porção da camada de diamante para remover o inserto de metal embutido; formar uma trincheira lateral dentro de pelo menos uma porção lateral da base de substrato para um espaço aberto contíguo com o canal; inserir um sensor no canal e um fio condutor associado na trincheira lateral, sendo que o sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição de furo de poço, uma condição de formação, ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo; e dispor ao menos um dentre um material de enchimento na trincheira lateral ou um material de cobertura que cobre a trincheira lateral.

[0087] Modalidade 14: O método, de acordo com a modalidade 13, sendo que a formação da base de substrato e da camada de diamante inclui a sinterização de um pó de diamante com o inserto de metal embutido durante um processo HTHP.

[0088] Modalidade 15: O método, de acordo com a modalidade 14, que compreende adicionalmente incorporar dois ou mais insertos de metal no pó de diamante antes do processo HTHP.

[0089] Modalidade 16: O método, de acordo com a modalidade 15, sendo que os dois ou mais insertos de metal são fios de metal que têm características diferentes.

[0090] Modalidade 17: O método, de acordo com a modalidade 16, sendo que as características diferentes incluem um ou mais dentre um formato diferente, um comprimento diferente ou um diâmetro diferente.

[0091] Modalidade 18: O método, de acordo com qualquer uma das modalidades 13 a 17, que compreende adicionalmente: formar uma cavidade no interior de uma porção inferior da base do substrato; e inserir e prender um conduto à base de substrato.

[0092] Modalidade 19: O método, de acordo com a modalidade 18, sendo que a formação da trincheira lateral e a formação da cavidade são executadas por ao menos um dentre um processo de remoção a laser ou usinagem por descarga elétrica.

[0093] Modalidade 20: Uma ferramenta de perfuração de solo que compreende: um corpo que inclui pelo menos uma lâmina que tem uma abertura que se estende através da mesma; um elemento de corte instrumentado preso a pelo menos uma lâmina, sendo que o elemento de corte instrumentado compreende: uma base de substrato; uma camada de diamante disposta na base de substrato; um sensor disposto na camada de diamante, sendo que o sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição de furo de poço, uma condição de formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo; um fio condutor acoplado ao sensor e disposto em uma trincheira lateral formada na base de substrato; e pelo menos um material de enchimento disposto na trincheira lateral ou material de cobertura cobrindo a trincheira lateral.

[0094] Modalidade 21: Um método de operação de uma ferramenta de perfuração de solo, sendo que o método compreende: obter dados de medição com um sensor embutido em uma camada de diamante de um elemento de corte instrumentado durante uma operação de perfuração em uma formação de terra subterrânea, os dados de dados medição indicativos de ao menos uma característica indicativa de uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição de furo de poço, uma condição de formação, ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo; transmitir os dados de medição para um módulo de coleta de dados através de um fio condutor acoplado ao sensor e que passa através de uma trincheira lateral preenchida com material de enchimento ou coberta por um material de cobertura; e determinar a ao menos uma característica através de análise dos dados de medição pelo módulo de coleta de dados.

[0095] Embora a descrição anteriormente mencionada contenha diversas especificidades, essas não devem ser interpretadas como limitadas ao escopo da presente revelação, mas são meramente para fornecer certas modalidades exemplificadoras. De modo similar, outras modalidades da revelação podem ser desenvolvidas, as quais não se afastam do escopo da presente revelação. Por exemplo, recursos descritos no presente documento com referência a uma modalidade também podem ser fornecidos em outras modalidades aqui descritas. O escopo da revelação é, portanto, indicado e limitado apenas pelas reivindicações anexas e seus equivalentes legais, e não pela descrição anteriormente mencionada.

Claims (15)

REIVINDICAÇÕES

1. Elemento de corte instrumentado para uma ferramenta de perfuração de solo, caracterizado por compreender: uma base de substrato; uma camada de diamante disposta sobre a base de substrato; um sensor disposto na camada de diamante, sendo que o sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos um dentre uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição do furo de poço, uma condição da formação ou uma condição da ferramenta de perfuração de solo; um fio condutor acoplado ao sensor e disposto em uma trincheira lateral formada no substrato de base; e pelo menos um dentre um material de cobertura disposto para cobrir a trincheira lateral ou um material de enchimento dispostos na trincheira lateral.

2. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o material de enchimento ser selecionado do grupo que consiste em adesivos metálicos, adesivos cerâmico-metálicos, adesivos cerâmicos, cola de silicato de alta temperatura, epóxis e pastas.

3. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sensor ser selecionado do grupo que consiste em um termopar, um termistor, um sensor químico, um transdutor acústico, um detector de gama, um sensor dielétrico, um sensor de resistividade, um detector resistivo de temperatura (RTD) e um sensor piezorresistivo.

4. Elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente ao menos um sensor adicional disposto na camada de diamante.

5. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o sensor e o pelo menos um sensor adicional serem deslodados um do outro em diferentes planos em relação a uma superfície de corte da mesa de diamante.

6. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o sensor e o pelo menos um sensor adicional serem posicionados em um mesmo plano em relação a uma superfície de corte da camada de diamante.

7. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o sensor e o pelo menos um sensor adicional serem posicionados em canais na mesa de diamante que se estendem paralelos uns aos outros.

8. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o sensor e o pelo menos um sensor adicional serem posicionados em canais na mesa de diamante que angulados entre si.

9. Elemento de corte instrumentado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o sensor e o pelo menos um sensor adicional serem posicionados em canais curvos adjacentes a uma borda periférica da camada de diamante.

10. Elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o sensor ser posicionado em um canal situado em uma porção central da camada de diamante.

11. Elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o sensor ser posicionado em um canal uniforme que tem uma razão de aspecto maior que 20:1.

12. Elemento de corte instrumentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente um conduto disposto em uma porção traseira do substrato com o fio condutor passando através da trincheira lateral e através do conduto tendo um conector em uma extremidade do fio condutor.

13. Ferramenta de perfuração de solo caracterizada por compreender: um corpo incluindo pelo menos uma lâmina; e um elemento de corte instrumentado conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3 preso à pelo menos uma lâmina.

14. Ferramenta de perfuração de solo caracterizada por compreender: formar uma base de substrato e uma camada de diamante com um inserto metálico embutido para um elemento de corte instrumentado; formar um canal na camada de diamante em resposta à lixiviação de pelo menos uma porção da camada de diamante para remover o inserto metálico embutido; formar uma trincheira lateral em pelo menos uma porção lateral da base de substrato para formar um espaço contíguo aberto com o canal;

inserir um sensor no canal e um fio condutor associado na trincheira lateral, sendo que o sensor é configurado para obter dados relacionados a pelo menos um parâmetro relacionado a pelo menos uma condição de diagnóstico do elemento de corte, uma condição de perfuração, uma condição do furo de poço, uma condição da formação ou uma condição da ferramenta de perfuração do solo; e dispor pelo menos um dentre um material de enchimento na trincheira lateral ou um material de cobertura cobrindo a trincheira lateral.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a formação da base de substrato e da camada de diamante incluir a sinterização de um pó de diamante com o inserto metálico embutido durante um processo HTHP.