CN105874148A - 具有监测工具磨损或损坏的传感器或可释放颗粒的井下切割工具 - Google Patents

Abstract

一种井筒形成系统，其包括井下切割工具，所述井下切割工具具有本体和至少一个切割元件。传感器耦接至所述井下切割工具，且所述传感器包括被配置用来在所述井下切割工具的一部分的磨损达到第一量之前发射信号的发射器。所述传感器在所述井下切割工具的所述部分的所述磨损达到所述第一量时终止所述信号的发射。

Description

具有监测工具磨损或损坏的传感器或可释放颗粒的井下切割工具

技术领域

本公开一般来说涉及用于检测井下切割工具的磨损或损坏的工具、系统和方法。

背景技术

井被钻探至各种深度，以从地下地质地层接近和产出油、气、矿物和其它天然存在的沉积物。井的钻探通常是借助钻头实现的，钻头旋转以通过去除表土、砂、粘土、石灰石、方解石、白云石或其它材料来使井筒前进。钻井过程能够引起钻头和其它井下切割工具的显著磨损。在一些情况下，钻头的损坏可引起对钻井系统的其它部分，包括钻柱和驱动系统的损坏。在一些情况下，可重新磨光损坏的钻头或可修改钻井操作来延长磨损的钻头的寿命。

附图说明

图1示出根据说明性实施方案的具有井下切割工具的井筒形成系统的立面图，井下切割工具具有用于检测井下切割工具的磨损的传感器或颗粒；

图2A示出根据说明性实施方案的具有策略上被布置用来确定或指示对钻头的磨损或损坏的传感器的钻头的立体图；

图2B示出具有策略上被布置用来确定或指示对切割元件的磨损或损坏的一个或多个传感器的切割元件的立体图；

图3示出具有耦接至多晶金刚石切割器(PDC)的颗粒的PDC的说明性实施方案的立体图；

图4示出具有耦接至PDC的颗粒的PDC的说明性实施方案的立体图；

图5示出具有刚释放就能够指示对衬底的磨损或损坏的一个或多个颗粒的PDC的衬底的说明性实施方案的立体图；

图6示出具有刚释放就能够指示对金刚石台的磨损或损坏的一个或多个颗粒的PDC的金刚石台的说明性实施方案的立体图；

图7示出具有颗粒可耦接至的多个颗粒区的PDC或其它井下切割工具的金刚石台的说明性实施方案的俯视图；以及

图8示出具有用于确定钻头上已发生磨损或损坏的传感器和颗粒中的任一者或两者的钻头的说明性实施方案的侧视图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参照形成说明书的一部分的附图。足够详细地描述了这些实施方案以使得本领域技术人员能够实践公开的工具、系统和方法；且应理解，可利用其它实施方案且可进行逻辑结构、机械、电气和化学改变而不脱离本公开的精神或范围。为了避免使本领域技术人员能够实践本文中描述的实施方案不是必要的细节，描述可省略本领域技术人员已知的某些信息。因此，以下详细描述不应以限制性意义看待；且说明性实施方案的范围仅由所附权利要求书限定。

本文中描述的实施方案涉及用于指示井下切割工具的磨损的系统和方法。系统可包括传感器或颗粒，其与井下切割工具相关联且能够指示在井下切割工具的特定位置已发生磨损或损坏，这可提供对可引起井中的灾难性故障或可防止井下切割工具的简单恢复的事件的早期检测。本文中描述的系统和方法还可提供特定磨损量已在井下切割工具上的一个或多个位置发生的指示。在具有传感器的实施方案中，传感器耦接至井下切割工具且被配置用来在井下切割工具的操作期间在对井下切割的磨损达到第一量之前发射信号。当井下切割工具的磨损达到第一量时，传感器终止信号的发射，因而指示第一磨损量已发生。在另一实施方案中，具有颗粒特性的颗粒耦接至井下切割工具，且井下切割工具刚磨损，颗粒就从井下切割工具释放。当释放时，检测到与颗粒特性相关联的标志，因而指示井下切割工具的磨损。

除非另外指定，否则术语“连接”、“啮合”、“耦接”、“附接”或描述元件之间的互动的任何其它术语的任何形式的任何使用并不意味着将互动局限于元件之间的直接互动，而是也可包含所描述的元件之间的间接互动。在以下论述和权利要求书中，术语“包含”和“包括”用开放形式使用，且因此应解释为意指“包含但不限于”。除非另有说明，否则如本文献全文所使用的，“或”并非就必须是互斥的。

图1是根据说明性实施方案的具有井下切割工具12的井筒形成系统10的立面图，井下切割工具12具有用于检测井下切割工具的磨损的传感器或颗粒。井筒形成系统10可用以形成井14的井筒13。井14在图1中被示出为在陆上，但替代地，井筒形成系统10可部署在通过固定或浮动平台来接近的海底井中。

井筒形成系统10采用多个管段来形成下降到井筒13中的钻柱16。在井14的地面17处或附近，钻柱16可包含或耦接至方钻杆19。方钻杆19可具有正方形、六边形或八边形的横截面。方钻杆19的一端连接至钻柱16而相对端连接至旋转接头20。方钻杆19穿过旋转台21，旋转台能够使方钻杆19、钻柱16和钻头18旋转。提供大钩23、电缆25、游动滑车27和升降机(未示出)来使钻头18、钻柱16、方钻杆19和旋转接头20上升或下降。方钻杆19和接头20可按需要升高或下降，以在钻头18前进时将额外管段添加至钻柱16，或在钻柱16和钻头18需要从井14去除时从钻柱16去除管段。

在图1中示出的实施方案中，钻头18是井下切割工具12，但在其它实施方案中，井下切割工具12可以是扩孔工具、研磨机、或用以切割、碾磨或用其它方式从井14去除材料的任何其它装置。可提供泵22以使钻井流体或“泥浆”(如由箭头A所示)经过钻柱16循环至井筒底部，并通过钻柱16与井筒13之间的环空返回地面。当钻头18旋转时，所施加的钻压(“WOB”)迫使钻头18的切割元件进入正被钻的衬底中。钻头18的切割元件向衬底施加超过衬底的屈服应力的压缩力，并在衬底中诱发断裂。所得碎片(称作“钻屑”)由流动经过钻头18的钻井流体从钻头18的切割面冲走。

井筒形成系统10的井下切割工具12包含传感器和颗粒中的任一者或两者，传感器和颗粒用于检测井下切割工具12的磨损，或替代地用于确定井下切割工具12已断裂或以其它方式无法切割井14中的材料。在具有传感器的实施方案中，传感器可耦接至井下切割工具12。传感器能够在井下切割工具12的操作期间(例如，在钻头18的钻井操作期间)发射信号。信号可由位于井14的地面17处或附近的接收器接收，或替代地由位于井筒13内的位置处的接收器接收。传感器可位于表面或嵌入于井下切割工具12内，使得井下切割工具12磨损刚达到第一量，传感器就终止发射信号。传感器基本上是一种“衰耗式”或“衰减式”传感器，其在发生触发事件(这种触发事件表明井下切割工具12在特定位置的特定磨损量或磨损或损坏)之前发射或指示信号。传感器的发射或指示终止可以是因为井下材料或衬底与传感器的碰撞，或可以是因为传感器暴露于井下流体或某些井下条件。

在具有颗粒的实施方案中，第一颗粒可设置在井下切割工具12上。第一颗粒具有展现第一标志的第一颗粒特性。第二颗粒可设置在井下切割工具12上，第二颗粒具有展现第二标志的第二颗粒特性。在这些实施方案中，可提供传感器，其被配置用来在第一颗粒或第二颗粒从井下切割工具释放时检测第一颗粒特性的第一标志和第二颗粒特性的第二标志中的至少一者。传感器可被定位在井14的地面17处或附近，或替代地被定位在井筒13内。第一或第二颗粒的释放可分别在井下切割工具12磨损刚达到第一量或第二量就发生。替代地，第一颗粒的释放可指示第一颗粒最初被定位到的井下切割工具12的第一位置处的磨损或损坏。类似地，第二颗粒的释放可指示第二颗粒最初被定位到的井下切割工具12的第二位置处的磨损或损坏。

图2A是根据说明性实施方案的具有策略上被布置用来确定或指示对钻头150的磨损或损坏的传感器的钻头150的立体图。钻头150是固定切割器钻头且可以是井下切割工具(诸如图1的井下切割工具12)的一个实例。钻头150包含具有凸起的刀刃区154的钻头本体152。多个切割元件158在刀刃区154中耦接至钻头本体150来辅助钻头150在操作期间去除材料。切割元件158可以是多晶金刚石切割器(PDC)，或在其它实施方案中，可以是硬质合金刀片或陶瓷刀片。一个或多个传感器155、156、157可耦接至钻头150。在图2A中示出的实施方案中，传感器155、156、157耦接至钻头本体152的各种表面。传感器155、156、157所耦接的这些表面是相对受保护的位置，其中传感器155、156、157可能遭遇一些磨料接触，但将不会完全从钻头150移走，除非钻头150已经历显著磨损。传感器156位于钻头150的保径区164中，这可以是用于放置磨损传感器的良好区域。钻头150的这个区域中的磨损可指示钻头150形成的井筒没有按所需直径形成。传感器155位于刀刃区154的一侧；而传感器157位于刀刃区154的顶部，处在切割元件158之间或接近切割元件158。传感器可替代地放置在钻头150的相对受保护以防在钻头150的磨损发生之前直接与材料碰撞的任何表面上。放置在不经历直接磨损的区域中，这样允许传感器继续存在，直到发生对钻头150的更显著的磨损为止。通常，将传感器155、157放置在诸如图2A中示出的位置有助于保护传感器155、157以防接触，直到另一表面或结构(例如，PDC)已被磨损为止。

除了或替代于将传感器155、156、157定位在钻头150的表面上，一个或多个传感器可耦接至切割元件158，如下文参照图2B所描述的。

图2B是切割元件105(例如，PDC)的立体图，该切割元件具有策略上被布置用来确定或指示对切割元件105的磨损或损坏的一个或多个传感器。切割元件105可作为设置在图2A中的钻头150上的切割元件158的代表。切割元件105可包含耦接至衬底102的金刚石台100。一个或多个衰减式传感器110、140可嵌入于金刚石台100的各层内、或嵌入金刚石台100中的各种深度处。金刚石台100在层120与层130之间可具有界面115。尽管可以想象金刚石台100可按多个层来形成，但所示出的层120、130未必将金刚石台100的形成限于这样的分层构造。而是，限定层120、130和界面115，为的是表明传感器110的近似放置，传感器110在图2B中示出的实施方案中位于界面115处。通过在钻井期间金刚石台100的逐渐磨损透过层120，可显露出传感器110。层120可具有厚度t1，此厚度仅几毫米到几十厘米或更大，这取决于金刚石台100的大小和被检测的所需磨损特性。类似地，界面115(和因此传感器110)的深度是与切割元件115的初始切割表面145相距大致t1的量。当层120被磨损时，传感器110可被磨损并毁坏。

在一些实施方案中，金刚石台100可包含额外传感器，其嵌入于切割元件115内且在相对于切割表面145的相同深度或不同深度处。在图2B中示出的实施方案中，第二界面116存在于金刚石台100与衬底102之间。传感器140位于层130下方，处在界面116处。在钻井期间通过金刚石台100的逐渐磨损透过层120和层130两者，可显露出传感器140。再次，磨损在到达传感器140之前必须发生所穿过的金刚石台100的厚度或深度t2可以是仅几毫米到几十厘米或更大，这取决于金刚石台100的大小和被检测的所需磨损特性。当层120和层130被磨损时，传感器140可被磨损并毁坏。

尽管在图2B中仅示出界面115、116，但预期放置传感器的许多界面可形成在钻头或切割元件内。这些界面可被仔细地放置来准确地检测磨损和损坏，其中每个界面处的传感器任选地在不同频率下或在不同时段发射。

传感器110、140、155、156、157与钻头150或切割元件105的耦接可采取多种形式。传感器可以通过压配合；通过使用粘合剂、环氧树脂或其它粘接剂进行的粘接；焊接；钎焊；烧结；诸如通过使用螺钉、销、铆钉或其它紧固件进行的机械耦接；或任何其它合适的耦接系统或方法来耦接。耦接传感器的这些形式中的任一者可用以将传感器耦接至钻头或切割元件的表面或形成在钻头或切割元件内的凹处、通道或其它空腔内。替代地，传感器的耦接可能需要将传感器嵌入在钻头或切割元件内。嵌入传感器可包含将传感器并入于用以形成钻头或切割元件的材料内。举例来说，切割元件(诸如PDC)在高压、高温压机(HPHT)循环中形成。在一步HPHT工艺中，金刚石颗粒、钴烧结助剂和其它材料全部松散地放置在压机中且切割器在单一压机中形成。传感器可与材料一起定位于压机中且在PDC的形成期间一体地形成在金刚石台内。替代地，可采用两步HPHT工艺来首先形成金刚石台，且接着在第二压机中将金刚石台粘接至衬底，其中传感器嵌入在金刚石台与衬底之间。

仍然参照图2A和图2B，传感器110、140、155、156、157可以具有多种传感器类型，包含本地供电的传感器、从询问的电磁场收获能量的传感器，和是或包含无源或有源发射器的传感器。传感器可按任何形状形成且可按预定大小或厚度生产。尽管传感器未必受大小约束限制，但在一些实施方案中，可能需要具有拥有至少一个在约1与100纳米之间的大小特性(例如，长度、宽度、高度、直径)的纳米传感器。在其它实施方案中，可能需要具有拥有至少一个在约1与100微米之间的大小特性的微米传感器。在收获能量或是无源发射器的传感器的情况下，发射器和接收器可位于井下在井筒中，使得发射器和接收器与传感器所位于的钻头仅相距短的距离。传感器110、140、155、156、157产生的信号无需是显著强大或复杂的，这是因为通常此传感器的目的将为发射直到被毁坏。传感器110、140、155、156、157可以设置为按多种间隔进行发射，这取决于区域暴露于磨损的程度。在一些实施方案中，类似于图2A和图2B所示的实施方案，传感器110、140、155、156、157可部署在各种深度或钻头上的位置，且可在不同射频下或按不同间隔进行发射。基于发射频率或发射间隔的差异，计算系统可解析钻头的什么区域已被毁坏，且因此向操作者提供关于已发生磨损或损坏的程度、磨损或损坏的位置和对井筒形成系统或钻头的可能的影响的指示。举例来说，传感器110可在第一频率下发射，且传感器140可在第二频率下发射。当接收器或计算系统终止接收第一频率下的发射时，其可指示钻头的钻井速度需要减小，这是因为层120的至少一部分已被磨损。当接收器或计算系统终止接收第二频率下的发射时，其可指示钻井应停止，这是因为层130的至少一部分已被磨损且相对少量的金刚石台105保留。

如果在区域(诸如界面115)中或跨越区域使用具有相同频率或发射间隔的多个传感器，那么磨损的检测可以基于信号强度。举例来说，如果在界面115处部署一百个传感器，那么在设置频率下接收信号的接收器或计算系统可监测所接收的信号的强度并基于所接收的信号的强度来估计磨损的层110的百分比。情况对于发射器在间隔下发射的信号强度也相同。

另外，传感器可被设计用来测量碰撞和压缩，以替代于测量层或区域何时已被磨损。在这个实施方案中，替代于被设计为磨损，传感器被设计用来在终止起作用之前维持某一压力。因此，如果金刚石台100被压缩超出某一压力阈值，那么传感器将终止起作用。

现在一般地参照图3至图7，在本文中公开的系统和方法的其它实施方案中，PDC可包含耦接至PDC的一个或多个颗粒。这些实施方案中的颗粒能够从井下切割工具或PDC释放，且刚释放就能够被检测到。检测到颗粒是井下切割工具或PDC已遭到损坏或磨损的指示。颗粒可通过一个或多个颗粒特性，包含光致发光、放射性、磁性特性、发射电磁信号(诸如射频信号)或其它合适的颗粒特性而可被检测。在一些配置中，可提供多个颗粒层，其中每一层指示特定磨损或损坏量已发生。可取决于与每个位置的颗粒相关联的颗粒特性或标志来确定损坏或磨损的位置或程度。

存在多种检测释放的颗粒的方式。检测传感器和系统可部署在井下，接近操作中的钻头。传感器还可从钻头向井上远程地定位，且在一些情况下可位于井的表面处或附近。在这个实施方案中，从钻井操作得到的泥浆(推测其携带任何释放的颗粒)可在泥浆离开井时通过传感器检查。

颗粒与井下切割工具或PDC的耦接类似于针对将传感器110、140、155、156、157耦接至钻头150或切割元件105所描述的。颗粒可以通过压配合；通过使用粘合剂、环氧树脂或其它粘接剂进行的粘接；焊接；钎焊；烧结；诸如通过使用螺钉、销、铆钉或其它紧固件进行的机械耦接；或任何其它合适的耦接系统或方法来耦接。如果颗粒足够小，那么这些耦接方法中的一些可能不如其它方法一样合适。颗粒可耦接至如先前针对图2A中示出的传感器描述的钻头或其它井下切割工具的表面。颗粒可耦接至PDC或其它切割元件，在PDC的表面上或在凹处、通道、空腔内或在其它界面处，如图3至图7中所描述的。颗粒的耦接可能需要将颗粒嵌入在井下切割工具或切割元件内。嵌入传感器可包含将颗粒并入于用以形成井下切割工具或切割元件的材料内。举例来说，在一步HPHT工艺中，为了形成PDC，金刚石颗粒、钴烧结助剂和其它材料全部松散地放置在压机中且切割器在单一压机中形成。颗粒可与材料一起定位于压机中且在PDC的形成期间一体地形成在金刚石台内。替代地，可采用两步HPHT工艺来首先形成金刚石台，且接着在第二压机中将金刚石台粘接至衬底，其中颗粒嵌入在金刚石台与衬底之间。

颗粒未必限于任何特定大小或形状。颗粒替代地可按任何形状形成且可按预定大小或厚度生产。尽管颗粒未必受大小约束限制，但在一些实施方案中，可能需要具有拥有至少一个在约1与100纳米之间的大小特性(例如，长度、宽度、高度、直径)的纳米颗粒。在其它实施方案中，可能需要具有拥有至少一个在约1与100微米之间的大小特性的微粒。

在一些实施方案中，第一颗粒可耦接至井下切割工具或切割元件，第一颗粒具有展现第一标志的第一颗粒特性。第二颗粒可耦接至井下切割工具或切割元件，第二颗粒具有展现第二标志的第二颗粒特性。第一和第二颗粒是可耦接至下文参照图3至图7所描述的PDC的颗粒的代表。如先前参照图1所描述的，可提供传感器，其被配置用来在第一颗粒或第二颗粒从井下切割工具或切割元件释放时检测第一颗粒特性的第一标志和第二颗粒特性的第二标志中的至少一者。传感器可被定位在井的表面处或附近，或替代地可位于井的井筒内。第一或第二颗粒的释放可分别在井下切割工具或切割元件磨损刚达到第一量或第二量就发生。第一颗粒的释放可进一步指示第一颗粒最初定位于的井下切割工具或切割元件的第一位置的磨损或损坏。类似地，第二颗粒的释放可指示第二颗粒最初定位于的井下切割工具或切割元件的第二位置的磨损或损坏。

图3是具有耦接至PDC 200的颗粒205的PDC 200的说明性实施方案的立体图。PDC 200包含耦接至衬底220的金刚石台210。颗粒205可嵌入于PDC 200中在金刚石台210与衬底220之间的界面230处。界面230包含谷240和脊250，且颗粒205的第一颗粒205a可设置在脊250中的一者上。颗粒205的第二颗粒205b可设置在谷240中的一者上。第一颗粒205a可具有拥有第一标志的第一颗粒特性，而第二颗粒可具有拥有第二标志的第二颗粒特性。在一些实施方案中，第一颗粒特性与第二颗粒特性可不同。举例来说，第一颗粒205a可展现刚释放就可检测到的光致发光，而第二颗粒205b展现刚释放就可检测到的放射性。在井中检测到光致发光颗粒可指示金刚石台210磨损达到大致等于脊250与PDC 200的原始切割表面270之间的距离的量。在井中检测到放射性颗粒可指示金刚石台210磨损达到大致等于谷240与PDC 200的原始切割表面270之间的距离的量。替代地，检测到这两种颗粒特性可指示与脊250和谷240相关联的相应区域的磨损或损坏。

在其它实施方案中，第一颗粒特性与第二颗粒特性可相同，但第一标志与第二标志可不同。举例来说，第一颗粒205a可展现具有刚释放就可检测到的第一标志的光致发光。第二颗粒205b可展现具有刚释放就可检测到的第二标志的光致发光。在井中检测到第一标志可指示金刚石台210磨损达到大致等于脊250与PDC 200的原始切割表面270之间的距离的量。在井中检测到第二标志可指示金刚石台210磨损达到大致等于谷240与PDC 200的原始切割表面270之间的距离的量。替代地，检测到这两种标志可指示与脊250和谷240相关联的相应区域的磨损或损坏。

图4是具有耦接至PDC 300的颗粒305的PDC 300的说明性实施方案的立体图。PDC 300包含耦接至衬底320的金刚石台(图4中未示出)。非平面界面310由衬底320中的凹处330提供。颗粒305可在金刚石台与衬底320一起形成或耦接至衬底320之前或同时地设置在界面310处。界面310包含平面区350，且颗粒305的第一颗粒305a可设置在平面区350中的一者上。颗粒305的第二颗粒305b可设置在凹处330中的一者上。类似于图3中描述的颗粒205a、205b，颗粒305a、305b可分别具有拥有第一标志的第一颗粒特性和拥有第二标志的第二颗粒特性。在刚从PDC 300释放就检测到第一颗粒305a和第二颗粒305b以及区分第一颗粒305a与第二颗粒305b的能力可以是因为相应颗粒特性或相应标志的差异。检测到任一颗粒可给出PDC300维持的磨损或损坏的量，或替代地特定位置已发生磨损或损坏的指示。

图5和图6是PDC的衬底410和PDC的金刚石台510的说明性实施方案的立体图，衬底410和金刚石台510中的每一者可包含能够刚释放就指示对衬底410或金刚石台510的磨损或损坏的一个或多个颗粒415。衬底410和金刚石台510可通过HPHT工艺耦接以形成PDC。界面420(由衬底410的上表面表示)将在PDC刚形成后就限定在衬底410与金刚石台510之间，且在形成之前或期间，颗粒415可包含在界面420处。界面420是基本上平面的。金刚石台510在层530与层540之间可具有界面520。尽管可以想象金刚石台510可按多个层形成，但所示出的层530、540未必将金刚石台510的形成限于这样的分层构造。而是，限定层530、540和界面520以用于识别颗粒415在金刚石台中的近似放置的目的。

颗粒415的第一颗粒415a可设置在金刚石台510的界面520处，且可在钻井期间通过将金刚石台510逐渐磨损穿过层530来显露第一颗粒415a。层530可具有厚度t3，仅几毫米到几十厘米或更大，这取决于金刚石台510的大小和被检测的所需磨损特性。类似地，界面520(和因此第一颗粒415a)的深度是与金刚石台510的初始切割表面550相距大致t3的量。当层530被磨损时，第一颗粒415a可从金刚石台510释放，使得其可被检测到。

颗粒415的第二颗粒415b可设置在衬底410的界面420处，且可在钻井期间通过将金刚石台510逐渐磨损穿过层530和540来显露第二颗粒415b(假设金刚石台510和衬底410在界面420处耦接)。磨损在到达界面420处的第二颗粒415b之前必须发生所穿过的金刚石台510的厚度或深度t4可以是仅几毫米到几十厘米或更大，这取决于金刚石台510的大小和被检测的所需磨损特性。当层530和层540被磨损时，第二颗粒415b可从界面420释放。

类似于图3中描述的颗粒205a、205b，颗粒415a、415b可分布具有拥有第一标志的第一颗粒特性和拥有第二标志的第二颗粒特性。在刚从金刚石台510或衬底410释放就检测到第一颗粒415a和第二颗粒415b以及区分第一颗粒415a与第二颗粒415b可以因为相应颗粒特性或相应标志的差异而实现。检测到任一颗粒可给出金刚石台510或衬底410维持的磨损或损坏的量，或替代地特定位置已发生磨损或损坏的指示。

图7是具有多个颗粒区620、630、640、650、660的PDC或其它井下切割工具的金刚石台610的实施方案的俯视图。颗粒区620、630、640、650、660中的每一者可包含如上文所描述具有不同颗粒特性或标志的颗粒。在操作中，当颗粒区变磨损或被损坏时，该区中的颗粒被释放，且传感器能够识别颗粒和其被释放的区或位置。

图8是具有如本文中描述的用以确定磨损或损坏已在钻头700上发生的传感器和颗粒中的任一者或两者的钻头700的实施方案的侧视图。钻头700是牙轮钻头，其具有钻头本体705和可旋转地耦接至钻头本体705的多个牙轮707。每个牙轮707能够绕着轴旋转，且每个牙轮707包含多个切割元件710。切割元件710可以是如图8中示出的齿或可替代地是硬质合金或其它刀片。如上文关于图2A的钻头150所描述，钻头700可包含一个或多个传感器720，其位于钻头700的表面上或耦接至切割元件710。传感器720可位于切割元件710之间，使得当切割元件磨损时，传感器720将暴露并被磨损，因而终止任何信号的发射。类似地，传感器720可耦接至切割元件(包含嵌入于切割元件内)，使得磨损暴露或毁坏传感器，从而使传感器终止发射。

一个或多个颗粒(诸如图3至图7中描述的颗粒)可耦接至钻头700或切割元件710(包含嵌入于钻头700或切割元件710内)。类似于先前描述的PDC，齿或刀片可包含嵌入的颗粒740，其刚释放就被传感器感测或识别以指示对钻头700的磨损或损坏。颗粒740可各自具有不同的颗粒特性或标志以允许借助与钻头700相关联的已知位置或区识别和归属特定颗粒。

本文中示出和描述的钻头仅仅是示例性的，且本公开的系统和方法可在任何钻头、钻井系统或其它井下切割工具中实现。还应注意，附图不是按比例绘制，且附图中示出的颗粒和传感器可具有大约几纳米、微米或其它量的大小特性。

在将井下切割工具部署在井筒中时检测井下切割工具的磨损或损坏的能力最小化与钻井相关联的成本且降低井筒中的工具故障的可能。以上公开内容描述包括有源或发射传感器的工具、系统和方法，传感器被设计为井下切割工具刚发生特定磨损量，或井下切割工具的特定位置或区刚发生磨损或损坏时就钝化、毁坏或磨损。在另一配置中，所述工具、系统和方法包括耦接至井下切割工具且被配置为在刚发生特定磨损量或在特定位置或区域中发生磨损或损坏时释放的可检测颗粒。除了上文描述的实施方案之外，特定组合的许多实例在本公开的范围内，其中一些在下文进行详述。

实例1.一种井筒形成系统，其包括：

井下切割工具，其具有本体和至少一个切割元件；以及

传感器，其耦接至所述井下切割工具，所述传感器具有被配置用来在所述井下切割工具的一部分的磨损达到第一量之前发射信号的发射器，所述传感器在所述井下切割工具的所述部分的所述磨损达到所述第一量时终止所述信号的发射。

实例2.如实例1所述的系统，其进一步包括：

接收器，其被配置用来从所述传感器接收所述信号。

实例3.如实例2所述的系统，其中所述接收器位于井的表面处，所述井下切割工具正在所述井内使用。

实例4.如实例2所述的系统，其中所述接收器位于井内，所述井下切割工具正在所述井中使用。

实例5.如实例1至4中任一实例所述的系统，其中由所述发射器发射的所述信号是射频(RF)信号。

实例6.如实例1至5中任一实例所述的系统，其中所述传感器嵌入于所述井下切割工具的表面内。

实例7.如实例1至5中任一实例所述的系统，其中所述传感器设置在所述本体的表面上在切割元件之间。

实例8.如实例1至7中任一实例所述的系统，其进一步包括耦接至所述井下切割工具的第二传感器，所述第二传感器具有被配置用来在所述井下切割工具的第二部分的磨损达到第二量之前发射第二信号的第二发射器，所述第二传感器在所述井下切割工具的所述第二部分的所述磨损达到所述第二量时终止所述第二信号的发射。

实例9.如实例8所述的系统，其中所述第一信号处于第一频率下且所述第二信号处于第二频率下。

实例10.如实例1至9中任一实例所述的系统，其中在所述第一量处，所述传感器暴露于井下流体，进而使所述传感器终止发射所述信号。

实例11.如实例1至10中任一实例所述的系统，其中在所述第一量处，所述传感器因为所述传感器与另一物体碰撞而终止发射所述信号。

实例12.一种井筒形成系统，其包括：

井下切割工具，其具有本体和至少一个切割元件；

第一颗粒，其设置在所述井下切割工具上，所述颗粒具有展现第一标志的第一颗粒特性；

第二颗粒，其设置在所述井下切割工具上，所述第二颗粒具有展现第二标志的第二颗粒特性；以及

传感器，其被配置用来在所述第一颗粒或所述第二颗粒从所述井下切割工具释放时检测所述第一颗粒特性的所述第一标志和所述第二颗粒特性的所述第二标志中的至少一者。

实例13.如实例12所述的系统，其中当所述井下工具的一部分磨损达到第一量时，所述第一颗粒从所述井下切割工具释放。

实例14.如实例13所述的系统，其中当所述井下工具的一部分磨损达到第二量时，所述第二颗粒从所述井下切割工具释放。

实例15.如实例12至14中任一实例所述的系统，其中所述第一颗粒从所述井下切割工具的第一位置释放，从而指示所述第一位置的磨损。

实例16.如实例15所述的系统，其中所述第二颗粒从所述井下切割工具的第二位置释放，从而指示所述第二位置的磨损。

实例17.如实例12至16中任一实例所述的系统，其中所述第一和第二颗粒是纳米颗粒。

实例18.如实例12至16中任一实例所述的系统，其中所述第一和第二颗粒是微粒。

实例19.如实例12至18中任一实例所述的系统，其中：

所述井下切割工具是固定切割器钻头；

所述至少一个切割元件是具有耦接至衬底的金刚石台的多晶金刚石切割器(PDC)；且

所述第一颗粒嵌入在所述金刚石台内。

实例20.如实例19所述的系统，其中：

所述第一颗粒位于所述金刚石台内与所述PDC切割器的切割表面相距第一距离；且

当所述PDC切割器磨损达到所述第一距离时，所述第一颗粒从所述PDC切割器释放。

实例21.如实例12至18中任一实例所述的系统，其中：

所述井下切割工具是固定切割器钻头；

所述至少一个切割元件是具有耦接至衬底的金刚石台的多晶金刚石切割器(PDC)；且

所述第一颗粒嵌入在所述金刚石台与所述衬底之间的界面处。

实例22.如实例21所述的系统，其中：

所述第一颗粒位于所述金刚石台内与所述PDC切割器的切割表面相距第一距离；且

当所述PDC切割器的磨损达到所述界面时，所述第一颗粒从所述PDC切割器释放。

实例23.如实例12至18中任一实例所述的系统，其中所述第一颗粒和所述第二颗粒中的至少一者耦接至所述本体的表面。

实例24.如实例12至18中任一实例所述的系统，其中：

所述第一颗粒嵌入在所述井下切割工具内第一深度处；且

所述第二颗粒嵌入在所述井下切割工具内第二深度处。

实例25.如实例12至24中任一实例所述的系统，其中所述传感器被配置用来检测所述第一颗粒特性的所述第一标志且所述系统进一步包括：

第二传感器，其被配置用来检测所述第二颗粒特性的所述第二标志。

实例26.如实例12至25中任一实例所述的系统，其中所述第二颗粒特性与所述第一颗粒特性相同。

实例27.如实例26所述的系统，其中所述第二标志与所述第一标志不同。

实例28.如实例12至27中任一实例所述的系统，其中：

所述第一颗粒特性选自光致发光特性、放射性特性、磁性特性和射频特性的群组；且

所述第二颗粒特性选自所述光致发光特性、所述放射性特性、所述磁性特性和所述射频特性的所述群组。

实例29.一种用于检测井下切割工具的磨损的方法，所述方法包括：

操作所述井下切割工具以去除井筒中的材料；

检测指示所述井下切割工具的第一部分处的第一磨损量的第一颗粒特性的第一标志；以及

检测指示所述井下切割工具的第二部分处的第二磨损量的第二颗粒特性的第二标志。

实例30.如实例29所述的方法，其中所述第一颗粒特性与所述第二颗粒特性相同。

实例31.如实例29或30所述的方法，其中：

所述第一颗粒特性选自光致发光特性、放射性特性、磁性特性和射频特性的群组；且

所述第二颗粒特性选自所述光致发光特性、所述放射性特性、所述磁性特性和所述射频特性的所述群组。

实例32.如实例29至31中任一实例所述的方法，其中：

检测到所述第一标志指示所述井下切割工具磨损至第一深度；且

检测到所述第二标志指示所述井下切割工具磨损至第二深度。

实例33.如实例29至32中任一实例所述的方法，其中：

检测到所述第一标志指示所述井下切割工具在第一位置磨损；且

检测到所述第二标志指示所述井下切割工具在第二位置磨损。

从以上内容应显而易见，公开的实例实施方案中体现的各种特征不仅限于那些实例实施方案。在不脱离其精神的情况下，各种改变和修改是可能的。

Claims (33)

1.一种井筒形成系统，其包括：

井下切割工具，其具有本体和至少一个切割元件；以及

传感器，其耦接至所述井下切割工具，所述传感器具有被配置用来在所述井下切割工具的一部分的磨损达到第一量之前发射信号的发射器，所述传感器在所述井下切割工具的所述部分的磨损达到所述第一量时终止所述信号的发射。

2.如权利要求1所述的系统，其进一步包括：

接收器，其被配置用来从所述传感器接收所述信号。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述接收器位于井的地面处，所述井下切割工具正在所述井内使用。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述接收器位于井内，所述井下切割工具正在所述井中使用。

5.如权利要求1所述的系统，其中由所述发射器发射的所述信号是射频(RF)信号。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器嵌入于所述井下切割工具的表面内。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器设置在所述本体的表面上，处在切割元件之间。

8.如权利要求1所述的系统，其进一步包括耦接至所述井下切割工具的第二传感器，所述第二传感器具有被配置用来在所述井下切割工具的第二部分的磨损达到第二量之前发射第二信号的第二发射器，所述第二传感器在所述井下切割工具的所述第二部分的磨损达到所述第二量时终止所述第二信号的发射。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一信号处于第一频率且所述第二信号处于第二频率。

10.如权利要求1所述的系统，其中在所述第一量处，所述传感器暴露于井下流体，进而使所述传感器终止发射所述信号。

11.如权利要求1所述的系统，其中在所述第一量处，所述传感器因为所述传感器与另一物体碰撞而终止发射所述信号。

12.一种井筒形成系统，其包括：

井下切割工具，其具有本体和至少一个切割元件；

第一颗粒，其设置在所述井下切割工具上，所述颗粒具有展现第一标志的第一颗粒特性；

第二颗粒，其设置在所述井下切割工具上，所述第二颗粒具有展现第二标志的第二颗粒特性；以及

传感器，其被配置用来在所述第一颗粒或所述第二颗粒从所述井下切割工具释放时检测所述第一颗粒特性的所述第一标志和所述第二颗粒特性的所述第二标志中的至少一者。

13.如权利要求12所述的系统，其中当所述井下工具的一部分磨损达到第一量时，所述第一颗粒从所述井下切割工具释放。

14.如权利要求13所述的系统，其中当所述井下工具的一部分磨损达到第二量时，所述第二颗粒从所述井下切割工具释放。

15.如权利要求12所述的系统，其中所述第一颗粒从所述井下切割工具的第一位置释放，从而指示所述第一位置的磨损。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述第二颗粒从所述井下切割工具的第二位置释放，从而指示所述第二位置的磨损。

17.如权利要求12所述的系统，其中所述第一和第二颗粒是纳米颗粒。

18.如权利要求12所述的系统，其中所述第一和第二颗粒是微粒。

19.如权利要求12所述的系统，其中：

所述井下切割工具是固定切割器钻头；

所述至少一个切割元件是具有耦接至衬底的金刚石台的多晶金刚石切割器(PDC)；且

所述第一颗粒嵌入在所述金刚石台内。

20.如权利要求19所述的系统，其中：

所述第一颗粒位于所述金刚石台内与所述PDC切割器的切割表面相距第一距离；且

当所述PDC切割器磨损达到所述第一距离时，所述第一颗粒从所述PDC切割器释放。

21.如权利要求12所述的系统，其中：

所述井下切割工具是固定切割器钻头；

所述至少一个切割元件是具有耦接至衬底的金刚石台的多晶金刚石切割器(PDC)；且

所述第一颗粒嵌入在所述金刚石台与所述衬底之间的界面处。

22.如权利要求21所述的系统，其中：

所述第一颗粒位于所述金刚石台内与所述PDC切割器的切割表面相距第一距离；且

当所述PDC切割器的磨损达到所述界面时，所述第一颗粒从所述PDC切割器释放。

23.如权利要求12所述的系统，其中所述第一颗粒和所述第二颗粒中的至少一者耦接至所述本体的表面。

24.如权利要求12所述的系统，其中：

所述第一颗粒嵌入在所述井下切割工具内第一深度处；以及

所述第二颗粒嵌入在所述井下切割工具内第二深度处。

25.如权利要求12所述的系统，其中所述传感器被配置用来检测所述第一颗粒特性的所述第一标志且所述系统进一步包括：

第二传感器，其被配置用来检测所述第二颗粒特性的所述第二标志。

26.如权利要求12所述的系统，其中所述第二颗粒特性与所述第一颗粒特性相同。

27.如权利要求26所述的系统，其中所述第二标志与所述第一标志不同。

28.如权利要求12所述的系统，其中：

所述第一颗粒特性选自光致发光特性、放射性特性、磁性特性和射频特性的群组；且

所述第二颗粒特性选自所述光致发光特性、所述放射性特性、所述磁性特性和所述射频特性的所述群组。

29.一种用于检测井下切割工具的磨损的方法，所述方法包括：

操作所述井下切割工具以去除井筒中的材料；

检测指示所述井下切割工具的第一部分处的第一磨损量的第一颗粒特性的第一标志；以及

检测指示所述井下切割工具的第二部分处的第二磨损量的第二颗粒特性的第二标志。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述第一颗粒特性与所述第二颗粒特性相同。

31.如权利要求29所述的方法，其中：

所述第一颗粒特性选自光致发光特性、放射性特性、磁性特性和射频特性的群组；且

所述第二颗粒特性选自所述光致发光特性、所述放射性特性、所述磁性特性和所述射频特性的所述群组。

32.如权利要求29所述的方法，其中：

检测到所述第一标志指示所述井下切割工具磨损至第一深度；且

检测到所述第二标志指示所述井下切割工具磨损至第二深度。

33.如权利要求29所述的方法，其中：

检测到所述第一标志指示所述井下切割工具在第一位置磨损；且

检测到所述第二标志指示所述井下切割工具在第二位置磨损。