CN101611211A - 用于收集钻头性能数据的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了钻头和用于采样与钻头的状态相关联的传感器数据的方法。用于钻井地下岩层的钻头(200)包括钻头主体(240)和柄(210)。柄进一步包括通过柄的内径形成并被配置用于容纳数据分析模块(290)的中心孔(280)。数据分析模块包括多个传感器、存储器和处理器(300)。处理器被配置用于执行计算机指令以通过采样多个传感器来收集传感器数据，分析传感器数据以导出程度索引，比较该传感器数据与至少一个自适应阈值，并响应于该比较修改数据采样模式。一种方法包括通过在各个采样模式中采样与钻头状态相关联多个物理参数并在那些采样模式之间变换来收集传感器数据。

Description

用于收集钻头性能数据的方法和设备

优先权声明

本申请要求于2007年2月16日提交的美国专利申请序号11/708,147的提交日期的权益，其名为“METHOD AND APPARATUSFOR COLLECTING DRILL BIT PERFORMANCE DATA”，且该申请是于2005年6月7日提交的“METHOD AND APPARATUS FORCOLLECTING DRILL BIT PERFORMANCE DATA”的美国专利申请序号11/146,934的部分继续申请。

技术领域

本发明总的来说关于用于钻探地下岩层的钻头，且更具体地说关于用于在钻探操作期间监控钻头的操作参数的方法和设备。

背景技术

油气产业消耗了相当大的金额来设计切削工具，比如包括牙轮钻头和固定切削刃钻头的井下钻头，其具有相对长的服务寿命，具有相对少发生的故障，具体地说，消耗了可观的金额来以如下方式设计和制造牙轮钻头和固定切削刃钻头，所述方式是在钻探操作期间使得灾难性的钻头故障的可能最小化。在钻探操作期间从固定切削刃钻头损失牙轮钻头或多晶金刚石复合片(PDC)可能妨碍钻探操作，且在最坏的情况下，需要更昂贵的打捞操作。如果打捞操作失败，必须执行侧线钻探操作以在包括损失的牙轮钻头或PDC切割器的井眼部分周围钻探。典型地，在钻探操作期间，即使可以从被替换的钻头获得很多服务，也要拉起钻头，并以新的钻头代替。这些井下钻头的为时过早的替换是昂贵的，因为出井的每个过程延长了整体的钻井活动，并耗费可观的人力，但是不得不进行以避免更具破坏性的和昂贵的处理，在最好的情况下，如果由于钻头故障损失了一个或多个锥形头或复合片，则所述昂贵的处理是拉出钻柱并替换钻头或打捞以及侧钻操作。

对于井下钻井系统动态数据的不断增加的需要，已经设计并在钻柱中安装了许多“附件”(即，并入钻头以上的钻柱并用于收集的关于钻探参数的数据的辅助配件)。不幸地，由于将被物理地放置在钻头本身以上，这些附件不能提供关于在钻头处的操作发生了什么的实际数据。

通常通过在井底钻具组合(BHA)中安装附件来实现数据获取，该井底钻具组合可能远离钻头几米到数十米。从远离钻头的附件收集的数据可能不能精确地反映在钻井发生时在钻头处直接地发生了什么。常常，数据的缺乏导致没有直接的有关事实或数据来与钻头的性能相互关联来推测什么可能使得钻头故障或为什么钻头执行得如此好。

近来，已经提出将数据获取系统安装在钻头本身中。但是，来自这些系统的数据收集、存储和报告受到限制。另外，在钻头中的现有的数据收集不具有如下性能，即，所述性能是当可能感兴趣的钻井事件发生时允许以更详细的数据收集和分析的方式适用于这些事件。

需要装备以收集和存储关于钻头的性能和状况的长期数据的钻头。这种钻头可以延长有用的钻头寿命，使得能够在多个钻探操作中再次使用钻头，并且在现有的钻头上发展钻头性能数据，这对开发将来的钻头改善也是有用的。

发明内容

本发明包括钻头和设置在钻头内的数据分析系统，其用于分析使用各种自适应数据采样模式从与钻头性能相关的物理参数采样的数据。

在本发明的一个实施例中，用于钻探地下岩层的钻头包括钻头主体、柄、数据分析模块和端帽。钻头主体携带至少一个切削元件(也被称为刀刃或切割器)。将柄固定到钻头主体，其适于与钻柱耦合，且包括穿过该柄形成的中心孔。可以在环形圈中配置数据分析模块，以使得可以将其设置在中心孔中，同时允许钻井流体通过该中心孔。最后，将端帽配置为设置在中心孔中，以使得端帽具有在其周围设置的数据分析模块的环形圈，并通过在端帽和中心孔的壁之间提供密封结构来提供用于数据分析模块的腔室。

本发明的另一实施例包括用于钻探地下岩层的设备，其包括钻头和设置在钻头中的数据分析模块。钻头携带至少一个刀刃或切割器并适宜与钻柱耦合。数据分析模块包括至少一个传感器、存储器和处理器。至少一个传感器被配置用于感应至少一个物理参数。存储器被配置用于存储包括计算机指令和传感器数据的信息。处理器被配置用于执行计算机指令以通过采样该至少一个传感器来收集传感器数据。计算机指令进一步被配置为分析传感器数据从而导出程度索引，比较该程度索引与至少一个自适应阈值，并响应于该比较修改数据采样模式。

本发明的另一实施例包括一种方法，其包括通过采样设置在钻头中的至少一个传感器来以采样频率收集传感器数据。在该方法中，至少一个传感器响应于与钻头状态相关联的至少一个物理参数。该方法进一步包括分析传感器数据以导出程度索引，其中由设置在钻头中的处理器执行分析。该方法进一步包括比较程度索引与至少一个自适应阈值，并响应于该比较修改数据采样模式。

本发明的另一实施例包括一种方法，其包括在处于后台模式中时通过以后台采样频率来采样与钻头状态相关联的至少一个物理参数来收集后台数据。该方法进一步包括在预定数目的后台采样之后从后台模式变换到测井模式。该方法还可以包括在预定数目的后台采样之后从后台模式变换到突发模式。该方法还可以包括在预定数目的测井采样之后从测井模式变换为后台模式或突发模式。该方法还可以包括在预定数目的突发采样之后从突发模式变换为后台模式或测井模式。

本发明的另一实施例包括一种方法，其包括在处于后台模式中时通过采样与钻头状态相关联的至少一个物理参数来收集后台数据。该方法进一步包括分析后台数据以导出后台程度索引，并如果后台程度索引大于第一后台阈值，则从后台模式变换为测井模式。该方法还可以包括如果后台程度索引大于第二后台阈值，则从后台模式变换为突发模式。

附图说明

图1图示了用于执行钻探操作的现有的钻井平台；

图2是现有的矩阵类型的刮刀钻头(rotary drag bit)的透视图；

图3A是利用端帽容纳电子模块的实施例的柄的透视图；

图3B是柄和端帽的横截面图；

图4是配置为使得能够形成为适于配置在图3A和3B的柄中的环形圈的柔性电路板的电子模块的实施例的图；

图5A-5E图示了钻头的透视图，其示出了其中电子模块、传感器或其组合可以位于其中的钻头中的实例布置；

图6是根据本发明的数据分析模块的实施例的框图；

图6A示出了多个加速表的放置，通过举例的方式，其可以用于冗余、轨迹分析及其组合；

图6B示出了从温度传感器采样的数据的实例；

图6C是示出在钻头的端盖中放置压力激活开关的实施例的透视图；

图6D是图6C的压力激活开关的固定部件部分的透视图；

图6E是包括接合在其上的应变仪的负载单元的透视图；

图6F是示出在钻头主体中的负载单元的放置的实施例的透视图；

图7A是示出了各种数据采样模式和依据基于时间的事件触发在各模式之间的变换的时序图的实例；

图7B是示出了各种数据采样模式和依据基于自适应阈值的事件触发在各模式之间的变换的时序图的实例；

图8A-8H是示出了根据本发明，在从各种传感器采样值、保存采样的数据和分析采样的数据以确定自适应阈值事件触发时数据分析模块的操作的实施例的流程图；

图9示出了沿着旋转笛卡儿坐标系统的两个轴从磁强传感器采样的数据的实例；

图10示出了沿着笛卡儿坐标系统的三个轴从加速传感器和磁强传感器采样的数据的实例，该三个轴关于钻头是静态的，但是关于静止的观察者是旋转的；

图11示出了从加速传感器采样的数据，从采样数据的分析推导的沿着Y轴的加速计数据方差，和从采样的数据的分析推导的沿着Y轴的加速计自适应阈值的实例；

图12示出了从加速传感器采样的数据，从采样数据的分析推导的沿着X轴的加速计数据方差，和从采样的数据的分析推导的沿着X轴的加速计自适应阈值的实例；

图13示出了根据本发明的波形，以及波形的期望的时间编码信号处理和识别(TESPAR)编码；

图14示出了根据本发明的用于可能编码的采样数据的期望的TESPAR字符；

图15是对于给定波形的TESPAR码元出现的直方图；

图16示出了根据本发明可以用于TESPAR编码数据的模式识别的神经网络配置；和

图17是示出了根据本发明的使用TESPAR字符用于采样数据的编码和模式识别的期望的软件流程。

具体实施方式

本发明包括钻头和设置在钻头内的电子模块，所述电子模块使用各种自适应数据采样模式用于根据关于钻头性能的物理参数分析采样的数据。

图1描绘了用于执行地下钻探操作的现有的设备的实例。钻井平台110包括铁架塔112、铁架塔底座114、绞车116、吊钩118、泥浆喷嘴120(swivel)、Kelly接头122和转盘124。包括钻杆部分142和钻铤部分144的钻柱140从钻井平台110向下延伸到钻孔100中。钻杆部分142可以包括连接在一起的多个管型钻杆部件或缆绳，且钻铤(drill collar)部分144可以同样地包括多个钻铤。另外，钻柱140可以包括测量并同时钻井(MWD)的测井子配件和合作泥浆脉冲遥测数据传输子配件，其被共同地称为MWD通信系统146，钻柱140也可以包括为本领域技术人员所知的其他通信系统。

在钻探操作期间，钻井流体从泥浆池160通过泥浆泵162、通过波动消除器(desurger)164和通过泥浆供应管线166循环到泥浆喷嘴120中。钻井泥浆(也被称为钻井流体)流过Kelly接头122并流入钻柱140中的轴向中心孔。最终，其通过位于钻头200中的、连接到钻柱140的位于钻铤部分144以下的最下部分的孔或喷管排出。钻井泥浆通过在钻柱140的外表面和钻孔100的内表面之间的环形空间向上回流，以循环到表面，在表面处，其通过泥浆返回管线168返回到泥浆池160。

振动筛(没有示出)可以用于在钻井泥浆返回到泥浆池160之前将地层岩屑与钻井泥浆分离。MWD通信系统146可以在进行钻探操作的同时，利用泥浆脉冲遥测技术从井下位置将数据传递到地表。为在地表接收数据，提供泥浆脉冲转换器170与泥浆供应管线166通信。该泥浆脉冲转换器170响应于泥浆供应管线166中的钻井泥浆的压力变化产生电信号。由地表导体172将这些电信号发送到地表电子处理系统180，所述地表电子处理系统通常是具有用于执行程序指令的中央处理单元的数据处理系统，并且用于响应于通过键盘或者图形指点设备输入的用户命令。提供泥浆脉冲遥测系统用于将由通常位于MWD通信系统146内的测井和测量系统检测的多个井下状况有关的数据传递到表面。由通常位于MWD通信系统146内的设备产生定义向地表传送数据的泥浆脉冲。这种设备典型地包括压力脉冲发生器，其在包含于仪表壳体中的电子控制之下操作以允许钻井泥浆通过延伸通过钻铤壁的孔口排放。每次压力脉冲发生器引起这种排放，就发送负压脉冲以由泥浆脉冲转换器170接收。可选的现有配置产生并发送正压脉冲。如现有的，循环的钻井泥浆还可以提供用于可以位于井底钻具组件(BHA)附近的涡轮机驱动发生器子配件(没有示出)的能量源。涡轮机驱动发生器可以产生用于压力脉冲发生器和用于包括形成测量并同时钻井的工具的操作组件的那些电路的各种电路的电能。作为电能的替换或辅助源，可以提供电池，特别地作为涡轮机驱动发生器的备用。

图2是固定的切割器，或所谓的“切削型”钻头等的钻头200的实例的透视图。通常，钻头200包括在在钻头200的上外延处的柄210处的索，用于连接到钻柱140中(图1)。在通常与柄210相对端处的至少一个刀刃220(示出复数个)可以配置有多个自然的或人造的钻石(聚晶金刚石复合片)PDC切割器225，其沿着刀刃220的旋转引导面布置，由此当钻头200在施加的钻压(WOB)下在钻孔100中旋转时，有效地使得岩层材料瓦解。计量器衬垫表面230从每一刀刃220向上延伸，在钻头200的钻探操作期间接近于，且通常接触钻孔100的侧壁(图2)。术语为“排屑槽”的多个沟道240在刀刃220和计量器衬垫表面230之间延伸，以提供用于除去由PDC切割器225形成的岩层碎片的清除区域。

在钻头200的计量器衬垫表面230上提供多个计量器插头235。在钻头200的计量器衬垫表面230上的剪切计量器插头235提供了在钻孔100的侧壁处主动地剪切岩层材料的能力，并在固定切割器等的钻地钻头中提供了改善的计量器保持性能。将钻头200说明为PDC(聚晶金刚石复合片)钻头，但是计量器插头235可以同样地用于包括用于与钻孔100的侧壁接合的计量器衬垫表面230的其他固定切割器或切削型钻头。

本领域技术人员将认识到本发明可以具体表现为各种钻头类型。如在本领域中已知的，本发明在三锥或牙轮钻头旋转钻头或其他地下钻具的背景下也具有有效性，其在使用期间可以采用喷管以传递钻井泥浆到切削结构。因此，如在这里使用的，术语“钻头”包括并包含任意和所有的旋转钻头，包括核心钻头，牙轮钻头，固定切割器钻头；包括但不限于PDC，天然钻石，热稳定生产(TSP)的人造钻石，和镶钻石钻头，偏心钻头，双心钻头，钻孔器，钻孔扩眼器以及配置用于容纳电子模块290的其他钻地工具。

图3A和3B示出了固定到钻头200(没有示出)的柄210，端帽270的实施例，和电子模块290的实施例(在图3B中没有示出)。柄210包括形成通过柄210的纵轴的中心孔280。在现有的钻头200中，该中心孔280被配置用于允许钻井泥浆通过其流动。在本发明中，对中心孔280的至少一部分给予足以容纳大体上以环形圈配置的电子模块290的直径，而不实质上影响柄210的结构完整性。因此，可以将电子模块290放置在中心孔280之下、端帽270周围，该端帽270贯穿电子模块290的环形圈的内径，从而与中心孔280的壁一起创建液密环形腔260(图3B)，并将电子模块290密封在柄210内的适当位置。

端帽270包括穿过该端帽形成的帽钻孔276，以使得钻井泥浆可以流过端盖，通过柄210的中心孔280到柄210的另一侧，且然后进入钻头200的主体。另外，端帽270包括在端帽270的下端附近、包括第一密封环272的第一凸缘271，以及在端帽270的上端附近的、包括第二密封环274的第二凸缘273。

图3B是设置在柄中而没有电子模块290的端帽270的截面图(图4)，示出了在第一凸缘271、第二凸缘273、端帽主体275和中心孔280的壁之间形成的环形腔260。第一密封环272和第二密封环274在端帽270和中心孔280的壁之间形成保护性的液密密封，以保护电子模块290(图4)免受不利的环境状况的影响。由第一密封环272和第二密封环274形成的保护性密封还可以被配置为将环形腔260维持在近似的大气压力。

在图3A和3B所示的实施例中，第一密封环272和第二密封环274由适于高压、高温环境的材料形成，例如，与PEEK支承环组合的氢化丁腈橡胶(HNBR)O-环。另外，可以以多种连接机制将端帽270固定到柄210，例如，分别使用第一和第二密封环272和274的固定压配合，螺纹连接，环氧连接，形状记忆合金保持器，焊接和铜焊。本领域一般技术人员将认识到由于在钻探操作期间的差压和向下的泥流，通过相对简单的连接机制可以非常稳固地将端帽270保持在适当位置。

如图3A的实施例所示配置的电子模块290可以被配置为柔性电路板，使得能够将电子模块290形成为适于在端帽270周围设置并进入中心孔280的环形圈。以图4的平坦伸直的配置显示该电子模块290的柔性电路板实施例。该柔性电路板292包括高强度的加强骨干(backbone)(没有示出)，用以向比如加速计的传感器提供加速效果的可接受的传递性。另外，可以使用比如粘胶弹性粘着剂的材料，以适于在钻探操作期间至少部分地缓减钻头200经受的加速效果的方式将承载非传感器电子组件的柔性电路板292的其他区域连附于端帽270。

图5A-5E是示出了钻头的一部分的透视图，其示出了钻头200中的位置的实例，在所述钻头200中，电子模块290(图4)，传感器340和370(图6)，或其组合可以位于其中。图5A示出了固定到钻头主体231的图3的柄210。另外，柄210包括在中心孔280中形成的环形槽260A。该环形槽260A可以允许当端帽270(图3A和3B)设置就位时，将电子模块扩展到环形槽260A中。

图5A还示出了用于电子模块290、传感器340或其组合的两个其他的替换位置。具有序号的位于用于压钻头的椭圆凹陷(还可以被称为扭矩槽)之后的椭圆切割位置(oval cut out)260B可以被碾磨以容纳电子设备。然后可以盖住并密封该区域以保护电子设备。替代地，位于用于压钻头的椭圆凹陷中的圆形切割位置260C可以被碾磨以容纳电子设备，且然后被盖住和密封以保护电子设备。

图5B示出了柄210的选择性的配置，可以在柄210中形成圆形凹陷260D，并在圆形凹陷260D周围形成中心孔280，允许传送钻井泥浆。可以盖住和密封该圆形凹陷260D以保护圆形凹陷260D内的电子设备。

图5C-5E示出了形成在钻头200上的位置中的圆形凹陷(260E，260F，260G)。这些位置提供了用于电子组件的合理的空间量，且在刀刃方面仍维持可接受的结构强度。

电子模块可以被配置为执行各种功能。电子模块290(图4)的一个实施例可以被配置为数据分析模块，配置其用于以不同的采样方式对数据采样，以不同的采样频率对数据采样，并分析数据。

在图6中示出了数据分析模块300的实施例。数据分析模块300包括电源310、处理器320、存储器330和配置用于测量关于钻头状态的多个物理参数的至少一个传感器340，该钻头状态可以包括钻头状况，钻探操作状况和接近钻头的环境状况。在图6的实施例中，传感器340包括多个加速计340A，多个磁强计340M和至少一个温度传感器340T。

多个加速计340A可以包括以笛卡儿坐标布置配置的三个加速计340A。类似地，多个磁强计340M可以包括以笛卡儿坐标布置配置的三个磁强计340M。虽然可以在本发明的范围内定义任意的坐标系统，然而图3A所示的笛卡儿坐标系统的一个实例定义了沿着钻头200绕其旋转的纵轴的Z轴，垂直于Z轴的X轴，和垂直于Z轴和X轴两者的Y轴，由此形成了典型的笛卡儿坐标系统的三个正交轴。因为可以在旋转钻头200的同时使用数据分析模块300，并且钻头200处于垂直定向之外的定向，因此可以认为该坐标系统是关于钻井平台110(图1)的固定地表位置具有变化的定向的旋转笛卡儿坐标系统。

图6实施例的加速计340A在启用和采样时，提供沿着三个正交轴的至少一个的钻头200的加速度测量。数据分析模块300可以包括附加的加速计340A以提供冗余系统，其中可以响应于由处理器320执行的故障诊断，选择或取消选择各种加速计340A。此外，附加的加速计可以被用于确定关于钻头动态的附加信息和在区分横向加速度与角加速度时提供辅助。

图6A是钻孔内的钻头200的顶视图。如可以看到的，图6A示出了钻孔100内的钻头200的偏移，其可以由于除了绕转动轴的简单旋转以外的转头行为而发生。图6A还示出了多个加速计的放置，其中第一组加速计340A位于钻头主体内的第一位置且第二组加速计340A’位于钻头主体内的第二位置。通过举例的方式，第一组340A包括具有x，y和z加速计的第一坐标系统341，而第二组340A’包括具有x和y加速计的第二坐标系统341’。当然，其他实施例可以包括第二组加速计中的三个坐标以及单独的或在多个坐标组中的加速计的其他配置和定向。通过将第二组加速计放置在钻头200上的不同位置，在加速计组之间的差异可以用来区分横向加速度与角加速度。例如，如果两组加速计都位于离钻头200的旋转中心相同的半径处，且钻头200仅绕着旋转中心旋转，那么两个加速计组将经历相同的角旋转。但是，钻头可以经历更复杂的行为，例如，钻头涡动(whirl)，钻头摆动，钻头侧移和横向振动。这些行为包括与角运动结合的某些类型的横向运动。例如，如图6A所示，钻头200可以绕着它的旋转轴旋转，且同时，绕着钻孔200的较大圆周侧移。在这些类型的运动中，设置在不同位置的两组加速计将经历不同的加速度。通过适当的信号处理和数学分析，可以以附加的加速计更容易地确定横向加速度和角加速度。

此外，如果初始条件已知或可以估计出，则可以使用现有的数字分析技术，通过加速计数据的数学积分推导出钻头速度分布和钻头轨迹。如以下更全面地解释的，可以分析加速度数据，且使用该数据确定触发数据分析模块内的特定触发事件的自适应阈值。此外，如果集成加速度数据以获得钻头速度分布或钻头轨迹，则这些附加的数据集可能对通过直接应用数据集或通过例如模式识别分析的附加处理来确定附加的自适应阈值是有用的。通过举例的方式且非限制性的，可能基于在触发数据分析模块内的感兴趣的事件之前钻头可以偏心多远来设置自适应阈值。例如，如果钻头轨迹指示钻头偏离钻孔的中心多于一英寸(2.5厘米)，则可以调用来着传感器的收集数据的不同算法，如以下更全面地解释的。

图6实施例的磁强计340M在启用和采样时，提供沿着关于地球的磁场的三个正交轴的至少一个的钻头200的定向测量。数据分析模块300可以包括附加的磁强计340M用以提供冗余系统，其中可以响应于由处理器320执行的故障诊断选择或取消选择各种磁强计340M。

温度传感器340T可以用于收集关于钻头200的温度的数据，以及收集加速计340A、磁强计340M及其他传感器340附近的温度。温度数据对校准加速计340A和磁强计340M以使其在各种温度处更加精确可以是有用的。

可以包括其他可选的传感器340作为数据分析模块300的一部分。可能对本发明有用的传感器的一些非限制性实例是在钻头的各种位置的应变传感器，在钻头的各种位置的温度传感器，测量钻头内部的泥浆压力的泥浆(钻井流体)压力传感器，和测量钻头外部的流体流体静力压力的井眼压力传感器。传感器还可以被实施为检测泥浆特性，例如，检测对于交流和直流两者的电导率或阻抗的传感器，检测当泥流停止时流体从孔的流入量的传感器，检测泥浆特性的变化的传感器，和特征化比如基于合成物的泥浆和水基泥浆的泥浆特性的传感器。

这些可选的传感器340可以包括与数据分析模块300集成并配置为数据分析模块300的一部分的传感器。这些传感器还可以包括放置在钻头200的其他区域中、或在井底钻具组合中在钻头200之上的可选的远程传感器340。可选的远程传感器340可以使用直接连线连接，或通过无线连接在通信链路362两端与可选的传感器接收器360通信。传感器接收器360被配置为使能钻井环境中有限的距离两端的通信无线远程传感器通信——正如本领域一般技术人员已知的那样。

这些可选的传感器中的一个或多个可以用作启动传感器370。启动传感器370可以被配置用于检测至少一个启动参数，例如，泥浆的混浊度，并响应于该至少一个启动参数产生电源启用信号372。耦合在电源310和数据分析模块300之间的电源选通模块374可以用于当施加电源启用信号372时控制施加到数据分析模块300的功率。启动传感器370可能具有其自己的独立电源，比如小电池，用于在数据分析模块300不通电的时间期间对启动传感器370供电。对于另一个可选的远程传感器340，可以用于使得能够对数据分析模块300供电的参数传感器的一些非限制性实例是被配置为用于采样的传感器，采样的对象包括：在钻头的各种位置的应变，在钻头的各种位置的温度，振动，加速度，向心加速度，在钻头内的流体压力，在钻头外的流体压力，在钻头中的流体流动，流体阻抗，和流体混浊度。

通过举例的方式且非限制性，启动传感器370可以用于使得能够响应于流体的流体阻抗的变化对数据分析模块300供电，该流体例如是空气、水、油和钻井泥浆的各种混合物。这些流体特性传感器可以检测在暴露于流体的两端之间的DC电阻的变化，或在暴露于流体的两端之间的AC阻抗的变化。在另一实施例中，流体特性传感器可以检测在非常接近于、但是被保护不受流体影响的两端之间的电容变化。

例如，与典型的基于碳氢化合物的润滑剂比较，水可以具有较高的介电常数。例如，数据分析模块300，或其他适当的电子设备可以以交流电对传感器供能，并测量在其中的相移以确定电容，或作为选择地，以交流或直流电流对传感器供能，并确定电压降以测量阻抗。

另外，这些传感器中的至少一些可以被配置为产生用于操作的任意所需功率，以使得在传感器中自己产生独立的电源。通过举例的方式且非限制性的，振动传感器可以产生足够的功率以感应振动，并简单地从机械振动发送电源启用信号372。

作为启动传感器370实施例的另一实例，图6B示出了当钻头上下地穿过钻孔时从温度传感器采样的数据的实例，在图6B中，点342示出了当钻头在地表时感应的温度。随着持续时间343增加的温度表示当钻头在预先钻好的钻孔中向下移动时经历的温度升高。在点344，打开泥浆泵，且该图示出了钻头的温度相应下降到大约90℃。持续时间345示出了已经关闭泥浆泵且钻头正在部分地退出钻孔。持续时间346示出了钻头在部分地退出之后，再次向下穿透预先钻好的钻孔。点347示出了再次打开泥浆泵。最后，随着持续时间348稳定增加的温度表示当钻头达到额外的深度时的正常钻探。

如从图6B可以看出，在地表环境温度和底部井眼环境温度之间的感应的温差可以用作经由例如，通过功率控制器316(图6)启用附加传感器数据处理，或启用对附加传感器供电的启动点。温差是可供编程用于对于钻头期望的应用。例如，在运输期间的地表温度可以在从大约70°F(21.11℃)到105°F(40.55℃)的范围，在其中将打开附加特征的点的井下温度可以是大约175°F(61.58℃)。差值可以是大约70°F(21.11℃)，且将足够宽以确保防止错误的起动。当钻头200在孔中进入175°F(61.58℃)的区域时，可以自动地打开模块并开始收集数据。可以由绝对温度或由温差变化触发该激活。在触发模块之后，其可以在孔中被锁定或继续运行一段时间，或如果检测到足够大的温度下降，可以关闭附加的特征。在所述的实例中，并参考图6，温度传感器340T被配置为由以低功率配置运行的处理器采样，且处理器可以执行用于基于感应的温度启用附加的特征的决定。当然，如先前所述的，温度传感器可以是具有其自己的电源的启动传感器370(图6)，或不需要电源的传感器。在这些独立的配置中，启动传感器370(图6)可以被配置为经由功率选通模块374启动对整个300的供电。

作为另一实例，启动传感器370可以被配置为压力激活的开关。图6C是示出端帽270的凹口259中的压力激活开关250组件的可能的放置位置的透视图。压力激活开关包括固定的部件251，可变形部件252和位移部件256。在压力激活开关的该实施例中，将固定部件251圆柱地成形并可以被设置在圆柱形的凹口259中，并靠着凹口259内的壁架(没有示出)。可以将密封材料(没有示出)置于凹口259中在壁架和固定部件251之间以形成高压密封。另外，固定部件251包括在柱体的周界周围的第一环形沟道253。该第一环形沟道253还可以被称为密封套，其也可以填充有密封材料以帮助形成高压和不透水密封。

可变形部件252可以是各种器件或材料。通过举例的方式且非限制性的，可变形部件252可以是压电器件。压电器件可以被配置在固定部件251和位移部件256之间，以使得位移部件256的移动将力作用于压电器件上，引起压电材料两端的电压变化。附于压电材料的电极可以将信号耦合到数据分析模块300(图6)用于采用作为启动传感器370。压电器件可以由任意适当的压电材料形成，例如，锆钛酸铅(PZT)，钛酸钡或石英。

在图6C中，可变形部件252是当迫使位移部件256靠近固定部件251时稍微变形的O环。可以对于将进行接触的期望的压力选择O环的柔性，或硬度计。当然，在本发明的范围内可以想到例如弹簧的其他位移部件256。如图所示，可变形部件252位于固定部件251的顶面上。位移部件256可以被放置在可变形部件252的顶部上的凹口259中，以使得位移部件256可以在凹口259内关于固定部件251上下移动。将位移部件256圆柱地成形且包括在圆柱体周界周围的第二环形沟道257。该第二环形沟道257还可以被称为密封套，其也可以填充有密封材料以帮助形成高压和不透水密封。位移部件256用导电材料制成，或位移部件256的底面涂覆有导电材料。固定夹258可以被以将压力激活开关250配件在凹口259内保持就位的配置而被放置在凹口259中。

图6D是示出固定部件251的细节的透视图。固定部件251包括第一环形沟道253和可变形部件252。在该实施例中，固定部件251包括通过该固定部件的钻孔，以使得可以通过该钻孔设置引线263。引线263与在钻孔中设置的触点262耦合，且略微低于可变形部件252的最高点。钻孔可以填充有石英玻璃或其他适当的材料以形成高压密封。

在操作中，压力激活开关250可以被配置为当达到给定深度时，基于由压力激活开关250感应到的井眼压力，在钻头穿越下到底部井眼时激活数据分析模块300。在图6C示出的配置中，压力激活开关250实际上感应在钻头200的顶端附近的在钻柱内的泥浆的压力。但是，当抽吸泥浆时，在钻头200处的钻柱内的压力实质上匹配钻头附近的钻孔中的压力。增加压力在位移部件256上施加增大的力，使得其向着固定部件251位移。当位移部件256移动接近固定部件251时，其与触点262接触，形成在引线263之间的闭合电路。引线与数据分析模块(在图6C和6D中没有示出)耦合从而在实现闭合电路时执行启动功能。

另外，虽然已经将压力激活开关250的实施例描述为设置在端帽270的凹口259中，但是其他放置位置是可能的。例如，在图5A-5E中示出的断路器(cutout)可以适于放置压力激活开关。此外，虽然讨论可能包括方向指示符以便于描述，比如顶端，向上和向下，但是用于压力激活开关的放置的方向和定向不限于描述的那些。

压力激活开关是可以放在凹口中的许多类型的传感器中的一个，比如结合压力激活开关描述的。可能需要暴露于钻孔的环境的任意传感器可以被以类似于压力激活开关的配置设置在凹口中，以在钻头内形成高压和不透水密封。通过举例的方式且非限制性的，可以使用的一些环境传感器是无源伽马射线传感器，腐蚀传感器，氯传感器，硫化氢传感器，用于到钻孔壁的距离测量的临近检测器等。

另一重要的测量钻头参数是在钻头上的应力和应变。但是，仅在钻头的各个区域上或钻头内的腔中放置应变仪可能不能产生最优的结果。在本发明的实施例中，负载单元可以用于获得可能更有用的钻头处的应力和应变数据。图6E是包括接合在其上的应变仪(285和285’)的负载单元281的透视图。负载单元281包括第一附着部分282，应力部分284，和第二附着部分283。负载单元281可以由比如钢的材料或其他适当的金属制造，相比于可能置于其上的负载，所述金属基于期望负载展现出适当的应变。在示出的实施例中，附着部分(282和283)是圆柱的且应力部分284具有矩形截面。矩形截面创建了用于在其上安装应变仪的平面。在示出的实施例中，第一应变仪285接合到应力部分284的前可见表面，且第二应变仪285’接合到应力部分284的后隐藏表面。当然，应变仪285可以被安装在应力部分284的一个，两个，或更多侧面上，且应力部分284的横截面可以是其他形状，例如六边形或八角形。导体286从应变仪285，285’向上延伸通过形成在第一附着部分282中的凹槽，且可以与数据分析模块300(在图6E中没有示出)耦合。

图6F是示出负载单元281在钻头200中的一个设想的放置的透视图。圆柱型管289从其中可以放置数据分析模块300(没有示出)的钻头200的顶端附近的空穴288向下延伸。管289将延伸到可能特别感兴趣的钻头主体的区域中，且被配置为使得负载单元281可以被设置和附于管内，且导体286(在图6F中没有示出)可以通过管289延伸到数据分析模块300。负载单元281可以通过任意合适的方法附于管289内，以使得将第一附着部分282和第二附着部分283稳固地保持恰当位置。该附着机制可以是，例如，固定压配合，螺纹连接，环氧连接，形状记忆合金保持器等。

通过当与直接接合应变仪到钻头主体或钻头主体中的空穴内的侧壁时，使用更均匀、同质和适于将应变仪接合到其的负载单元材料，负载单元配置可以帮助获得更精确的应变测量。负载单元配置还可以更适于检测在钻头上的扭曲应变，这是因为负载单元创建了更大和更均匀的位移，由此可能由于在第一附着部分和第二附着部分之间的距离而发生扭曲应变。

此外，通过将负载单元281或应变仪放置在钻头中，其可以被放置于相对于钻头上或钻头内感兴趣的元件的特定期望定向。通过如现有技术地将负载单元和其他传感器在钻柱的另一元件中放置在钻头上，由于钻头到钻柱的连接机制(例如，螺纹接口)，难以获得期望的定向。通过举例的方式，本发明的实施例允许将负载单元置于相对于感兴趣的元件(比如特定的切割器，三牙轮钻头的特定的腿，或钻头上的刻度)的特定定向。以该方式，由于负载单元281相对于钻头的特征的特定和可重复的定向，可以获得关于钻头的特定元件的附加信息。

通过举例的方式且非限制性的，负载单元281可以在管289内旋转到与钻头200上的特定切割器对准的特定定向。作为该定向的结果，可以获得关于特定的切割器附近的钻头区域的附加应力和应变信息。此外，将管289放置在相对于钻头200的中心轴的一定角度处，或相对于钻头200的中心轴的不同距离处，能够获得关于与置于钻头上的轴向应力相关的弯曲应力，或钻头的特定区域的更多信息。

该将传感器置于相对于钻头的任意但是可重复的特征的期望定向的能力对于其它类型的传感器也是有用的，例如，加速计，磁强计，温度传感器及其他环境传感器。

可以以任意适当的配置连接应变仪，如本领域一般技术人员已知的，用以检测沿着负载单元的不同轴的应变。这种适当的配置可以包括，例如Chevron桥电路，或Wheatstone桥电路。应变仪测量的分析可用于导出钻头参数，例如，钻头上的应力，钻压，纵向应力，纵向应变，扭转应力和扭曲应变。

返回到图6，存储器330可以用于存储传感器数据，信号处理结果，长期数据存储和用于由处理器320执行的计算机指令。存储器330的一部分可以位于处理器320外，且一部分可以位于处理器320内。存储器330可以是动态随机存取存储器(DRAM)，静态随机存取存储器(SRAM)，只读存储器(ROM)，比如闪速存储器的非易失性随机存取存储器(NVRAM)，电可擦可编程序ROM(EEPROM)，或其组合。在图6的实施例中，存储器330是处理器中的SRAM(没有示出)，处理器320中的闪速存储器330和外部闪速存储器330的组合。闪速存储器可以合乎低功率操作的需要，且具有当没有功率应用于存储器330时保持信息的能力。

通信端口350可以被包括在数据分析模块300中用于到比如MWD通信系统146和远程处理系统390的外部装置的通信。通信端口350可以被配置用于使用直接有线连接或无线通信协议(比如，仅通过举例的方式，红外线，蓝牙和802.11a/b/g协议)到远程处理系统390的直接通信链路352。使用直接通信，数据分析模块300可以被配置为当钻头200不在井下时，与远程处理系统390，例如，计算机，便携式计算机和个人数字助理(PDA)通信。因此，直接通信链路352可以用于各种功能，例如，下载软件和软件升级，通过下载配置数据允许数据分析模块300的设置，和上载采样数据和分析数据。通信端口350还可以用于为关于钻头的信息查询数据分析模块300，该信息例如是钻头序列号、数据分析模块序列号、软件版本、钻头操作的总共经过的时间，及可以存储在NVRAM中的其他长期钻头数据。

通信端口350还可以被配置用于经由有线或无线通信链路354和如本领域一般技术人员已知的、被配置为允许在钻井环境中在有限的距离两端进行远程通信的协议，与井底钻具组合中的MWD通信系统146通信。在美国专利No.4,884,071中示出、描述并要求了用于传递数据信号到钻柱140(图1)中的邻接的子配件的一种可用技术，其标题为“Wellbore Tool With Hall Effect Coupling”，与1989年11月28日授予Howard。

接着，MWD通信系统146可以使用泥浆脉冲遥测装置356或适于在钻探操作中遇到的相对大的距离两端通信的其他适当的通信装置，将数据从数据分析模块300传送到远程处理系统390。

图6的实施例中的处理器320被配置用于处理，分析和存储收集的传感器数据。对于从各种传感器340采样的模拟信号，该实施例的处理器320包括数模转换器(DAC)。但是，本领域一般技术人员将认识到可以将本发明实现为在传感器340和处理器320之间设置一个或多个外部DAC用于通信。另外，该实施例中的处理器320包括内部SRAM和NVRAM。但是，本领域一般技术人员将认识到可以将本发明实现为，仅存在处理器320外部的存储器330以及不使用部外存储器330而仅使用处理器320内部的存储器330的配置。

图6的实施例使用电池电源作为操作电源310。电池电源在钻井环境中启动操作而不考虑连接到另一电源。但是，通过电池电源，在本发明中节省电源可能变为重要的考虑。结果，低功率处理器320和低功率存储器330可以允许更长的电池寿命。类似地，其它功率节省技术在本发明中可能是重要的。

图6的实施例示出了用于选通到存储器330，加速计340A和磁强计340M的功率施加的功率控制器316。使用这些功率控制器316，在处理器320上运行的软件可以管理包括控制信号的功率控制总线326，用于单独地使能到连接到功率控制总线326的每一个组件的电压信号314。虽然在图6中将电压信号314示为单一信号，本领域一般技术人员将理解不同的组件可能需要不同的电压。因此，电压信号314可以是包括对不同的组件供电所需的电压的总线。

另外，在处理器320上运行的软件可以用于管理耗能的资源的自适应使用和电池寿命智能以节省电源。电池寿命智能可以跟踪剩余的电池寿命(即，电池上剩余的电荷)，并使用该跟踪以管理系统内的其他处理。通过举例的方式，可以通过从电池采样电压，从电池采样电流，跟踪采样电压的历史，跟踪采样电流的历史及其组合来确定电池寿命估计值。

可以以多种方式使用电池寿命估计。例如，在电池寿命快结束时，软件可以减少传感器的采样频率，或可以用于使得功率控制总线开始关闭到各种组件的电压信号。

该功率管理可以创建适当的、逐渐的关闭。例如，或许在剩余电池寿命的某个点关闭对磁强计的供电。在电池寿命的另一点，或许关闭加速计。在电池寿命的结束附近，电池寿命智能可以通过确保不收集或存储由于在传感器，处理器或存储器处的不足的电压引起的不适当的数据来保证数据完整性。

如以下参考特定类型的数据收集更全面地解释的，软件模块可以专用于关于数据存储的存储器管理。可以以自适应采样和数据压缩技术来修改存储的数据量。例如，数据最初可能被以未压缩形式存储。之后，当存储空间变得有限时，可以压缩数据以释放附加的存储器空间，另外，可以向数据分配优先级，以使得当存储空间变得有限时，保存高优先级数据并可以覆盖低优先级。

还可以包括软件模块以跟踪钻头的长期历史。因此基于在钻头的寿命期间收集的钻探性能数据，可以形成钻头的寿命估计。钻头的故障可能是非常昂贵的问题。通过基于实际的钻探性能数据的寿命估计，软件模块可以被配置为确定何时钻头接近其使用寿命的终点，并使用通信端口以信号通知外部装置该钻头剩余的预期寿命。

图7A和7B示出了沿着增加的时间轴590发生的数据分析模块300(图6)可以执行的数据采样模式的一些实例。数据采样模式可以包括后台模式510，测井模式530和突发模式550。不同模式的特征在于采样和分析什么类型的传感器数据以及以什么采样频率来采样传感器数据。

后台模式510可以用于以相对低的后台采样频率来采样数据，并从所有可用的传感器340的子集产生后台数据。测井模式530可以用于以相对中等程度的测井采样频率和可用的传感器的较大子集或全部来采样测井数据。突发模式550可以用于以相对高的突发采样频率和可用的传感器340的大的子集或全部来采样突发数据。

每一不同数据模式可以以预定义的采样频率和预定义的块大小，来收集、处理和分析来自传感器的子集的数据。通过举例的方式而不是限制性的，采样频率和块集合大小的实例可以是：对于后台模式，2或5采样/秒，和每块200秒值得采样；对于测井模式，100采样/秒，和每块十秒值得采样；对于突发模式，200采样/秒，和每块五秒值得采样。可以通过可用的存储器的量，可用功率的量或其组合来限制本发明的一些实施例。

对更详细的模式可能需要更多存储器，更多功率或其组合，因此，关于收集和处理最有用和最详细的信息，自适应阈值触发允许了最优化的存储器使用、功率使用或其组合的方法。例如，自适应阈值触发可以适于特定类型的已知事件的检测，例如，钻头涡动，钻头跳动，钻头摆动，钻头侧移，横向振动和扭转振荡。

通常，数据分析模块300(图6)可以被配置为基于某些类型的事件触发而从一个模式变换到另一模式。图7A示出了时序触发模式，其中从一个模式到另一模式的变换基于时序事件，例如，收集预定义数量的采样，或计时器期满。计时点513表示由于时序事件而从后台模式510变换为测井模式530。时序点531表示由于时序事件而从测井模式530变换为后台模式510。时序点515表示由于时序事件而从后台模式510变换为突发模式550。时序点551表示由于时序事件而从突发模式550变换为后台模式510。时序点535表示由于时序事件而从测井模式530变换为突发模式550。最后，时序点553表示由于时序事件而从突发模式550变换到测井模式530。

图7B示出了自适应采样触发模式，其中从一个模式到另一模式的变换基于分析收集的数据以创建程度索引和程度索引是否大于或小于自适应阈值。自适应阈值可以是预定值，或可以基于收集的数据的过去的历史的信号处理分析来对其进行修改。时序点513’表示由于自适应阈值事件而从后台模式510变换为测井模式530。时序点531’表示由于时序事件而从测井模式530变换为后台模式510。时序点515’表示由于自适应阈值事件而从后台模式510变换为突发模式550。时序点551’表示由于自适应阈值事件而从突发模式550变换为后台模式510。时序点535’表示由于自适应阈值事件而从测井模式530变换为突发模式550。最后，时序点553’表示由于自适应阈值事件而从突发模式550变换为测井模式530。另外，如由时序点555’所示出的，如果没有检测到自适应阈值事件，则数据分析模块300可以从一个采样块到下一采样块保持任意给定的数据采样方式。

也可以被称为固件的用于数据分析模块300的软件包括用于由处理器320执行的计算机指令。软件可以驻留在外部存储器330中，或处理器320内的存储器中。图8A-8H示出了根据本发明的软件的实施例的主要功能。

在详细地描述主例程之前，描述可以由处理器和模数转换器(ADC)执行的收集和排列数据的基本功能。在图8A中示出的ADC例程780可以根据处理器中的计时器操作，可以设置该计时器以在预定义的采样间隔产生中断。可以重复该间隔以创建在ADC例程780中执行数据采样的采样间隔时钟。ADC例程780可以通过对可以将测量呈现为模拟信源的任意传感器执行模数转换，从而从加速计，磁强计，温度传感器和任意其他可选传感器收集数据。块802示出了可以在后台模式中对于各种传感器执行的测量和计算。块804示出可以在测井模式中对于各种传感器执行的测量和计算。块806示出可以在突发模式中对于各种传感器执行的测量和计算。当发生时钟中断时进入ADC例程780。决定块782确定数据分析模块当前处于哪种数据模式下操作。

如果在突发模式中，对于所有加速计和所有磁强计收集采样(794和796)。来自每个加速计和每个磁强计的采样的数据被存储在突发数据记录中。ADC例程780然后设置798数据就绪标记，其向主例程指示数据已经准备好待处理。

如果在后台模式510中(图7A和7B)，从所有加速计收集784采样。当ADC例程780从每个加速计收集数据时，其将采样的值加到包含先前加速计测量值的和的被存储值，从而创建用于每个加速计的加速计测量的累加和。ADC例程780还将采样值的平方加到包含先前的平方值的和的被存储值，以创建用于加速计测量的平方值的累加和。ADC例程780还递增后台数据采样计数器，以指示已经收集了又一后台采样。可选地，还可以收集和计算温度以及温度的和。

如果在测井模式中，对于所有加速计，所有磁强计和温度传感器收集采样(786，788和790)。ADC例程780从每个加速计和每个磁强计收集采样值，并将采样值加到包含先前的加速计和磁强计测量值的和的被存储值，以创建加速计测量的累加和以及磁强计测量的累加和。另外，ADC例程780将每个加速计和磁强计测量的当前采样与每个加速计和磁强计的存储的最小值进行比较。如果当前采样小于存储的最小值，则将当前采样保存为新的存储的最小值。因此，ADC例程780保持对于在当前数据块中收集的所有采样的最小采样值。类似地，为了对于在当前数据块中收集的所有采样的最大采样值，ADC例程780将每个加速计和磁强计测量的当前采样与每个加速计和磁强计的存储的最大值进行比较。如果当前采样大于存储的最大值，将当前采样保存为新的存储的最大值。ADC例程780还通过将温度传感器的当前采样加到先前的温度测量值的和的被存储值，来创建温度值的累加和。ADC例程780然后设置792数据就绪标记，其向主例程指示数据已经准备好待处理。

图8B示出了主例程600的主要功能。在接通电源602之后，主软件例程通过设置存储器，启用通信端口，启用ADC和通常设置控制数据分析模块所需的参数，来初始化604系统。主例程600然后进入开始处理收集数据的循环。主例程600主要判断由ADC例程780(图8A)收集的数据是否可用于处理，当前哪个数据模式是有效的，以及是否已经收集了用于给定数据模式的整个数据块。作为这些判断的结果，如果数据是可用的但是还没有处理完整个数据块，则主例程600可以对于任意给定模式执行模式处理。另一方面，如果整个数据块是可用的，主例程600可以对于任意给定模式执行块处理。

如在图8B中示出的，为开始判断处理，执行测试606以查看操作模式当前是否被设置为后台模式。如果是，开始后台模式处理640。如果测试606失败或在后台模式处理640之后，执行测试608以查看操作模式是否被设置为测井模式，且是否设置了来自ADC例程780的数据就绪标记。如果是，则执行测井操作610。以下将更全面地描述这些操作。如果测试608失败或在测井操作610之后，执行测试612以查看操作模式是否被设置为突发模式，且是否设置了来自ADC例程780的数据就绪标记。如果是，则执行突发操作614。以下将更全面地描述这些操作。如果测试612失败或在突发操作614之后，执行测试616以查看操作模式是否被设置为后台模式且已经收集了后台数据的整个块。如果是，执行后台块处理617。如果测试616失败或在后台块处理617之后，执行测试618以查看操作模式是否被设置为测井模式且已经收集了测井数据的整个块。如果是，则执行测井块处理700。如果测试618失败或在测井块处理700之后，执行测试620以查看操作模式是否被设置为突发模式且已经收集了突发数据的整个块。如果是，则执行突发块处理760。如果测试620失败或在突发块处理760之后，执行测试622以查看是否存在来自通信端口待处理的任意主机消息。如果是，处理主机消息624。如果测试622失败或在处理主机消息624之后，主例程600循环返回到测试606以开始另一测试的循环，以参看是否任意数据，以及什么类型的数据可用于处理。当数据分析模块被设置为数据收集模式时，该循环无限地继续。

在图8B中示出了测井操作610的细节。在该测井模式的实例中，至少在X和Y方向中对于磁强计分析数据，以确定钻头旋转得多快。在执行该分析时，软件维持用于在测井块开始的时间戳的变量(RPMinitial)，当前数据采样时间的时间戳(RPMfinal)，包括每钻头旋转的最大数目时间节拍的变量(RPMmax)，包括每钻头旋转的最小数目时间节拍(tick)的变量(RPMmin)，和包括自从测井块开始的钻头旋转的当前数目的变量(RPMcnt)。在ADC例程780期间和在测井操作610期间计算所产生的测井数据可以被写入到非易失RAM。

由于磁强计在地球的磁场中旋转，因此磁强计可以用于确定钻头旋转。如果钻头被垂直地定位，则该确定是比较来自X磁强计和Y磁强计的采样历史的相对简单的操作。对于以一定角度放置的钻头(或许由于定向钻探)，可能更多地涉及计算和要求来自所有三个磁强计的采样。

还在图8B中示出了突发操作614的细节。在该实施例中突发操作614相对简单。由ADC例程780收集的突发数据被存储在NVRAM中，且清除数据就绪标记以准备好下一突发采样。

还在图8B中示出了后台块处理617的细节。在后台块的结尾，执行清除操作以准备好新的后台块。为准备新的后台块，对于下一后台块设置完成时间，关于加速计跟踪的变量被设置为初始值，关于温度跟踪的变量被设置为初始值，关于磁强计跟踪的变量被设置为初始值，且关于RPM计算跟踪的变量被设置为初始值。在ADC例程780期间和在后台块处理617期间计算的所产生的后台数据可以被写入到非易失RAM。

在执行自适应采样时，可以由软件作出关于当前操作何种类型的数据模式，以及是否基于时序事件触发或自适应阈值触发而切换到不同的数据模式的决定。自适应阈值触发通常可以被看做在程度索引和自适应阈值之间的测试。至少三个可能的结果是从该测试中可能的。作为该测试的结果，可以发生到更多细节的数据收集模式的转换，转换到数据收集的细节较少的模式，或不发生转换。

这些数据模式被定义为：后台模式510是细节最少的，测井模式530比后台模式510更详细，且突发模式550比测井模式530更详细。

可以对于每个数据模式定义不同的程度索引。任意给定的程度索引可以包含来自传感器的采样值，各种传感器采样的数学组合，或包括来自各种传感器的历史采样的信号处理结果。通常，程度索引给出感兴趣的特定现象的测量。例如，程度索引可以是对于由X加速计和Y加速计感应的值的均方误差计算的组合。

在其最简单的形式中，自适应阈值可以被定义为特定的阈值(可能被存储为常数)，对于该情形，如果程度索引大于或小于自适应阈值，则数据分析模块可以切换(即，自适应采样)到新的数据模式。在更复杂的形式中，自适应阈值可以基于历史数据采样或历史数据采样的信号处理分析来将它的值(即，自适应该阈值)改变为新的值。

通常，可以对于每个数据模式定义两个自适应阈值：较低自适应阈值(也被称为第一阈值)和较高自适应阈值(也被称为第二阈值)。程度索引相对于自适应阈值的测试可以用于决定数据模式切换是否合乎需要。

在图8C-8E示出并定义相对于主例程600(图8B)更灵活的实施例的计算机指令中，全面地示出了自适应阈值决定，但是可以并未示出数据处理和数据收集的细节。

图8C示出了关于后台模式处理640的一般自适应阈值测试。首先，执行测试662以查看时间触发模式是否有效。如果是，则操作块664使得数据模式可以切换到不同模式。基于预定算法，可以将数据模式切换到测井模式，突发模式，或可以在更长的预定时间期间停留在后台模式。在切换数据模式之后，软件退出后台模式处理。

如果测试662失败，则自适应阈值触发有效，且操作块668计算后台程度索引(Sbk)，第一后台阈值(T1bk)和第二后台阈值(T2bk)。然后，执行测试670以查看后台程度索引是否在第一后台阈值和第二后台阈值之间。如果是，则操作块672将数据模式切换到测井模式且软件退出后台模式处理。

如果测试670失败，执行测试674以查看后台程度索引是否大于第二后台阈值。如果是，操作块676将数据模式切换到突发模式且软件退出后台模式处理。如果测试674失败，则数据模式保持后台模式且软件退出后台模式处理。

图8D示出了关于测井块处理700的一般自适应阈值测试。首先，执行测试702以查看时间触发模式是否有效。如果是，操作块704使得数据模式可以切换到不同模式。基于预定算法，可以将数据模式切换到后台模式、突发模式，或可以在更长的预定时间期间停留在测井模式。在切换数据模式之后，软件退出测井块处理。

如果测试702失败，则自适应阈值触发有效，且操作块708计算测井程度索引(Sig)第一测井阈值(T1lg)和第二测井阈值(T2lg)。然后，执行测试710以查看测井程度索引是否小于第一测井阈值。如果是，操作块712将数据模式切换到后台模式且软件退出测井块处理。

如果测试710失败，执行测试714以查看测井程度索引是否大于第二测井阈值。如果是，操作块716将数据模式切换到突发模式且软件退出测井块处理。如果测试714失败，数据模式保持测井模式且软件退出测井块处理。

图8E示出了关于突发块处理760的一般自适应阈值测试。首先，执行测试782以查看时间触发模式是否有效。如果是，操作块784使得数据模式可以切换到不同模式。基于预定算法，可以将数据模式切换到后台模式、测井模式，或可以在更长的预定时间期间而停留在突发模式。在切换数据模式之后，软件退出突发块处理。

如果测试782失败，自适应阈值触发有效，且操作块788计算突发程度索引(Sbu)，第一突发阈值(T1bu)，和第二突发阈值(T2bu)。然后，执行测试790以查看突发程度索引是否小于第一突发阈值。如果是，操作块792将数据模式切换到后台模式且软件退出突发块处理。

如果测试790失败，执行测试794以查看突发程度索引是否小于第二突发阈值。如果是，操作块796将数据模式切换到测井模式且软件退出突发块处理。如果测试794失败，数据模式保持突发模式且软件退出突发块处理。

在图8F-8H示出的并定义了关于主例程600(图8B)的处理的另一实施例的计算机指令中，示出了数据收集和数据处理的更多细节，但并不是解释和示出了所有决定。而是，示出各种决定以进一步说明自适应阈值触发的一般概念。

在图8F中示出了后台模式处理640的另一实施例的细节。在该后台模式实施例中，对于在X、Y和Z方向的加速计收集数据。对于X、Y和Z加速计的每一个，ADC例程780(图8A)存储数据作为所有后台采样的累加和以及所有后台数据的平方的累加和。在后台模式处理中，计算每一加速计的均值，方差，最大方差和最小方差的参数并存储在后台数据记录中。首先，软件在后台数据记录中保存642当前时间戳。然后，如在操作块644和646中示出的那样计算参数。可以将均值计算为累加和除以当前对于操作块644收集的采样数目。该方差可以被设置为使用如操作块646所示的等式的均方值。如果当前方差小于最小方差的任意先前值，则通过设置当前方差为最小值来确定最小方差。类似地，如果当前方差大于最大方差的任意先前值，则通过将当前方差设置为最大方差来确定最大方差。接下来，如果方差(也被称为后台程度索引)大于后台阈值，则设置648触发标志，后台阈值在该情况下是在开始软件之前设置的预定值。如操作块650所示的，测试触发标志。如果没有设置触发标志，软件跳到操作块656。如果设置了触发标志，则软件变换652到测井模式。在切换到测井模式之后，或如果没有设置触发标志，软件可以可选地将后台数据记录的内容写到656NVRAM。在某些实施例中，使用NVRAM空间用于后台数据可能不合乎需要。而在其他实施例中，在后台模式的同时维持至少一部分收集数据的历史可能是有价值的。

参考图9，对于X磁强计采样610X和Y磁强计采样610Y示出了磁强计采样历史。参见采样点902，可以看到Y磁强计采样接近最小值且X磁强计采样在大约90度的相位。通过跟踪这些采样的历史，软件可以检测何时出现完整的旋转。例如，软件可以检测何时X磁强计采样610X变为正的(即，大于所选的值)，作为旋转的起点。软件然后可以检测何时Y磁强计采样610Y变为正的(即，大于所选的值)，作为发生旋转的指示。然后，软件可以检测下一次X磁强计采样610X变为正的，其指示完整的旋转。每次发生旋转，测井操作更新如上所述的测井变量。

在图8G中示出了测井块处理700的另一实施例的细节。在该测井块处理实施例中，软件假定数据模式将复位到后台模式。因此，断开到磁强计的功率，且设置722后台模式。如果后台模式不适当，则在测井块处理700中可以稍后改变数据模式。在测井块处理700中，计算每一加速计的均值，偏差和程度的参数并存储在测井数据记录中。如操作块724中所示的，计算参数。可以计算均值作为由ADC例程780(图8A)准备的累加和除以对于该块当前收集的采样数目。设置偏差作为由ADC例程780设置的最大值减去由ADC例程780设置的最小值的量的二分之一。设置程度作为偏差乘以常数(Ksa)，该常数可以在软件操作之前被设置为配置参数。对于每个磁强计，计算均值和跨距的参数并存储726在测井数据记录中。对于温度，计算均值并存储728在测井数据记录中。对于在测井模式处理610期间产生的RPM数据(在图8B)，计算平均RPM，最小RPM，最大RPM和RPM程度的参数并存储730在测井数据记录中。将程度设置为最大RPM减去最小RPM乘以常数(Ksr)，该常数可以在软件操作之前被设置为配置参数。在计算所有参数之后，在NVRAM中存储732测井数据记录。对于系统中的每个加速计，计算734阈值以用于确定是否应该设置自适应触发标志。如在块734中定义的，将阈值与初始触发值进行比较。如果阈值小于初始触发值，则阈值被设置为初始触发值。

一旦计算了用于存储和自适应触发的所有参数，执行测试736以确定模式当前被设置为自适应触发或基于时间的触发。如果测试失败(即，基于时间的触发有效)，则清除738触发标志。执行测试740以确认数据集位于测井数据块的结尾。如果不是，则软件退出测井块处理。如果数据集在测井数据块的结尾，则设置742突发模式，且设置突发块的完成时间。另外，待捕捉的突发块被定义为时间触发的744。

如果通过了用于自适应触发的测试736，则执行测试746以确认设置了触发标志，这表明基于自适应触发计算，应该进入突发模式以收集更详细的信息。如果通过测试746，则设置748突发模式，且设置突发块的完成时间。另外，待捕捉的突发块被定义为自适应触发的750。如果测试746失败或在定义突发块为自适应触发的之后，清除触发标志752并完成测井块处理。

在图8H中示出了突发块处理760的另一实施例的细节。在该实施例中，不实施突发程度索引。代替地，软件在完成突发块之后总是返回到后台模式。首先，可以断开到磁强计的电源以节省电源，且软件变换762到后台模式。

在已经处理许多突发块之后，可能完全地耗费了分配给存储突发采样的存储器的量。如果是该情况，则可能需要将预先存储的突发块设置为由来自下一突发块的采样覆盖写入。软件检查764以查看是否有任意未使用的NVRAM可用于突发块数据。如果并没有使用所有的突发块，则软件退出突发块处理。如果所有的突发块都被使用了766，则软件使用算法以寻找768用于覆盖写入的好的候选。

本领域一般技术人员将认识到并理解，在图8B中示出的主例程600在后台模式中的每个采样之后切换到自适应阈值测试，但是这仅仅是在测井模式和突发模式中收集了块之后。当然，可以适于在每个模式中的每个采样之后，或在每个模式中收集了完全的块之后再执行自适应阈值测试。此外，在图8A中示出的ADC例程780示出了实现数据收集和分析的非限制性实例。在本发明的范围内，可以构想许多其他的数据收集和分析操作。

对更详细的模式可能需要更多存储器，更多功率或其组合，因此，自适应阈值触发允许了关于收集和处理最有用和详细的信息的最优化存储器使用、功率使用或其组合的方法。例如，自适应阈值触发可以适于特定类型的已知事件的检测，例如，钻头涡动，钻头跳动，钻头摆动，钻头侧移，横向振动和扭转振荡。

图10，11和12示出了可以由数据分析模块收集的数据类型的实例。图10示出了扭转振荡。最初，磁强计测量610Y和610X示出了大约每分钟20转(RPM)的转速611X，其可以表示在某个类型的地下岩层上粘着(binding)的钻头。磁强计然后示出了当钻头不受粘着力时转速的大的增加，到大约120RPM 611Y。该旋转的增加也由加速计测量620X，620Y和620Z示出。

图11示出了由加速计收集的数据的波形(620X，620Y和620Z)。波形630Y示出了对于Y加速计由软件计算的方差。波形640Y示出了对于Y加速计由软件计算的阈值。可以单独地或与其他阈值结合地使用该Y阈值，以确定是否应该发生数据模式改变。

图12示出了如在图11所示的由加速计收集的相同数据的波形(620X，620Y和620Z)。图12还示出波形630X，其示出了对于X加速计由软件计算的方差。波形640X示出了对于X加速计由软件计算的阈值。可以单独地或与其他阈值结合地使用该X阈值，以确定是否应该发生数据模式改变。

如前所述，比如以上关于图9-12所示的时变数据可以被分析以检测特定事件。这些事件可以用在数据分析模块内以修改数据分析模块的行为。通过举例的方式且非限制性的，事件可能引起改变，比如修改到数据分析模块内的各种元件的功率传送，修改通信模式和修改数据收集方案。可以修改数据收集方案，例如通过修改激活或去激活哪个传感器，用于那些传感器的采样频率，用于收集的数据的压缩算法，对存储在存储器中的关于数据分析模块的数据的量的修改，改变为数据删除协议，对附加触发事件分析的修改，及其他适当的改变。

触发事件分析可能与如上所述的阈值分析一样简单。但是，可以执行其他更详细的分析，以导出基于钻头行为的触发，比如钻头动态分析，地层分析等。

多种算法可用于数据压缩和模式识别。但是，大部分这些算法是基于频率的，并要求复杂的强大的数字信号处理技术。在井下钻头环境电池电源中，且产生的处理能力可能有限。因此，较低功率的数据压缩和模式识别分析可能是有用的。可以对基于时间而不是基于频率的时变数据使用其他编码算法。这些编码算法可以用于数据压缩，其中仅存储表示时变波形的产生的代码，而不存储初始采样。另外，可以对产生的代码使用模式识别以识别特定事件。可以使用这些特定事件，例如，用于自适应阈值触发。自适应阈值触发可以适于特定类型的已知行为的检测，例如，钻头涡动，钻头跳动，钻头摆动，钻头侧移，横向振动和扭转振荡。自适应阈值触发还可以适于用于这些钻头行为的各种级别的程度。

作为实例，一种这样的分析技术包括时间编码的信号处理和识别(TESPAR)，其在目前已经用于语音识别算法。本发明的实施例具有扩展的TESPAR分析以识别可能感兴趣的钻头行为以记录压缩数据或用作触发事件。

TESPAR分析可以被认为是以三个总体处理执行的。首先，从时变波形提取出TESPAR参数。接下来，将TESPAR参数编码为字符码元。最后，可以分类，或“识别”产生的编码。

TESPAR分析基于时变波形中实数零点(real zero)和复数零点(complex zero)的位置。实数零点由波形的过零点表示，而复数零点可以由在过零点之间的波形的形态来近似。

图13示出了波形和波形的TESPAR编码。在波形的每个过零点之间的信号被称为时期。在图13的波形中示出了七个时期。另一TESPAR参数是时期的持续时间。基于每个时期收集的采样频率，持续时间被定义为采样的数目。为说明持续时间，采样点被包括在对于八的持续时间示出了八个采样的第一时期中。可以对加速计数据和其导数有用的实例采样频率是大约100Hz。

对于TESPAR分析定义的另一参数是在时期中波形的形态。形态被定义为在时期中正的最小值的数目或负的最大值的数目。因此，第三时期的形态被定义为一，因为其对于在正的区域的波形具有一个最小值。类似地，第四时期的形态被定义为二，因为其对于在负的区域中的波形具有两个最大值。可以为TESPAR分析定义的最后参数是幅度，其被定义为时期内的最大峰值的幅度。例如，第七时期具有幅度13。图13示出了用于波形的每一时期的参数，其中E＝时期，D＝持续时间，S＝形态，且A＝幅度。

通过当前提取为TESPAR参数的波形，而不是在每个点存储波形的采样，波形可以被存储为连续的时期和每个时期的参数。这表示有损数据压缩的类型，其中需要存储充分少的数据以适当地表示波形，但是不能以与其最初采样时的精确度相同的精确度来再创建波形。

可以通过转换TESPAR参数为码元字符来进一步分析波形，并进一步压缩。图14示出了用于编码可能的采样数据的可能的TESPAR字符。图14的矩阵示出了形态参数作为列，以及示出了持续时间参数作为行，在图14的TESPAR字符中，存在可以用于表示各种矩阵元素的28个唯一的码元。因此，具有持续时间四和形态一的时期将由字符码元“4”表示。类似地，具有持续时间37和形态三的时期将由字符码元“26”表示。

虽然在图14中示出的字符可以用于多种的时变波形，但是可以对特定类型的数据集定义和定制不同的字符，比如对确定钻头动态有用的加速计和磁强计读数。本领域一般技术人员将认识到图14的字符仅达到持续时间37和形态5。因此，通过该字符，假定对于精确的TESPAR表现，从一个过零点到下一过零点的持续时间将小于37采样，且在任意给定时期内将会有不多于5个的最小值或最大值。

当每个时期可以由其字符码元和其幅度表示时，将时期编码为字符码元创建了附加的有损压缩。在某些应用中，可能不需要幅度并且可以简单地存储字符码元。编码图13的波形对于时期1到7产生了TESPAR码元流7-13-12-16-8-10-22。

对于任意给定波形，该波形可以被表示为指示在TESPAR码元流的持续时间期间每个TESPAR码元的出现数目的直方图。在图15中示出了实例直方图。比如在图15中示出的直方图通常被称为S-矩阵。

TESPAR编码的强度之一是其能够容易地适于模式识别，且目前已经应用于语音识别，以识别发言者和由各个发言者说出的特定的字。本发明的实施例使用模式识别来识别可能随后用作自适应阈值触发的钻头动态的特定行为。可以识别的某些行为是涡动和粘着/打滑行为，以及基于行为的程度的变化。其他实例行为是基于切割器的钝化程度或正在钻探的岩层类型的钻头行为的变化，以及被定义为施加于钻探总的能量与除去的岩层量相对的比能确定，或被定义为执行的工作的实际量与可能执行的工作的最小量相对的效率。

可以训练人工神经网络以识别从TESPAR码元流导出的S-矩阵的特定模式。通过处理表现出待识别的模式的现有波形来训练神经网络。换句话说，为识别涡动，来自多个不同钻头或多个不同的出现涡动的现有加速计数据被编码为TESPAR码元流并用于训练神经网络。

单个神经网络配置如图16所示。网络的输入层包括指示在波形中每个码元出现多少次的每个TESPAR码元的值。图16的网络包括在网络的隐藏层中的五个节点和在网络的输出层中的六个节点，指示可以识别六个不同的模式。当然，可以在网络中定义隐藏节点和输出节点的多种配置，并定制待识别的行为的类型。如神经网络分析的领域的一般技术人员理解的，网络使用采样的数据集合作为基于知识的训练信息，所述训练集表示期望的行为。教导网络关于输入节点的特定模式应当基于该先前知识产生关于输出节点的特定模式。应用于网络的训练数据越多，则训练网络以识别特定的行为和那些行为的细微差别就越精确。离线地进行训练(即，在使用如井下的数据分析模块中实现的网络之前)，且然后可以将获得的经训练的网络载入钻头中的数据分析模块中。

在该训练阶段，训练的网络可以用于模式识别。图17是示出了使用TESPAR分析用于采样数据的编码、数据压缩和模式识别的可能的软件流程的流程图。TESPAR处理800在处理块802从一个或多个传感器获取数据的采样开始。该数据可以包括来自例如加速计，磁强计等的传感器的波形。决定块804测试以查看在编码之前是否需要对数据进行附加处理。如果不需要附加处理，流程在处理块808继续。如果需要附加处理，如由处理块806表示的，执行处理。该附加处理可以采取各种形式。例如，可以组合加速计数据，并从一个坐标系统转换到另一个坐标系统且可以过滤数据。作为另一实例，可以积分加速计数据以形成速度分布或钻头轨迹。

在处理块808，如上所述地将期望的时变波形数据转换为TESPAR参数。如果期望该级别的数据压缩，则可以对于每个时期存储TESPAR参数，创建TESPAR参数流。

在处理块810，如上所述地使用适当的字符将TESPAR参数转换为TESPAR码元。如果期望该级别的数据压缩，可以对于创建TESPAR码元流的每个时期存储TESPAR码元。

在处理块812，如以上所解释的，通过确定在流内每个码元的出现数目，将TESPAR码元流转换为S-矩阵。如果期望该级别的数据压缩，则可以存储S-矩阵。

决定块814确定是否期望模式识别。如果不，则TESPAR分析仅用于数据压缩，且处理退出。如果期望模式识别，则S-矩阵应用于训练的神经网络以确定是否任意训练的钻头行为与S-矩阵匹配，如在处理块816中所示的。

在处理块818，如果存在与训练的钻头行为的匹配，且该匹配的行为用作触发事件，则触发事件可以用于修改数据分析模块的行为。

虽然在这里已经关于某些优选实施例描述了本发明，本领域一般技术人员将识别和认识到其不限于此。而是，在不脱离本发明如在下文中要求的范围的情况下，可以对优选实施例做出许多添加，删除和修改。另外，来自一个实施例的特征可以与另一实施例的特征结合，同时仍然在本发明如发明者所期待的范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于钻探地下岩层的钻头，包括：

携带至少一个切削元件的钻头主体；

包括中心孔的柄，穿过该柄形成所述中心孔，该柄被固定到钻头主体并适于与钻柱耦合；

端帽，被配置为设置在中心孔中并在柄中在所述中心孔和所述端帽的侧壁之间形成环形腔；

至少一个传感器，被设置在钻头中并被配置为通过检测至少一个物理参数来导出传感器数据；和

数据分析模块，设置在所述环形腔中并包括：

存储器；和

处理器，可操作地与存储器和至少一个传感器耦合，该处理器被配置为执行计算机指令，其中计算机指令被配置用于：

通过采样至少一个传感器来收集传感器数据；和

响应于传感器数据确定钻头的至少一种状态。

2.如权利要求1所述的钻头，其中，该至少一个传感器包括压力激活开关，包括：

固定部件，被设置在钻头主体的凹口中并被配置为在大体上位于钻头主体附近的压力变化期间保持在固定位置；

位移部件，被设置在凹口中并被配置为响应于大体上位于钻头主体附近的压力变化而在凹口内位移；和

可变形部件，被设置在固定部件和位移部件之间，并被配置为响应于大体上位于钻头主体附近的压力变化而变形，以使得位移部件相对于固定部件位移；

其中，该压力激活开关被配置为响应于压力的变化而产生压力信号。

3.如权利要求2所述的钻头，其中，该可变形部件包括从如下组中选择的装置，所述组包括由被配置为响应于压力变化而改变压力信号的压电器件和具有为在预定压力处的预定变形而选择的硬度计的O环。

4.如权利要求2所述的钻头，其中，该压力激活开关被配置为维持高压密封和不透水密封，以保护数据分析模块和压力激活开关的元件。

5.如权利要求1或2所述的钻头，其中，该至少一个传感器包括：负载单元，附于钻头主体内的负载单元腔中，其中，负载单元腔与所述腔相通，该负载单元包括：

第一附着部分，被配置用于附着到负载单元腔；

第二附着部分，被配置用于附着到负载单元腔；

应力部分，被设置在第一附着部分和第二附着部分之间，并配置有用于容纳至少一个应变仪的至少一个表面；

至少一个应变仪，附于该至少一个表面；和

导体，可操作地与应变仪耦合并被配置为通过负载单元腔并进入所述腔。

6.如权利要求5所述的钻头，其中，该至少一个应变仪被配置用于检测从以下组中选择的至少一个钻头参数，所述组包括：钻头上的应力，钻压，钻头上的纵向应力，由钻头表现出的纵向应变，钻头上的扭曲应力，和由钻头表现出的扭曲应变。

7.如权利要求1或2所述的钻头，进一步包括：

与数据分析模块耦合的电源；和

与电源和至少一个传感器耦合的功率选通模块；

其中，该功率选通模块被配置用于当所述至少一种状态到达预定阈值时，可操作地耦合电源到数据分析模块。

8.如权利要求7所述的钻头，其中：

该至少一个传感器是从如下组中选出的，所述组包括配置用于检测钻头温度的温度传感器和压力激活开关；以及

所述至少一种状态是从由预定温度和预定压力构成的组中选出的。

9.如权利要求1或2所述的钻头，其中，确定钻头的至少一种状态的步骤包括：响应于配置用于确定从以下组中选出的电池参数的计算机指令来确定剩余的电池寿命，所述组包括：来自电池的电压，来自电池的电流，采样电压的历史，采样电流的历史，及其组合。

10.如权利要求1或2所述的钻头，进一步包括配置用于通过执行从以下组中选出的至少一个处理，响应于至少一种状态来调整数据分析模块的行为的计算机指令，所述组包括：减小至少一个传感器的采样频率，从至少一个传感器断开功率，保证到至少一个传感器的电压足以适当地采样，保证存在足够的电压以将数据存储到存储器。

11.如权利要求1或2所述的钻头，其中：

该至少一个传感器包括设置在钻头内的不同位置处的至少两组加速计，每个加速计组被配置用于检测沿着至少一个轴的加速度；以及

该计算机指令被进一步配置用于：

通过在一系列的采样时间对该至少两组加速计采样来收集传感器数据；和

响应于收集的传感器数据在至少一个方向上确定钻头的加速度。

12.如权利要求11所述的钻头，其中，该计算机指令被进一步配置用于执行传感器数据的积分以确定在至少一个方向上的速度分布。

13.如权利要求12所述的钻头，其中，该计算机指令被进一步配置用于执行速度分布的积分以确定在至少一个方向上的钻头轨迹。

14.如权利要求1或2所述的钻头，其中，该计算机指令被进一步配置用于分析从传感器数据推导的信息，以导出信息的时间编码参数流，其中，所述分析包括：

将信息分区为时期，每个时期包括在过零点之间的连续的采样；

确定持续时间参数作为每个时期的采样数；和

确定形态参数作为每个时期的最小值的数目或最大值的数目。

15.如权利要求14所述的钻头，进一步包括被配置用于将时间编码参数流转换为码元流的计算机指令，其中码元流中的每个码元基于被导出作为可能的持续时间参数和可能的形态参数的组合的码元的预定字符。

16.一种方法，包括：

通过采样设置在钻头中的至少一个传感器来以采样频率收集传感器数据，其中，该至少一个传感器响应于与钻头状态相关联的至少一个物理参数；和

分析钻头中的传感器数据以导出传感器数据的时间编码参数流，其中该分析包括：

将传感器数据分区为各时期，每个时期包括在过零点之间的连续采样；

确定持续时间参数作为每个时期的采样数；和

确定形态参数作为每个时期的最小值的数目或最大值的数目。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括确定幅度参数作为每个时期的最大绝对值采样。

18.如权利要求16或17所述的方法，进一步包括将时间编码参数流转换为码元流，其中码元流中的每个码元基于被导出作为可能的持续时间参数和可能的形态参数的组合的码元的预定字符。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

将码元流转换为直方图，直方图的每个元素表示字符码元之一，且包括在码元流中匹配该元素码元的多个码元；和

以训练过的神经网络分析直方图以确定直方图是否表示感兴趣的钻头行为。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：

从分析直方图导出程度索引；

比较程度索引与至少一个自适应阈值；和

响应于所述比较修改数据采样模式。

Claims (20)

1.一种用于钻探地下岩层的钻头，包括：

携带至少一个切削元件的钻头主体；

包括中心孔的柄，穿过该柄形成所述中心孔，该柄被固定到钻头主体并适于与钻柱耦合；

端帽，被配置为设置在中心孔中并在柄中形成腔；

至少一个传感器，被设置在钻头中并被配置为通过检测至少一个物理参数来获得传感器数据；和

数据分析模块，设置在钻头中并包括：

存储器；和

处理器，可操作地与存储器和至少一个传感器耦合，该处理器被配置为执行计算机指令，其中计算机指令被配置用于：

通过采样至少一个传感器来收集传感器数据；和

响应于传感器数据确定钻头的至少一种状态。

2.如权利要求1所述的钻头，其中，该至少一个传感器包括压力激活开关，包括：

固定部件，被设置在钻头主体的凹口中并被配置为在大体上位于钻头主体附近的压力变化期间保持在固定位置；

位移部件，被设置在凹口中并被配置为响应于大体上位于钻头主体附近的压力变化而在凹口内位移；和

可变形部件，被设置在固定部件和位移部件之间，并被配置为响应于大体上位于钻头主体附近的压力变化而变形，以使得位移部件相对于固定部件位移；

其中，该压力激活开关被配置为响应于压力的变化而产生压力信号。

3.如权利要求2所述的钻头，其中，该可变形部件包括从如下组中选择的装置，所述组包括由被配置为响应于压力变化而改变压力信号的压电器件和具有为在预定压力处的预定变形而选择的硬度计的O环。

4.如权利要求2所述的钻头，其中，该压力激活开关被配置为维持高压密封和不透水密封，以保护数据分析模块和压力激活开关的元件。

5.如权利要求1或2所述的钻头，其中，该至少一个传感器包括：负载单元，附于钻头主体内的负载单元腔中，其中，负载单元腔与所述腔相通，该负载单元包括：

第一附着部分，被配置用于附着到负载单元腔；

第二附着部分，被配置用于附着到负载单元腔；

应力部分，被设置在第一附着部分和第二附着部分之间，并配置有用于容纳至少一个应变仪的至少一个表面；

至少一个应变仪，附于该至少一个表面；和

导体，可操作地与应变仪耦合并被配置为通过负载单元腔并进入所述腔。

6.如权利要求5所述的钻头，其中，该至少一个应变仪被配置用于检测从以下组中选择的至少一个钻头参数，所述组包括：钻头上的应力，钻压，钻头上的纵向应力，由钻头表现出的纵向应变，钻头上的扭曲应力，和由钻头表现出的扭曲应变。

7.如权利要求1或2所述的钻头，进一步包括：

与数据分析模块耦合的电源；和

与电源和至少一个传感器耦合的功率选通模块；

其中，该功率选通模块被配置用于当所述至少一种状态到达预定阈值时，可操作地耦合电源到数据分析模块。

8.如权利要求7所述的钻头，其中：

该至少一个传感器是从如下组中选出的，所述组包括配置用于检测钻头温度的温度传感器和压力激活开关；以及

所述至少一种状态是从由预定温度和预定压力构成的组中选出的。

9.如权利要求1或2所述的钻头，其中，确定钻头的至少一种状态的步骤包括：响应于配置用于确定从以下组中选出的电池参数的计算机指令来确定剩余的电池寿命，所述组包括：来自电池的电压，来自电池的电流，采样电压的历史，采样电流的历史，及其组合。

10.如权利要求1或2所述的钻头，进一步包括配置用于通过执行从以下组中选出的至少一个处理，响应于至少一种状态来调整数据分析模块的行为的计算机指令，所述组包括：减小至少一个传感器的采样频率，从至少一个传感器断开功率，保证到至少一个传感器的电压足以适当地采样，保证存在足够的电压以将数据存储到存储器。

11.如权利要求1或2所述的钻头，其中：

该至少一个传感器包括设置在钻头内的不同位置处的至少两组加速计，每个加速计组被配置用于检测沿着至少一个轴的加速度；以及

该计算机指令被进一步配置用于：

通过在一系列的采样时间对该至少两组加速计采样来收集传感器数据；和

响应于收集的传感器数据在至少一个方向上确定钻头的加速度。

12.如权利要求11所述的钻头，其中，该计算机指令被进一步配置用于执行传感器数据的积分以确定在至少一个方向上的速度分布。

13.如权利要求12所述的钻头，其中，该计算机指令被进一步配置用于执行速度分布的积分以确定在至少一个方向上的钻头轨迹。

14.如权利要求1或2所述的钻头，其中，该计算机指令被进一步配置用于分析从传感器数据推导的信息，以导出信息的时间编码参数流，其中，所述分析包括：

将信息分区为各时期，每个时期包括在过零点之间的连续的采样；

确定持续时间参数作为每个时期的采样数；和

确定形态参数作为每个时期的最小值的数目或最大值的数目。

15.如权利要求14所述的钻头，进一步包括被配置用于将时间编码参数流转换为码元流的计算机指令，其中码元流中的每个码元基于被导出作为可能的持续时间参数和可能的形态参数的组合的码元的预定字符。

16.一种方法，包括：

通过采样设置在钻头中的至少一个传感器来以采样频率收集传感器数据，其中，该至少一个传感器响应于与钻头状态相关联的至少一个物理参数；和

分析钻头中的传感器数据以导出传感器数据的时间编码参数流，其中该分析包括：

将传感器数据分区为各时期，每个时期包括在过零点之间的连续采样；

确定持续时间参数作为每个时期的采样数；和

确定形态参数作为每个时期的最小值的数目或最大值的数目。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括确定幅度参数作为每个时期的最大绝对值采样。

18.如权利要求16或17所述的方法，进一步包括将时间编码参数流转换为码元流，其中码元流中的每个码元基于被导出作为可能的持续时间参数和可能的形态参数的组合的码元的预定字符。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

将码元流转换为直方图，直方图的每个元素表示字符码元之一，且包括在码元流中匹配该元素码元的多个码元；和

以训练过的神经网络分析直方图以确定直方图是否表示感兴趣的钻头行为。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：

从分析直方图导出程度索引；

比较程度索引与至少一个自适应阈值；和

响应于所述比较修改数据采样模式。

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