CN112424439A - 用于形成钻地钻具的仪表化切削件的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仪表化切削元件、钻地钻具和相关方法。仪表化切削元件可包括基底基部、设置在基底基部上的金刚石台、设置在金刚石台内的传感器、联接到传感器并设置在形成于基底基部内的侧沟槽内的引线和设置在侧沟槽内的填充材料。钻地钻具可包括将仪表化切削元件固定到钻头主体的刀片。相关方法可包括形成仪表化切削元件和钻地钻具。

Description

用于形成钻地钻具的仪表化切削件的设备和方法
优先权声明
本申请要求2018年7月3日提交的名称为“Apparatuses and Methods forForming an Instrumented Cutting for an Earth-Boring Drilling Tool”的美国专利申请序列号16/026922的提交日期的权益。本申请的主题涉及2017年3月10日提交的待审的美国专利申请号15/456105的主题，该专利申请为2012年8月15日提交的美国专利申请序列号13/586650(现为2017年3月28日公布的美国专利9605487)的继续申请。本主题还涉及2017年3月6日提交的待审的美国专利申请序列号15/450775，该专利申请为2015年11月24日提交的美国专利申请序列号14/950581(现为2017年3月21日公布的美国专利9598948)的继续申请，该专利申请为2012年8月15日提交的美国专利申请号13/586668(现为2015年12月15日公布的美国专利9212546)的继续申请。这些专利申请和专利中的每一篇的公开内容均全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及钻地钻头、附接到其的切削元件以及可用于钻地下地层的其他工具。更具体地，本公开的实施方案涉及用于在钻削期间从钻地钻头获得钻头处测量结果的仪表化切削元件。
背景技术
石油和天然气工业为设计切削工具诸如包括牙轮岩石钻头和定刀钻头在内的井下钻头付出了相当大的努力。此类钻头可具有相对长的使用寿命，并且故障相对少见。具体地，付出相当大的努力来以最小化钻削操作期间发生重大钻头故障的概率的方式设计和制造牙轮岩石钻头和定刀钻头。在钻削操作期间从钻头损失牙轮或多晶金刚石复合片可能会妨碍钻削操作，并且在最坏的情况下，需要进行相当昂贵的打捞操作。
与钻头和钻头的某些部件相关的诊断信息可与钻头的耐久性、性能和潜在故障相关联。此外，关于岩层的特性信息可用于估计性能以及与钻削操作相关的其他特征。随钻测井(LWD)、随钻测量(MWD)和前端测量装置(FEMD)测量结果以常规方式由钻头后面诸如远离切削界面若干英尺处的测量结果获得。因此，可能会向数据中引入错误和延迟，这可能导致错过产油层、延迟获得信息以及钻削参数未充分优化。
发明内容
本公开的实施方案包括一种用于钻地钻具的仪表化切削元件。仪表化切削元件包括基底基部、设置在基底基部上的金刚石台、设置在金刚石台内的传感器、联接到传感器并设置在形成于基底基部内的侧沟槽内的引线、以及设置在侧沟槽内的填充材料或覆盖侧沟槽的盖材料中的至少一者。传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，该至少一个参数与切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或钻地钻具的条件中的至少一者相关。
另一个实施方案包括一种形成钻地钻具的方法。该方法包括；形成基底基部和具有用于仪表化切削元件的嵌入式金属插入件的金刚石台；响应于浸出金刚石台的至少一部分而在金刚石台内形成通道以移除嵌入式金属插入件；在基底基部的至少侧面部分内形成侧沟槽以与通道形成邻接的开放空间；将传感器插入通道内并将相关联的引线插入侧沟槽内；以及设置侧沟槽内的填充材料或覆盖侧沟槽的盖材料中的至少一者。传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，该至少一个参数与切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或钻地钻具的条件中的至少一者相关。
另一个实施方案包括一种钻地钻具，该钻地钻具包括：主体，该主体包括至少一个刀片，该至少一个刀片具有延伸穿过其的孔；和仪表化切削元件，该仪表化切削元件固定到至少一个刀片。仪表化切削元件包括基底基部、设置在基底基部上的金刚石台、设置在金刚石台内的传感器、联接到传感器并设置在形成于基底基部内的侧沟槽内的引线、以及设置在侧沟槽内的填充材料或覆盖侧沟槽的盖材料中的至少一者。传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，该至少一个参数与切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或钻地钻具的条件中的至少一者相关。
另一些实施方案包括一种操作钻地钻具的方法。该方法包括：在对地下地层钻削操作期间，用嵌入仪表化切削元件的金刚石台内的传感器获得测量数据；以及通过联接到传感器的引线将测量数据传输到数据收集模块，并且穿过填充有填充材料或被盖材料覆盖的侧沟槽。测量数据指示至少一个特性，该至少一个特性指示切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或钻地钻具的条件。该方法还包括经由数据收集模块对测量数据的分析来确定至少一个特性。
附图说明
图1示出了示例性钻地钻头的剖视图。
图2是图1的仪表化切削元件的透视图。
图3是沿线3-3截取的图2的仪表化切削元件的剖视图。
图4A至图4F示出了图1的仪表化切削元件在各个制造阶段的示意性示出的简化剖视图，其示出了制备仪表化切削元件的方法。
图5至图7是根据本公开的实施方案的仪表化切削元件的各种构型的顶视图。
图8至图10是根据本公开的附加实施方案的切削元件的各种构型的金刚石台的侧面剖视图。
图11至图14是根据本公开的附加实施方案的切削元件的各种构型的侧面剖视图。
图15A是被旋转以示出将刀片分开的排屑槽的钻地钻头的外侧视图。
图15B是图15A的简化局部剖视图。
图16A和图16B是在各个制造阶段的钻地钻头的一部分的侧面剖视图，其示出了将仪表化切削元件连接到数据收集模块的方法。
图17是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的侧面剖视图，其示出了固定仪表化切削元件的另一种方法。
图18是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的侧面剖视图，其示出了固定仪表化切削元件的另一种方法。
图19是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的简化示意图。
图20是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的简化示意图。
图21是示出测量数据的曲线图，该测量数据指示所测量的切削器温度与钻削操作期间钻具的钻进速率之间的关系。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考了附图，这些附图构成具体实施方式的一部分，并且在附图中以例示的方式示出了可实践本公开的具体实施方案。重复详细地描述了这些实施方案，以使得本领域的普通技术人员能够实践本公开，并且应当理解，可利用其他实施方案，并且可在本公开的范围内进行结构、逻辑和电气改变。
总体上参考以下描述和附图，示出了本公开的各种实施方案以示出其结构和操作方法。例示的实施方案的共同元件可以用相同或相似的附图标号表示。应当理解，所呈现的附图并非意在示出实际结构或方法的任何特定部分的实际视图，而仅仅是用于更清楚和完全地描绘由以下权利要求书限定的本公开的理想化表示。例示的附图可能未按比例绘制。
如本文所用，“钻头”是指并且包括用于在井筒孔的形成或扩大期间进行钻削的任何类型的钻头或工具，并且包括例如定刀钻头、旋转钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、铣刀、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头以及本领域已知的其他钻头和工具。
如本文所用，术语“多晶材料”是指并且包括含有通过晶粒间键直接键合在一起的多个材料晶粒或晶体的任何材料。单独材料晶粒的晶体结构可在多晶材料内的空间中随机地取向。
如本文所用，术语“多晶复合片”是指并且包括含有通过涉及向用于形成多晶材料的一种或多种前体材料施加压力(例如，压实)的过程而形成的多晶材料的任何结构。
如本文所用，术语“硬质材料”是指并且包括努普硬度值为约3,000Kgf/mm2(29,420MPa)或更大的任何材料。硬质材料包括例如金刚石和立方氮化硼。
图1是钻地钻头100的剖视图，该钻地钻头可实现本公开的实施方案。钻地钻头100包括钻头主体110。钻地钻头100的钻头主体110可由钢形成。在一些实施方案中，钻头主体110可由颗粒-基质复合材料形成。例如，钻头主体110还可包括冠部114和钢坯116。钢坯116部分地嵌入冠部114中。冠部114可包括颗粒-基质复合材料，诸如例如嵌入铜合金基质材料中的碳化钨颗粒。钻头主体110可通过螺纹连接件122和焊接件124固定到柄部120，该焊接件在其外表面上沿着钻头主体110与柄部120之间的界面围绕钻地钻头100延伸。还可设想用于将钻头主体110固定到柄部120的其他方法。
钻地钻头100可包括附接到钻头主体110的面112的多个切削元件160、200。钻地钻头100可包括装备有传感器的至少一个仪表化切削元件200，该传感器被配置为获得与仪表化切削元件200的性能和/或岩层的特性相关的实时数据，诸如电阻率测量结果。在一些实施方案中，钻地钻头100还可包括非仪表化切削元件160。仪表化切削元件200可与被配置为接收和/或处理来自传感器的数据信号的数据收集模块130可操作地联接。数据收集模块130还可包括被配置为测量来自传感器的电压信号和/或电流信号的控制电路。控制电路还可包括用于使传感器通电以执行测量的功率源(例如，电压源或电流源)。控制电路还可包括振荡器以生成以期望的频率流过地下地层的电流。在一些实施方案中，数据收集模块130可集成在钻地钻头100自身内或沿着钻柱的另一部分集成。数据收集模块130还可与LWD系统联接。
一般来讲，定刀类型钻头的切削元件160、200具有盘形或基本上圆柱形的形状。切削元件160、200包括位于切削元件200的基本上圆形的端面上的切削表面155。切削表面155可通过在高温、高压(HTHP)条件下将硬质超级磨料诸如形成为“金刚石台”的多晶金刚石的相互结合的颗粒设置在支撑基底上来形成。金刚石台可在HTHP工艺期间形成到基底上，或者可随后粘结到基底上。此类切削元件200通常被称为多晶复合片或多晶金刚石复合片(PDC)切削元件200。
切削元件160、200可沿着刀片150并且在形成于钻头主体110的面112中的凹坑156内设置，并且可由可与钻头主体110的冠部114一体形成的支柱158从后面支撑。切削元件200可与钻头主体110分开制造并且固定在形成于钻头主体110的外表面中的凹坑156内。如果切削元件200与钻头主体110分开形成，则可使用粘结材料(例如，粘合剂、硬钎焊合金等)将切削元件160、200固定到钻头主体110。在一些实施方案中，可能不期望通过硬钎焊将仪表化切削元件200固定到钻头主体110，因为传感器209(图3)可能无法承受热硬钎焊过程。因此，可执行另一种粘结工艺(例如，使用粘合剂)。如图1所示，仪表化切削元件200可位于钻头主体110的冠部114的底部附近，而非仪表化切削元件160位于冠部114的侧面上。当然，还可以设想将不同类型的切削元件160、200定位在不同位置处。因此，可以设想，钻地钻头100可包括在刀片150上的多个不同位置处的仪表化切削元件200和非仪表化切削元件160的任何组合。
钻头主体110还可包括将刀片150分开的排屑槽152。内部流体通道(未示出)在钻头主体110的面112与纵向镗孔140之间延伸，该纵向镗孔延伸穿过柄部120并且部分地穿过钻头主体110。还可在钻头主体110的面112处的内部流体通道内提供喷嘴插入件(未示出)。
钻地钻头100可固定到钻柱(未示出)的端部，该钻柱可包括端对端地联接在钻地钻头100与待钻削的地层的表面处的其他钻削设备之间的管状管道和设备段(例如，钻套环、电机、转向工具、稳定器等)。作为一个示例，钻地钻头100可固定到钻柱，其中钻头主体110固定到柄部120，该柄部具有螺纹连接部分125并且与钻柱的螺纹连接部分接合。此类螺纹连接部分的示例为美国石油学会(API)螺纹连接部分。
在钻削操作期间，钻地钻头100定位在井筒孔的底部处，使得切削元件200邻近待钻削的地层。可使用诸如旋转台或顶驱的设备来使钻柱和钻头100在筒孔内旋转。另选地，钻地钻头100的柄部120可联接到井下电机的驱动轴，该驱动轴可用于使钻地钻头100旋转。当旋转钻地钻头100时，钻井液通过纵向镗孔140和内部流体通道(未示出)泵送至钻头主体110的面112。钻地钻头100的旋转使得切削元件200刮擦和剪切下伏地层的表面。地层切屑与钻井液混合并悬浮在钻井液内，并且穿过排屑槽152和井筒孔与钻柱之间的环形空间到达地层的表面。
当切削元件160、200刮擦并剪切地下地层的表面时，可产生显著量的热量和机械应力。钻地钻头100的部件(例如，仪表化切削元件200)可被配置用于在钻削操作期间检测操作数据、性能数据、地层数据、环境数据，如本文将结合图2至图14所述。例如，传感器可被配置为确定与钻地钻头100的切削元件或其他部件的实际性能或劣化、地下地层的特性(例如，硬度、孔隙度、材料组成、扭矩、振动等)或其他测量数据相关的诊断信息。此外，由仪表化切削元件200在钻削期间获得的测量结果可实现主动钻头控制(例如，地质导向)，诸如通过将磨损条件、有效切削深度控制、对钻削时地层接合程度的了解、垫型地层电阻率测量结果和/或对钻地钻头100中可能在何处产生不稳定性的识别相关联来实现。如下所述，可从一个或多个仪表化切削元件200诸如从定位在钻地钻头100上的各个位置处的多个仪表化切削元件200获得钻头处测量结果。
本公开的实施方案包括用于制造在钻削操作期间用于确定钻头处测量结果的仪器化切削元件和钻头的方法。用于测量的电信号可在设置于钻地钻头的切削元件的金刚石台内的嵌入式传感器内生成。数据收集模块130可存储和处理信息，并且调节自我调节和/或手动调节钻头的侵入性以优化钻削性能。例如，如果切削元件200的测量温度超过预设值，则数据收集模块130可向钻头内部的自我调节模块发送信号，以调节切削器的切削深度或生成传输到钻台的警告(例如，经由遥测系统)，以允许钻机改变钻削参数，从而降低过热和损坏切削器的风险。
图2是图1的仪表化切削元件200的透视图。图3是沿图2的线3-3截取的图2的仪表化切削元件200的剖视图。
仪表化切削元件200可包括基底202以及在其上形成的具有基本上圆柱形形状的金刚石台204。此外，切削元件200可包括填充材料206，该填充材料可在形成于沟槽内时在切削元件200的横向方向上延伸并且延伸到基底202和金刚石台204的至少一部分中，如下文将进一步讨论。填充材料206的宽度可为总体切削元件200的相对薄的部分。具体参见图3，仪表化切削元件200可包括嵌入金刚石台204内的传感器209。传感器209可联接到引线210，该引线将信号从传感器209传送到数据采集单元(图3中未示出)。传感器209可被配置为获得与至少一个参数相关的数据，该至少一个参数与切削元件的诊断条件(诸如温度、应力/应变状态、磁场和电阻率等)、钻削条件、井筒条件、地层条件和钻地钻具的条件中的至少一者相关。传感器209可包括传感器，诸如热电偶、热敏电阻器、化学传感器、声换能器、伽玛检测器、电介质传感器、电阻率传感器、电阻温度检测器(RTD)、压阻传感器(例如，掺杂金刚石)和其他类似传感器。
如上所述，金刚石台204可由硬质超级磨料诸如在HTHP条件下形成的多晶金刚石的互相结合的颗粒形成。基底202可由用于金刚石台204的支撑材料(例如，碳化钨)形成。填充材料206可包括金属粘合剂、陶瓷-金属粘合剂/糊剂、陶瓷粘合剂、硅酸盐高温胶、环氧树脂和其他类似材料。在一些实施方案中，侧沟槽可被盖或盖材料覆盖，该盖或盖材料被构造成闭合侧沟槽的开口作为侧沟槽的覆盖件，而不一定填充整个侧沟槽。在一些实施方案中，盖材料可以至少部分地延伸到侧沟槽中。一些实施方案还可包括盖材料和侧沟槽的填充有填充材料206的至少一部分两者。填充材料206和/或盖材料可被构造用于保持传感器209和引线210，以及通过在钻削操作期间与环境绝缘来进行保护。
导管208还可通过凹坑延伸到基底202的至少一部分中，该凹坑穿过基底202的与金刚石台204相对的底部部分形成。导管208可大致在基底202的底部部分的中间延伸，并且其可包括用于将引线210从仪表化切削元件200引导到数据收集模块130的内部通路。形成于基底202内以接纳导管208的腔体的直径可大于被形成以接纳引线210的侧沟槽的宽度。
本公开的实施方案可利用金刚石烧结工艺将金属插入件直接嵌入金刚石台204内，并且在浸出工艺期间移除所嵌入的金属插入件之后形成开口隧道。可将传感器插入开口隧道以确保电绝缘和保护。因此，实施方案可以是用于温度、磨痕累进或裂纹扩展的切削器感测的具有高性价比且可行的解决方案。嵌入金刚石台204内的传感器209可采用可在HTHP工艺期间嵌入的金属插入件的形状。传感器209的形状可包括形状基本上为线性的单个传感器或者具有由金属插入件设计的形状的网络/矩阵。
图4A至图4F示出了图1的仪表化切削元件200在各个制造阶段的示意性示出的简化剖视图，其示出了制备仪表化切削元件200的方法。剖视图对应于沿图2的线3-3截取的切削元件200的部分。
在图4A中，切削元件200形成有基底202和其上的金刚石台204。金刚石台204还可具有在其形成期间嵌入其中的金属插入件212。切削元件200可通过在HTHP工艺中用碳化钨基底烧结金刚石粉末以形成金刚石台204和基底202来形成。金属插入件212可由可经受HTHP工艺的金属形成。例如，金属插入件212可以是表现出高于1600℃的熔融温度的材料。作为非限制性示例，金属插入件212可由包括铼(Re)、镍(Ni)、钛(Ti)以及它们的合金的材料形成。例如，金属插入件212可包括在形成仪表化切削元件200的烧结工艺期间嵌入金刚石台204中的Re合金线(例如，Re＞5重量％)。Re合金的其他示例包括TaRe、WRe、OsRe、MoRe、IrRe、NbRe、RuRe等。另外，还可以设想用于金属插入件212的三元或四元合金，诸如TaWRe、MoWTaRe等。
在一些实施方案中，金属插入件212可包括在金刚石台204上纵向延伸的线材(或线材网络)。在其他实施方案中，当嵌入金刚石台204中时，线材可形成为不同形状(例如，弯曲的)。由于线材可形成为各种形状，因此为线材选择的材料可表现出针对期望形状的最小硬度和强度以抵抗变形和破裂。在一些实施方案中，金属插入件212可为基本上均匀的，这提供了用于设置传感器(参见图4E)的基本上均匀的腔体(参见图4C)。还可以设想，在一些实施方案中，金属插入件212的直径可能不均匀。例如，金刚石台204内的金属插入件212的末端可具有比靠近金刚石台204的外边缘的金属插入件212的端部更小的直径。靠近外边缘的更大直径可提供更大量的填充材料(参见图4F)以更好地保持传感器。
参见图4B，可移除金刚石台204的至少一部分，使得金属插入件212可以更靠近金刚石台204的表面定位。在一些实施方案中，金属插入件212的初始位置可为合适的，使得金刚石台204的该部分的移除可为不必要的。移除金刚石台204可通过打磨工艺或对于本领域普通技术人员显而易见的其他方法来进行。
参见图4C，可通过移除嵌入金刚石台204中的金属插入件212来移除金属插入件212，以形成开放通道214。移除金属插入件212可通过酸浸出金刚石台204的全部或一部分或者对于本领域普通技术人员显而易见的其他方法来进行。假设整个金属插入件212已从金刚石台204浸出，则所得开放通道214的形状可基本上为金属插入件212的形状。由于金刚石台204的浸出部分221为非导电的，因此可实现传感器的电绝缘。所得通道214的纵横比可大于使用方法诸如激光加工以其他方式可实现的纵横比。此类其他方法也可证明难以实现相对均匀的通道214，而是得到更加渐缩的通道214。在一些实施方案中，通道214的纵横比可大于20∶1(长度：直径)。在一些情况下，纵横比可为大约30∶1(例如，15mm/0.5mm)。
参见图4D，可移除基底202的至少一部分以形成从基底202的顶部延伸到基底202的底部的侧沟槽216。此外，腔体218可形成于基底202的底部处，诸如靠近基底202的中心的位置处。侧沟槽216和/或腔体218可通过激光移除工艺、放电加工(EDM)或其他类似工艺形成。腔体218可被形成为被构造成接纳导管208(图2)的形状。侧沟槽216可连接到腔体218以形成从金刚石台204内的通道214到基底202的底部处的腔体218的邻接通路。为了实现该邻接通路，也可能需要移除金刚石台204的底部区域的至少一部分。
参见图4E，传感器209可插入金刚石台204的通道214中，并且导管212可插入基底202的腔体218中。导管212可固定到基底202(例如，经由螺纹、硬钎焊、压力配合、粘合剂等)。此外，联接到传感器209的引线210可以螺纹方式穿过侧沟槽216和导管212并到达连接器220。
参见图4F，填充材料206可设置在沟槽中以固定和保护传感器209和引线210。
尽管图4A至图4F示出了用于形成单个腔体218的单个金属插入件212，但本公开的实施方案可包括嵌入多个金属插入件以形成多个腔体。在此类实施方案中，金属插入件可具有不同特性，诸如不同形状、不同长度、不同直径等，这可有利于形成不同类型的传感器，或者在一些情况下，有利于将多个传感器设置在单个腔体内。
图5至图7是根据本公开的实施方案的仪表化切削元件的各种构型的顶视图。如本文所示，传感器209可根据传感器209的不同形状和数量而嵌入金刚石台204内。如上所述，传感器209的形状可在很大程度上基于用于在金刚石台204内形成腔体的金属插入件的形状。例如，图5示出了定位在金刚石台204的中心部分中并且还基本上彼此平行的传感器209。图5的传感器209也可具有不同长度。
图6示出了定位在金刚石台204的外部部分中并且可以弯曲的多个传感器209。弯曲传感器209在制造过程期间可能是有利的，因为与金刚石台204的内部区域中的金属插入件相比，靠近外周边的弯曲金属插入件的浸出工艺(参见图4C)可得到改善，因为外周边上的浸出深度可深于金刚石台204的顶部上的浸出深度。此外，在外周边上具有弯曲通道(和对应的传感器209)可避免削弱金刚石台的中心区域。
图7示出了定位在金刚石台204的中心部分中并且还相对于彼此不平行(即，成角度)的多个传感器209。可以设想，嵌入单个金刚石台204内的不同传感器209也可相对于彼此具有其他不同特性(例如，传感器类型、材料类型、直径尺寸等)。在一些实施方案中，不同传感器209可为相同的传感器类型，使得每个传感器209是联接到数据收集模块的不同通道。
在一些实施方案中，多个传感器209可设置在金刚石台204内的不同深度处。因此，第一传感器和至少一个附加传感器可在相对于金刚石台的切削表面的不同平面中彼此偏移。当靠近切削表面的传感器209被破坏时，在不同深度处具有多个通道可为仪表化切削元件提供关于磨痕深度的信息。通往多个传感器的引线可在所形成的不同沟槽内被引导(并且然后用填充材料填充)。在一些实施方案中，可使用相同的沟槽。例如，可将第一引线插入沟槽内，并且可将填充材料的一部分设置在沟槽内以覆盖第一引线。然后可将第二引线设置在沟槽内，并且可设置填充材料的另一部分以覆盖第二引线。也可使用不同导管或其他形式的分离件将引线分开，以将数据传输到数据收集模块。
图8至图10是根据本公开的附加实施方案的切削元件的各种构型的金刚石台204的侧面剖视图。如上所述，金刚石台204内的通道214的形状可基本上类似于在金刚石台204的形成期间初始嵌入的金属插入件的形状。传感器209还可通过金属插入件的设计基本上类似于通道214的形状。然而，在一些实施方案中，传感器209可能不完全适形于对应的通道214的形状。例如，通道214的末端可以是平坦的(图8)、凹形的(图9)或尖的(图10)，这可导致传感器209具有不同贴合性的弯曲末端。传感器形状和通道形状的适当组合可提供更好的传感器灵敏度(例如，热接触)。
图11至图14是根据本公开的附加实施方案的切削元件200的各种构型的侧面剖视图。基底202可包括穿过整个基底202形成(例如，钻出)的一个或多个通道230而不是具有腔体和侧沟槽，以与形成于金刚石台204内的通道对准和连接，使得传感器和导电材料具有穿过整个基底202的路径。在图11中，通道230可为线性的并且彼此平行，并且在仪表化切削元件200的纵向轴线的方向上定向取向。在图12中，通道230可为线性的并且彼此平行，并且在与仪表化切削元件200的纵向轴线成角度的方向上定向取向。在图13中，通道230可为线性和弯曲的组合，其中线性通道230在仪表化切削元件200的纵向轴线的方向上定向取向。在图14中，通道230可为线性和弯曲的组合，其中线性通道230在与仪表化切削元件200的纵向轴线成角度的方向上定向取向。
图15A是钻地钻头100的外侧视图，该钻地钻头被旋转以示出将刀片150分开的排屑槽152，并且其中导管系统250固定到刀片150的背表面。导管系统250被构造成在仪表化切削元件200与数据收集模块可驻留的钻头100的内部部分之间提供保护通道。具体地，联接到仪表化切削元件200的传感器的引线被引导穿过刀片150的孔，如下文更充分地讨论，并且进一步贯穿导管系统250以进入钻头主体并与数据收集模块联接。
导管系统250可沿着刀片150的外部部分延伸穿过排屑槽152并且在与密封件258的连接点处联接到钻头100。延伸的导线可在钻头内被进一步引导以到达数据收集模块。导管系统250可包括可以在不同接合部处联接在一起的多个区段。例如，第一区段252可延伸到形成于刀片150内的孔中并且沿着刀片150的背面的外表面弯曲。第一区段252可在接合部255处连接到第二区段254，并且继续沿钻头主体的表面向上延伸直到连接点，以进一步进入钻头主体。托槽256可放置在导管系统250上方以将导管系统固定到刀片150。在一些实施方案中，导管系统250可包括从刀片150的底部延伸至与钻头主体的连接点所在的顶部区域的单个区段。具有多个区段可具有通过移除第二区段以触及和断开接线而更容易地替换接线和/或仪表化切削元件的有益效果。
图15B是图15A的简化局部剖视图。为了更清楚地示出仪表化切削元件200的导管208，省略了钻地钻头100的许多细节，该导管至少部分地延伸穿过刀片150以与导管系统250的第一区段252的至少部分地延伸到刀片150的背面中的部分对准以接纳导线。当导管系统250的第二区段254与钻头100的上部部分处的内部通道对准时，密封件252可放置在该连接点处。导管系统250的第三区段260可位于柄部120内，并且在密封件258处或附近与第二区段254的上部部分对准，以进一步将接线引导至数据收集模块。
图16A和图16B是在各个制造阶段的钻地钻头的一部分的侧面剖视图，其示出了将仪表化切削元件200连接到数据收集模块的方法。首先参见图16A，仪表化切削元件200可插入刀片150的凹坑265中。凹坑265的背部还可包括延伸穿过刀片150的孔270。因此，在插入仪表化切削元件200之前，刀片150可具有开放凹坑265和从凹坑265的背部延伸穿过整个刀片150的孔270，该开放凹坑具有足够的尺寸和形状以接纳仪表化切削元件200，该孔具有足够的尺寸和形状以接纳仪表化切削元件200的导管208。
附接到仪表化切削元件200的导管208和对应的引线210可插入刀片150的孔270中。临时导向管280也可穿过孔270的背面插入以有利于引线210和连接器220的螺纹完全穿过刀片150。导管208和导向管280还可用于在硬钎焊工艺期间保护引线210免受火焰的影响。然后，可诸如通过硬钎焊工艺将仪表化切削元件200附连到刀片。导管208在仪表化切削元件200的轴线中心处的位置和位于凹坑265中心的孔270可允许仪表化切削元件200在硬钎焊工艺期间旋转。
参见图16B，可移除临时导向管280(图16A)，然后替换为导管系统250，该导管系统可插入刀片的孔270中以与仪表化切削元件200的导管208对准。导管系统250接纳引线210和对应的连接器220。尽管图16B示出了刀片150的孔270和仪表化切削元件200的导管208内的显著间隙，但可以设想，导管系统250在孔270内的部分与仪表化切削元件200的导管208之间的间隙是极小的。在一些实施方案中，导管系统250在孔270内延伸的部分与仪表化切削元件200的导管208
连接器220可与另一个连接器260和对应的导线联接，以使用于将信号通过导管系统250传输到钻头100中的路径进一步延伸，并进一步到达数据采集单元。导管系统250可沿着刀片150的外部部分延伸穿过排屑槽152并且在与密封件252的连接点处联接到钻头。延伸的导电材料可在钻头内被进一步引导以到达数据收集模块。
如上所述，导管系统250可包括可以在不同接合部处联接在一起的多个区段252、254。例如，第一区段252可延伸到形成于刀片150内的孔270中并且沿着刀片150的背面的外表面弯曲。第一区段252可在接合部255处连接到第二区段254，并且继续沿钻头主体的表面向上延伸直到连接点，以进一步进入钻头主体。如果期望移除(或替换)仪表化切削元件200，则可移除导管系统的一个或多个区段(例如，在接合部中的一个接合部处断开连接)，并且连接器220、260可彼此断开连接。仪表化切削元件200可经由脱钎工艺从刀片150的凹坑265中移除，之后仪表化切削元件200连同其导管208和引线210可被移除并替换为类似构造的仪表化切削元件。然后可将来自新仪表化切削元件的新连接器联接到连接器260，并且可将导管系统的第一区段252重新附接到第二区段254并固定到刀片150。
在一些实施方案中，仪表化切削元件的导管208可具有完全延伸穿过刀片150的孔的长度，使得导管系统250的第一区段252可能不需要延伸到孔270中。因此，拐角接合部可联接在孔270处或附近，以联接仪表化切削元件200的导管208和导管系统250的第一区段252。
图17是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的侧面剖视图，其示出了固定仪表化切削元件200的另一种方法。在该示例中，保持销275可以是植入基底202内并且也植入刀片150中的形状记忆合金。因此，可能不需要将切削元件200硬钎焊到刀片150。保持销275可附接到基底202，并且引线210可围绕保持销275被引导。因此，引线210可不被引导穿过基底202的中心。相反，引线210可沿着基底202的外周边被引导穿过沟槽以与刀片150中的对应孔270对准。在一些实施方案中，保持销275可具有形成于其中的通道，使得引线210可以螺纹方式穿过保持销275。
图18是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的侧面剖视图，其示出了固定仪表化切削元件200的另一种方法。在该示例中，第二钢背衬282可形成在基底202的底部上。钢背衬282可有利于经由钢螺栓285或其他附接机构将仪表化切削元件200固定到刀片150。
图19是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的简化示意图。具体地，仪表化切削元件200的导管不像先前示例中那样完全延伸穿过刀片150。相反，刀片包括腔体，联接到仪表化切削元件200的无线发射器290容纳在该腔体中。无线发射器290被配置为在钻削操作期间将测量数据无线传输到数据收集模块130，诸如经由射频(RF)、Wi-Fi、
Figure BDA0002893191630000151
近场通信(NFC)以及其他无线通信标准和协议。
图20是根据本公开的另一个实施方案的钻地钻头的一部分的简化示意图。具体地，无线发射器290嵌入在仪表化切削元件200内。例如，当插入传感器和其他接线时，无线发射器290可在制造期间嵌入在填充材料内并插入侧沟槽和/或腔体中。与图19一样，无线发射器290被配置为在钻削操作期间将测量数据无线传输到数据收集模块130。
图21是示出测量数据的曲线图2100，该测量数据指示所测量的切削器温度2102与钻削操作期间钻具的钻进速率(ROP)2104之间的关系。如图21显而易见的是，所测量的切削器温度2102和ROP 2104在测试数据中相关联，使得在操作期间，通过仪表化切削元件测量切削器温度2102可通过引线传输并最终传输到数据收集模块以供进一步处理和分析。在该示例中，切削器温度2102可被转换(例如，通过查找表、转换公式等)为可显示给操作者的ROP 2104。根据传感器类型，附加数据也可以从温度数据或其他传感器数据导出，包括例如磨痕累进、裂缝扩展、地下地层的特性(例如，硬度、孔隙度、材料组成、扭矩、振动等)或其他测量数据。
本公开的附加非限制性示例性实施方案在下面阐述。
实施方案1：一种用于钻地钻具的仪器化切削元件，包括：基底基部；金刚石台，所述金刚石台设置在所述基底基部上；传感器，所述传感器设置在所述金刚石台内，其中所述传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，所述至少一个参数与所述切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或所述钻地钻具的条件中的至少一者相关；引线，所述引线联接到所述传感器并设置在形成于所述基底基部内的侧沟槽内；和设置成覆盖所述侧沟槽的盖材料或设置在所述侧沟槽内的填充材料中的至少一者。
实施方案2：根据实施方案1所述的仪器化切削元件，其中所述填充材料选自金属粘合剂、陶瓷-金属粘合剂、陶瓷粘合剂、硅酸盐高温胶、环氧树脂和糊剂。
实施方案3：根据实施方案1或实施方案2所述的仪器化切削元件，其中所述传感器选自热电偶、热敏电阻器、化学传感器、声换能器、伽玛检测器、电介质传感器、电阻率传感器、电阻温度检测器(RTD)和压阻传感器。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的仪器化切削元件，还包括设置在所述金刚石台内的至少一个附加传感器。
实施方案5：根据实施方案4所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器在相对于所述金刚石台的切削表面的不同平面中彼此偏移。
实施方案6：根据实施方案4所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器定位在相对于所述金刚石台的切削表面的同一平面内。
实施方案7：根据实施方案6所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器定位在所述金刚石台内彼此平行延伸的通道中。
实施方案8：根据实施方案6所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器定位在所述金刚石台内相对于彼此成角度的通道中。
实施方案9：根据实施方案6所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个传感器定位在靠近所述金刚石台的周边边缘的弯曲通道内。
实施方案10：根据实施方案1至9中任一项所述的仪器化切削元件，其中所述传感器定位在位于所述金刚石台的中心部分内的通道中。
实施方案11：根据实施方案1至10中任一项所述的仪器化切削元件，其中所述传感器设置在具有等于或大于20∶1的纵横比的均匀通道内。
实施方案12：根据实施方案1至11中任一项所述的仪器化切割元件，还包括设置在所述基底的背部部分内的导管，其中所述引线穿过所述侧沟槽并且穿过在所述引线的端部上具有连接器的所述导管。
实施方案13：一种形成钻地钻具的方法，所述方法包括：形成基底基部和具有用于仪器化切削元件的嵌入式金属插入件的金刚石台；响应于浸出所述金刚石台的至少一部分而在所述金刚石台内形成通道以移除所述嵌入式金属插入件；在所述基底基部的至少侧面部分内形成侧沟槽以与所述通道形成邻接的开放空间；将传感器插入所述通道内并将相关联的引线插入所述侧沟槽内，其中所述传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，所述至少一个参数与所述切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或所述钻地钻具的条件中的至少一者相关；以及设置所述侧沟槽内的填充材料或覆盖所述侧沟槽的盖材料中的至少一者。
实施方案14：根据实施方案13所述的方法，其中形成所述基底基部和所述金刚石台包括在HTHP工艺期间用所述嵌入式金属插入件烧结金刚石粉末。
实施方案15：根据实施方案14所述的方法，还包括在所述HTHP工艺之前将两个或更多个金属插入件嵌入所述金刚石粉末内。
实施方案16：根据实施方案15所述的方法，其中所述两个或更多个金属插入件是具有不同特性的金属线材。
实施方案17：根据实施方案16所述的方法，其中所述不同特性包括不同形状、不同长度或不同直径中的一者或多者。
实施方案18：根据实施方案13至17中任一项所述的方法，还包括：在所述基底基部的底部部分内形成腔体；以及将导管插入并固定到所述基底基部。
实施方案19：根据实施方案18所述的方法，其中形成所述侧沟槽并形成所述腔体通过激光移除工艺或放电加工中的至少一者来进行。
实施方案20：一种钻地钻具，包括：主体，所述主体包括至少一个刀片，所述至少一个刀片具有延伸穿过其的孔；仪表化切削元件，所述仪表化切削元件固定到所述至少一个刀片，所述仪表化切削元件包括：基底基部；金刚石台，所述金刚石台设置在所述基底基部上；传感器，所述传感器设置在所述金刚石台内，其中所述传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，所述至少一个参数与所述切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或所述钻地钻具的条件中的至少一者相关；引线，所述引线联接到所述传感器并设置在形成于所述基底基部内的侧沟槽内；和设置在所述侧沟槽内的填充材料或覆盖所述侧沟槽的盖材料中的至少一者。
实施方案21：一种操作钻地钻具的方法，所述方法包括：在对地下地层钻削操作期间，用嵌入仪表化切削元件的金刚石台内的传感器获得测量数据，所述测量数据指示至少一个特性，所述至少一个特性指示所述切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或所述钻地钻具的条件；通过联接到所述传感器的引线将所述测量数据传输到数据收集模块，并且穿过填充有填充材料或被盖材料覆盖的侧沟槽；以及经由所述数据收集模块对所述测量数据的分析来确定所述至少一个特性。
虽然以上描述包含许多细节，但这些细节不应理解为对本公开的范围的限制，而仅仅是提供某些示例性实施方案。类似地，可设计出不脱离本公开的范围的本公开的其他实施方案。例如，本文参考一个实施方案所述的特征也可在本文所述的其他实施方案中提供。因此，本公开的范围仅由所附权利要求书及其法律等同物而不是由以上描述来指示和限制。

Claims (15)

1.一种用于钻地钻具的仪器化切削元件，所述仪器化切削元件包括：
基底基部；
金刚石台，所述金刚石台设置在所述基底基部上；
传感器，所述传感器设置在所述金刚石台内，其中所述传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，所述至少一个参数与所述切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或所述钻地钻具的条件中的至少一者相关；
引线，所述引线联接到所述传感器并设置在形成于所述基底基部内的侧沟槽内；和
设置成覆盖所述侧沟槽的盖材料或设置在所述侧沟槽内的填充材料中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的仪器化切削元件，其中所述填充材料选自金属粘合剂、陶瓷-金属粘合剂、陶瓷粘合剂、硅酸盐高温胶、环氧树脂和糊剂。
3.根据权利要求1所述的仪器化切削元件，其中所述传感器选自热电偶、热敏电阻器、化学传感器、声换能器、伽玛检测器、电介质传感器、电阻率传感器、电阻温度检测器(RTD)和压阻传感器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的仪器化切削元件，还包括设置在所述金刚石台内的至少一个附加传感器。
5.根据权利要求4所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器在相对于所述金刚石台的切削表面的不同平面中彼此偏移。
6.根据权利要求4所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器定位在相对于所述金刚石台的切削表面的同一平面内。
7.根据权利要求6所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器定位在所述金刚石台内彼此平行延伸的通道中。
8.根据权利要求6所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个附加传感器定位在所述金刚石台内相对于彼此成角度的通道中。
9.根据权利要求6所述的仪器化切削元件，其中所述传感器和所述至少一个传感器定位在靠近所述金刚石台的周边边缘的弯曲通道内。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的仪器化切削元件，其中所述传感器定位在位于所述金刚石台的中心部分内的通道中。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的仪器化切削元件，其中所述传感器设置在具有等于或大于20∶1的纵横比的均匀通道内。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的仪器化切割元件，还包括设置在所述基底的背部部分内的导管，其中所述引线穿过所述侧沟槽并且穿过在所述引线的端部上具有连接器的所述导管。
13.一种钻地钻具，包括：
主体，所述主体包括至少一个刀片；和
根据权利要求1至3中任一项所述的仪表化切削元件，所述仪表化切削元件固定到所述至少一个刀片。
14.一种钻地钻具，包括：
形成基底基部和具有用于仪器化切削元件的嵌入式金属插入件的金刚石台；
响应于浸出所述金刚石台的至少一部分而在所述金刚石台内形成通道以移除所述嵌入式金属插入件；
在所述基底基部的至少侧面部分内形成侧沟槽以与所述通道形成邻接的开放空间；
将传感器插入所述通道内并将相关联的引线插入所述侧沟槽内，其中所述传感器被配置为获得与至少一个参数相关的数据，所述至少一个参数与所述切削元件的诊断条件、钻削条件、井筒条件、地层条件或所述钻地钻具的条件中的至少一者相关；以及
设置所述侧沟槽内的填充材料或覆盖所述侧沟槽的盖材料中的至少一者。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述基底基部和所述金刚石台包括在HTHP工艺期间用所述嵌入式金属插入件烧结金刚石粉末。
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