传感器系统、切割器元件、切割工具及其使用方法与流程

1.本披露内容总体上涉及：用于确定切割器元件、特别地但非排他地是用于石油和天然气钻探的金刚石切割器元件的退化程度的传感器系统；包括这种传感器系统的工具以及使用这些传感器系统的方法。


背景技术：

2.用于通过从诸如工件或岩层等物体上去除材料来加工这些物体的工具通常包括附接到工具本体的至少一个切割器元件。例如，用于钻入地面以产生钻孔的钻头可以包括附接到钻头的若干切割器元件。由于诸如磨耗和断裂等磨损机制，切割器元件的状况会随着使用而退化，并且当切割器元件的退化程度超过某个限制时，需要更换切割器元件。在一些操作中，特别地但非排他地是在石油或天然气勘探中进行钻井，为了确定切割器元件是否接近其工作寿命的终点或不再进行有效切割而停止钻井操作的成本可能会很高。在钻井操作中，检查切割器元件可能需要从非常深的钻孔中抽出钻头，这可能会导致损失大量生产时间。
3.stoney、r、ge o’donnell和d geraghty(“dynamic wireless passive strain measurement in cnc turning using surface acoustic wave sensor[使用表面声波传感器进行cnc车削中的动态无线无源应变测量]”，int j adv manuf techol[国际先进制造技术期刊]，斯普林格，2013年6月20日)披露了使用表面声波(saw)来监测机床状况。对应变敏感的无线无源saw传感器系统固定到工具固持器，该工具固持器上安装有切割器元件。在使用中，询问设备向传感器发送rf能量脉冲，然后切断以接收“类似回声”的响应信号，该响应信号可能包含关于saw系统的响应的振幅和相位信息。
[0004]
需要一种用于确定切割器元件(特别地但非排他地，钻地钻头上的超硬切割器元件)是否接近其工作寿命的终点或者不再进行有效切割的系统和方法。该系统可能需要在磨耗性很强的环境中运行。


技术实现要素：

[0005]
根据第一方面，提供了一种传感器系统，该传感器系统包括：用于切割工具的切割器元件；询问收发器，该询问收发器能够操作用于发射射频(rf)询问信号；以及传感器收发器系统，该传感器收发器系统能够操作用于接收rf询问信号并发射rf响应信号；该传感器收发器系统包括信号引导介质，该信号引导介质被配置为在该rf询问信号、该信号引导介质中的引导信号、与该rf响应信号之间进行转换；该rf响应信号的特性取决于该信号引导介质的状况；其中，该切割器元件包括该信号引导介质，该信号引导介质的状况取决于贴近该信号引导介质的切割器元件的状况。
[0006]
根据第二方面，提供了一种用于所披露的示例传感器的切割器元件，该切割器元件包括该信号引导介质。
[0007]
根据第三方面，提供了一种用于钻入地面的钻头组件，该钻头组件包括钻头以及
所披露的示例传感器系统，其中，该切割器元件和该询问收发器附接到该钻头。
[0008]
根据第四方面，提供了一种使用所披露的示例传感器系统的方法，该切割器元件和询问收发器附接到用于钻入地面的钻头；该切割器元件包括超硬部分；该方法包括：使用该钻头钻入地面；该询问收发器发射rf询问信号；该传感器收发器系统在该rf询问信号、该信号引导介质中的相应引导信号、与相应的rf响应信号之间进行转换；该询问收发器接收该rf响应信号；信号处理器设备处理该rf响应信号并生成该切割器元件的状况的指示。
[0009]
本披露内容设想了各种示例方法和系统，其中的各种非限制性、非详尽示例和变体描述如下。
[0010]
在一些示例布置中，该切割器元件可以包括限定切刃的超硬部分，该超硬部分包括超硬材料。在一些示例中，超硬部分可以附接到基底部分。信号引导介质或信号引导介质的至少一部分可以安装到超硬材料部分上；例如，信号引导介质可以通过设置在信号引导介质与超硬材料之间的一层粘合剂材料或包括金属结合材料的附接部分而附接到超硬材料。超硬材料可以具有超硬表面，并且信号引导介质或其一部分可以附接到该超硬表面。
[0011]
在一些示例中，超硬材料可以包含多个超硬晶粒(诸如金刚石晶粒或cbn晶粒)和在这些超硬晶粒之间的间隙区域内的非超硬材料，或基本上由其组成。非超硬材料可以包括呈元素或合金形式的金属(诸如co、fe、ni或mn)和/或陶瓷材料。例如，超硬部分可以包括选自包括以下各项的组的材料：多晶金刚石(pcd)、单晶金刚石、通过化学气相沉积(cvd)生产的多晶金刚石、以及多晶立方氮化硼(pcbn)材料。多晶金刚石可以包含金刚石晶粒或基本上由其组成，或者包括非金刚石材料或包括空隙。
[0012]
在一些示例布置中，传感器收发器系统可以包括收发器天线和换能器，该收发器天线连接到该换能器，并且该换能器连接到信号引导介质。在其他示例布置中，信号引导介质能够操作用于在rf询问信号、引导信号和rf响应信号之间进行转换；换言之，信号引导介质本身可以用作收发器天线和换能器。
[0013]
在一些示例布置中，信号引导介质可以形成天线，能够操作用于反向散射rf询问信号以作为rf响应信号。在一些示例中，询问收发器和/或传感器收发器系统的相应天线可以包括坐落于相应陶瓷壳内的盘绕线，陶瓷材料具有合适的介电性质和耐磨性。
[0014]
在一些示例布置中，传感器收发器系统可以包括换能器，并且信号引导介质可以包括声通道；该换能器通信地连接到该声通道。
[0015]
在一些示例布置中，该传感器系统可以包括信号处理器系统，该信号处理器系统通信地连接到该询问收发器以接收指示该rf响应信号的指示性信号，并且被配置为处理该指示性信号并生成指示该切割器元件的状况的输出。
[0016]
在一些示例布置中，传感器收发器系统可以包括磁场传感器设备和/或温度传感器设备。
[0017]
在一些示例布置中，该传感器系统可以包括多个切割器元件和多个相应的传感器收发器系统，每个切割器元件包括相应的信号引导介质；其中，每个传感器收发器系统被配置为接收该rf询问信号并发射相应的rf响应信号。
[0018]
在一些示例布置中，超硬部分可以包括与切刃毗连的磨损区域。磨损区域可以在使用中被去除，例如，通过物理磨损(诸如磨料磨损)和/或化学磨损、和/或通过断裂(包括微断裂)。在使用中对磨损区域内的超硬材料的去除可以在至少部分时间内以均匀的速率
进行，和/或在至少部分时间内通过相对大块的断裂进行。随着磨损区域内的材料在使用中被去除，超硬部分的表面以及在一些示例中基底部分的表面可能会变得暴露；暴露的表面可以被称为“磨损表面”，并且其面积会随材料从磨损区域的去除而增加。切割器元件的寿命终止状况可以由磨损表面的最大面积和/或磨损区域的体积和/或距切刃的最大直径距离来表征。例如，示例切割器元件的寿命终止状况可以由距切刃的直径距离来表征，该直径距离垂直于切刃的切线在超硬部分的前刀面上延伸。
[0019]
在一些示例布置中，切割器元件可以具有中心纵向轴线，超硬部分具有从切刃穿过该中心纵向轴线延伸到相反刃的至少一个直径。在一些示例配置中，超硬部分可以具有圆形刃，并且直径可以在所有圆周点处具有单一值；在一些示例配置中，超硬部分可以具有非圆形(例如，椭圆形)刃，并且直径可以具有取决于圆周(即，方位角)位置的多个值。
[0020]
在一些示例布置中，信号引导介质的至少一部分(其可以被称为信号引导介质的“易损部分”)可以延伸到磨损区域中，以使得当易损部分的至少一部分随着磨损表面与易损部分相交而损耗时，信号引导介质被修改或损坏。在一些示例布置中，信号引导介质可以包括位于与切刃相距3/8直径的距离内的部分(即，易损部分)；示例信号引导介质可以延伸直到直径的5/8。磨损区域可以延伸与切刃相距3/8直径的刃距离。
[0021]
在一些示例布置中，信号引导介质可以包括微机电传感器(mems)，该微机电传感器能够操作用于修改引导信号。
[0022]
在一些示例布置中，传感器收发器系统可以包括表面声波saw机构，该saw机构包括rf天线和换能器；并且信号引导介质可以包括压电层和附接到该压电层的至少一个反射器元件，该至少一个反射器元件能够操作用于将由该压电层引导的第一声信号反射为由该压电层引导的第二声信号；该rf天线连接到该换能器，并且该换能器连接到该压电层、并能够操作用于将该rf询问信号转换为该第一声信号并将该第二声信号转换为该rf响应信号。
[0023]
在一些示例布置中，信号引导介质的特性(例如，电学或声学特性或性质)可以取决于贴近信号引导介质的切割器元件的温度或应变。
[0024]
在一些示例布置中，切割器元件可以包括整个传感器收发器系统。
[0025]
在一些示例布置中，该传感器系统可以包括信号增强器设备，该信号增强器设备通信地连接到询问收发器并且被配置为生成指示rf响应信号的特性的增强器信号；其中，该信号增强器设备可以附接到示例钻头。
[0026]
在一些示例布置中，该传感器系统可以包括通信地连接到询问收发器的信号处理器设备；其中，该信号处理器设备可以附接到钻头。
[0027]
在一些示例布置中，该传感器系统可以包括多个切割器元件和多个相应的传感器收发器，每个切割器元件包括相应的信号引导介质；其中，每个切割器元件和询问收发器可以附接到钻头。
[0028]
在一些示例中，传感器收发器系统可以包括电源或用于收集rf询问信号的电力的电路，以便为rf响应信号的传输供电。传感器收发器设备可以作为传感器收发器系统的所有电子部件的组合件(package)而被提供，安装到换能器底板上。每个第一收发器设备以及信号增强器可以包括相应的电池以提供长达约100小时的电力。
[0029]
如本文所述的任何装置特征也可以作为方法特征提供，并且反之亦然。
[0030]
将参考附图来描述非限制性示例方法和系统，在附图中：
[0031]
图1a示出了包括在使用之前用于钻地钻头的示例切割器插入件的示例传感器系统的示意图，示出了包括示例rf反向散射天线的示例切割器插入件的侧视图(左侧)和俯视图(中间)、以及rf询问收发器的示意性表示(右侧)；以及
[0032]
图1b示出了图1a的示例传感器系统以及与rf询问收发器通信的信号处理器系统、信号增强器和数据处理器系统的示意性表示；
[0033]
图2a示出了示例钻头的示意性侧视图，包括示例切割器插入件和示例询问收发器，两者均附接到钻头；以及
[0034]
图2b示出了附接到钻头的侧部区域的示例询问收发器的示意性放大立体图；
[0035]
图3示出了用于石油和天然气勘探的示例钻柱的示意性纵向侧视图，包括钻孔下的示例钻头；
[0036]
图4示出了在切割器插入件的磨损区域在使用中由于断裂或逐渐磨损而已经损耗之后图1a和图1b的示例切割器插入件的示意性侧视图(左侧)和俯视图(右侧)；
[0037]
图5a示出了在使用之前用于钻地钻头的示例切割器插入件的示意性俯视图(上)和侧视图(下)，包括示例表面声波(saw)设备；以及
[0038]
图5b示出了在切割器插入件的磨损区域在使用中由于断裂或逐渐磨损而已经损耗之后图5a的示例切割器插入件的示意性俯视图(上)和侧视图(下)；
[0039]
图6a示出了示例切割器插入件的放大示意性立体图，包括附接到切割器插入件的超硬部分的示例saw设备的示意性立体图；以及
[0040]
图6b示出了图6a的切割器插入件的示意性俯视图，包括saw设备的示意性俯视图；
[0041]
图7示出了示例钻头的示意性底视图(即，鼻视图)，包括三个示意性示例切割器插入件的放大俯视图，每个示例切割器插入件包括相应的示例saw设备；每个切割器插入件都安装在钻头的相应不同的刀片上；
[0042]
图8a示出了用于石油和天然气钻头的示例切割器插入件的示意性立体图，包括包含传感器收发器系统(不可见)的密封腔；以及
[0043]
图8b示出了图8a的切割器插入件的示意性透视图，示出了用于容纳传感器收发器系统的空腔，其中空腔没有盖；
[0044]
图9a示出了示例切割器插入件的示意性俯视图(上)和侧视图(下)，包括超硬部分中的空腔，空腔中包含示例rf反向散射收发器；
[0045]
图9b示出了除去切割器插入件后的示例rf反向散射天线(左)和包括rf反向散射天线的示例切割器插入件(右)的示意性透视图；
[0046]
图9c示出了示例切割器插入件的示意性透视图，包括将包含rf反向散射收发器的空腔封闭的盖部分；
[0047]
图9d示出了图9c中所展示的示例切割器插入件的示意性俯视图；
[0048]
图9e示出了示例rf反向散射收发器的示意性俯视图(上)和侧视图(下)；
[0049]
图9f示出了如图9e中指示的示例rf反向散射收发器的x-x截面的示意性截面视图；以及
[0050]
图9g示出了容纳在示例切割器元件的超硬部分中的覆盖空腔内的示例rf收发器系统的一部分的示意性纵向截面视图；
[0051]
图10a示出了示例切割器元件的示意性透视图，包括用于容纳传感器收发器系统
的空腔；示例切割器插入件包括接合到基底部分的一层pcd材料；
[0052]
图10b示出了pcd部分中pcd材料的示意性放大截面，示出了金刚石晶粒及其之间的间隙区域的示意性示例布置；以及
[0053]
图10c示出了用于空腔的盖(顶部)的示意性侧视图、示例rf反向散射天线(中间)的透视图、以及示例切割器插入件的示意性纵向截面视图，该切割器插入件包括容纳在空腔中的rf反向散射天线，该空腔由附接的盖封闭。
[0054]
如本文所使用的，“超硬”材料是指1kg维氏硬度(hv)为至少20gpa的单晶或多晶材料。超硬材料可以包括单晶金刚石和立方氮化硼(cbn)材料，以及包含多个金刚石或cbn晶粒的某些多晶材料。一些超硬材料的1kg维氏硬度可能为至少25gpa或至少30gpa。如本文所使用的，维氏硬度符合astm384-08a标准。
[0055]
超硬多晶材料可以包括多个超硬晶粒(诸如金刚石或cbn晶粒)的聚合，这些晶粒中的大部分可以或可以不直接相互结合，并且可以包括超硬晶粒之间的间隙区域。例如，间隙区域可以包含非超硬填充材料(诸如呈元素或合金形式的金属)、陶瓷材料或金属间材料。填充材料可以将超硬晶粒结合在一起，和/或至少部分地填充间隙区域。超硬多晶材料中超硬晶粒的含量可以是多晶材料的至少约50体积％、或至少约70体积％、或至少约80体积％；和/或至多约97体积％、或至多约95体积％、或至多约90体积％。
[0056]
如本文所使用的，多晶金刚石(pcd)材料包括多个金刚石晶粒，这些晶粒中的大部分彼此直接相互结合或者在晶粒边界处彼此接触。多晶金刚石可以包含金刚石晶粒或基本上由其组成，或者包括非金刚石材料或空隙。在一些多晶金刚石材料中，金刚石晶粒可以占pcd材料体积的至少80％，基本上所有剩余体积都是金刚石晶粒之间的间隙区域的网络。间隙区域可以部分地或全部地填充有金刚石烧结助剂材料或其他填充材料，或者至少一些间隙区域可以包含空隙。用于金刚石的烧结助剂也可以被称为“催化剂材料”，用于在金刚石的热力学稳定条件下促进金刚石晶粒的生长或相邻金刚石晶粒之间金刚石颈部的形成。用于金刚石的催化剂材料还可以用作碳的有效溶剂材料，并且金刚石烧结助剂材料也可以被称为“溶剂/催化剂”材料。用于金刚石的溶剂/催化剂材料的示例包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)和锰(mn)、以及包含这些元素中的至少一种元素的某些合金。pcd材料可以通过在存在熔融溶剂/催化剂材料的情况下将金刚石晶粒的聚合置于超高压(例如，至少约6gpa)和高温(例如，至少约1,200℃)下来生产。在hpht过程期间，溶剂/催化剂材料可能会从相邻源(诸如co胶接碳化钨基底)渗入金刚石晶粒之间的间隙区域。因此，pcd材料可以包括相互结合的金刚石晶粒和含有co的间隙区域，或基本上由其组成。基本上由金刚石组成的一些多晶金刚石材料可以在低压下通过化学气相沉积(cvd)工艺来制造。
[0057]
参考图1a至图4，示例传感器系统100包括用于钻地钻头(如图2a所示)的切割器插入件110、询问收发器120、传感器收发器系统130、信号处理器系统150、信号增强器160和数据处理器系统170。如本文所使用的，切割器插入件可以是一种可以通过将切割器插入件插入设置在工具本体(诸如钻头)中的凹部中而附接到工具本体的切割器元件；例如，切割器插入件可以钎焊接合到工具本体，切割器插入件插入工具本体中的凹部内。
[0058]
传感器收发器系统130可以包括附接到切割器插入件110的传感器天线132，以用于接收和发射rf电磁信号。如本文所使用的，术语“射频”(rf)涵盖电磁频谱的约100khz至约10ghz，并且可以位于工业、科学和医疗(ism)无线电频带内。在所展示的示例中，传感器
天线132可以包括形成为导电材料轨道的信号引导介质140，以承载(或引导)响应于由询问收发器120发射的入射rf电磁信号(被称为“rf询问信号”is)而在轨道140内生成的瞬态电信号。如本文所使用的，短语“信号引导介质”中的“引导”一词指示，与广播的rf电磁信号相比，电信号或声信号的路径或空间范围例如受信号引导介质的约束。询问收发器120可以通信地连接到信号处理器系统150，该信号处理器系统可以通过信号增强器160通信地连接到数据处理器系统170。
[0059]
询问收发器120包括被配置为生成rf询问信号is的询问天线122。示例rf询问信号is可以处于无线电频带中，并且具有约120khz至约950mhz、或约2.4ghz到约5.8ghz的频率。在该特定示例中，形成传感器天线132的轨道140与询问天线122协作配置，以与rf询问信号is产生谐振耦合。由于谐振耦合，传感器天线132可以反向散射rf询问信号is，从而将其作为rf响应信号rs进行重新传输。轨道140可以连接到电子电路136，该电子电路被配置为从rf询问信号is收集电力，以便为rf响应信号rs的传输供电。询问收发器120接收反向散射的rf响应信号rs并且可以向信号处理器系统150发射指示性响应信号s1，指示性信号s1指示rf响应信号rs的一个或多个特征。
[0060]
由传感器收发器系统130发射的rf响应信号rs通常可以取决于局部环境的温度并且表现出温度相关的相变(或相移)。例如，信号引导介质140的阻抗可以取决于温度，从而导致其谐振频率发生偏移和/或rf响应信号rs的相位发生偏移。相变可以针对温度进行校准，并且用于指示信号引导介质140的温度并且因此指示切割器插入件110的温度。rf响应信号rs的谐振频率的偏移可以被检测为在询问收发器120处接收到的rf响应信号rs的显著衰减，该询问收发器可以被配置为在最初发射的rf询问信号is处发生谐振。关于切割器插入件110的温度的信息可以用于优化钻井(或其他)过程。
[0061]
在一些示例中，询问收发器120可以发射在一定rf频率范围和/或一定相位旋转范围内的rf询问信号is，从而在一个或多个范围内进行扫描以在各种频率和/或相位下使传感器收发器系统发出“砰”的声音。询问收发器120可以在相继的砰声之间暂停rf询问信号的传输，以响应于每次砰声检测rf响应信号rs。在一些示例中，信号处理器系统150可以控制询问收发器120在rf询问信号is的频率范围内进行扫描以确定在使用中传感器收发器系统130的实际谐振频率。例如，传感器收发器系统120的实际谐振频率可能由于其阻抗(例如，指示温度或应变)的变化而偏移。如果传感器收发器系统120的信号引导介质140已经受到严重损坏，则询问收发器120在砰声之间的间隔期间可能无法检测到rf响应信号rs。
[0062]
信号处理器150可以处理rf响应信号rs以确定其强度和/或其相位的变化、和/或传感器收发器系统130的谐振频率、或信号引导介质140的电子特性。例如，rf响应信号rs的相位、振幅和/或谐振频率可以根据信号引导介质140的温度而改变。此外，这些特性可能会根据环境磁场的变化而改变，环境磁场的变化可能是由于切割器元件相对于地球磁场的取向的变化、或正在钻探的岩石的磁性质而引起的。
[0063]
在所展示的示例中，信号处理器系统150将处理后的信号s2发射到信号增强器160，该信号增强器将增强的信号s3发射到可以远离信号处理器系统150和切割器插入件110的数据分析系统170。在一些示例布置中，指示性信号s1可以简单地是rf响应信号rs的放大版本；和/或处理后的信号s2可以与rf响应信号rs和/或指示性信号s1基本相同。在一些示例布置中，指示性信号s1可以由数据分析系统170接收，由信号增强器160放大；换言
之，一些示例传感器系统100可能不包括不同于数据分析系统170的信号处理器系统150。在一些示例布置中，指示性信号s1(以及可选地，处理后的信号s2和/或增强的信号s3)可以编码二元状态，从而指示切割器插入件110是否处于失效状况。在其他示例中，指示性信号s1(以及可选地，处理后的信号s2和/或增强的信号s3)可以编码关于切割器插入件110的状况(诸如其温度或应变)的附加非二元信息。操作者可以使用数据分析系统170来确定使用中的切割器元件110的状况。
[0064]
在该特定示例中，切割器插入件110具有近端106和远端108，近端106和远端108通过大致呈圆柱形的侧表面104连接。切割器插入件110可以包括超硬部分112，该超硬部分接合到钴胶接碳化钨(co-wc)材料的基底部分114。超硬部分112可以包括多晶金刚石(pcd)材料112或基本上由其组成，从而形成pcd部分112。基底114可以与近端106毗连，并且pcd材料112可以在远端108处限定pcd表面118。pcd表面118包括由pcd材料112限定的用于切割岩层或工件(未示出)的切刃116，并且可以包括与切刃116相邻的外围倒角表面115。pcd部分112可以在与pcd表面118相反的基本上呈平面或非平面的界面边界113处接合到基底114。pcd部分112可以采用具有约2mm至约3mm的平均厚度的pcd层112的形式。在各种示例中，切割器插入件110可以具有13mm、16mm、19mm或25mm的直径d1。
[0065]
在一些示例传感器系统100中，切割器插入件110可以包括超硬部分112，该超硬部分包括多晶立方氮化硼(pcbn)材料或包含金刚石晶粒或多晶立方氮化硼(cbn)晶粒的各种其他复合材料，或基本上由其组成。例如，超硬部分112可以包括通过化学气相沉积(cvd)制造的金刚石片，或者包括包含通过陶瓷材料(诸如碳化硅)结合在一起的金刚石晶粒的复合材料。
[0066]
具体参考图2a、图2b和图3，一个或多个切割器插入件110可以附接到如在石油和天然气勘探中用于钻入地面的钻井系统200的钻头210。示例钻头210可以包括多个切割器插入件110，每个切割器插入件使用钎焊工艺而钎焊接合到设置在钻头210上的相应凹穴中，该钎焊工艺可能涉及将切割器元件的至少一部分加热至约650℃到约700℃的温度。钻头210可以具有近端206、远端208和纵向旋转轴线r，在使用中钻头210将被驱动围绕该纵向旋转轴线旋转。钻头210可以包括在远端208处的鼻部区域212并且包括多个刀片结构214，每个刀片结构从鼻部区域212径向向外延伸并且然后基本上平行于旋转轴线r轴向地朝向近端206延伸。每个刀片结构214可以具有远离鼻部区域212的端部215。刀片结构214可以围绕旋转轴线r按角向彼此间隔开布置。钻头210可以包括柄部部分216，该柄部部分围绕旋转轴线r角向延伸并且在刀片结构214的端部215与钻头210的近端206之间轴向地延伸。
[0067]
询问收发器120可以附接到钻头210的柄部部分216。形成传感器系统100的一部分的示例切割器插入件110可以被称为“传感器切割器”，以将它们与不属于传感器系统100的一部分且不包括信号引导介质140的切割器插入件区分开。至少一个传感器切割器110可以附接到鼻部区域212，在该处，切割条件(诸如应力和磨耗)可能是最恶劣的，并且在该处，切割器插入件110可能会在钻头210上其他位置处的切割器插入件110失效之前因磨损或断裂而失效。
[0068]
传感器切割器110与询问收发器120之间的距离可以高达约10cm。一般而言，可能期望的是，将询问收发器120和传感器收发器系统130尽可能紧密地定位在一起，以在检测到的rf响应信号中实现尽可能高的信噪比(snr)。在图2a和图2b所展示的示例布置中，询问
收发器120可以在壳凹部218内附接到柄部部分216。在一些示例布置(未示出)中，询问收发器120可以在连续刀片结构214之间的壳凹部中附接到钻头210，或者附接在附接到刀片结构212的侧面部分的“假切割器”后方，该假切割器在钻头210被使用时保护询问收发器120(假切割器之所以这样称呼是因为其与钻井的侧面接合并且在使用中可能比其他切割器插入件(诸如在鼻部区域212中的那些切割器插入件)受到显著更小的力)。在另一示例布置中，询问收发器120可以定位在示例切割器插入件110的备用切割器(未示出)后方。备用切割器可以比传感器切割器110在径向上更加凹陷，因为其主要目的不是切割岩石。将询问收发器120定位在备用切割器后方可以减小询问收发器120与传感器收发器系统130之间的距离。
[0069]
在一些示例布置中，传感器系统100可以包括与一个询问收发器120通信操作的多个传感器切割器110，传感器收发器系统130和询问收发器120通过短跳(short-hop)遥测彼此通信。在一些示例中，遥测信号可以具有至少约10hz的频率。钻头210可以包括用于将钻井液输送到孔底的内部通道(未示出)，并且信号处理器150(在图1中示出)可以附接在内部通道内，被包含在保护壳(未示出)内。
[0070]
参考图3，示例钻井系统200可以包括从地平面g延伸到钻井底部处的钻头210的钻柱230，钻柱230的重量基本上被施加到钻头210上。钻柱230可以包括一组稳定器220以及旋转导向系统222，该组稳定器用于稳定钻柱230在钻孔内的旋转。示例传感器系统100可以包括“随钻测量”(mwd)系统或设备172，用于分析编码在源自传感器收发器系统130的信号中的数据，该传感器收发器系统附接到钻头210上的至少一个传感器切割器110。可替代地或另外，示例传感器系统100可以包括“随钻测井”(lwd)系统或设备174，该lwd系统或设备可以记录编码在来自传感器收发器系统130的信号中的数据，一旦钻头210被带到表面g，就可以下载和分析该数据。mwd 172和/或lwd 174可以附接到钻柱230，从而形成钻机组件200的一部分。在一些示例中，将信号从询问收发器120传送到mwd 172或lwd 174、和/或传送到另一个数据分析系统170(在图1中)、和/或传送到信号处理器系统150(在图1中)或从信号处理器系统传送信号可以包括通过被称为泥浆脉冲遥测技术的方法将信号编码到流动的泥浆中，泥浆将被使用中的钻井液沿着井向上驱赶。例如，当钻头被操作时，液体可以被驱赶通过沿钻柱的通道，并且在钻孔底部附近通过孔口高速离开钻头。液体可以通过钻柱与孔的侧面之间的间隙(即，沿钻柱的外侧)将钻出的岩石材料向上输送到地平面g。数据可以被编码为向下流动的流中的声脉冲，与流动方向相反，因为声脉冲在液体中的行进速度大大高于流速。
[0071]
在使用中，传感器切割器110的pcd部分112将接合岩石。pcd表面118可以相对于岩石呈刀面角设置，切刃116切断岩石的碎片(未显示)，这些碎片将在pcd表面118的可以被称为“前刀面”的区域上移动。岩石碎片可能具有很强的磨耗性并且可能包含大量热量，并且取决于岩石的成分，碎片可能会粘附到pcd表面118，这可能会加速pcd部分112的退化。
[0072]
如图4示意性展示的，pcd层112在使用中可能会被磨损或发生断裂，pcd材料以及潜在地还有基底材料从与原始切刃116(图1b中所示)相邻的磨损区域117损耗。换言之，磨损区域117在使用中容易被磨损。从pcd表面118来看，磨损区域117可以在直径上从原始切刃116(即，在使用之前的切刃116)延伸刃距离d2。距离d2可以达到直径d1的大约3/8(即，0.375倍)，才可以认为切割器插入件110已经失效。形成传感器天线132的轨道140的易损部
分148可以穿过磨损区域117，并且当磨损区域117在使用中损耗时，易损部分148的至少一部分将损耗。当传感器天线132的易损部分148由于磨损而损耗时，形成传感器天线132的轨道140将变为开路(open circuit)，并且传感器天线132将不会发射响应信号rs，或者响应信号rs将以某种方式被显著衰减或改变。响应信号rs的缺失或大幅修改将指示，传感器天线132的易损部分148已经由于切割器插入件110的大幅退化而消失或退化。切割器插入件110的失效可以通过rf响应信号的缺失或对rf响应信号的预定程度的修改来指示。
[0073]
在一些示例中，切割器插入件110可以具有16mm的直径d1，并且当磨损区域117在pcd表面118上从切刃116延伸至少大约6mm的径向刃距离d2时，可能会出现切割器插入件110的失效状况。由于在使用中pcd部分112和下面的基底114的逐渐磨耗和/或pcd部分112发生断裂，可能会出现失效状况。用于rf反向散射天线132的示例轨道140可以包括易损部分148，该易损部分延伸到磨损区域117中且小于距切刃116的距离d2。当磨损部分117损耗时，rf反向散射天线132的易损部分148也会损耗，从而禁用或降低rf天线132的rf反向散射能力。如果磨损区域117内的pcd部分112逐渐磨损，则轨道140的易损部分148的厚度可以逐渐减小，导致电路140的电阻逐渐增大，从而改变反向散射的rf响应信号rs的一个或多个特性。例如，轨道140的阻抗变化可能会使其谐振频率发生偏移，从而降低rf响应信号rs在询问信号is的频率下的振幅。在该示例中，形成rf反向散射天线132的轨道140的电导率(或阻抗)将取决于切割器插入件110的磨损状况，并且相关联的rf响应信号的变化可以指示切割器插入件110的磨损状况已经发展到失效状态。
[0074]
参考图5a至图6b，信号引导介质140可以通过连接部分190附接到pcd部分112。连接部分190可以包括金属合金材料190或诸如金(au)等元素金属，并且可以具有约500微米的平均厚度。在这些附图中所展示的特定示例中，传感器收发器系统130包括附接到示例传感器切割器110的pcd表面118的表面声波(saw)传感器设备130。
[0075]
saw设备130可以包括rf天线132、叉指式换能器(idt)134、压电条142和多个反射器条144、148(反射器条148中的至少一个可以用作信号引导介质140的易损部分148)。信号引导介质140可以包括压电条142和一个或多个反射器条144、148，并且可以附接到陶瓷基部(未示出)。通常，信号引导介质140可以包括多于一种引导介质，以用于引导多于一种信号。例如，信号引导介质140可以包括用于承载声信号的第一介质142和用于将声信号耦合到瞬态电信号的第二介质144、148。换言之，在信号引导介质140约束引导信号的路径或位置的情况下，引导信号可以在各种信号引导介质140内或其上采取各种形式。
[0076]
参考图5a至图6b，压电条142可以基本上由一片长方形的压电材料142组成，具有纵向轴线l并且在直径上布置在pcd表面118上，纵向轴线l延伸穿过切刃116。例如，压电材料142可以基本上由铌酸锂(linbo3)、硅酸镓镧(la3ga5sio
14
)、铌酸镓镧(la3ga
5.5
nb
0.5o14
)或钽酸镓镧(la3ga
5.5
ta
0.5o14
)中的至少一种组成，并且具有约100微米的厚度。在一些示例中，idt 134和反射器条144、148可以基本上由耐火合金组成，包括pa和pt、ir和rh、ir和w、ir和re、ir和mo、ir和ru、ir和hf、ir和pt、ir和pd、以及ir和ni中的至少一种组合。例如，反射器条1444、148和idt 134可以刻蚀到压电条142中或通过物理气相沉积(pvd)沉积到压电条142上。在一些示例中，可以提供耐磨材料的薄覆盖层(未示出)作为用于saw设备130或其他类型的信号引导介质140的保护盖。示例覆盖层可以包括金刚石材料，该金刚石材料可以通过使用化学气相沉积(cvd)工艺来生产并且可以具有约100微米的平均厚度。
[0077]
idt 134和反射器条144、148可以附接到压电条142并且垂直于纵向轴线l布置，反射器条144、148定位在距idt 134的相应径向距离d3处和距切刃116的相应互补距离d4处。换言之，反射器条144、148可以彼此平行布置，在idt 134与切刃116之间径向间隔开。idt 134可以电连接到rf天线132，该rf天线被配置为接收rf询问信号并发射rf响应信号，rf响应信号由saw设备130对rf询问信号进行处理而产生。idt 134电耦合到压电条142，将接收到的rf询问信号转换成由压电条142承载的声信号。当声信号到达反射器条144、148时，该声信号的一部分朝向idt 134反射，并且一部分被允许继续沿压电条142传播到随后的反射器条144、148。以这种方式，反射声信号的叠加被idt 134接收并转换成电信号，该电信号被转换成rf响应信号。因此，rf响应信号的时间结构指示反射器条144、148相对于idt 134和相对于彼此的布置。
[0078]
如图5b所展示的，pcd层112在使用中可能会被磨损或发生断裂，其中，pcd材料112以及潜在地还有基底材料114从与原始切刃116相邻的磨损区域117损耗。磨损区域117可以从原始切刃116沿压电条142的纵向轴线l朝向反射器条144、148逐渐地和/或以步进增量方式前进。当磨痕前进通过磨损区域117并到达最接近切刃116的易损反射器条148时，易损反射器条148可能会损耗，导致到达idt 134的反射声信号的叠加的一个或多个特性发生可检测的变化，并且因此导致由传感器天线132发射的rf响应信号发生变化。该变化可以由数据分析系统(例如，图1中的170)基本上实时地检测到，并且指示传感器切割器110已经失效。在一些示例中，由于磨痕前进通过磨损区域117，可以去除多于一个反射器条144、148。当磨痕一直前进通过磨损区域117、距切刃116预定距离d2时，可能会发生传感器切割器110的失效状况。例如，距离d2可以达到传感器切割器110的直径d1的约3/8(即，0.375倍)。
[0079]
参考图7，示例钻井组件200可以包括钻头210，该钻头具有六个刀片结构214，其中的三个刀片结构包括相应的传感器切割器110a、110b、110c。在该特定示例中，传感器切割器110a、110b、110c中的每一个可以包括呈相应saw设备130a、130b、130c形式的相应传感器换能器系统130a、130b、130c，这些传感器换能器系统具有反射器条144a、144b、144c的相应不同布置。从附接到钻头210的单个询问收发器(本图中未示出)广播的单个rf询问信号可以由各自的信号引导介质(在该示例中，信号引导介质包括压电条和反射器条)接收、转换和引导。由相应saw设备130a、130b、130c发射的三个不同rf响应信号中的每一个都可以由同一询问收发器接收。这可以允许传感器切割器110中的每一个由相应的rf响应信号唯一地标识，从而使得操作者能够监测特定传感器切割器110的状况。如果传感器切割器110失效，则可以识别其在钻头210上的特定位置。因此，反射器条144的独特布置可以为传感器切割器110提供独特的标记。
[0080]
参考图8a和图8b，包括接合到基底部分114的pcd部分112的示例切割器插入件110可以包括传感器收发器系统(未示出)，该传感器收发器系统容纳在pcd层112中的覆盖空腔180内。空腔180可以被倒角外围区域184包围，该倒角外围区域用于接收盖182的配合区域(未示出)。在图8a中，空腔180由保护盖182覆盖，该保护盖通过粘合剂材料的接合层188附接到外围区域184(例如，粘合剂材料可以包括钎焊合金材料，或基本上由其组成)。pcd部分112具有围绕保护盖182并从接合层188径向延伸到切刃116的pcd表面118，并且可以包括与切刃116相邻的倒角区域。在一些示例布置中，信号引导介质140可以容纳在设置在基底114中的空腔内、与基底电绝缘并且不被基底包围，因为基底可以包括金属胶接(粘结剂)材料。
[0081]
参考图1以及图9a至图9g，示例切割器插入件110包括在界面边界113处接合到胶接碳化物基底114的pcd部分112以及容纳在pcd部分112中的封闭空腔180内的传感器收发器系统130。pcd部分112和基底114可以具有16mm的直径d1，pcd部分112具有约3mm的平均厚度t。pcd部分112包括具有约12mm的直径d6和0.8mm的深度(未指示)的圆柱形空腔，从而容纳具有约11.5mm的直径d5的圆形传感器收发器系统130。空腔180被保护盖182覆盖，该保护盖通过接合层188接合到pcd表面118。保护盖182可以包括通过化学气相沉积(cvd)制造的金刚石或通过物理气相沉积(pvd)制造的另一种耐磨材料。例如，盖182可以包括足够耐磨且耐火的介电材料(诸如氮化铝或氮化硅(si3n4))或基本上由其组成，这可以具有降低rf响应信号的衰减的效果。pcd部分112具有围绕空腔180并从接合层188径向延伸到切刃116的pcd表面118，并且可以包括与切刃116相邻的倒角区域。
[0082]
具体参考图9e至图9g，该示例中的传感器收发器系统130基本上由无芯片十六位天线132组成，其中，信号引导介质140包括十六个独立轨道146，从而形成十六个谐振器轨道146的组件，每个谐振器轨道彼此电气独立并且每个谐振器轨道在rf询问信号is波长的四分之一处发生谐振。在一些示例中，传感器收发器系统130可以包括八位天线或由其组成，其中，信号引导介质140包括八个独立轨道146。谐振器轨道146布置成四组，每组由围绕切割器插入件110的中心纵向轴线c布置的四个象限qa、qb、qc、qd中的相应一个象限内的四个谐振器轨道1461、1462、1463、1464组成。例如，象限qa中的四个谐振器轨道1461、1462、1463、1464在图9f中的截面x-x中示出。每个谐振器轨道1461、1462、1463、1464在其相应的象限qa内呈弓形延伸，每一个谐振器轨道都定位在相应不同的半径处。在该示例中，传感器收发器系统130由作为组件形成rf天线132的十六个谐振器轨道146组成，并且不包括电子处理器芯片。具有谐振器轨道146的天线组件132简单地与rf询问信号谐振并对该rf询问信号进行反向散射。在一些示例布置中，形成传感器收发器系统130的天线132的轨道140可以在pcd部分112中的空腔180内以多个层布置。
[0083]
参考图9f和图9g，每个谐振器轨道146可以基本上由金(au)组成，位于钛酸锶钡(bst)层138内的相应弓形凹部内，(谐振器轨道146之间的)最大厚度为约10微米。bst层138可以附接到基本上由氧化铝组成并具有约0.5mm的厚度的底板136，并且在空腔180的底部接合到pcd部分112。在该示例中，pcd表面118具有在切刃116上的相反点之间测得的16mm的直径d1。天线组件132具有11.5mm的外径d5和5.6mm的内径d8。谐振器轨道146中的每一个都具有0.35mm的宽度d9，并且相邻谐振器通道的近端彼此间隔开0.2mm的间隙d10。
[0084]
传感器收发器系统130可以通过提供基本上由氧化铝组成的圆形基盘136并在基盘136上沉积一层bst材料138来制造。可以在bst层138中激光刻蚀出十六个弓形凹槽，其中的每一个凹槽在四个象限中的一个象限内(在每个象限内以不同的相应半径)呈弓形延伸，这些凹槽具有约5微米的深度。然后，可以将金溅射涂覆到bst层138上，并且可以对涂覆有金的bst层138进行抛光以清除凹槽之间的金；即，确保金仅包含在bst中的凹槽内。凹槽内的每个金涂层提供相应的谐振器轨道146，用于将rf电磁信号耦合到谐振器通道146内的交流电压，从而提供信号引导介质140的一部分，约束耦合到rf询问信号的谐振电信号的一部分。
[0085]
参考图10a至图10c描述了将rs反向散射收发器系统130附接到切割器插入件110的示例方法。例如，信号引导介质140包括多个轨道140，这些轨道一起形成rf反向散射收发
器130的rf反向散射天线132。rf反向散射收发器系统130可以包括信号引导介质140以及可以是电绝缘的底板(未示出)，并且信号引导介质140可以附接到该底板。切割器插入件110具有近端106和远端108，并且包括在界面边界113处接合到胶接碳化物基底114的一层pcd材料112。pcd材料112在远端108处具有pcd表面118，包括外围切刃116。切割器插入件110可以大致呈圆柱形，具有约16mm的直径d1。传感器收发器系统130可以通过各种附接方式中的任何一种来附接到pcd材料112，诸如具有高固化温度的玻璃陶瓷基材料、高温环氧树脂材料或其他粘合剂材料、钎焊金属合金或其他金属合金材料。将描述一种特定的非限制性示例附接方法，在该方法中，使用某一组金属合金中的一种金属合金以便在空腔180内将示例rf反向散射收发器130接合到经酸处理的pcd材料118。
[0086]
图10b示出了pcd材料112的微结构的示意性图示，其中，金刚石晶粒1121的聚合彼此相互生长并且在它们之间具有间隙区域1123。这可以通过将金刚石晶粒1121的聚合放置到co-wc基底上并在存在co或用于金刚石的其他溶剂/催化剂材料的情况下在hpht条件下烧结金刚石晶粒1121而产生。间隙区域1123可以包含溶剂/催化剂材料，该溶剂/催化剂材料可以包括co。在加工用作切割工具的pcd材料112的一些示例方法中，pcd材料112的远端108可以用酸(未示出)处理，以从pcd材料112的与pcd表面118毗连的第一pcd部分1122内的间隙区域1123中去除co。这可以增加经处理的第一pcd部分1122的热稳定性。第一pcd部分120可以从pcd表面118延伸到约100至500微米的深度，并且具有至多约2重量百分比(wt.％)的平均co(或其他金属)含量。第二pcd部分1124可以保持未经处理并从与第一pcd部分1122的界面边界1126延伸到与胶接碳化物基底部分114的界面边界113。由于去除了co，第一pcd部分1122可以是电绝缘的。
[0087]
用于容纳形成rf反向散射天线132(或用于另一种传感器收发器系统130的其他信号引导介质140)的轨道140的空腔180可以在远端108处被机加工或激光刻蚀到第一pcd部分1122中，并且然后通过sic喷砂进行清洁并用异丙醇洗涤。空腔180可以是大致呈圆柱形的凹部180，具有约300微米的深度和12mm的直径d6，用于容纳rf反向散射天线132。空腔180可以包括与远端108毗连的成角度的外围区域184，用于接纳可以具有配合的外围区域185的盖182。一旦rf反向散射天线132已经被放置到空腔180中，配合的成角度外围区域184、185就可以通过扩散结合、或使用钎焊金属合金材料或诸如某些高温环氧树脂等粘合剂材料而接合。空腔180的深度可以大大小于第一pcd部分1122的深度；即，空腔180的底部可以通过第一pcd部分1122的区域与第一pcd部分1122和第二pcd部分1124之间的界面边界1126间隔开，从而在空腔180与第二pcd部分1124之间提供电绝缘。在其他示例方法中，可以在将沟槽空腔180切割或刻蚀到pcd材料112中之后(而不是之前)对pcd材料112进行酸处理以去除co。
[0088]
在特定示例中，rf反向散射收发器130可以通过包括金属接合材料(诸如某些金属合金材料)的连接部分190而接合到第一pcd部分1122。金属接合材料或用于形成金属接合材料的前体材料可以以糊状形式提供并沉积在空腔180中。例如，金属接合材料可以包括包含银(ag)、铜(cu)、铟(in)和钛(ti)的金属合金材料或基本上由其组成，该金属合金材料诸如为可商购的incusil
tm
合金，其成分为59.0％的ag、27.25％的cu、12.50％的in和1.25％的ti。在一些示例中，合金材料可以包括含有pt和/或pd的合金；并且在一些示例中，金属接合材料可以包括金(au)或基本上由其组成。表1示出了在将各种材料接合到pcd金刚石时用作
金属接合材料的非限制性示例合金。
[0089][0090]
表1
[0091]
在各种示例中，信号引导介质140可以设置在电绝缘底板(图9f和图9g中的136)上，该底板包括陶瓷或基本上由其组成，诸如氧化钇稳定立方相氧化锆、氧化铝、钛酸钡、钛酸镧、碳化硅、铌酸锂。rf反向散射收发器130可以放置在空腔180中，其底板与金属接合材料接触以提供预复合组件(未示出)。然后，可以在约1mpa(10-5
毫巴)的真空中将合金材料的温度加热至高于其熔点且低于约950℃，以使合金熔化。一些熔融合金材料可以在毛细作用下通过间隙空隙1123渗入第一pcd部分1122的区域中。合金材料内的ti(或其他形成碳化物的金属)可以与来自金刚石晶粒1121的碳发生反应以形成tic，从而通过化学方式将合金结合到金刚石晶粒1121。然后，将温度降低至环境温度(约20℃至约40℃)，远低于合金材料的熔点，从而允许合金材料固化并形成连接部分190，其具有与第一pcd部分1122的未渗入区域的界面边界1126。
[0092]
一旦rf反向散射收发器或其他类型的传感器收发器系统130已经在空腔180的底部与pcd材料112接合，用于空腔180的盖182就可以接合到pcd材料112。盖182可以具有平均厚度为约100至约150微米的盘的形式，并且包括超硬材料(诸如cvd沉积的金刚石)或其他耐磨材料(诸如si3n4或氮化铝)。空腔180及其盖182可以各自分别具有配合的成角度外围区域184、185；例如，成角度区域184、185可以相对于盖182的平坦表面成10
°
至约80
°
的角度。例如，外围区域184、185可以通过钎焊材料、诸如环氧树脂等粘合剂材料或通过扩散结合工艺而彼此接合。作为示例，可以通过例如溅射或另一种pvd方法将一层金属合金材料(或用于形成金属合金的前体材料)沉积到盖182的外围区域185上和/或空腔180的外围区域184上。可以对盖182施加压力以增强合金材料到盖182和pcd材料112中的相互扩散。在一些示例中，盖180可以通过机械和/或粘合剂方式附接到pcd表面118。
[0093]
在其他示例中，信号引导介质140可以包括saw设备130的压电条(图5a和图5b中的142)和一个或多个反射器条(图5a和图5b中的144、148)。在一些示例中，可以施加粘合剂材料，其方式使得saw系统的反射器元件和天线保持在彼此的直接视线范围内，在它们之间没有诸如墙壁或其他障碍物的遮挡。
[0094]
示例传感器系统可以具有向钻机操作者提供关于附接到井下钻头的一个或多个切割器元件的工作状况的数据的方面。切割器元件110可能潜在地在高达约240℃的温度和至少约150mpa的压力下进行操作。例如，传感器系统可以提供关于切割器元件的结构完整性的信息(诸如其是否已经磨损或断裂到失效的程度)，和/或关于其他状况的信息(诸如切
割器元件的温度或应变(特别地但非排他地，超硬部分的温度或应变)，或与岩层或其他物体或工件接合)。
[0095]
一些示例传感器系统可以具有提供关于一个或多个切割器元件的信息以及执行切割动作的双重功能的方面。在工具本体包括多个切割器元件的示例中，关于传感器切割器的状况的信息可以向操作者提供关于其他切割器元件的可能状况的指示性信息。使用传感器系统不需要工具失去切割器元件并用非切割传感器代替该切割器元件，因为传感器系统本身包括切割器元件。
[0096]
一些示例传感器系统可以具有在远离切割器元件的位置处直接提供关于切割器元件的状况的信息、而不是关于工具固持器的信息的方面。这在以下情况下可能特别有用，即，工具固持器相对于附接到其的切割器元件较大，或者工具固持器是刚性的，并且从传感器对工具本体的测量可以推断出的关于切割器元件的状况的信息很少或基本上无用。
[0097]
一些示例传感器系统可以具有这样的方面：提供在具有很强磨耗性或腐蚀性的环境中直接在切割器元件上测量的关于切割器元件的状况的准确信息，而在切割器元件处于良好工作状态时，传感器系统不会出现实质性的退化。这可以通过将传感器收发器系统的信号引导介质和/或其他元件容纳在由保护盖封闭的空腔形成的封闭室中来实现。