CN113874596A - 仪器化切削器 - Google Patents

Abstract

一种在井眼中使用的旋转切削工具具有装配到工具主体中的腔中的仪器化切削器。仪器化切削器主体具有暴露在腔开口端的外端，并且通过至少一个连接部分连接到切削器主体，该连接部分具有比外端部更小的横截面和更大的柔性。外端部和连接部分可在腔内稍微移动，但腔足够紧密地包围外端部的至少一部分，以将横向移动限制为柔性连接部的弹性应变。可以是应变仪的一个或多个传感器用于测量在横向于腔的多个方向上的外端部上的力，并引起至少一个连接部分的弹性应变。

Description

仪器化切削器

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年4月1日提交的美国专利申请号62/827,549的权益和优先权。本申请还涉及2019年4月1日提交的美国专利申请号62/827,516和2019年4月1日提交的美国专利申请号62/827,373。前述的每个都通过引用整体明确地并入本文。

背景技术

铰刀和钻头通常构造成具有切削结构，该切削结构包括限定多个腔的块或刀片，这些腔有时被称为凹穴，切削器装配到这些腔中。该工具主体可以结合到钻柱中，或者附接到井下马达以旋转工具。

钻头或铰刀中使用的示例切削器包括多晶金刚石(PDC)切削器，该切削器包括结合到由碳化钨制成的基底上的多晶金刚石切削面。多晶金刚石切削面由使用粘结剂与基底整体烧结的金刚石颗粒制成。用于从金属管内部去除金属的铣削工具的切削器可以附接到铣削刀片的凹穴，或者直接结合到刀片的表面，并且可以由烧结碳化钨制成。

钻头、铰刀和铣刀的切削器可以使用钎焊技术固定在凹穴中，该钎焊技术将切削器附接在相应的凹穴内或切削工具的表面上。

发明内容

提供该发明内容是为了介绍将在下面的详细描述中进一步描述的一些概念。该发明内容不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

本公开的实施例涉及一种用于形成或扩大地下导管的旋转切削工具，包括限定每个具有开口端的多个腔的工具主体和装配到腔中并附接到工具主体的多个切削器。

切削工具具有带有切削器主体的至少一个切削器，该切削器主体包括外端部，该外端部暴露在腔的开口端，并且在腔内通过至少一个连接部分连接到切削器主体，该连接部分刚性地连接到外端部，但具有比外端部更小的横截面，从而具有比外端部更大的柔性。横向于连接的一个或多个连接部分的总横截面积可以小于外端部的横截面积。该工具包括至少一个传感器，以便能够测量在横向于腔和其中的切削器的多个方向中的任何一个方向上作用在切削器的外端部上的力。

该切削器主体还可以包括在腔内固定到切削器主体的内端部，至少一个连接部分在内端部和外端部之间延伸并刚性地连接到内端部和外端部，并且至少一个连接部分的横截面积小于内端部和外端部，从而具有比内端部和外端部更大的柔性。利用这种结构，外端部和连接部分不直接附接到工具主体，而是通过固定到工具主体的内端部附接。切削器主体的内部和外部都刚性地连接到连接部分，使得作用在外端部上的力可以传递到连接部分，并且还从那里传递到内端部并向前传递到工具主体。当力施加到切削器的外端部上的硬表面时，会引起应变。这种应变主要由连接部分的变形构成，因为该或每个连接部分的横截面积小于外端部，因此更加柔性。

腔壁可以紧密地包围外端部的至少一部分，但具有足够小的间距，以允许外端部横向于腔的有限运动。这会导致连接部分的应变。然而，腔壁可以足够靠近切削器的外端部，使得外端部的有限运动范围不会引起连接部分的超过弹性变形，也就是说，它不会引起超过弹性极限的变形。

连接部分和周围腔壁之间的间距可以大于外端部和腔壁之间的间距。这可以确保传递到连接部分的力仅来自外端部，因为工具主体不能直接接触连接部分并将力传递给它们。

连接部分可以是多个单独连接部分，它们间隔开并且总横截面积小于外端部和任何内端部的横截面积。作为这种结构的替代，可以只有单个连接部分，其可以是单个空心圆柱体。

提供更柔性的连接部分允许切削器硬表面上的力引起切削器主体的变形，并且这种变形可以使得能够测量作用在切削器主体上的力。传感器测量力有多种可能性。位置传感器可用于观察外部相对于工具主体的位置变化，可能通过测量外部相对于内端部的位置变化。另一种方法是测量连接部分的应变(其当然是变形)。这可以通过附接到连接部分的应变传感器来完成。

在第二方面，本发明提供了一种用于形成或扩大地下导管的旋转切削工具，包括限定每个具有开口端的多个腔的工具主体和装配到腔中并附接到工具主体的多个切削器，其中：装配到所述腔中的至少一个切削器具有切削器主体，该切削器主体包括外端部，该外端部暴露在腔的开口端，并且在腔内通过至少一个连接部分连接到切削器主体，该连接部分刚性地连接到外端部，但具有比外端部更小的横截面，从而具有比外端部更大的柔性；工具主体的至少一个连接部分和周围腔的尺寸设计成使得至少一个连接部分和腔壁之间的间距大于外端部和腔壁之间的间距；并且该工具包括至少一个传感器以测量在多个方向上作用在外端部上的力。

横向于切削器轴线的连接部分的总横截面积可以不大于横向于同一轴线的外端部横截面积的50％。它可以位于外端部横截面积的15％或20％到40％的范围内。

本公开的第三方面提供了一种用于形成或扩大地下导管的旋转切削工具，包括限定多个腔的工具主体和装配到腔中并附接到工具主体的多个切削器，其中：装配到所述腔中的至少一个切削器具有切削器主体，该切削器主体包括外端部，该外端部暴露在腔的开口端，并且在腔内通过至少一个连接部分连接到切削器主体，该连接部分刚性地连接到外端部，但具有比外端部更小的横截面，从而具有比外端部更大的柔性；并且至少一个连接部分的横截面积不超过外端部横截面积的50％,从而具有比外端部更大的柔性，并且该工具包括至少一个传感器，以测量在多个方向上作用在外端部上的力。

如已经提到的，切削器主体还可以包括在腔内固定到切削器主体的内端部，至少一个连接部分在内端部和外端部之间延伸并刚性地连接到内端部和外端部，并且至少一个连接部分的横截面积小于内端部和外端部，从而具有比内端部和外端部更大的柔性。

切削器主体的内端部可以具有不同于圆柱形的形状，与腔的匹配形状接合，从而限制切削器主体相对于工具主体的旋转。

切削器可以具有暴露在腔开口端的硬切削面。这种硬表面可能比钢更硬，并且可能具有至少1300、1600、1800或甚至更高的努普硬度。碳化钨是众所周知的硬质材料，其具有良好的热稳定性。其他硬质碳化物是其他过渡金属的碳化物，比如钒、铬、钛、钽和铌。硅、硼和铝碳化物也是硬质碳化物。其他硬质材料是氮化硼和硼化铝。这些硬质材料可用于在主体的外端部上提供硬表面，特别是如果切削器用于铣削管材的工具中。对于钻头和铰刀来说，切削器的外端部可以具有硬多晶金刚石面，这将提供非常优越的金刚石硬度。

传感器可以测量连接部分的应变，并且本公开的实施例包括附接到连接部分的应变传感器。应变传感器可以是电阻应变仪，并且可以包括粘附到连接部分(或多个连接部分之一)的电绝缘载体上的导电轨道，使得连接部分的应变改变导电轨道的长度和电阻。多个应变仪可以构造和电连接以分别测量力的一个分量。一个或多个连接部分上的应变仪可以构造和连接成测量来自沿彼此垂直并且也垂直于主体和腔的轴线的两个方向中的每个方向在切削器主体的外端部上施加剪切的力分量的应变。应变仪也可以构造和连接成测量由切削器主体的外端上的轴向载荷产生的应变。

在另一方面，现在公开了一种观察旋转切削工具的切削器上的力的方法，该方法包括提供如上所述的具有一个或多个如上所述的切削器的旋转切削工具，并在导管内操作该工具时观察或记录来自传感器的数据。

附图说明

图1是钻孔中的钻孔组件的示意性剖视图；

图2是示出固定切削器钻头的总体布置的透视图；

图3是根据本公开实施例的在装配切削器之前钻头体的一部分的透视图；

图4和5示出了根据本公开一些实施例的两种形式的电阻应变仪的特征；

图6是根据本公开一些实施例的载体上的一组互连应变仪的俯视图；

图7是根据本公开实施例的仪器化切削器的放大侧视图；

图8是沿着图7的线8-8的仪器化切削器的放大剖视图；

图9是沿着图7的箭头C方向截取的图7的仪器化切削器的端视图；

图10至15是切削器的纵向剖视图，示出了切削器制造中的示例阶段；

图16是钻头刀片的剖视图，示出了容纳切削器的腔；

图17是图16的刀片的剖视图，其中切削器在刀片中的腔内就位；

图18是诸如图6的载体的俯视图，仅示出了泊松仪表；

图19是图18所示的仪表的示例电路图；

图20和22是诸如图6的载体的俯视图，仅示出了一对连接的人字形仪表；

图21和23分别是图20和22中所示的仪表的示例电路图；

图24是根据本公开实施例的多个人字形仪表在它们可以定位在仪器化切削器上时的示意性轴向视图；

图25是用于可扩展铰刀的切削器块的透视图；

图26是根据本公开实施例的图25的切削器块的纵向剖视图，示出了切削器块中的腔内的仪器化切削器；

图27是根据本公开实施例的段或套管铣刀的切削器块的侧视图，用于铣削和移除井眼套管的一部分；

图28是根据本公开实施例的图27的线28-28上的切削器的纵向剖视图；

图29是根据本公开另一实施例的仪器化切削器的放大侧视图；

图30是在图29的线30-30上的仪器化切削器的剖视图；

图31和32是根据本公开另一实施例的用于在图29和30的实施例中使用的应变仪的示例电路图；

图33是类似于图30所示视图的剖视图，示出了切削器的另一实施例；

图34是根据本公开实施例的用于在图33的实施例中使用的应变仪的示例电路图；

图35是根据本公开实施例的载体上的一组光纤布拉格传感器的俯视图；

图36是可以用在图35的载体上的两个光纤布拉格传感器的放大俯视图；

图37和38是根据本公开实施例的结合了电容传感器的切削器的两个部分的纵向剖视图；

图39是图37和38的切削器在连接两个部分后的纵向剖视图；和

图40和41是图37和38所示的电容传感器的两个部分的正视图。

具体实施方式

本公开的示例实施例涉及在用于产生、延伸或扩大地下导管的旋转切削工具中提供仪器。该导管可以是钻穿地质构造的井眼，并且该工具可以是钻头或铰刀，其目的是产生、延伸或加宽钻孔。该工具还可以包括用于从导管内的套管或其他管道移除材料的铣刀。在专利公开号GB2535787A(其通过引用整体结合于此)中，公开了一种用于从钻孔内的管道内部去除金属的示例铣削工具，其中该工具还具有限定用于容纳硬质面切削器的腔的主体。

图1以示例的方式示出了包括钻头20和切削工具18的钻孔组件，切削工具18可以包括扩孔器或铣削工具。钻柱12从钻机10延伸到钻孔中。钻孔的上部已经衬有套管15，并如14所示胶结。钻柱12连接到切削工具18，切削工具18通过额外的钻柱12连接到钻头20。在图示的实施例中，切削工具18可以作为已经在套管段14下方膨胀的可膨胀扩孔器来操作。当旋转钻柱12并施加钻压时，钻头20向下延伸导向孔22，同时扩孔器将导向孔22打开至更大直径的钻孔24。在套管15的一部分将被移除的实施例中，切削工具18代表套管或段铣刀，其具有固定或可膨胀的刀片或切削器块，其布置和设计成移除套管。切削工具18—无论是作为铰刀来扩大钻孔还是作为套管或段铣刀来移除套管—都可以在有或没有钻头20的情况下运行。

钻机设置有系统26，用于将钻井液从供应源28沿钻柱12泵送到切削工具18和钻头20。该钻井液中的一些流过切削工具18中的通道，并沿钻柱12周围的环形空间向上流回地面。钻井液的其他部分从切削工具18流到钻头20，流出钻头20中的喷嘴或端口，并且还沿着钻柱12周围的环形空间向上流回地面。井底钻具组合底部的切削工具18和钻头20之间的距离可选地是固定的。例如，当切削工具18是扩孔器时，随着导向孔22被钻出或延伸，扩大的钻孔24也可以同时向下延伸。

当然可以理解，在没有切削工具18的情况下进行钻孔是可能的，从而附接到钻柱12上的钻头20形成具有钻头20的直径的钻孔，并且不加宽钻孔或移除套管。还可以使用附接到钻柱12的相同的切削工具18，尽管没有图1中切削工具18下方所示的钻头20和钻柱12的一部分，以便扩大先前已经钻出的钻孔或者移除先前已经安装在钻孔中的套管。

将参照附图中的图2至23描述体现本公开的带有仪器化切削器的钻具。尽管相对于钻头进行了描述，但考虑到本文的公开，本领域普通技术人员将理解，所描述的仪器化切削器可以用在其他工具中，包括扩孔器、铣削工具(例如段铣刀、套管铣刀、前导铣刀、跟随铣刀、修整铣刀、西瓜铣刀、废料铣刀等)、稳定器等。此外，还可以包括其他类型的仪器化切削器，包括具有用于一个或多个物理特性的传感器的仪器化切削器。举例来说，美国专利公开号2012/0312599(其在此全文引入作为参考)公开了带有在使用过程中监测切削器磨损的仪器的切削器，并且该切削器可以包括应变仪。

本公开的示例切削工具和切削器可以具有多个构成部分。为了便于理解本公开的一些实施例，以下讨论将包括下列描述：(a)钻头体和PDC切削器，其可以通过现有技术制成，或者包括专用于本文所述的仪器化切削器的钻头形状特征；(b)仪器化切削器的结构部分；和(c)在仪器化切削器中使用的应变仪和多个应变仪之间的电气连接。

钻头体和布局

图2示出了装配有PDC切削器的示例固定切削器钻头的特征，用于钻穿岩层以形成钻孔。该钻头具有刚性地连接到中心柄31的钻头体30，中心柄31终止于螺纹连接32，其用于将钻头连接到钻柱以旋转钻头，从而钻出钻孔。钻头具有中心轴线33，钻头围绕该中心轴线沿箭头34所示的切削方向旋转。

设置在该钻头上的切削结构包括三个成角度间隔开的主刀片36，其与三个副刀片38交替。这些刀片各自从钻头体突出，并从轴线33径向向外延伸。主刀片36开始比副刀片38更靠近轴线33。这些主刀片36和副刀片38被通道40分开，通道40有时被称为排屑槽或流道。通道40允许被供应的钻井液沿钻柱向下流动并通过孔42输送，孔42可被称为喷嘴或端口。钻井液流冷却PDC切削器，并且当该流向井口移动时，将钻屑从钻头表面带走。

刀片36、38具有从面向旋转方向的开口端向内延伸的凹穴或其他类型的腔。PDC切削器44通过钎焊固定在形成于主刀片36和副刀片38中的这些腔中，以便旋转地引导刀片并从刀片突出，这暴露了PDC切削器的金刚石切削面，如图所示。三个主刀片36彼此相似，但可以各种方式不同，例如联接到刀片的切削器44的数量和位置。类似地，副刀片38可以是相似的，但也可以在切削器44的数量和位置上或以其他方式略有不同。此外，虽然刀片36、38可以围绕轴线33均匀间隔开，但钻头也可以具有一些不均匀间隔开的刀片，以提供不对称的刀片设计。

图3示出了钻头的钻头体的一部分，其可以装配有本文所公开的仪器化切削器。钻头体的该实施例可以包括类似于参考图2描述或在图2中示出的许多特征。钻头的主体连接到中心柄，中心柄终止于内或外螺纹连接(见图2)，用于将钻头连接到钻柱。图3的钻头体还包括由通道分开的主刀片和副刀片，如图2所示。图3示出了一个副刀片38、一个主刀片36的前表面46和另一个主刀片的后表面48。可以提供用于输送钻井液的喷嘴，但在图3中没有示出。在该实施例中，副刀片38上的每个腔50和主刀片36上的径向向内的腔52的尺寸设计成接收通过钎焊固定在这些腔50、52中的PDC切削器。腔54在该实施例中径向远离钻头轴线并位于主刀片36上，可选地具有更长的长度(例如沿周向测量)，并可容纳仪器化切削器，这将在本文中更详细地描述。

钻头体可以由多种材料制成。例如，钻头体可以由钢加工而成，由任何多种材料(例如钢、钛、铬镍铁合金等)增材制造，通过将熔融金属放入模具中铸造，或者由粒状硬质材料比如碳化钨形成，该硬质材料放入模具中并用熔融金属粘合剂渗透。与钻头材料相关的公开的示例是美国专利号8211203，其在此引入作为参考。这里在图2和3中示出的钻头可以具有以任何这些方式或使用任何合适的材料形成的主体。当钻头通过渗入颗粒硬质材料形成时，具有连接32的柄可选地是钢部件，其在渗入之前嵌入硬质颗粒中。当以这种方式模制钻头体时，模具可以由石墨制成。钻头内的内部通道可以通过将石墨棒放置在由模具限定的腔内，然后将颗粒材料包裹在这些棒周围而形成。

如上所述，也可以其他方式制造钻头体，包括通过使用计算机辅助的增材制造方法，其将钻头体的颗粒材料沉积为连续层。根据数字设计，颗粒材料结合在一起，并在需要的地方结合到前一层。最初以这种方式由颗粒材料制成的制品可以随后用金属粘合剂渗透，或者可以在没有随后渗透的情况下形成。

应变仪

与本公开的实施例一致的示例电阻应变仪通过沉积在一片薄片(例如电绝缘聚合物)上的导电但有点电阻的路径来观察应变，该薄片在本文中称为载体。载体被粘附或以其他方式联接到待观察的基底。如果基底上的应力导致它稍微变长，则载体和导电路径也变长，并且导电路径的电阻增加。相反，如果有力产生压缩基底和缩短导电路径的应力，电阻就会下降。这种类型的应变仪可从许多制造商和部件供应商处获得，包括美国马萨诸塞州马尔伯勒的HBM公司、英国哈罗的HBM英国有限公司以及英国纽伯里或美国得克萨斯州奥斯汀的国家仪器公司。

应变仪可以形成为在同一载体上彼此接近的对，其中一个单个应变仪的导电路径与邻近应变仪的导电路径成不同角度(例如垂直于邻近应变仪的导电路径延伸)。这种成对仪表可以允许补偿温度变化，或者允许对中之一仪表在都暴露于周围温度时被测量应变。也可以组合使用多个应变仪，以使系统中的一个应变(例如一个方向上的应变)能够与另一个分开测量。

图4示出了一对应变仪的放大图。导电路径沉积或以其他方式形成在载体60上。在区域62c中，应变仪由导电路径提供，该导电路径平行于由双箭头63指示的方向来回延伸多次。这提供了当下面的基底在平行于箭头63的方向上经受应变时经受应变的一段导电路径。如果应变平行于箭头63拉长或缩短载体60，导电路径将相应地在该方向上拉长或缩短，导致导电路径的电阻增加或减少。如图所示，反转线匝64被加厚，以减小路径中与箭头63方向横向的那些部分的电阻。

在区域62t中，由横向/垂直于箭头63来回延伸的导电路径提供第二仪表。该区域62t中的导电路径的电阻不受平行于箭头63的应变影响。如本文更详细解释，区域62t中的导电路径可以用于补偿温度的影响。区域62c和62t中的导电路径相互连接，并连接到支撑载体上的焊接片66。这两条导电路径的另一端连接到单独的焊接片67。具有如图4所示布局的一对电连接的仪表可被称为泊松仪表。

图5示出了由单个载体60上的导电路径提供的一对应变仪的另一示例。同样在这里，每个应变仪也由在一个方向上来回延伸多次的导电路径提供。在区域68中，以及在区域69中，导电路径与箭头63的方向成45°，但区域69中的导电路径垂直于区域68中的导电路径延伸。如前所述，两个仪表连接在一起，并连接到公共的焊接片66，而两个导电路径的另一端连接到各自的焊接片67。具有图5所示配置的一对仪表可被称为人字形仪表。

图6示意性地示出了在单个矩形载体70上的一组应变仪，用于在此描述的仪器化切削器的一些实施例中。在每个位置71、72、73和74处都有图5所示类型的人字形仪表。在每个位置75、76、77和78处都有泊松仪表，其包括具有平行于载体长度的导电路径的一个仪表和具有横向于载体长度的导电部分的一个仪表。来自焊接片79的连接和仪表之间的连接也沉积或以其他方式形成在矩形载体70上。

仪器化切削器

图7是示例仪器化切削器的侧视图，该切削器具有主体，该主体具有外端部80、内端部82以及在外端部80和内端部82之间延伸的连接部分84。在该实施例中，外端部80包括以仪器化切削器的轴线87为中心的实心圆柱体。外端部80可以包括附接到PDC切削器的圆柱体86，其具有与PDC切削器相同的直径。圆柱体86可以由作为PDC切削器的基底的材料形成，或者可以包括其他材料(例如钢)。PDC切削器包括多晶金刚石切削面88，其与基底90一体形成或以其他方式附接到基底90。金刚石切削面88可以由堆积在一起并用粘结剂烧结的金刚石晶体或颗粒形成，而基底90可以包括也用粘结剂烧结的碳化钨颗粒。虽然金刚石切削面88示出为具有平坦外端面，但在一些实施例中，金刚石切削面88可以是非平坦的。例如，金刚石切削面可以是尖的(例如圆锥形、截头圆锥形、脊形、凿子形等)、凹的，具有锯齿状特征等。

在该实施例中，内端部82也是圆柱形的，但可以与另一部分92成一体或者以其他方式附接到另一部分92。在一些实施例中，另一部分92具有方形、矩形或其他多边形横截面形状，尽管它也可以是圆形的。如图9所示，另一部分92以说明性方形横截面形状示出。在内端部82和外端部80之间延伸的连接部分84可以是实心的，或者如图8中沿着图7的线8-8截取的横截面所示，可以是空心的或者其中具有内腔。

在一些实施例中，承载应变仪(例如图6的应变仪71-78)的载体70可以粘附或以其他方式联接到连接部分84的内表面。如图8中示意性示出，载体的长度可以选择成使得它完全围绕圆柱形连接部分84的内部延伸，在其端部之间只有小间隙94(例如小于内表面周长的20％、小于10％、小于5％或小于2％)，或者根本没有间隙。载体70的长度和仪表71-78在载体70上的位置可以布置和设计成使得当载体70在圆柱形部分84内就位时，某些仪表可以在直径上相对。例如，人字形仪表71和73可以在直径上彼此相对，并且其他或附加对仪表(例如人字形仪表72和74、泊松仪表75和77或泊松仪表76和78)可以在直径上彼此相对。

制造

图10至15是仪器化切削器的剖视图，以示出用于将图7至9的切削器制造成两个构成部分的示例制造过程，这两个构成部分随后被连接在一起。在图10所示的第一步骤，将PDC切削器的基底90附接到相同直径的实心圆柱体96上，以得到图10所示的制品(例如通过钎焊)。对于一些实施例，图10中所示的实施例通常可以按比例绘制，但对于其他实施例，不按比例绘制。例如，与切削面88相比，基底90可以更长。如上所述，实心圆柱体96可以由任何合适的材料形成，包括任何不同等级的钢。

如图11所示，圆柱体96可以沿其部分长度(如98所示)加工(例如在车床上)，以将圆柱体96的部分长度的直径减小到连接部分84的外径。此后，如图12所示，可以在圆柱体96中钻出或形成盲孔。在该特定实施例中，孔的长度大约等于圆柱体96外径的加工部分98的长度。随着孔的形成，机加工部分限定连接部分84，并且具有减小的直径，并且是与外端部80成一体的中空圆柱体。

图14所示的第二构成部分可以通过加工圆柱体(例如钢或其他材料)制成，以在一端形成方形端部92。该圆柱体的其余部分则形成内端部82。螺纹孔102可选地沿着第二构成部分的全部或部分长度制成，并且可选地沿着轴线制成。在一些实施例中，穿过内端部钻出小孔104(也参见图9)。小孔104可以是成角度的，如图14所示，但在其他实施例中，可以平行于仪器化切削器的轴线，平行于螺纹孔102，或者它们的组合。

如图13所示，带有附接的连接线106(仅示出了其中两条)的载体70被粘附或以其他方式联接到圆柱形连接部分84的内部。用于将应变仪附接至钢和类似材料的粘合剂可从应变仪制造商处获得，并且可包括两部分环氧粘合剂。接下来，可以将图13和14所示的两个部分结合在一起，将连接线106穿过孔104。然后，连接部分84可被焊接、钎焊或以其他方式联接到内端部82。例如，电子束焊接可用于制造图15所示的仪器化切削器。

考虑到本文的公开，应该理解，图10-15中所示的方法仅仅是说明性的。在其他实施例中，可以改变或组合顺序或过程。例如，圆柱体96可以在附接到基底90之前被模制或加工成一定形状(例如具有孔和减小的外径)。类似地，另一部件82可以在附接到基底90之前附接到圆柱体96。

图16示出了穿过钻头的主刀片36中的腔54的截面。在腔的内端，钻头体具有方形凹部110以容纳方形端92。具有用于螺栓的通孔112和从腔的内端到刀片的后表面48的通道114。该通道114沿着刀片的后表面通向通道116，在图3中更清楚地看到。三个通道114的开口118在图3中示出。

如图15所示的切削器插入腔54中至图17所示的位置，同时使来自应变仪的线106穿过通道114。相对于钻头体的轴线，腔的角度将切削器定位成与钻头的中心轴线成一角度，因此切削器从刀片伸出，如图所示。PDC盘88被暴露，并且外端部80的更多部分也被暴露，如91所示。外端部80的其余部分、连接部分84和内端部82位于钻头刀片36的圆柱形腔54内。当切削器插入腔中时，方形部分92装配到腔内端的相应凹部110中，并防止切削器在腔中的任何旋转。当切削器完全插入时，它通过螺栓119固定就位到其螺纹孔102中。

切削器的内端部82的尺寸设计成在腔54的内端干涉配合。外端部80的尺寸设计成在腔中滑动配合，在外端部80和腔的周围壁之间只有很小的间隔。由于这种布置，沿切削器的轴向方向施加到PDC盘88上的力(即切削器上的轴向载荷)通过连接部分84传递到内端部82，并从那里传递到钻头的刀片36。该应力引起应变，这是连接部分84的弹性压缩。

不在切削器的轴向方向上的PDC盘88上的力分量也将被传递到连接部分84，并将引起连接部分84弯曲的应变。这受到紧靠腔56壁的外端部80的限制，因此连接部分84的弯曲变形不会超过其弹性极限。

线106在刀片36的后表面48处沿着通道116引导，并且从那里被引导到电子仪器组件，其包含在位于钻柱12的井下端的井底组件内并且其操作应变仪并记录测量的数据，或者使用从井下工具到地面的已知形式的遥测技术，例如泥浆脉冲遥测技术或者通过使用有线钻杆，将其向前发送到地面。这种电子仪器组件例如可以包含在位于靠近钻头的钻柱中的随钻测量(MWD)设备中。在信号发送到地面之前，电子仪器组件可能会进行一些信号处理。线106也可能通向容纳在钻头本身内的一些电子设备，其然后将信号向前发送到MWD设备，用于进一步处理和/或传输到地面。钻头本身内的电子设备也有可能具有向地面传输的能力。

当切削器和线106已经放置就位时，通道114和通道106填充有电绝缘柔性填充材料，其是有机聚合物。这可以是硅酮聚合物或聚氨酯聚合物，并且它可以作为液体引入，然后在适当位置固化。这种填充材料可以是连续的聚合物块，也可以是闭孔泡沫。在任一种情况下，柔性填充物都用于排除钻井液和保护线路。

在这里所示的实施例中，内端部82通过将方形端部92保持在相应凹部110中的螺栓固定就位。其他附接方法也是可能的，例如焊接或粘合剂。

也可以将另一种类型的传感器插入连接部分84内的空间中。这在图17中示出，其中在该连接部分中有温度传感器108。到该传感器的电连接109在图17中示出为不完整，但将通过通道114引出。

应变仪的功能

四个泊松仪表75–78用于测量切削器外端上的轴向力，与横向于轴向方向的任何力分量分开。人字形应变仪71和73在连接部分84中彼此径向相对。人字形应变仪72和74也在直径上彼此相对。仪表72和74之间的名义直径与仪表71和73之间的名义直径正交。这些成对的径向相对的人字形仪表用于测量由在两个方向中的每个上的剪切力分量引起的应变，这两个方向相互垂直并且也垂直于切削器的轴线。因此，通过应变仪测量力可以将力分解为垂直于切削器轴线的这两个垂直方向上的轴向分量和剪切分量。

众所周知，使用惠斯通电桥电路来测量应变仪的电阻变化。众所周知，在惠斯通电桥中使用多个仪表来将应变和导致应变的力分离成不同的部分。然而，用于该实施例的测量装置包含现在将描述的独特特征。

载体70上的四个泊松仪表75-78相互连接，但不连接到任何人字形仪表71-74。它们连接在惠斯通电桥中，电桥的每个臂上有两个仪表。这由图18和19示出。

图18示出了图6的载体，其具有泊松仪表75-78和它们的电连接，但没有示出人字形仪表71-74和到这些仪表的连接。如图4所示，每个泊松仪表由两个单独的应变仪构成，其导电路径相互垂直。表示为75c–78c的单个应变仪具有平行于箭头63的导电路径，箭头63平行于切削器的轴线。表示为75t–78t的单个应变仪具有垂直于箭头63的导电路径。

图18中包括到泊松仪表的连接，并且也由图19示出为电路图，图19示出了各个应变仪如何连接在惠斯通电桥中。接地连接和固定电源电压分别表示为0V和V+。连接121和122是惠斯通电桥的输出，它们作为输入连接到差分放大器130。

施加到切削器外端部80的轴向载荷在箭头63所示的轴向方向上压缩连接部分84和载体70，从而缩短仪表75c-78c的导电路径并减小它们的电阻。仪表75t–78t不受影响。因此，121的电势增加且122的电势降低。121和122之间的电势差的最终变化被差分放大器130放大，并且是轴向应变的测量，因此是轴向载荷的测量。

应变仪的电阻可能随着温度而变化，但只要这同等地影响所有仪表，惠斯通电桥的所有四个臂的变化将是相同的，因此不会显著改变121和122之间的电势差。

切削器外端部80上的剪切力将拉伸一个或两个仪表75c-78c，同时以相等的量压缩直径相对的仪表。最终结果是输出没有变化。例如，如果一个应变拉伸75c并压缩相对的仪表77c，同时保持其他一切不变，则121处的电势将由于仪表75c的电阻增加而下降。由于仪表77c的电阻减小，122的电势也将下降基本相等的量，因此121和122之间的电势差将保持基本不变。更一般地说，当应变拉伸任何一个仪表并压缩直径相对的仪表时，图19所示的惠斯通电桥的两个臂中的电阻变化将基本补偿。这样，惠斯通电桥中的四个泊松仪表及其连接能够将轴向载荷与剪切力分开，并且仅测量轴向载荷。

图20示出了图6的载体的一部分，带有直径相对的人字形仪表71和73以及它们的电连接。泊松仪表75–78、人字形仪表72和74及其电气连接被省略。图20中所示的人字形仪表71和73每个都由如图5中所示的两个单独的仪表构成，导电路径彼此正交并且与箭头63所示的轴向方向成45°。这些在这里表示为71a、71b、73a和73b。图21示出了电路图。惠斯通电桥的输出123和124是差分放大器132的输入。

图22和23直接类似于图20和21，但示出了人字形仪表72和74及其连接。各个仪表再次作为惠斯通电桥连接，输出125和126作为输入连接到差分放大器134。

切削器外部80上的轴向载荷将压缩其连接部分84和人字形应变仪。然而，所有的单个仪表将被相等地压缩，因此123和124之间以及同样125和126之间的电势差将不会改变。温度的任何变化也将是如此。因此，人字形仪表分开并忽略切削器上的轴向载荷。

图24是表示人字形仪表在轴向视图中的位置的示意图。出于解释的目的，假设剪切力沿箭头方向作用，平行于仪表71和73之间的直径。这将产生应变，其中仪表71a和71b的导电路径被相等地拉伸，而仪表73a和73b的导电路径被相等地压缩。从图21可以看出，电阻的变化将使79c和79d处的电势发生等量的变化，因此123和124之间的电势差不会发生变化。再次参见图24，应变还拉伸仪表72a和74b，同时压缩74a和72b。从图23可以看出，这将降低125处的电势，同时升高126处的电势。这在这两个点之间产生电势差的变化，该变化被差分放大器134放大。因此，剪切力对仪表71和73之间直径的影响由仪表72和74测量且被仪表71和73忽略。相应地，沿着仪表72和74之间的直径的任何剪切力仅由仪表71和73测量。

总的结果是，人字形仪表的输出排除切削器上的轴向载荷，并在相互垂直和垂直于任何轴向载荷的方向上提供剪切力分量的单独测量。因为惠斯通电桥的电势差变化很小，它们在井下被差分放大器或其他电子电路放大。如上所述，这可以位于钻头内的隔间中，或者在靠近钻头的钻柱中的测量接头中。

当旋转工具(在该实施例中为钻头)在井中处于井下时，井下流体压力将向切削器施加轴向力，并因此向连接部分84施加恒定的压缩应力。这可以作为基线值来观察，当钻头在地面时，该基线值偏离该值。如果该基线是在钻头不旋转时测量的，则连接部分84的压缩轴向应变的测量以及因此切削器上的轴向载荷的测量将提供井下压力的测量。然而，由于停止钻孔进行这种测量可能不方便，所以可以在钻头的外部设置压力传感器。

在上面的电路中，每个惠斯通电桥被提供固定的电压，电桥两端的电压差被连接到差分放大器或其他电子电路，放大由应变引起的电压变化且因此惠斯通电桥中应变仪的电阻的相应变化。然而，依赖于保持恒定电流而不是恒定电源电压的电子电路也是已知的，并且可以使用。

铰刀

上面参照图7至24所述的切削器可用于其他旋转切削工具。图25和26示出了结合到铰刀块中。WO2015/085288(其在此引入作为参考)是描述旋转工具的多个文献之一，该旋转工具是用于扩大钻孔的扩孔器。在这种工具中，三个切削器块从圆柱形工具主体的膨胀是通过利用钻井液的压力向上驱动切削器块的机构实现的。切削器块具有突出的花键，该花键与切削器轴线成一定角度并装配到作为切削器主体的一部分的匹配通道中。因此，当块被一致地向上推动时，花键在匹配通道中滑动并引导块一致地径向膨胀。

图25是非常类似于WO2015/085288的图4中所示的切削器块的切削器块140的透视图。该块是在方位上围绕旋转工具主体分布的三个块之一。该块140具有上切削区域144和下切削区域146，硬表面切削器安装在其上于前一排切削器148和后一排切削器150中。在这些区域之间有轴向中间部分，其中切削器只是前排，并且包括稳定垫152。该稳定垫不包括切削器，但具有大致光滑的前表面，其定位成面向钻孔壁并在钻孔壁上滑动。这些切削器中的大多数是钎焊在钢块140的腔中的传统PDC切削器。如WO2015/08528中所述，块140上的花键154引导其向上和向外行进。

图25中的前排切削器148内的切削器156是总体如上所述的仪器化切削器，但具有较长的外部80。图26是穿过该切削器和块140的上部的横截面。可以看出，该布置非常类似于图17所示的布置。切削器通过穿过切削器块142的后表面插入的长螺栓158在腔中固定就位。金刚石盘88被暴露，并且更多的外部80被暴露，如120所示。线106被引导穿过块140，并连接到位于工具内的隔间中的电子设备。

铣刀

具有WO2015/085288中描述的结构的工具可以用作用于移除一段钻孔套管的段铣刀，通过为此将工具与切削器块装配在一起。这由图27示出。如该图所示，现有钻孔衬有首尾相连的多段管道160(钻孔套管)。水泥162已经放置在管道160和周围岩层之间。管道160和水泥162可能已经就位多年。

如在WO2015/085288中公开，装配到工具上的切削器块具有内部分164，其具有成角度的花键154，以在块膨胀时引导行进至块。内部分164附接到外部分166。该块是在方位上围绕旋转工具主体分布的三个块之一，并且可以通过工具主体中的槽向外延伸。该槽的边缘在168处可见。

每个块的外部分166是钢的，并且具有固定在其中的腔中的切削器172、173和174，使得它们部分地嵌入外块部分126中，其前端暴露并且面向旋转方向。切削器172和176是烧结碳化钨粉末的圆柱体。切削器174是仪器化切削器，与图10至15所示的切削器非常相似，除了其外端部由钎焊到烧结碳化钨粉末的圆柱体176上的钢圆柱体86构成，圆柱体176具有硬切削面。它通过螺栓178在外块部分166中保持就位。来自连接部分84中的应变仪的线106向下穿过外块部分166和内块部分164，并连接到位于工具主体内的隔间中的电子设备。

外块部分166上的径向朝外的表面182和183是部分圆柱形的，其半径使得当块已经从工具主体延伸时，这些表面以工具轴线为中心。如图28所示，表面183距离工具轴线的距离与切削器173的径向外末端的距离相同。表面182类似地与切削器172的径向末端对齐。

使用时，工具附接到钻柱，并下降到钻孔内所需的位置。WO2015/085288中所示和所述的工具主体内的机构用于在工具在待移除的管道内旋转时向上和向外推动切削器块。硬切削器172、173、174穿过周围的管道向外切削。当切削器块完全伸出时，重量被施加到工具上，这将外块部分122向下推到已被切削的管道上。

当旋转工具沿箭头D所示的井下方向轴向前进时，工具的硬切削器172、173、174现在连续地铣削掉管道160。每个块20上的轴向引导切削器172定位成从管道120的内壁移除一些材料，从而在管道162上产生新的面向内的表面。部分圆柱形表面182在管道的这个新形成的内表面上滑动。切削器173移除管道160的进一步厚度，产生表面183在其上滑动的新的面向内的表面。表面182、183与管道160上形成的内表面的紧密配合相对于管道160精确地定位旋转工具的轴线。随着工具向下推进，切削器174移除管道160的剩余厚度。

其他切削器实施例

图29和30示出了另一形式的切削器，其可以插入到图3所示的钻头体的腔28中，或者插入到图25的铰刀或图27的铣刀的切削器块中。类似于图7所示的切削器，外端部204包括金刚石盘88，其与钎焊到钢圆柱体86上的烧结碳化钨圆盘90成一体。内端部也是圆柱体82，方形端92位于其上。内端部和外端部由四个连接部分206和208连接。从图30的放大剖视图中可以看出，连接部分206、208围绕切削器轴线以90°间隔设置，使得两个连接部分206在直径上彼此相对，而另两个连接部分208也彼此相对。如图30所示，这些连接部分206、208中的每个都具有矩形横截面。图5中所示类型的人字形剪切仪211、212、213和214附接到这些连接部分206、208中的每个的宽面之一，而图4中所示类型的泊松仪表215、216、217和218附接到其它宽面。将这些应变仪211-218连接到位于旋转工具内的电子仪器组件的布线通过穿过内端部82的孔220进行。

圆柱体86、内端部82、圆柱体92上的方形端以及所有四个连接部分206、208通过选择性激光烧结钢粉末而制成为单件制品。然后通过钎焊将PDC切削器的碳化钨盘90附接，之后将应变仪211-218粘附到连接部分206、208。

尽管这些应变仪211-218附接到相对于切削器轴线径向延伸而不是周向延伸的表面，但它们连接在惠斯通电桥电路中，该电路类似于上述电路。两个连接部分206上的人字形剪切仪211和213连接在惠斯通电桥中，如图31所示。这与图21所示的电路的功能相同。另两个连接部分208上的剪切仪212和214连接在类似的电路中。泊松仪表215–218连接在图32所示的电路中，其功能与图19所示的电路相同。

图33示出了类似于图29和30的切削器，除了有三个连接部分226而不是四个连接部分206、208。这些连接部分226分别带有图5和4所示类型的人字形剪切仪211、212和213以及泊松仪表215、216和217。每个人字形剪切仪的两个部分连接在具有两个固定电阻Rf的惠斯通电桥电路中，如图34所示，其中电阻Ra和Rb表示图5所示的人字形仪表的两个相互垂直的仪表。每个泊松仪表的两个部分连接在类似的电路中。然后总共有六个惠斯通电桥电路和六个差分放大器228。

每个惠斯通电桥将以与前面所述相同的方式排除温度变化的影响。这种惠斯通电桥中的人字形仪表将排除完全轴向的应变，因为这将对人字形仪表的两个单独的仪表施加相同的影响。

因为仪表位于围绕切削器轴线的不同方位位置处的三个连接部分226上，所以每个仪表被切削器的盘88上的剪切力拉伸或缩短的程度取决于剪切力的方向。然而，应变仪和惠斯通电桥电路不能将力分解为垂直方向的轴向载荷和剪切力。相反，来自差分放大器228的模拟输出被数字化和记录。然后对记录的信号进行计算处理，将轴向力与剪切力分开，并在两个相互垂直的方向上分解剪切力。

图35和36示出了不同形式的应变传感器，它可以用来代替上述电阻应变仪。这些是基于光纤布拉格光栅的光学传感器。通过在光纤的短长度内产生反射指数的系统变化，在光纤中形成布拉格光栅。光栅选择性地反射特定波长的光，该波长取决于光栅的间距。光纤的应变改变了光栅的间距，因此改变了光栅反射最大的波长，因为存在最大的相长干涉。

关于通过紫外光照射光敏光纤产生布拉格光栅的专利文献包括美国专利5,956,442和5,309,260以及其中提到的文献。基于光纤布拉格光栅的应变传感器可从许多供应商处获得，包括HBM和国家仪器公司。

图35示出了载体250，其上粘附有形成在光纤260中的八个单独的传感器251-258。这些传感器中的两个252和256在图35中以更大比例示出。每个传感器包含布拉格光栅，它是具有系统折射率变化的短长度光纤262。为了使用，光纤260连接到示意性地用264表示的询问设备，其沿着公共光纤260引导不同波长的光，接收反射并确定反射率最大的波长。当包含光栅的光纤260的一部分被压缩或拉伸时，反射率最大的波长发生变化。观察到的波长变化与应变成比例，进而与引起应变的力成比例。八个传感器251-258的光栅都是用不同的间距制成的，因此它们反射不同的波长。因此，所有这些都可以被沿着公共光纤260发送和接收光的同一设备264询问。

载体250粘附到图10至15所示类型的切削器的圆柱形连接部分84的内部，使得四个传感器251-254在轴向方向上延伸，而传感器255-258在圆周方向上延伸。光纤260通过通道84引出。传感器251-254形成在轴向延伸的部分光纤中，并且这些观察切削器外端部80上的轴向力，但不受剪切力影响。传感器255-259不受轴向力影响，而是受剪切力影响。传感器255和257在直径上彼此相对，并且观察平行于该直径的剪切力分量。传感器256和258也在直径上彼此径向相对，该直径垂直于连接传感器255和257的直径。因此，传感器256和258观察垂直于那些影响传感器255和257的剪切力分量。

来自询问设备264的输出可以是数字形式，并且可以由计算机处理，以给出连接部分84的应变以及切削器外部22上的力的测量。布拉格光栅对温度和应变都很敏感。因此，热敏电阻或其他温度传感器附接到载体250，如266所示，并且处理来自询问设备264的输出包括温度影响的校正。

可能用于连接部分84内的应变传感器的另一技术是压阻传感器，也称为“半导体应变仪”。这种传感器具有包括半导体材料的导电路径。这种材料的电阻受材料应变的影响，导致半导体内原子间距的变化。电阻响应应变的变化大于采用电阻传感器。此类仪表的供应商包括美国加州西米谷的Micron仪器公司和美国新泽西州的Kulite半导体产品公司。

图37-41示出了的切削器具有与图7-15的切削器相同的形状和尺寸，但其利用电容位置传感器来观察外端部80相对于内端部82的位移。图37类似于图12。附接到PDC切削器的盘形主体90的实心圆柱体已被加工为形成圆柱形连接部分84和中心支柱270，两者都从附接到PDC切削器的主体90的实心圆柱形部分272延伸。图38所示的部分大体上与图14中的相同。它由内端部82和方形端部92构成，但孔82并不完全延伸穿过内端部82。

电容传感器由粘附在支柱270上的电绝缘材料盘274和粘附在内端部82上的绝缘材料较大盘276构成。盘274、276的面对表面具有设置在其中的电极。如图70所示，部分274中的插入电极是方形导电板280。图71示出了插入盘276中的五个方形导电板281-285。

外端部80上的轴向力将板210推得更靠近部分276上的导电板，并且可以测量为由板280和285形成的电容器的电容的增加。外端部80上的剪切力导致切削器变形，使得支柱270的端部稍微偏离内端部的轴线，并且可以作为板280和两个或更多个板281-284之间的电容变化来测量。这些电容测量由电子仪器组件进行，其利用依次施加到板280和每个板281-285的交变电势重复测量电容。因为板281和283位于一个直径上，而板282和284位于一个垂直直径上，剪切力可被分解成沿着这些直径的分量。

另一种可能性在结构上类似于图37-41中的布置，从支柱270的端部省略了部分274，并且在板280-285的位置提供了感应传感器。引起连接部分84变形的外端部上的力引起支柱270位置的变化，并因此引起感应传感器和支柱270之间的感应耦合的变化。这些变化作为位置280–285处感应传感器输出的变化进行观察和测量。

应当理解，上面详细描述的实施例和示例可以在它们举例说明的概念的范围内进行修改和变化。比例可以变化，并且可以不如附图所示，这些附图是示意性的并且旨在解释实施例的布局和功能。上面提到的或在上面的单个实施例中示出的特征可以任何组合以及已经具体示出和描述的组合一起使用。更具体地说，在以上组合中提到特征的情况下，在一个组合中使用的特征的细节可以在提到相同特征的另一个组合中使用。因此，所有这些修改都旨在包括在如以下权利要求所定义的本公开的范围内。

Claims (19)

1.一种用于形成或扩大地下导管的旋转切削工具，包括：

限定具有开口前端的腔的工具主体；和

装配到腔中并附接到工具主体的切削器，该切削器具有：

切削器主体，其外端部暴露在腔的开口前端；和

将切削器连接到工具主体的至少一个连接部分，该连接部分的横截面小于外端部的横截面，该至少一个连接部分还具有比外端部更大的柔性，

其中，所述外端部和至少一个连接部分在所述腔内充分可移动，使得外端部横向于所述腔的移动引起至少一个连接部分的应变，但所述腔充分紧密地包围外端部的至少一部分，以限制这种横向移动并限制至少一个连接部分的变形；和

至少一个传感器，该至少一个传感器布置和定位成测量在横向于腔的一个或多个方向上作用的外端部上的力，该力引起至少一个连接部分的应变。

2.根据权利要求1所述的旋转工具，其中，所述工具还包括至少一个附加传感器，所述至少一个附加传感器布置和定位成测量在进入所述腔的方向上的所述外端部上的力，该力引起所述至少一个连接部分的应变。

3.根据权利要求1或2所述的旋转工具，所述至少一个切削器主体包括位于所述腔中并固定到所述工具主体的内端部，其中，所述至少一个连接部分在所述内端部和外端部之间延伸并刚性连接到所述内端部和外端部，并且所述至少一个连接部分具有的横截面小于所述内端部和外端部的横截面，并且具有比所述内端部和外端部更大的柔性。

4.根据权利要求3所述的旋转工具，其中，所述切削器主体的外端部是圆柱形的，并且所述内端部的至少一部分不是圆柱形的并且接合所述腔的配合部分，该配合部分具有限制所述内端部的旋转的形状。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转工具，其中，所述腔充分紧密地围绕所述至少一个切削器的外端部的至少一部分，以防止所述至少一个连接部分变形超过弹性应变。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转工具，其中，所述至少一个连接部分和所述工具主体的周围腔的尺寸设计成使得所述至少一个连接部分和所述腔的壁之间的间距大于所述外端部和所述腔的壁之间的间距。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转工具，所述至少一个连接部分包括多个连接部分，该多个连接部分在内主体部和外主体部之间延伸并刚性地连接到内主体部和外主体部。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转工具，所述至少一个连接部分包括单个连接部分，该单个连接部分限定在内主体部和外主体部之间延伸并刚性地连接到内主体部和外主体部的圆柱体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的旋转工具，其中，所述外端部具有暴露在所述腔的开口前端处的切削面，并且所述切削面具有至少1600的努普硬度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的旋转工具，其中，所述外端部与所述至少一个连接部分成一体。

11.根据权利要求3或当从属于权利要求3时的权利要求4至10中任一项所述的旋转工具，其中，所述内端部、所述外端部的至少一部分以及所述切削器主体的至少一个连接部分通过增材制造技术制成。

12.根据权利要求11所述的旋转工具，其中，所述内端部、所述外端部的至少一部分以及所述切削器主体的至少一个连接部分通过金属粉末的选择性激光烧结或电子束熔化制成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的旋转工具，其中，所述至少一个传感器包括感测所述外端部相对于所述工具主体的位置的至少一个电容或电感传感器。

14.根据权利要求1至11中任一项所述的旋转工具，其中，所述至少一个传感器包括多个应变传感器，该多个应变传感器附接到所述至少一个连接部分并测量由在横向于所述腔的多个方向上作用的所述外端部上的力引起的所述至少一个连接部分的弹性应变。

15.根据权利要求1至12中任一项所述的旋转工具，所述至少一个连接部分包括单个连接部分，该单个连接部分限定在内主体部和外主体部之间延伸并刚性地连接到内主体部和外主体部的圆柱体，并且所述至少一个传感器包括附接到所述圆柱体的内壁的多个应变传感器。

16.根据权利要求14或15所述的旋转工具，其中，附接到连接部分的应变传感器包括电阻应变仪、光纤布拉格光栅传感器或压阻应变传感器中的一个或多个。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的旋转工具，其中，所述工具主体是钻头主体。

18.根据权利要求1至16中任一项所述的旋转工具，其中，所述工具主体是铰刀或铰刀块主体。

19.一种观察旋转切削工具的切削器上的力的方法，包括：

将前述权利要求中任一项所述的旋转工具定位在井眼中；和

当在导管内操作工具时，观察或记录来自其一个或多个传感器的数据。

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