旋转钻头、检查旋转钻头的方法、装置及其系统的制作方法

专利名称：旋转钻头、检查旋转钻头的方法、装置及其系统的制作方法
技术领域：
估以便识别其中内部缺陷的装置、系统与方法，其中旋转钻头用于在 地层中钻孔，还涉及设计成方便对其进行非破坏性评估的旋转钻头。 更具体而言，这种非破坏性评估可以利用超声波进行。
背景技术：
用于在地层中钻孔的典型旋转钻头包括其上具有表面区域的钻 头体，该表面区域带有用于在大地地层中切割的切割结构。钻头体可 以固定到具有带螺紋销连接的硬化钢杆柄，其中带螺紋销连接用于将 钻头附加到包括管状部分的钻柱，该管状部分在钻头和其它钻孔设备 之间端部对端部耦合。例如转台或顶部驱动器的设备可以用于旋转钻 柱和钻头。可选地，杆柄可以直接耦合到井下电动机的驱动轴来旋转 钻头。
总的来说，如果钻头是固定刀具，或者所谓"拖拉"类型的旋转钻 头，则钻头体表面区域上的切割结构包括多个切割元件，所述多个切 割元件至少部分是由例如多晶金刚石的超磨蚀材料构成的。采用这种 多晶金刚石复合片(PDC)切割元件的固定刀具旋转钻头已经采用了 几十年。 一般来说，旋转钻头的钻头体是由嵌入到包括硬微粒材料(例 如碳化鴒(WC))的基体材料(matrix material)中的钢或钢构件 构成的，其中该硬微粒材料被例如铜合金的结合材料渗透。在钢体钻头的情况下，钻头体一般从原材料机器加工制成期望形 状。结构性特征可以通过利用机器控制的、多轴机器加工工具加工钻 头体从而在钻头体的精确位置上限定。这种结构性特征可以包括例如 径向和纵向延伸的刀片、切割元件套、脊、刃带、铸嘴型腔和钻探流 体路线与通道，包括所谓的"排屑槽"。表面硬化通常应用到钻头体的 表面区域和钻头的其它关键区域，以便抵抗由于与所钻探地层接触引 起的磨损和钻探操作过程中由于钻探流体造成的腐蚀。切割元件通常 固定到加工至刀片中的套中，其中刀片位于钻头体的表面区域上。硬 化钢杆柄可以在钻头体成形后固定到钻头体。
另一方面，基体型(Matrix-type)钻头包括至少部分由例如碳 化鴒(WC)的硬微粒材料构成的钻头体，其中硬微粒材料被例如铜 合金的结合材料渗透。基体型钻头通常是通过利用微粒碳化钨填充由 石墨或陶资材料构成的高温模具并利用熔化的铜合金渗透碳化鴒粒 子形成的。但是> 因为基体材料通常很难或者不可能机器加工，所以 可机器加工的钢坯的部分一般在基体材料渗透之前放置到模具中。一
硬化，渗透就将钢坯与基体材料粘到一起，形成包括钢坯和基体材料 的钻头体。铸塑树脂覆层砂、石墨滑移或者在有些情况下是弹性聚合
征。基体型钻头体的可机器加工钢坯部分可以以与前面关于钢体钻头 所描述的相同方式固定到石更化钢杆柄。
图1说明了通常根据以上所述形成的传统基体型钻头10。传统 的基体型钻头10包括耦合到钢杆柄14的钻头体12。内孔16通过钻 头IO的一部分纵向形成，用于在钻探操作过程中通过由内孔16延伸 至表面20的多个通道(未示出)将钻探流体传送到钻头10的表面20， 其中一般放置了喷嘴。如果采用热稳定的PDC，则切割元件22和24 (一般是金刚石，最常见的是PDC )可以在钻头体的渗透过程中粘到 钻头表面，其中热稳定的PDC通常称为热稳定产品或TSP。可选地， 具有在WC基底上形成的金刚石台的传统非热稳定PDC切割元件22 和24可以在利用如铜焊、粘接或机械固定的方法形成钻头体12之后由基底结合到钻头体12的表面20。
钻头体12包括预成型的钢坯26和钻头体基体28。钻头体基体 28可以包括由铜合金粘到一起的碳化鴒粒子。钢坯26可以具有通常 圆柱形或管状或者相当复杂的形状，包括例如在钻头表面形成的刀片 的结构性加固特征。
在钻头体12形成的过程中，钢坯26可以放置成部分地在用于浇 铸钻头体12的高温铸模中延伸。用于渗透碳化钨粒子的铜合金结合 材料一旦凝固，钢坯26就固定到钻头体基体28。然后，钢坯26暴露 的上部可以机器加工并通过带螺紋连接30及通过在装配杆柄14和钢 坯26之间形成的连续的、环绕的或"围绕的"焊缝32固定到杆柄14。 杆柄14可以包括在其上部形成销连接的锥螺紋34，用于将基体型钻 头10连4娄到钻杆柱(string of drill pipe)(未示出)。
在制成钻头之后, 一般使用它几次来执行连续的钻探操作，在这 个过程中钻头体要经受由于所施加钻压(WOB)、所施加的用于旋 转钻头的扭矩及与钻头和其上所承栽切割元件与井筒前面和围绕井 筒的地层接触关联的冲击力造成的极端负载和应力。这些应力可以在 钻头中产生一个缺陷或多个缺陷，并造成现有、潜在缺陷的变大。如 果钻头中缺陷的特征和大小达到临界点，则钻头可能会突难性地失 效。这种特征可以包括单个缺陷的类型、大小、位置和取向及钻头中 缺陷的个数。因此，提供可以用于在钻头制成后和在连续钻探操作期 间非破坏性地检查钻头以便识别钻头中缺陷来表征那些缺陷类型、大 小、位置、取向和个数的方法将是有利的。

发明内容
本发明在其各种实施方式中总体上涉及对用于在地层中钻孔的 旋转钻头进行非破坏性评估以便识别其中缺陷的装置、系统与方法， 还涉及设计成方便对其进行例如超声波检查的非破坏性评估的旋转 钻头。
在某些实施方式中，本发明包括用于对大地钻孔的钻头进行非破坏性检查的方法。该方法包括将超声波传送到钻头中并检测由钻头的 至少一部分反射的超声波。在某些实施方式中，超声波可以从钻头的 纵向内孔中传送到钻头中。所反射的超声波可选地可以从钻头的纵向 内孔里面检测到。该方法可以用于确认钻头中 一 个或多个缺陷的存在 或不存在，而且可选地可以包括利用超声波生成对钻头至少一部分的 表示。用于执行本发明方法的超声波探头可以配置成单个发射器/接收
器组合，或者配置成发射器/接收器的相控阵(phased array )，这两 种配置都是已知的。
在附加的实施方式中，本发明包括用于超声波检查对大地钻孔的 钻头的系统。该系统包括至少一个超声波探头、纵向探头定位机构、 旋转探头定位机构和计算机设备，该计算机设备可以用于控制从探头 发射超声波能量和接收来自超声波探头的代表反射超声波的数据或 信号中的至少一个。超声波探头包括至少一个超声波换能器，并且可 以配置成插入到钻头的纵向内孔中
在其它实施方式中，本发明包括用于检查在地层中钻孔的钻头的 超声波检查装置。该装置包括超声波探头、用于支撑超声波探头的超 声波探头支撑结构、纵向探头定位机构和旋转探头定位机构。超声波 探头支撑结构的一部分可以配置成插入到钻头的纵向内孔中，且超声 波探头可以耦合到支撑结构的部分并且它自己可以配置成插入到钻 头的纵向内孔中。
头，该钻头包括定义其中的纵向内孔的钻头体。通过例如减少钻头外 表面和超声波检查的钻头区域之间的多个材料界面，可将钻头体配置 成方便钻头体的超声波检查。在某些实施方式中，钻头可以包括耦合 到钢坯的钻头体基体。钻头体基体可以沿斜面区域中的界面与钢坯邻 接，该斜面区域可以与内孔的纵轴有一个角度。钢坯可以配置成定义 纵向内孔壁的至少一部分，还配置成在纵向内孔和斜面区域之间提供 通过钢坯的连续通路。
本发明的进一步的实施方式包括用于在地层中钻孔的旋转钻头，该钻头包括杆柄和钻头体。钻头体定义纵向内孔，通过具有在其中形
成的停靠台(landing pad )的内表面与该内孔外切，其中停靠台配置 成用于方便在纵向内孔中基本上可重复地定位超声波探头。
通过结合附图考虑以下具体描述，本发明的特征、优点及可选方 面对本领域的技术人员将是显而易见的。


尽管本说明书以权利要求作为结论，该权利要求特别指出并明确 要求保护作为本发明的内容，但通过结合附图阅读本发明的以下描 述，本发明的优点可以更容易地确定，其中
图l是传统基体型钻头的截面波评估的系统的部分截面示意图3是根据本发明的超声波探头的实施方式的立体图4是根据本发明的超声波探头的另一实施方式的立体波评估的装置的立体图6是根据本发明实施方式且配置成方便其非破坏性超声波评 估的基体型钻头的截面图；及
图7是根据本发明且配置成方便其非破坏性超声波评估的基体 型钻头的另一实施方式的截面图。
具体实施例方式
性评估以便识别其中缺陷的装置、系统与方法，还涉及设计成方便对 其进行例如超声波检查的非破坏性评估的旋转钻头。
在此所给出的说明并不意味着用于进行旋转钻头非破坏性评估 的任何特定装置、系统或方法的实际视图，而仅仅是用于描述本发明 的理想化表示。此外，附图和实施方式中相同的元件与特征可以保留相同的标号。
根据本发明，多种系统与方法可以用于在钻头制成后第 一 次在钻 探操作中使用之前及采用该钻头的连续钻探操作之间执行钻头的超
声波、非破坏性评估或检查。图2说明了根据本发明且可以用于进行 钻探设备的非破坏性、超声波评估的超声波检查系统50的非限制性 例子，例如图1中所示的传统基体型钻头10。如下面所指出的，尽管 本发明不限于检查基体型的钻头或者钻头本身，但图2所示的超声波 检查系统50配置成检查基体型的钻头10。基体型的钻头IO在图2中 示为包括钢坯26和钻头体基体28之间接近的所谓斜面区域36的缺 陷40。本发明的发明人已经观察到例如钻头10的传统基体型钻头中 的缺陷可能形成这些接近的斜面区域36。当然，缺陷也可以在钻头的 任何区域或其中无限制地形成或发展。例如，空洞和裂缝可以完全在 钻头体基体28中及完全在钢坯26中出现。
超声波检查系统50可以包括用于支撑钻头!0的转台52。转台 52可以手动旋转，或者由例如通过齿轮驱动的电动机或者用于精确控 制转台52旋转位置并由此控制其上所承载钻头IO旋转位置的旋转步 进电动机来驱动。可选地，另一较不精确类型的旋转驱动可以结合用 于精确跟踪转台52旋转位置的旋转编码器来使用。钻头对准结构54 可以在转台52上提供，用于对准钻头10的内孔16的纵轴"6和转台 52的旋转轴。在本发明的一种实施方式中，钻头对准结构54可以包 括例如具有与钻头10表面20 (图1 )结构性特征的轮廓或形状互补 的轮廓或形状的结构性特征，从而在期望的旋转位置和取向牢固地在 其表面20上支撑钻头10。
超声波检查系统50还可以包括具有至少一个配置成发射和检测 超声波的超声波换能器的超声波探头56。超声波探头56可以具有小 于内孔16截面尺寸的截面尺寸，并由此可以确定超声波探头56的尺 寸并将其配置成在钻头10的内孔16中安装。此外，超声波探头56 可以有足够小的截面尺寸，以便在超声波探头56的超声波发射与接 收表面和内孔16中钻头10的面对的内表面之间提供选定的近场相隔距离。在超声波探头56的发射与接收表面和钻头10的内表面之间提 供选定的近场相隔距离可以最小化响应至少部分地由于内孔16内表 面粗糙程度反射的超声波而由超声波探头56的超声波换能器生成的 电信号中的噪声。如本领域普通技术人员可以认识到的，合适的近场 相隔距离将依赖于所选超声波探头56的工作频率。相信超声波探头 56的发射与接收表面和内孔16中钻头10的内表面之间例如19毫米 的近场相隔距离对大多数超声波探头是足够的。用于实现本发明的一 种合适的超声波探头是在5MHz频率下工作的会聚32/64超声波相控 P车脉冲接收器 (Focus 32/64 ultrasonic Phased Array Pulser-Recdver )，阵列中有64个换能器元件且元件间距(间隔)为 0.60mm。
超声波检查系统50还可以包括用于在钻头10的内孑L 16中定位 和支撑超声波探头56的探头支撑结构60。探头支撑结构60可以包括 通过纵向定位机构66垂直可移动耦合到固定构件62的悬臂支撑构件 64，其中为了方〈更将固定构件62示为垂直柱，而将纵向定位^U构66 示意性地示为轴环。悬臂支撑构件64可以包括固定到纵向定位机构
伸部分。可移动构件64的纵向延伸部分在其自由端承载超声波探头 56。纵向定位机构66可以用于在总体上与纵向内孔16平行且关于钻 头iG的纵向移动悬臂支撑构件64并由此移动超声波探头56。纵向定 位机构66可以包括例如手动操作的齿轮组或者包括与固定构件62上 齿协作的电驱动齿轮组、与固定构件62协作的步进电动机、与固定 构件62所定义的内孔协作的气动或液压驱动活塞的机电设备。此外， 纵向定位机构66还可以包括与用于垂直定位悬臂支撑构件64的轴环 关联的手动夹具。如果驱动机构本身不提供指示可移动构件64和由 此所承载的超声波探头56垂直位置的信号或其它输出，则纵向定位 机构66中手动或带电驱动机构的使用可以与线性定位传感器关联。
还考虑，代替转台52的使用悬臂支撑构件64的纵向延伸部分可 以包括与其横向延伸部分分开的部件，及可旋转安装到该横向部分自由端或末端的纵向延伸部分。因此，超声波探头56可以在纵向内孔 16中旋转，而不是钻头10被旋转。传感器可以用于监视超声波传感 器的旋转位置，而且如果期望，悬臂支撑构件64的纵向与横向部分 之间或者超声波探头56与悬臂支撑构件64纵向部分之间的耦合可以 包括例如滑环式触点(slip ring contact)的结构，以允许超声波探头 56通过大于360°弧的旋转或者实现多个整圏旋转。
超声波检查系统50还可以包括用于操作超声波探头56和用于接 收、存储、分析、图示或以别的方式操作由超声波探头56响应超声 波所生成数据的计算机设备(未示出)。例如， 一种为可以用于超声 波检查系统50的超声波测试特别设计的商业可获得的便携式计算机 设备由加拿大魁北克R/D Tech公司以商标OMNISCAN 出售。可 选地，个人计算机可以与适于获得并分析超声波数据的软件一起使 用。可以与个人计算机一起使用的示例性商业可获得软件还由马萨诸 塞州沃尔瑟姆的O!ym卩is NDT公司出售。这样的设备和软件适于与 相控阵超声波探头一起使用。超声波脉冲发生器和接收器(未示出) 还可以与计算机设备和超声波探头56 —起使用，以方便计算机设备 对超声波探头56的控制和操作。
在附加实施方式中，超声波探头56可以在不使用计算机设备的 情况下手动地操作，且由此生成的模拟信号可以直观地进行分析(不 使用计算机设备)，来执行钻头10的超声波检查。
根据需要，在计算机设备与超声波探头56之间可以提供电缆(未 示出)，以便在其间发送电信号。电缆可以耦合到悬臂支撑构件64的 横向延伸部分和纵向延伸部分。如果悬臂支撑构件64是中空的，则 电缆可以在可移动构件64中延伸到超声波探头56。
如前面所指出的，转台52可以包括用于在任何给定时间指示转 台54 (由此指示置于其上的钻头10)的相对旋转位置或者在不采用 转台54的情况下用于指示超声波探头56的相对旋转位置的传感器或 其它设备。类似地，而且也是前面所指出的，纵向定位机构66可以 包括用于在任何给定时间指示悬臂支撑构件64及相应地还有超声波探头56的纵向位置的传感器或其它设备。这些传感器可以连接到计 算机设备，且关于其纵向和圆周位置，由此得到的输出(信号)用于 确定超声波探头56相对于钻头10的位置并用于将在任何给定时间获 得的超声波数据关联到给定区域。这种数据还可用于生成如下所示钻 头10内部的三维表示，或者呈现例如沿钻头IO任何选定直径通过其 的两维(X-Y轴)截面。
可以认识到，希望通过提供反馈来使旋转和纵向位置传感器，例 如旋转和线性编码器，与超声波探头56 —起使用，以便于将超声波 探头56的旋转和纵向位置与由超声波探头56产生的信号精确地关 联，其中由超声波探头56产生的信号对应于在从钻头10的钻头体中 反射后由超声波探头接收到的超声波。因此，与超声波探头56信号 关联的位置信号可以用于呈现上述钻头10内部的三维表示或者通过 其的两维截面，以便识别钻头10中的内部缺陷。
为了利用图2所示的超声波检查系统50进行钻头10的超声波检 查，悬臂支撑构件64和超声波探头56可以利用纵向定位机构66向 上移动到允许钻头10放置到转台52上的位置。钻头10可以利用钻 头对准结构54放置到转台52上，使得内孔16的纵轴！^基本上与转 台52的旋转轴一致。然后，悬臂支撑构件64和超声波探头56可以 利用纵向定位机构66移动到超声波探头56位于钻头10内孑L 16中选 定位置处。例如水或其它合适流体或凝胶体的超声波耦合剂68可以 在钻头10的内孔16中提供，以便将超声波探头56超声耦合到钻头 10。由于钻探流体路线一般在钻头10中提供成从内孔16延伸到其表 面20,因此钻头IO可以浸到转台52所承载的水槽(未示出)中，以 防止在钻头10的超声波评估过程中超声波耦合剂68从内孔16中泄 漏。可选地，在利用超声波耦合剂68填充内孔16之前，钻探流体路 线开口可以利用例如弹性塞子在钻头IO表面附近堵住。当钻头10位 于钻头对准结构54之上时，钻头对准结构54还可以配置成堵上内孔 16与钻头10外部之间连通的开口 。这种钻头对准结构54可以配置成 用于钻头的特定设计与大小，并包括例如一层配置成覆盖钻头10表面中开口或包括突出结构性特征的弹性材料，该突出结构性特征可以
由弹性材料形成或者用弹性材料覆盖，以便容纳在钻头对准结构54 的支撑表面附近的钻头10中的开口中并堵上钻头10中的开口。
在附加实施方式中，旋转钻头10的至少一部分可以浸到超声波 耦合剂中，或者例如凝胶体的超声波耦合剂可以直接应用到超声波探 头56或者应用到内孔16中钻头10的表面，以方便其超声波检查。
然后，超声波59可以由超声波探头56发射或脉动并传送或引向 钻头10的至少一个区域中。这些超声波59可以由包括任何缺陷的钻 头10中的结构或特征反射。这些反射的超声波可以利用超声波探头 56检测并由超声波探头56转换成电信号。与每个反射超声波数据集 的超声波探头56的旋转和纵向位置数据结合，驻留在由超声波探头 56生成的电信号中或者由其承栽的数据可以利用计算机设备接收、存 储、分析、图示、映射或以别的方式操作。如果钻头10中存在至少 一个缺陷5例如图2所示钻头10中的示例性缺陷40,则可以以与钻 头中同质区域或者区域之间的已知边界表面和边界表面配置的情况 相比畸变或者不一致的方式，反射或引起至少一部分超声波的折射或 者两者兼有。以这种方式，钻头10中至少一个缺陷40的存在或不存 在可以由利用超声波探头56获得的数据指示。
应当认识到，超声波的折射、反射或者折射与反射的组合可以发 生在具有不同物理属性的材料之间的界面上。例如，超声波的折射、 反射或者折射与反射的组合可以发生在超声波耦合剂68和钻头体基 体28之间的界面处及钻头体基体28和钢坯26之间的界面处。按照 上述畸变方式的超声波的反射、或折射或弯曲可以进行对超声波换能 器所处位置56上面或下面的纵向位置处缺陷的检测。如果钻头每种 材料(例如，钢坯、 一种或多种基体材料、焊接材料)中超声波的速 度及不同材料之间界面关于入射超声波的角度是已知的，则可以考虑 并使用Snell定律来确定超声波59的路径。因此，通过将在钻头10 检查期间所检测到的反射超声波的幅值、角度和所产生的图案 (pattern )与钻头给定大小和设计的理想化模型或者来自相同大小和设计并已知没有缺陷的另一钻头的实际数据进行比较，包括钻头10 各个区域和其间边界位置的给定钻头10的三维计算机模型可以与折
射和反射的超声波结合使用以确定任何缺陷的类型、大小、位置、取 向和个数。换句话说，本发明的检查技术可以最有利地与特定钻头设 计、钻头体部件的材料、大小及部件之间的界面结合使用。
应当认识到，旋转钻头10的超声波检查可以根据本发明利用纵
波、剪波或者二者执行。如本领域中已知的，纵波一般用于正入射检 查技术，而剪波一般用于倾斜入射检查技术。剪波或纵波的使用可以 由钢坯和基体材料或钻头体的材料之间的斜切角来规定。
计算机设备可以用于利用相应的关联的传感器检测并记录超声
波探头56的纵向位置和转台52的旋转取向。转台52可以有选择地 旋转，如旋转选定的增量(例如，1°)，而超声波可以再次传送到钻 头10的另一内部段中，且可以检测到反射的超声波。根据检查钻头 IO选定区域或体积的需要或者期望，可以重复这种过程。例如，该过 程可以一直执行，直到在超声波探头56的第一纵向位置完成钻头10 基本完整的360°超声波扫描。然后，超声波探头56可以有选择地在 纵向内孑L16中相对于钻头IO纵向移动选定的增量(例如，0.102厘 米(0.040英寸))，且可以在新的纵向位置实现钻头10另一基本完 整的360。超声波扫描。这个过程可以一直重复，直到钻头10的期望 区域或体积都已经进行了超声波检查。可选地，转台52可以有选摔' 地旋转，同时超声波探头56有选择地纵向移动，以便为超声波探头 56提供螺旋扫描路径并同时获得数据。在这种情况下，可能期望在悬 臂支撑构件64的末端放置具有多个换能器的超声波探头56,例如相 等圆周间隔的两个或四个换能器(分别为180°或90°,见下图4)， 以便在更快速移动悬臂支撑构件通过纵向内孔16的同时获得足够的 数据或者避免需要旋转钻头10。此外，还可能期望利用协调其移动的 计算机设备来控制转台52和悬臂支撑构件64的纵向移动的驱动机 构，以确保不遗漏其任何重要区域地完整扫描钻头10。
在超声波探头56多个纵向位置和转台52多个旋转位置获得的超声波数据可以由计算机组合并分析，生成钻头10至少一部分的虚拟 三维表示。钻头10的数据和虛拟三维表示可以用于识别并表征钻头 10中所存在的任何一个或多个缺陷。以这种方式，超声波检查系统 50可以用于识别钻头中的缺陷，表征那些缺陷的类型、大小、位置、 取向和个数，当那些缺陷的特征达到临界点时，使得钻头停止工作， 并由此防止钻探操作过程中钻头的灾难性失效。
应当指出，给定钻头10中缺陷的类型、大小、位置、取向和个 数的精确识别是通过使用参考校准特征或标准来提高的，其中该参考 校准特征或标准可以制成对每个钻头10固有的，以方便其检查。这 种参考校准特征可以包括例如机器加工到钢坯26内表面中的0.64厘 米(0.25英寸)长、0.003至0.013厘米(0.0010至0.0050英寸)深 的圆周凹陷。如下关于图6所公开的钻头设计特别适于提供这种参考 校准特征，其中钢坯26的内表面定义了纵向内孑L 16的内表面，当从 探头56发射的超声波穿过超声波耦合剂68入射到W陷的表面上时， 超声波从超声波探头56的面和凹陷表面之间的已知精确距离反射回 来，这可以用于在开始时或者检查操作过程中每隔一段时间校准超声 波探头。此外，这种校准表面可以位于钢坯26上的别的地方，例如 钢坯26和基体材料之间的界面表面，因此可以校准例如通过已知厚 度钢的超声波的通道。此外，多个参考校准特征可以在钻头上或其中 各个已知深度和位置处提供。当如前所述检查钻头的缺陷时，这种配 置可以方便实时校准。换句话说，当钻头被超声波扫描时，可以利用 一系列校准特征中的每一个周期性地执行校准。这种校准特征可以设 计成不负面影响钻头的性能。在附加实施方式中，在存在超声波耦合 剂68的情况下，便携式参考标准可以固定到超声波探头56的反射和 接收表面上，以提供已知的反射相隔距离，且探头56在插入到纵向 内孔16中之前运行校准模式。在任何情况下，相对已知标准的响应 的幅值都可以用于衡量确定位置的缺陷的大小和结构。
如上面所指出的，超声波探头与用于操作超声波探头中超声波换 能器及用于分析和图示由探头所收集数据的软件在本领域中是已知
16的而且是可以商业获得,的。图3是图2所示超声波探头56的放大的 立体图。超声波探头56是矩形的并包含可以包括超声波换能器(未 示出)的相控阵的工作(active)表面57。可选超声波探头58在图4 中示为圆柱形且用在图2所示的超声波检查系统50中。超声波探头 58可包括多个关于超声波探头58圆周布置的工作表面59。超声波探 头58的每个工作表面59都可以包括超声波换能器(未示出)的相控 阵。在这种配置中，对应于钻头10的内孔16中给定的纵向位置，超 声波探头58可以配置成对钻头10执行基本完整360°的超声波扫描， 而不需要相对于超声波探头56旋转钻头10。
由于用于构造例如钻头10的传统基体型钻头的制造过程的复杂 性，内孔16的纵轴Lj6不可能与钻头10的纵轴精确一致。换句话说， 内孔16不可能精确地位于钻头10的中心或在钻头10中精确的定向。 如果内孔16的纵轴"6不与钻头10的纵轴一致，则超声波探头56可 以关于内孔！ 6的纵轴L,6定位。当钻头10关于超声波探头56旋转时， 这会方便提供超声波探头56的表面和钻头10的内表面之间选定的相 隔距离。如由从超声波探头56所获得的数据指示的，这会便于正确 确定钻头10中任何缺陷位置。至少部分地因为这个原因，可以提供 在本文中前面参考的钻头对准结构54来对准钻头10的内孔16的纵 轴L"与转台52的旋转轴。
超声波检查系统50可以包括用于正确确定钻头10的内孑L :16的
纵轴Lw位置与取向的附加测量^L构(未示出)。这个附加测量才几构
可以包括例如坐标测量才几(CMM)的测量i殳备。该测量4几构可以用 于识别内孔16中钻头10内表面上几个点的位置，并使用那些位置来 识别内孔16的位置和取向及其纵轴L16。 一旦确定了纵轴L,6的位置 和取向，钻头10就可以放置到转台52上，使得转台52的旋转轴与 内孔16的纵轴L,6基本一致。钻头对准结构54可以用于方便这个过 程。
图5说明了根据本发明实施方式的便携式示例性超声波检查装 置70，该装置可用于进行对例如图1所示传统基体型钻头10的钻探设备的非破坏性、超声波检查。超声波检查装置70可以包括配置成 位于钻头10的内孔16中的下部72。下部72可以包括超声波探头56， 该探头可位于下弹性o环74和上弹性o环76之间。在使用过程中， 下弹性o环74和上弹性o环76可以密封地与内孔16中钻头10的内 表面接合。可以提供盘形轴环(collar) 78，在下部72位于钻头10 的内孔16中时接合杆柄14的表面。盘形轴环78可以配置成将超声 波检查装置70锚定并置于钻头10的中心。例如，盘形轴环78可以 包括在其内表面(未示出)上的锥螺紋，用于将盘形轴环78连接到 图1所示杆柄14的锥螺紋34。
超声波检查装置70可以包括用于有选择地在关于钻头10的纵向 移动下部72和超声波探头56的纵向定位才几构80。纵向定位冲几构80 可以包括用于在任何给定时间识别超声波探头56关于钻头10的纵向 位置的传感器82。超声波检查装置70还可以包括用于有选择地关于 钻头10旋转下部72和超声波探头56的旋转定位机构86。旋转定位 机构86可以包括用于在任何给定时间识别超声波探头56关于钻头10 的旋转位置的传感器88。纵向定位机构80和》走转定位机构86可以包 括机电设备、机械设备、气动设备或液压设备，这些设备用于有选择 地关于钻头H)在纵向移动超声波探头56,还用于有选择地关于钻头 10旋转超声波探头56。例如，纵向定位机构80和旋转定位机构86 中的每个都可以包括用于调整超声波探头56在钻头10的内孔16中 的纵向和旋转位置的电动机。电动机可以由计算机设备控制，来进一 步自动化钻头的检查。可选地，纵向定位机构80和旋转定位才几构86 可以是手动的。
开口 90可以在超声波检查装置70的顶部提供，其中超声波检查 装置70与耦合到下部72的中空纵向支撑构件92的内部空腔连通。 当超声波检查装置70的下部72插入到钻头的内孔16中时，通过中 空纵向支撑构件92壁中的孔，例如水的超声波耦合剂可以通过开口 90和中空纵向支撑构件92引入到钻头10的内孔16中的下弹性o环 74和上弹性o环76之间的区域中。超声波探头56可以利用图5所示的销支撑P绕横穿中空纵向支 撑构件92的轴，旋转耦合到超声波检查装置70的下部72。可以提供 调整机构来调整超声波探头56关于垂直于内孔16纵轴Lw的平面的 向上和向下的角度。例如，电线或电缆可以通过开口卯并通过纵向 支撑构件92提供给超声波探头56。通过允许超声波探头56绕垂直于 钻头10的内孔16并位于其中的轴旋转，由此发射的超声波可以在关 于垂直于其纵轴的平面的各个角度引向钻头10。可以提供附加传感器 (未示出)来指示在任何给定时间转动安装的超声波探头56的角度。
计算机设备(未示出)可以以与先前关于图2所示的超声波检查 系统50所讨论的相同方式与超声波检查装置70 —起用于控制超声波 探头56，并用于接收、存储、分析、图示或以别的方式操作由超声波 探头56响应超声波所生成的数据。电缆或电线可以在计算机设备与 超声波探头56之间提供，用于在其间传送电信号。电缆可以通过开 口 90和纵向支撑构件92延伸到超声波探头56。
超声波检查装置70可以以与先前关于图2所示的超声波检查系 统50所讨论的相同方式用于进行对钻头10的超声波检查。特别地， 超声波检查装置70的下部72可以位于钻头10的纵向内孔16中，使 得盘形轴环78与钻头10的杆柄14接合。下部72可以利用纵向定位 机构80关于钻头IO纵向移动到选定位置。例如水的超声波耦合剂可 以通过开口 90提供到钻头10的内孔]6中的下弹性o环74和上弹性 o环76之间的区域。
然后，超声波可以从超声波探头56发射或脉动，并传送到或引 向钻头10中。反射的超声波可以利用超声波探头56检测。由超声波 探头56生成的电信号可以由计算机设备接收和记录。计算机设备还 可以检测并记录超声波探头56的纵向位置、超声波探头56的旋转取 向及对应传感器所指示的超声波探头56关于钻头10的角度。这个信 息可以用于将所获得的超声波数据与钻头10中的特定的位置或区域 关联。
下部72和超声波探头56可以有选择地旋转，而超声波可以再次传送到钻头10中，且反射的超声波可以被检测并记录。这个过程可 以一直重复，直到在超声波探头56关于钻头10的纵向位置处完成对 钻头10基本完整的360°超声波扫描。然后，超声波探头56可以有选 择地关于钻头IO在纵向移动，并在不同的纵向位置处实现对钻头10 的另一基本完整的360。超声波扫描。这个过程可以一直重复，直到钻 头10期望的区域或体积都已经进行了超声波评估。对于超声波探头 56的多个纵向和旋转位置所记录超声波数据可以由计算机设备组合 并分析，从而生成钻头IO至少一个区域的虚拟三维表示。钻头10至 少一个区域的虚拟三维表示和数据可以用于指示钻头10中一个或多 个缺陷的存在。以这种方式，超声波检查装置70可以用于识别钻头 中的缺陷，用于表征那些缺陷的类型、大小、位置、取向和个数，用 于当那些缺陷的所选定的特征达到临界点时使得钻头停止工作，并由 此防止钻探操作过程中钻头的突难性失效。
如在本文中前面所讨论的，由超声波探头56生成的超声波的折 射和反射可以发生在(例如)超声波耦合剂68和钻头体基体28之间 的界面处及钻头体基体28和钢坯26之间的界面处。超声波的折射或 弯曲可能使精确确定钻头10中任何检测到的缺陷的位置变得复杂化。 在本发明的另 一 方面，钻头可以设计成最小化超声波探头与斜面区域 36之间有可能发生缺陷的界面个数，以便减少发生在界面处的折射和 反射量并进一步提高本文中所述检查技术的精度。
例如，根据本发明实施方式的基体型钻头100在图6中示出。钻 头100类似于图1所示的钻头10并包括钻头体102和杆柄14。纵向 延伸的内孔16设置为通过钻头100。钻头体102还包括钢坯104和钻 头体基体106。但是，与图1所示的钻头10相反，图6所示的钻头 100的钢坯104径向向内延伸到钻头体102区域中靠近可能发生缺陷 的斜面区域36的内孑L 16的内壁。如通过与例如图1所示的钻头10 的传统基体型钻头的比较所说明的，在钻头100的这种配置中，钻头 体基体106和钢坯104之间的界面已经去除，从而提供纵向内孔16 和斜面区域36之间通过钢坯104的连续通路。因此，超声波59的总体折射或弯曲可以减少，并可以促进用于精确确定钻头体102中的缺 陷位置和取向的能力。
根据本发明实施方式的系统和装置，例如超声波检查系统50和 超声波检查装置70，可以用于在给定时间周期上监视钻头中至少一个 缺陷的存在、发展或者二者兼有。例如，钻头的连续评估可以在每次 钻探操作后执行并可以彼此比较。为了确保可以公正地比较钻头连续 评估的结果，将超声波探头重复定位到钻头内孔中基本相同位置的能 力可能是相对期望的。为了使超声波探头能够在钻头中相对精确的重 新定位，钻头的内部可以配置成提供停靠台(landing pad )或用于换 能器的其它参考特征或者位置。停靠台可以允许每次要检查钻头时超 声波探头在钻头的内孔中基本重复的定位。
根据本发明实施方式并包括用于超声波换能器的停靠台的基体 型钻头110在图7中示出。钻头IIO与图6所示钻头IOO类似，并包 括下钻头伟112和上杆柄〗4。纵向延伸的内孔！6被.设i置为通过钻头 110。钻头体112包括钢坯114和钻头体基体H6。但是，与图6所示 的钻头100相反，图7所示钻头110的钢坯114包括用于超声波探头 的停靠台空腔120。停靠台空腔120可以配置成在钻头内孔16中在钢 坯114的内表面形成的圆周缺口 ( circumferential notch )。停靠台空 腔120可以包括截头圆锥体、锥形的上表面122和垂直于内孔116取
向的凸缘或停靠台表面124。用于检查钻头no的超声波探头(未示
出)可以包括配置成当超声波探头插入到内孔16中时接合钻头10内 表面的弹簧构件。当超声波探头纵向前进到内孔16中时，弹簧构件 可以接合停靠台空腔120的圆周缺口并可以紧靠着凸缘或停靠台表面 124。凸缘或停靠台表面124可以防止超声波探头进一步纵向前进到 钻头的内孔16中。停靠台空腔120的锥形上表面122可以允许弹簧 构件滑出停靠台空腔120的圆周缺口并由此允许超声波探头从钻头10 的内孔16撤回。在这种配置中，停靠台空腔120允许每次检查钻头 10时将超声波探头精确定位到钻头10中基本相同的位置。这种配置 提供了使得能够对于至少两次不同检查所获得的数据进行合理比较的参考位置。
在钻探操作过程中，流体被强迫以高压力和速度通过钻头110 的内孔16，到达其表面，这会造成内孔16中钻头110内表面的磨损 和腐蚀。由于钢坯114 一般来说比钻头体基体116更易磨损和腐蚀， 因此，在钻探操作过程中，由例如碳化鴒、碳化硅的抗腐蚀和磨损材 料或本领域中已知的其它抗腐蚀和磨损材料形成的管状可拆卸保护 衬里130可以在内孔16中提供，以便抑制钢坯114和停靠台120的 劣化。可选地，可拆卸的保护性管状衬里可以由类似于钻头体基体116 的材料形成，并且可以确定其大小和形状以保护钢坯104的内表面。 当要对钻头体102进行超声波检查时，可拆卸的保护性管状衬里130 可以从钻头100中去除，并在后续钻探操作开始之前重新放置。可拆 卸的保护性管状衬里130可以通过铜焊、粘接或机械固定(例如，当 要对钻头进行超声波检查时，通过弹性元件与停靠台径向接合，以便 允许从钻头110除去保护性管00)可拆卸地附加到钻头H(L
例如可拆卸保护性管状村里130的可拆卸保护性衬里还可以与 图6所示的钻头IOO结合使用，来抑制钢坯104的腐蚀和磨损。
在本发明的另一实施方式中，停靠台空腔或其它参考元件可以在
其其形成过程中而不是在钢坯m中机器加工停靠台时在钻头体in
的钻头体基体116中形成。
代替提供停靠台空腔或其它参考元件来在钻头的内孔中精确定 位超声波探头，可以提供可拆卸定位构件来相对于内孔定位超声波探 头。该定位构件可以配置成接合内孔底面的至少一部分、内孔侧壁的 至少一部分或者二者兼有，以便每次在内孔中定位该定位构件和探头 时可以将该定位构件和超声波探头定位到基本相同的位置。例如，定 位构件可以配置成用于支撑超声波探头并接合内孔中钻头的至少一 个内表面的卡具。超声波探头可以位于该卡具中，且该卡具和超声波 探头可以位于钻头的内孔中，使得该卡具接合内孔中钻头的至少一个 内表面，且将超声波探头定位在钻头内孔中选定的位置。
在本文中上面所讨论的每种超声波检查技术与方法都包括了利用位于钻头内孔中的超声波探头来检查钻头的钻头体。在可选方法 中，可以从钻头的外部对钻头进行超声波检查。可以提供环形的超声 波探头，该探头具有大于钻头体外径的内径，以便允许该环形超声波 探头定位成使得探头环绕钻头外表面的至少一部分。超声波探头可以 包括多个径向向内取向并绕超声波探头圆周排列的单独的超声波换 能器，以便提供对钻头体的所选圆周的覆盖。此外，单独的超声波换 能器可以在关于钻头纵轴的各个角度提供或者关于其旋转安装。在其 它方法中，可以通过从位于钻头纵向内孔中的发射器发射超声波、将
声波来对钻头进行超声波检查。类似地，可以通过从位于钻头外部的 发射器发射超声波、将超声波通过钻头发送到纵向内孔并利用位于钻 头纵向内孔中的接收器检测超声波来对钻头进行超声波检查。
此外，期望表面为超声波反射材料的可移动"镜"可以与固定的超 声波换能器结合使用，从而将所发射的超声波脉冲以期望角度反射到 钻头中。在这种配置中，环形超声波探头可以用于从钻头外部检查钻 头。从钻头外部位置检查钻头可能出现与内孔的存在及探头和要检查 的缺陷之间的材料界面关联的困难。本发明的发明人已经发现这些困 难可以通过在钻头的内孔中执行超声波检查来减轾或克服。
在此所公开的非破坏性超声波检查技术、方法、系统与装置可以 用于在其寿命范围内检查钻头，以便识别和表征其中的至少一个缺 陷。钻头在钻探操作过程中灾难性失效的可能性至少部分地是钻探操 作过程中施加到钻头的负栽或力的大小、材料的断裂属性和钻头的整 体结构及钻头中缺陷存在的函数。钻头中的一个或多个缺陷可能不一 定造成钻头在使用过程中的灾难性失效。钻头中一个或多个缺陷造成 钻头在使用过程中灾难性失效的可能性(即，缺陷的临界状态)至少 部分地是钻头中缺陷个数、形状、大小、类型和位置的函数。
应当理解，在此所述的检查方法和技术可以用于检查旋转钻头的 任何部分。例如，旋转钻头的钻头体、杆柄、焊缝或任何其它部分都 可以利用在此所述的方法和技术进行检查。在一个特定的非限制性例子中，在此所公开的技术可以用于检查内部的圆周完整性，或者钻头
钢坯26和钻头外部的杆柄14 (见图1)之间的环形焊缝32及其与钻 头钢坯26和杆柄14的界面。此外，在此所述的检查方法和^支术已经 参考基体型的钻头进行了描述。但是，检查方法和技术并非如此限制， 它还可以应用到其它类型的钻头，包括具有钢钻头体的钻头和具有含 粒子基体合成材料的钻头体的钻头，其中粒子基体合成材料由粒子压 制和密集化技术形成，例如在2005年11月10日提交的未决美国专 利申请No. 11/271,153和同样在2005年11月10日提交的未决美国专 利申请No. 11/272,439中所描述的那些。
而且，除了传统基体型的旋转钻头，该检查方法和技术还可以用 于检查钻探工具，例如取芯钻具、铰扩钻、套管钻、双心和离心旋转 钻头、铰扩钻翼面、钢体钻头、滚动圆锥钻头及本领域中已知的其它 钻探工具。前面任何一种钻探工具的特定材料、大小及内部和外部配 置都不限制本发明的使用。
前面所述的检查方法和技术可以用于预测在预定义的钻探条件 下钻探工具是否将失效。作为例子而不是限制，前面所述的检查方法 和技术可以用于识别和表征象图1所示大地钻孔旋转钻头10中的 个或多个裂缝或其它缺陷。如果形成大地钻孔旋转钻头10的材料是
已知的，则材料的属性(例如，断裂韧度Ke和裂缝传播的临界应力(Jc)
可以利用本领域中已知的传统的标准测试方法(例如，ASTM (美国 检测与材料学会)标准测试方法E 1820-98,名称为断裂韧度的测量) 来确定。可以生成包括识别出并表征的裂缝或缺陷的钻头10的计算 模型。有限元分析(FEA)技术可以用于计算所估计的应力强度因子 K和由于可能在后续钻探操作过程中施加到钻头10的期望外力(例 如，钻压(WOB)和扭矩)而可能在钻头10中生成的有效应力(j。 用于计算应力强度因子K和有效应力cr及断裂韧度IC和裂缝传播的 临界应力oc的7^式在本领域中是已知的并在例如T丄.Anderson, Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, CRC Press Inc. (1995年笫二版)的第31-96页中进行描述。 一旦这些值都确定了，
24就可以生成失效评定图(FDA)，并将其用于预测钻头IO是否将在预 期的钻探条件下失效。这种失效评定图在本领域中是已知的并在例如 T.L.Anderson, Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, CRC Press Inc. ( 1995年第二版)的第459-478页中进行描述。作为
例子而不是限制，如果有效应力(7与裂缝传播的临界应力 之比((7/<Tf )
大于或等于约0.8,则可以预测钻头IO将由于塑性破坏机制而失效。 如果应力强度因子K与断裂韧度Ke之比(k/Kc)大于或等于约0.8， 则可以预测钻头10将由于脆性疲劳机制而失效。以这种方式，在此
预测钻头及其它钻探工具的失效，从而防止钻头或其它钻探工具的失效。
域普通技术人员将认识到并理解本发明不受此限制。相反，在不背离 下文所要求保护的本发明范围的情况下，可以对这些优选实施方式进 行许多增加、删除和修改。此外，来自一种实施方式的特征可以与另 一实施方式的特征组合，同时仍包含在本发明人预期的本发明范围之 内。
权利要求
1、一种用来对用于地下钻孔的钻头进行非破坏性检查的方法，包括将超声波从超声波能量发射器传送到旋转钻头的至少一部分中；利用超声波能量接收器检测由该旋转钻头的至少一部分反射的超声波；及利用所检测到的超声波生成对该旋转钻头的至少一部分的表示。
2、 如权利要求l所述的方法，其中传送超声波包括从旋转钻头 的纵向内孔中将超声波引向该旋转钻头的至少一部分。
3、 如权利要求1所述的方法，其中传送超声波包括从钻头外部 的位置将超声波引向该旋转钻头的至少一部分。
4、 如权利要求]至3中任一项所述的方法，其中检测超声波包 括从旋转钻头的纵向内孔中检测反射的超声波。
5、 如权利要求1至3中任一项所述的方法,其中检测超声波包 括从钻头外部的位置检测反射的超声波。
6、 如权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括将超声波能 量发射器和超声波能量接收器中的至少一个声波耦合到旋转钻头。
7、 如权利要求6所述的方法，其中声波耦合包括利用超声波耦 合剂填充旋转钻头的纵向内孔的至少一部分。
8、 如权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括 将超声波传送到旋转钻头上的至少 一个参考校准特征上； 检测从该至少一个参考校准特征反射的超声波；及利用检测到的从该至少 一个参考校准特征反射的超声波和该至 少一个参考校准特征的至少一个已知尺寸来校准超声波能量发射器 和超声波能量接收器中的至少一个。
9、 如权利要求所述的方法，还包括使用单个超声波探头作为 超声波能量发射器和超声波能量接收器。
10、 如权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括利用至少一个参考位置特征将超声波能量发射器和超声波能量接收器中的至少 一个定位到关于钻头的预定选择位置。
11、 一种用来检查用于地下钻孔的钻头的超声波检查装置，包括 用于支撑超声波探头的超声波探头支撑结构，该超声波探头支撑结构包括配置成位于旋转钻头的纵向内孔中的一部分；结构性耦合到支撑结构的该部分的超声波探头，该超声波探头配置成位于旋转钻头的纵向内孔中；纵向探头定位机构，配置成改变超声波探头关于旋转钻头的纵向位置；及旋转探头定位机构，配置成改变超声波探头关于旋转钻头的旋转位置。
12、 如权利要求11所述的装置，其中旋转探头定位机构配置成 绕超声波探头旋转该旋转钻头。
13、 如权利要求11所述的装置，其中旋转探头定位机构配置成 在旋转钻头的纵向内孔中旋转超声波探头。
14、 如权利要求11至13中任一项所述的装置，其中纵向探头定 ^立才几构包括位于旋转钻头的纵向内孔外部的固定构件，该固定构件总体上与 旋转钻头的纵向内孔的纵轴平行地延伸；及可移动地耦合到该固定构件的悬臂支撑构件，该悬臂支撑构件包括可移动地耦合到固定构件并从该固定构件横向延伸的第 一部分；及总体上相对于第一部分垂直延伸并具有耦合到超声波探头的自 由端的第二部分。
15、 如权利要求11至14中任一项所述的装置，还包括附加超声 波探头，该附加超声波探头包括配置成用于发射超声波和检测超声波 中至少一项的至少一个超声波换能器，该附加超声波探头配置成位于探头配置成插入到大地钻孔旋转钻头的纵向内孔中。
16、 如权利要求11至15中任一项所述的装置，还包括用于接收 从超声波探头获得的数据的计算机设备。
17、 一种用于在地层中钻孔的基体型旋转钻头，包括在其中定义 了纵向内孔的钻头体，该钻头体包括钢坯；及耦合到该钢坯的钻头体基体，该钻头体基体沿包括斜面区域的界 面与钢坯邻接，钢坯配置成在纵向内孔和斜面区域之间提供通过钢坯 的连续通路。
18、 如权利要求17所述的钻头，还包括配置成插入到钻头体的 纵向内孔中的可拆卸的抗腐蚀和磨损的衬里。
19、 一种用于在地层中钻孔的钻头，包括在其中定义了纵向内孔 的钻头体,该钻头体包括纵向内孔中的内y表面；及纵向内孔中钻头体内表面中的至少一个参考特征，该至少一个参 考特征的结构设计成便于在纵向内孔中基本上可重复地定位超声波探头。
20、 如权利要求19所述的钻头,其中至少一个参考特征包括停 靠台空腔。
全文摘要
一种对用于对在地层中钻孔的旋转钻头进行非破坏性内部检查的方法，包括将超声波传送到钻头中并检测由该钻头的至少一部分反射的超声波。在某些实施方式中，超声波可以从钻头纵向内孔中引入钻头中。所反射的波也可以从内孔中检测到。该方法可以用于开发用于将钻头分类为可接受或不可接受的阈值接受标准，以防止在使用过程中钻头的灾难性失效。公开了对用于在地层中钻孔的钻头进行非破坏性超声波检查的系统与装置。该系统与装置可以包括配置成插入到钻头的纵向内孔中的超声波探头。公开了配置成方便其非破坏性超声波检查的钻头。
文档编号G01N29/04GK101460839SQ200780020538
公开日2009年6月17日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年4月17日
发明者E·C·沙利文, J·伦德, N·J·莱昂, T·D·沃茨 申请人:贝克休斯公司