用於收集鑽頭性能數據的方法和設備的製作方法

2023-12-11 10:14:57

專利名稱：用於收集鑽頭性能數據的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於鑽入地層的鑽頭，更具體地涉及用於監控鑽頭 在鑽井作業期間的工作參數的方法和設備。
背景技術：
石油和天然氣工業花費相當大的金額以設計切割工具，例如包括牙 輪巖石鑽頭和固定刀具鑽頭的向下鑽進鑽頭，該鑽頭具有相對長期的使 用壽命以及具有相對較少發生的故障。特別地，相當大的金額被花費以 使鑽井作業期間發生災難性鑽頭故障的機會達到最小的方式來設計和制 造牙輪巖石鑽頭和固定刀具鑽頭。鑽井作業期間固定刀具鑽頭的牙輪或多晶金剛石複合片(PDC)的損耗會妨礙鑽井作業，而且在最壞的情況 下，使相當昂貴的打撈作業成為必要。如果打撈作業失敗，則必須執行 側鑽作業以便在包括失去的牙輪或PDC刀具的井眼部分周圍鑽井。典 型地，在鑽井作業期間，鑽頭被拔出並用新鑽頭替換，即使從所替換的 鑽頭中能夠獲得顯著的服務。向下鑽進鑽頭的這些未成熟替換是昂貴 的，因為井的每次中斷延長了總的鑽井活動，並且消^目當大的人力， 但是仍然要實行以便避免至多撥出鑽柱並替換鑽頭或者如果一個或多個和昂貴的過程。隨著對向下鑽進鑽井系統動態數據的不斷增長的需求，許多的"子 部件"(即包含在鑽頭之上的鑽柱中並用來收集關於鑽井參數的數據的 子部件)已被設計並安裝在鑽柱中。遺憾地，這些子部件由於它們在鑽 頭本身之上的物理布局而不能提供在操作中於鑽頭處發生情況的實際數 據。數據獲取常規地通過將子部件安裝在底孔組件(BHA)中來實現，底孔組件可以離鑽頭幾米到幾十米。從遠離鑽頭的子部件收集的數據可 能並不準確地反映鑽井發生時在鑽頭處直接發生的情況。通常，數據的 這種缺乏導致在沒有與鑽頭的性能關聯的直接相關事實或數據時對於可 能引起鑽頭故障的事物或者鑽頭如此良好地運行的原因的推測。最近，已提議將數據獲取系統安裝到鑽頭本身中。然而，這些系統 的數據收集、存儲以及報告受到限制。另外，鑽頭中的常規數據收集還 不具有當可能關注的鑽井活動發生時以允許更詳細的數據收集和分析的 方式適應這些活動的能力。對於被裝備以收集和存儲關於鑽頭的性能和狀況的長期數據的鑽頭 存在需求。這種鑽頭可以延長有用的鑽頭壽命，使得能在多個鑽井作業 中再利用鑽頭以及對現有鑽頭開發鑽頭性能數據，其也可以用於開發鑽 頭的未來改善。發明內容本發明包括鑽頭及布置於鑽頭中的數據分析系統，該系統用於分析使用多種自適應的(ad叩tive)數據採樣模式從有關鑽頭性能的物理參 數採樣的數據。在本發明的一個實施方案中，用於鑽入地層的鑽頭包括鑽頭體、釺 尾(shank)、數據分析模塊以及端蓋。鑽頭體攜帶至少一個切割元件 (也稱作刀片或刀具)。釺尾固定到鑽頭體，適合於連接到鑽柱，並且 包括通過其中形成的中心孔。數據分析模塊可以被配置在環圏中，以致 於它可以被布置於中心孔內，同時允許鑽井流體經由那裡通過。最後， 端蓋被配置為布置於中心孔內，以致於端蓋使數據分析模塊的環圏布置 在附近，並且通過提供在端蓋與中心孔的壁之間的密封結構來為數據分 析模塊提供腔室。本發明的另一個實施方案包括用於鑽入地層的設備，該設備包含鑽 頭及布置在鑽頭中的數據分析模塊。鑽頭攜帶至少一個刀片或刀具，並 且適合於連接到鑽柱。數據分析模塊包括至少一個傳感器、存儲器以及處理器。該至少一個傳感器:l皮配置以感測至少一個物理參數。存儲器被配置以存儲包括計算機指令和傳感器數據的信息。處理器被配置用於執行計算機指令，以通過採樣至少一個傳感器來收集傳感器數據。計算機指令還被配置以分析傳感器數據從而形成程度指數(severity index), 將程度指數與至少 一個自適應閾值比較，並且響應於比較而更改數據採 樣模式。本發明的另一個實施方案包括一種方法，該方法包括在某一採樣頻 率下通過採樣布置於鑽頭中的至少一個傳感器來收集傳感器數據。在該 方法中，該至少一個傳感器響應於與鑽頭狀態有關的至少一個物理參 數。該方法還包括分析傳感器數據以形成程度指數，其中分析由布置於 鑽頭中的處理器執行。該方法還包括將程度指數與至少一個自適應閾值 比較，並且響應於比較而更改數據採樣模式。本發明的另一個實施方案包括一種方法，該方法包括當處於背景 (background )模式時在背景採樣頻率下通過採樣與鑽頭狀態有關的至 少一個物理參數來收集背景數據。該方法還包括在預定數量的背景樣本 後從背景模式轉換到記錄(logging)模式。該方法也可以包括在預定數 量的背景樣本後從背景模式轉換到突發(burst)模式。該方法也可以 包括在預定數量的記錄樣本後從記錄模式轉換到背景模式或突發模式。 該方法也可以包括在預定數量的突發樣本後從突發模式轉換到背景模式本發明的另一個實施方案包括一種方法，該方法包括當處於背景模 式時通過採樣與鑽頭狀態有關的至少一個物理參數來收集背景數據。該 方法還包括分析背景數據以產生背景程度指數，並且如果背景程度指數 大於第一背景閾值則從背景模式轉換到記錄模式。該方法也可以包括如 果背景程度指數大於第二背景閾值則從背景模式轉換到突發模式。


圖1說明用以執行鑽井作業的常規鑽井設備； 圖2是常規矩陣型旋轉刮刀鑽頭的透視圖； 圖3A是釺尾、示例電子才莫塊和端蓋的透視圖; 圖3B是釺尾和端蓋的截面圖；圖4是示例電子模塊的照片，該電子模塊被配置為柔性電路板以允 許形成到適合於布置在圖3A和圖3B的釺尾中的環圏中；圖5A-5E是說明鑽頭中可以放置電子模塊、傳感器或它們的組合的 示例位置的鑽頭的透視圖；圖6是依照本發明的數據分析模塊的示例實施方案的方塊圖；圖7A是說明多種數據採樣模式以及根據基於時間的事件觸發在模 式間轉換的示例時序圖；圖7B是說明多種數據採樣模式以及根據基於自適應閾值的事件觸 發在模式間轉換的示例時序圖；圖8A-8H是說明數據分析模塊的示例操作的流程圖，該示例操作 有採樣不同傳感器的值，存儲所採樣的數據，並且分析所採樣的數據以 確定自適應閾值事件觸發；圖9說明沿著旋轉的笛卡爾坐標系的兩個軸A磁力計傳感器採樣的 示例數據；圖10說明沿著相對於鑽頭靜止樹目對於固定觀察者旋轉的笛卡爾 坐標系的三個軸#速計傳感器和磁力計傳感器採樣的示例數據；圖11說明從加速計傳感器釆樣的示例數據，沿著y-軸的加速計數 據方差來自所採樣數據的分析，沿著y-軸的加速計自適應閾值來自所採 樣數據的分析；以及圖12說明從加速計傳感器採樣的示例數據，沿著x-軸的加速計數 據方差來自所採樣數據的分析，沿著x-軸的加速計自適應閾值來自所採 樣數據的分析。
具體實施方式
本發明包括鑽頭以及布置於鑽頭中的電子設備，該電子設備用於分 析使用多種自適應數據採樣模式從涉及鑽頭性能的物理參數中採樣的數 據。圖l描繪用於執行地下鑽井作業的示例設備。示例鑽井設備110包 括鑽架112、鑽架底座114、絞車116、吊鉤118、轉體120、方鑽杆連接122以及旋轉臺124。包括鑽管部分142和鑽環部分144的鑽柱140 從鑽井設備110向下延伸到鑽孔100中。鑽管部分142可以包括許多連 接在一起的管狀鑽管部件或絞束，並且鑽環部分144同樣可以包括多個 鑽環。另外，鑽柱140可以包括共同稱作MWD通信系統146的隨鑽測 量(MWD)記錄(logging)子部件和協作的泥漿脈衝遙測數據傳輸子 部件，以及本領域技術人員已知的其他通信系統。在鑽井作業期間，鑽井流體從泥漿池160循環通過泥漿泵162，通 過波動消除器164，以及通過泥漿供應管道166進入轉體120。鑽井泥 漿(也稱作鑽井流體)流過方鑽杆連接122並iiX鑽柱140內的軸中心 孔。最後，它通過位於鑽頭200中的孔口或噴嘴流出，該鑽頭200連接 到鑽環部分144下面的鑽柱140最底部分。鑽井泥漿通過在鑽柱140的 外表面和鑽孔100的內表面之間的環形空隙向上流回，以循環至地面， 在那裡它經過泥漿返回管道168返回到泥漿池160。振動篩(沒有顯示)可以用於在鑽進泥漿返回到泥漿池160之前從 其中分離巖屑。MWD通信系統146可以在鑽井作業發生時利用泥漿脈 沖遙測技術從井下位置向地面傳送數據。為了於地面接收數據，泥漿脈 衝轉換器170被提供與泥漿供應管道166通信。該泥漿脈沖轉換器170 響應泥漿供應管道166中的鑽井泥漿的壓力變化產生電信號。這些電信 號通過地面導體172傳輸到地面電子處理系統180，該系統180通常是 具有用於執行程序指令以及用於響應通過鍵盤或圖形定點裝置輸入的用 戶命令的中央處理單元的數據處理系統。泥漿脈衝遙測系統被提供以用於將通常位於MWD通信系統146中的測井和測量系統所感測的關於大 量井下狀況的數據傳送到地面。定義傳播到地面的數據的泥漿脈衝由通 常位於MWD通信系統146中的裝備產生。這種裝備典型地包括在容納 於儀表外殼中的電子設備的控制下工作的壓力脈衝發生器，以允許鑽井 泥漿經過貫通鑽環壁的孔排出。每當壓力脈沖發生器導致這種排出時， 負壓力脈沖被發送以由泥漿脈衝轉換器170接收。可選的常規布局產生 並發送正壓力脈衝。常規地，循環的鑽井泥漿也可以為渦輪驅動發電機 子部件(沒有顯示)提供能量來源，該子部件可以位於底孔組件(BHA)附近。渦輪驅動發電機可以為壓力脈衝發生器以及為包括構成 隨鑽測量工具的工作部件的那些電路的各種電路產生電力。可以提供電 池作為可選的或補充的電力來源，尤其是作為渦輪驅動發電機的後備。圖2是固定刀具或所謂的"刮刀"鑽頭品種的示例鑽頭200的透視 圖。通常，鑽頭200包括在釺尾210上的用於連接到鑽柱140中的螺 紋，該釺尾210在鑽頭200的上部範圍。至少一個通常在釺尾210的相 對端的刀片220 (顯示多個)可以被提供有多個天然或合成的金剛石(多晶金剛石複合片)刀具225，這些刀具225沿著刀片220的旋轉前 導面排列以當鑽頭200在所施加的鑽壓(WOB)下於鑽孔100中旋轉 時實現對地層材料的有效碎裂。徑規村墊(gage pad)表面230從每個 刀片220向上延伸，在鑽頭200的鑽井作業期間最接近而且通常接觸鑽 孔100的側壁。多個溝槽240，稱為"排屑槽"，在刀片220和徑規襯墊 表面230之間延伸以為了排除由刀具225形成的地層切屑提供清除區 域。多個徑規"物(gage insert) 235被提供於鑽頭200的徑規襯墊 表面230上。在鑽頭200的徑規襯墊表面230上的剪切徑規嵌入物235 提供有效剪切在鑽孔100側壁的地層材料的能力，並且提供固定刀具品 種的地鑽鑽頭的改進的徑規支撐能力。鑽頭200被示意為PDC ("多晶 金剛石複合片")鑽頭，但是在含有用於與鑽孔100側壁接合的徑規襯 墊表面230的其他固定刀具或刮刀鑽頭中，徑規嵌入物235可以同樣有 用。本領域技術人員將認識到本發明可以實施於多種鑽頭類型。本發明將鑽井k漿傳送到切害;;構的其他地下鑽井工具的環境中i有效用。因此，在此所使用的術語"鑽頭"包括且包含任何及所有旋轉鑽頭，包括 巖心鑽頭、牙輪鑽頭、固定刀具鑽頭；包括但不限於PDC、天然金剛 石、熱穩定製備的(TSP)合成金剛石和金剛石孕鑲鑽頭、偏心鑽頭、 雙中心鑽頭、擴孔鑽、擴孔鑽輪葉以及其他被配置以容納電子模塊2卯 的地鑽工具。圖3A和3B說明被固定在鑽頭200 (沒有顯示)上的釺尾210的示 例實施方案，端蓋270,以及電子模塊290 (在圖3B中沒有顯示)的示 例實施方案。釺尾210包括穿過4f尾210縱軸形成的中心孔280。在常 規鑽頭200中，該中心孔280被設置以允許鑽井泥漿流過那裡。在本發 明中，中心孔280的至少一部分被賦予足以接收配置在基本上為環圏中 的電子模塊2卯的直徑，卻不顯著地影響到釺尾210的結構完整性。從 而，可以將電子模塊290布置於中心孔280中，端蓋270的周圍，該端 蓋270貫穿電子模塊290的環圏的內直徑，以同中心孔280的壁一起產 生流體密封的環形腔260，並且將電子模塊290密封於釺尾210內的適 當位置。端蓋270包括穿過端蓋本身而形成的蓋孔276，〗吏得鑽井泥漿可以 流過端蓋，通過釺尾210的中心孔280到釺尾210的另一側，然後i^A 鑽頭200的體內。另外，端蓋270包括在端蓋270下端附近的包含第一 密封環272的第一法蘭(flange) 271，以及在端蓋270上端附近的包含 第二密封環274的第二法蘭273。圖3B是布置於釺尾中的不帶電子模塊290的端蓋270的剖面圖， 該剖面圖說明在第一法蘭271、第二法蘭273、端蓋體275以及中心孔 280的壁之間形成的環形腔260。第一密封環272和第二密封環274形 成在端蓋270和中心孔280壁之間的保護性的流體密封的封口 ，以保護 電子模塊2卯不受不利的環境狀況的影響。由第一密封環272和第二密 封環274形成的保護性封口也可以被配置以維持環形腔260在近似大氣 壓力下。在圖3A和3B所示的示例實施方案中，第一密封環272與第二密 封環274由適於高壓高溫環境的材料形成，例如與PEEK後備環結合的 氫化丁腈橡膠(HNBR) O型環。另外，端蓋270可以通過許多連接機 構固定在釺尾210上，例如使用密封環272及274的固定(secure )壓 入配合、螺紋連接、環氧樹脂連接、形狀記憶固定器、焊接以及銅焊。 本領域技術人員將認識到，由於在鑽井作業期間的差壓以及泥漿的向下 流動，端蓋270可以通過相對簡單的連結機構十分穩定地保持在位置上。可以將如圖3A的示例實施方案所示配置的電子模塊290配置為柔 性電路板，以使電子模塊290能夠形成到環圍內，適合於布置在端蓋 270周圍，並且t、到中心孔280內。電子模塊2卯的這種柔性電路板 的實施方案以平面展開的圖形顯示於圖4中。柔性電路板292包含高強 度的加強構架(沒有顯示)，以給例如加速計的傳感器提供可接受的加 速效應傳遞性。另外，柔性電路板292的承栽非傳感器電子元件的其他井作l期間由鑽頭200經受的加速效應的方式粘附於端蓋270上。圖5A-5E是鑽頭200的透視圖，該透視圖說明在鑽頭200中可以放 置電子模塊2卯、傳感器340或者它們的組合的示例位置。圖5A說明 固定在鑽頭體230上的圖3中的釺尾210。另外，釺尾210包括形成於 中心孔280內的環形滾道260A。當端蓋270被布置到位時，該環形滾 道260A可以允許電子模塊2卯擴展到環形滾道260A內。圖5A也說明用於電子模塊290、傳感器340或者它們的組合的其 他兩個可選位置。位於用以將序列號壓印在鑽頭上的橢圓形凹陷(也可 以稱為扭矩槽)之後的橢圓形裁切區260B可以被軋磨出來以接收電子 設備。然後，該區域能夠被上蓋並密封以保護電子設備。可選地，位於 ^:用來壓印鑽頭的橢圓形凹陷內的圓形裁切區260C可以被軋磨出來以 接收電子設備，然後可以被上蓋並密封以保護電子設備。圖5B說明釺尾210的可選配置。圓形凹陷260D可以形成於釺尾 210中，以及中心孔280形成於圓形凹陷周圍，以允許傳輸鑽井泥漿。 圓形凹陷260D可以被上蓋並密封以保護在圃形凹陷260D內的電子設 備。圖5C-5E iJC明在鑽頭200上的位置內形成的圓形凹陷(260E， 260F， 260G)。這些位置為電子元件提供大小適當的空間，然而仍舊在 刀片中保持可接受的結構強度。電子模塊290可以被配置以執行多種功能。 一個示例電子模塊290 可以被配置為數據分析模塊，該模塊被配置以用於在不同釆樣模式中釆樣數據，在不同釆樣頻率下採樣數據，以及分析數據。示例數據分析模塊300被說明於圖6中。數據分析模塊300包括電 源310、處理器320、存儲器330，以及至少一個被配置用以測量涉及鑽 頭狀態的多個物理參數的傳感器340，該鑽頭狀態可以包括鑽頭狀況、 鑽井作業狀況以及最接近於鑽頭的環境狀況。在圖6的示例實施方案 中，傳感器340包括多個加速計340A ，多個磁力計340M以及至少一 個溫度傳感器340T。所述多個加速計340A可以包括三個配置於笛卡爾坐標布局中的加 速計340A。同樣地，所述多個磁力計340M可以包括三個配置於笛卡 爾坐標布局中的磁力計340M。雖然任何坐標系都可以被定義於本發明 的範圍之內，但是圖3A所示的示例笛卡爾坐標系定義了沿著鑽頭200 繞其旋轉的縱軸的z-軸，垂直於z-軸的x-軸，以及垂直於z-軸和x-軸兩 者的y-軸，以形成典型笛卡爾坐標系的三個正交軸。由於數據分析模塊 300在鑽頭200旋轉時以及鑽頭200在垂直取向以外時可以使用，所以 該坐標系可以被認為是具有相對於鑽井設備110的固定地面位置的變動 取向的旋轉的笛卡爾坐標系。圖6實施方案的加速計340A在被激活並被採樣時，提供沿著三個 正交軸中的至少一個軸的鑽頭200的加速度測量。數據分析模快300可 以包括附加的加速計340A以提供冗餘系統，在該系統中不同的加速計 340A可以被選擇，或者被取消選擇，以響應於由處理器320執行的故 障診斷。圖6實施方案的磁力計340M在被激活並被釆樣時，提供沿著三個 正交軸中的至少一個軸的鑽頭200相對於地艱磁場的取向測量。數據分 析模快300可以包括附加的磁力計340M以提供冗餘系統，在該系統中 不同的磁力計340M可以被選擇，或者被取消選擇，以響應於由處理器 320執行的故障診斷。溫度傳感器340T可以用來收集有關鑽頭200溫度的數據，以^J^ 速計340A、磁力計340M和其他傳感器340附近的溫度。溫度數據可 以用於校正加速計340A和磁力計340M，以在多種溫度下更加精確。其他可選傳感器340可以被包括作為數據分析模塊300的一部分。 一些在本發明中可以是有用的示例傳感器是在鑽頭的不同位置上的應變 傳感器，在鑽頭的不同位置上的溫度傳感器，測量鑽頭內部的泥漿壓力 的泥漿(鑽井流體)壓力傳感器，以及測量鑽頭外部的流體靜壓力的鑽 孔壓力傳感器。這些可選傳感器340可以包括被結M來並且被配置作 為lt據分析模塊300的一部分的傳感器340。這些傳感器340也可以包 括被布置在鑽頭200的其他區域中的、或者在鑽頭200上方在底孔組件 中的可選遠程傳感器340。可選傳感器340可以使用直接有線連接、或 者通過可選傳感器接收器360通信。傳感器接收器360被配置以使無線 遠程傳感器能夠在本領域技術人員已知的鑽井環境中越過有限的距離通 信。一個或多個這些可選傳感器可以用作起始傳感器370。起始傳感器 370可以被配置用於檢測至少一個起始參數，例如泥漿的混濁度，並且 響應於至少一個起始參數產生電源啟動信號372。當電源啟動信號372 被斷定時，連接電源310和數據分析模塊300的電源門控模塊374可以 用於控制數據分析模塊300的電源施加。起始傳感器370可以擁有它自 己的獨立電源，例如小型電池，用以在數據分析模塊300未被供電期間 為起始傳感器370供電。如同其他可選傳感器340 —樣， 一些可以用於 啟動數據分析模塊300的電源的示例參數傳感器是被配置以採樣以下參 數的傳感器鑽頭不同位置上的應變、鑽頭不同位置上的溫度、振動、 加速度、向心加速度、鑽頭內部的流體壓力、鑽頭外部的流體壓力、鑽 頭內的流體流動、流體阻抗以及流體混濁度。另外，至少這些傳感器中 的一些可以被配置以產生任何為工作所需的電能，以致於獨立電源被自行產生於傳感器中。舉例來說，但不限於，振動傳感器可以只是從機械 振動產生用以感測振動以;5L良送電源啟動信號372的足夠電能。存儲器330可以用於存儲傳感器數據、信號處理結果、長期數據存 儲，以及由處理器320執行的計算機指令。存儲器330的部分可以位於 處理器320外部，而部分可以位於處理器320中。存儲器330可以是動 態隨機存取存儲器(DRAM)、靜態隨機存取存儲器(SRAM)、只讀存儲器(ROM)、例如快閃記憶體的非易失性隨機存取存儲器(NVRAM )、電 可擦可編程ROM (EEPROM)或者它們的組合。在圖6的示例實施方 案中，存儲器330是在處理器(沒有顯示)內的SRAM、在處理器320 內的快閃記憶體330以及外部快閃記憶體330的組合。快閃記憶體對於小功率工作以及在沒 有將電源施加到存儲器330時保留信息的能力可能是希望的。通信埠 350可以被包含於數據分析模塊300中，以用於與像 MWD通信系統146和遠程處理系統390那樣的外部裝置通信。通信端 口 350可以被配置以用於直接通信連結352到遠程處理系統390，該直 接通信連結352使用直接有線連接或無線通信協議，例如，只是舉例來 說，紅外線、藍牙和802，11a/b/g協議。使用直接通信，數據分析模塊 300可以被配置以在鑽頭200不向下鑽進時與遠程處理系統3卯，例如 計算機、可攜式計算機和個人數字助理(PDA)通信。因而，直接通信 連結352可以被使用於多種功能，例如下栽軟體和軟體升級，允許通過 下載配置數據設置數據分析模塊300，以及上傳採樣數據和分析數據。 通信埠 350也可以用於向數據分析模塊300查詢涉及鑽頭的信息，例 如鑽頭序列號、數據分析模塊序列號、軟體版本、鑽頭工作的總用時， 以及其他可以存儲於NVRAM中的長期鑽頭數據。通信埠 350也可以被配置以用於通過有線或無線通信連結354和 協議與在底孔組件中的MWD通信系統146通信，該協議被配置以能夠 在本領域技術人員已知的鑽井環境中越過有限的距離遠程通信。 一個用 於將數據信號傳送到在鑽柱140中的鄰接子部件的可用技術被描述、被 描寫以及被要求權利於1989年11月28日授予Howard的、標題為 "Wellbore Tool With Hall Effect Coupling"的美國專利No.4884071 中。MWD通信系統146可以使用泥漿脈衝遙測356或者其他適合于越 過在鑽井作業中所遇到的相對大的距離通信的合適的通信裝置，依次將 數據從數據分析模塊300傳送到遠程處理系統3卯。在圖6的示例實施方案中的處理器320被配置以用於處理、分析及 存儲所收集的傳感器數據。為了從多個傳感器340中釆樣模擬信號，該示例實施方案的處理器320包含數模轉換器(DAC)。然而，本領域技 術人員將認識到本發明可以用在傳感器340和處理器320之間的通信的 一個或多個外部DAC實施。另外，在示例實施方案中的處理器320包 含內部的SRAM和NVRAM。然而，本領域技術人員將認識到本發明 可以用僅在處理器320外部的存儲器330以及在不使用外部的存儲器 330而只使用在處理器320內部的存儲器330的配置中實施。圖6的示例實施方案使用電池電源作為工作電源310。電池電源使 在鑽井環境中時無需考慮連接到另外的電源就能夠工作。然而，對於電 池電源來說，電能節約可以成為本發明中的重要考慮因素。因此，小功 率處理器320和小功率存儲器330可以使電池壽命能夠更長。同樣地， 在本發明中，其他電能節約技術可以是重要的。圖6的示例實施方案說明用於門控存儲器330、加速計340A和磁 力計340M的電源施加的電源控制器316。運行於處理器320上的軟體 可以使用這些電源控制器316管理電源控制總線326，該電源控制總線 326包括用於單獨啟動電壓信號314至每個連接到電源控制總線326的 元件的控制信號。當電壓信號314作為單個信號顯示於圖6中時，本領 域技術人員將理解不同的元件可能需要不同的電壓。因而，電壓信號 314可以是包括為給不同的元件供電所需要的電壓的總線。圖7A和7B說明數據分析模塊300可以執行的一些示例數據採樣 模式。數據採樣模式可以包括背景模式510、記錄模式530以及突發模 式550。不同模式的特徵可以在於何種類型的傳感器數據被採樣和被分 析以及傳感器數據在什麼採樣頻率下被釆樣。背景模式510可以用於在相對低的背景採樣頻率下採樣數據並且從 所有可用的傳感器340的子集中產生背景數據。記錄模式530可以用於 在相對中間水平的記錄採樣頻率下釆樣記錄數據並且具有可用的傳感器 340的較大子集或全部。突發模式550可以用於在相對高的突發採樣頻 率下採樣突發數據並且具有可用傳感器340的大子集或全部。每個不同的數據模式可以在預定的採樣頻率下以及對於預定的塊大 小從傳感器的子集中收集、處理和分析數據。舉例來說，但不限於，示例採樣頻率和塊收集大小可以是對於背景模式5個樣本/秒和每塊200 秒等量樣本，對於記M式100個樣本/秒和每塊10秒等量樣本，以及 對於突發模式200個樣本/秒和每塊5秒等量樣本。本發明的一些實施 方案可能受限於可用存儲器的數量、可用電源的數量或者它們的組合。更多的存儲器、更多的電源或者它們的組合可能為更加詳細的模式 所需要，因此，自適應閾值觸發關於收集和處理最有用的和最詳細的信 息提供最優化存儲器使用、電源使用或者它們的組合的方法。例如，自 適應閾值觸發可以適合於探測特殊類型的已知事件，例如鑽頭渦動、鑽 頭反彈、鑽頭擺動、鑽頭步進、橫向振動以及扭轉振蕩。通常，數據分析模塊300可以被配置以基於某類事件觸發從一種模 式轉換到另一種模式。圖7A說明定時觸發模式，在該模式中從一種模 式到另一種模式的轉換基於定時事件，例如，收集預定數量的樣本，或 者定時計數器到期。x-軸590說明前進時間。定時點513說明由於定時 事件從背景模式510到記M式530的轉換。定時點531說明由於定時 事件從記錄模式530到背景模式510的轉換。定時點515說明由於定時 事件從背景模式510到突發模式550的轉換。定時點551說明由於定時 事件從突發模式550到背景模式510的轉換。定時點535說明由於定時 事件從記錄模式530到突發模式550的轉換。最後，定時點553說明由 於定時事件從突發模式550到記錄模式530的轉換。圖7B說明自適應採樣觸發模式，在該模式中從一種模式到另一種 的轉換基於對所收集數據的分析以產生程度(severity)指數以及該程 度指數是大於還是小於自適應閾值。自適應閾值可以是預定的值，或者 它可以基於對所收集數據的以往歷史記錄的信號處理分析被修改。x-軸 590說明前進時間。定時點513，說明由於自適應閾值事件從背景模式 510到記錄模式530的轉換。定時點531，說明由於定時事件從記錄模 式530到背景模式510的轉換。定時點515，說明由於自適應閾值事件 從背景模式510到突發模式550的轉換。定時點551，說明由於自適應 閾值事件從突發模式550到背景模式510的轉換。定時點535'說明由 於自適應閾值事件從記錄模式530到突發模式550的轉換。最後，定時點553，說明由於自適應閾值事件從突發模式550到記錄模式530的轉 換。另外，如果沒有自適應閾值事件被探測到，數據分析模塊300可以 從一個採樣塊到下一個採樣塊保持於任何給定的數據採樣模式，如定時 點555'所說明的。用於數據分析模塊300的軟體，也可以被稱為固件，包含用於由處 理器320執行的計算機指令。軟體可以駐留於外部存儲器330或者處理 器320內的存儲器。圖8A-8H說明了根據本發明的軟體的示例實施方 案的主要功能。在詳細描述主例行程序之前，先描述可以由處理器和模數轉換器 (ADC)執行的收集及排列數據的基本功能。在圖8A中所說明的 ADC例行程序780可以才艮據處理器中的定時器來工作，該定時器可以 被設置以在預定的採樣間隔產生中斷。該間隔可以被重複以產生據以在 ADC例行程序780中執行數據採樣的採樣間隔時鐘。ADC例行程序 780可以通過對可以作為模擬源提供測量的任何傳感器執行模數轉換， 從加速計、磁力計、溫度傳感器以及任何其他可選傳感器收集數據。塊 802顯示當在背景模式中時可以為不同傳感器執行的測量和計算。塊 804顯示當在記錄模式中時可以為不同傳感器執行的測量和計算。塊 806顯示當在突發模式中時可以為不同傳感器執行的測量和計算。當定 時器中斷發生時，進入ADC例行程序780。判定框782判定數據分析 模塊當前工作於哪種數據模式。如果在突發模式中，所有加速計及所有磁力計的樣本被收集(794 和796 )。來自每個加速計和每個磁力計的採樣數據被存儲於突發數據記 錄中。然後，ADC例行程序780設置798指示給主例行程序數據已就 緒待處理的數據就緒標記。如果在背景模式510中，來自所有加速計的樣本被收集784。當 ADC例行程序780從每個加速計收集數據時，它將採樣值加到包含之 前加速計測量值總和的存儲值上，以為每個加速計產生連續 (running)的加速計測量值總和。ADC例行程序780也將釆樣值的平 方加到包含之前平方值總和的存儲值上，以為加速計測量產生連續的平方值總和。ADC例行程序780還增加背景數據樣本計數器的計數，以 指示另一個背景樣本已被收集。任選地，溫度和溫度的總和也可以被收 集以及被計算。如果在記錄模式中，所有加速計、所有磁力計以及溫度傳感器的樣 M收集(786、 788和790)。 ADC例行程序780收集來自每個加速計 和每個磁力計的採樣值並且將採樣值加到包含之前加速計和磁力計的測 量值總和的存儲值上，以產生加速計測量值的連續的總和以及磁力計測 量值的連續的總和。另外，ADC例行程序780將每個加速計和磁力計 測量值的當前樣本與每個加速計和磁力計的存儲最小值比較。如果當前 樣本小於存儲最小值，則當前樣本被保存為新的存儲最小值。從而，ADC例行程序780保持對於收集於當前數據塊中的所有樣本所採樣的 最小值。同樣地，保持對於收集於當前數據塊中的所有樣本所採樣的最 大值，ADC例行程序780比較每個加速計和磁力計測量值的當前樣本 與每個加速計和磁力計的存儲最大值。如果當前樣本大於存儲最大值， 則當前樣本被保存為新的存儲最大值。ADC例行程序780也通過將溫 度傳感器的當前樣本加到之前的溫度測量值總和的存儲值，產生連續的 溫度值總和。然後，ADC例行程序780設置792指示給主例行程序數 據已就緒待處理的數據就緒標記。圖8B說明主例行程序600的主要功能。在通電602之後，軟體主 例行程序通過設置存儲器，激活通信埠，激活ADC,以及全面設置 為控制數據分析模塊所需的^t，來初始化604系統。然後，主例行程 序600 iiX循環以開始處理所收集的數據。主例行程序600主要作出關 於是否由ADC例行程序780所收集的數據可用於處理、哪種數據模式 是當前激活的以及是否對於給定數據模式的整個數據塊已被收集的判 定。作為這些判定的結果，如果數據是可用的，但是整個數據塊還沒有 被處理，主例行程序600則可以為任何給定的模式執行模式處理。另一 方面，如果整個數據塊是可用的，主例行程序600則可以為任何給定的 模式執行塊處理。如在圖8B中所說明的，為了開始判定過程，檢測606被執行以查看工作模式當前是否被設置為背景模式。如果是，背景模式處理640開 始。如果檢測606失敗或者在背景模式處理640之後，則執行檢測608 以查看工作模式是否被設置為記泉溪式以及來自ADC例行程序780的 數據就緒標記是否已被設置。如果是，則執行記錄操作610。這些操作 將在下面更加充分地描述。如果檢測608失敗或者在記錄操作610之 後，則執行檢測612以查看工作模式是否被設置為突發模式以及來自 ADC例行程序780的數據就緒標記是否已被設置。如果是，則執行突 發操作614。這些操作將在下面更加充分地描述。如果檢測612失敗或 者在突發操作614之後，則執行檢測616以查看工作模式是否被設置為 背景模式以及整個背景數據塊是否已被收集。如果是，則執行背景塊處 理617。如果檢測616失敗或者在背景塊處理617之後，則執行檢測 618以查看工作模式是否被設置為記錄模式以及整個記錄數據塊是否已 經收集。如果是，則執行記錄塊處理700。如果檢測618失敗或者在記 錄塊處理700之後，則執行檢測620以查看工作模式是否被設置為突發 模式以及整個突發數據塊是否已被收集。如果是，則執行突發塊處理 760。如果檢測620失敗或者在突發塊處理760之後，則執行檢測622 以查看是否有任何來自通信埠的主機消息需要處理。如果是，主機消 息被處理624。如果檢測622失敗或者在主機消息處理之後，主例行程 序600循環回到檢測606以開始另一個檢測循環以查看是否有任何數據 以及何種類型的數據可以用於處理。當數據分析模塊設置為數據收集模 式的時候，該循環無限地繼續。記錄操作610的細節被說明於圖8B中。在該示例記^漠式中，分 析了至少在X和Y方向上的磁力計的數據以確定鑽頭旋轉多快。在執 行這些分析時，軟體保持自從記錄塊開始以來，用於在記錄塊開始時的 時間標記(time stamp)的變量(RPMinitial)、用於當前數據採樣時間 的時間標記的變量(RPMfinal)、包含鑽頭每轉的最大時間單位(time tick)數的變量(RPMmax)、包含鑽頭每轉的最小時間單位數的變量 (RPMmin)以及包含當前鑽頭轉數的變量(RPMcnt)。在ADC例行 程序780期間和在記錄操作610期間計算的所得記錄數據可以寫入非易失性RAM。由於磁力計旋轉於地球磁場中，所以磁力計可以用於確定鑽頭轉 數。如果鑽頭被垂直安置，則確定是相對簡單的操作，即比較來自X磁 力計和Y磁力計的樣本的歷史記錄。對於可能由於定向鑽井而被安置成 一定角度的鑽頭，計算可能更加繁雜並且需要來自所有三個磁力計的樣 本。突發操作614的細節也被說明於圖8B中。突發操作614是該示例 實施方案中相對簡單的。由ADC例行程序780收集的突發數據被存儲 於NVRAM中，並且數據就緒標記被清除以為下一個突發樣本作準 備。背景塊處理617的細節也被說明於圖8B中。在背景塊的結尾，執 行清理操作以為新的背景塊作準備。為了準備新的背景塊，完成時間被 設置以用於下一個背景塊，涉及加速計的跟蹤變量被設置為初始值，涉 及溫度的跟蹤變量被i殳置為初始值，涉及磁力計的跟蹤變量被設置為初 始值，以及涉及RPM計算的跟蹤變量被設置為初始值。在ADC例行 程序780期間和在背景塊處理617期間計算的所得背景數據可以寫入非 易失性RAM。在執行自適應採樣中，關於何種類型的數據模式當前正在工作以及是否基於定時事件觸發或自適應闞值觸發切換到不同數據模式的判定可 以由軟體作出。自適應閾值觸發通常可以看作程度指數和自適應閾值之 間的檢測。至少三種可能結果可能來自該檢測。作為該檢測的結果，可 能發生到更加詳細的數據收集模式的轉換，到較不詳細的數據收集模式 的轉換，或者可能沒有發生轉換。這些數據模式被定義為最不詳細的背景模式510、比背景模式 510更加詳細的記錄模式530，以及比記錄模式530更加詳細的突發模 式550。可以為每種數據模式定義不同的程度指數。任何給定的程度指數可 以包括來自傳感器的採樣值、多個傳感器樣本的數學組合，或者包含來 自多個傳感器的歷史樣本的信號處理結果。通常，程度指數給出所關注的特定現象的度量。例如，程度指數可以是由X加速計和Y加速計所 感測的值的均方誤差計算組合。在其最簡單的形式中，自適應閾值可以被定義為特定閾值(可能存 儲為常數)，對於該閾值，如果程度指數大於或小於自適應閾值，數據 分析模塊可以切換(即適應採樣)到新的數據模式。在更加複雜的形式 中，自適應閾值可以基於歷史數據樣本或者歷史數據樣本的信號處理分 析更改它的值(即適應閾值)為新的值。通常，可以為每種數據模式定義兩個自適應閾值。較低的自適應閾 值(也稱為第一閾值)以及較高的自適應閾值(也稱為第二閾值)。針 對自適應閾值的程度指數檢測可以被用以判定是否需要切換數據模式。在被說明於圖8C-8E中的、且定義了相對於主例行程序600的彈性 示例實施方案的計算機指令中，自適應閾值判定被充分說明，但是數據 處理和數據收集的細節沒有說明。圖8C說明關於背景模式處理640的一般自適應閾值檢測。首先， 執行檢測662以查看時間觸發模式是否是激活的。如果是，操作塊664 導致數據模式可能切換到不同的模式。基於預定的算法，數據模式可以 切換到記錄模式、突發模式，或者可以停留於背景模式更長的預定時 間。在切換數據模式之後，軟體退出背景模式處理。如果檢測662失敗，則自適應閾值觸發是激活，並且操作塊668計 算背景程度指數(Sbk)、第一背景閾值(Tlbk)以及第二背景閾值 (T2bk)。然後，執行檢測670以查看背景程度指lbi否在第一背景閾 值與第二背景閾值之間。如果是，操作塊672將數據模式切換到記^ 式並且軟體退出背景才莫式處理。如果檢測670失敗，則執行檢測674以查看背景程度指數是否大於 第二背景閾值。如果是，操作塊676將數據模式切換到突發模式並且軟 件退出背景模式處理。如果檢測674失敗，數據模式停留於背景模式並 且軟體退出背景模式處理。圖8D說明關於記錄塊處理700的一般自適應閾值檢測。首先，執 行檢測702以查看時間觸發模式是否是激活的。如果是，操作塊704導致數據模式可能切換到不同的模式。基於預定的算法，數據模式可以切 換到背景模式、突發模式，或者可以停留於記錄模式更長的預定時間。 在切換數據模式之後，軟體退出記錄塊處理。如果檢測702失敗，則自適應閾值觸發是激活的，並且操作塊708 計算記錄程度指數(Slg)、第一記錄閾值(Tllg)以及第二記錄閾值 (T21g)。然後，執行檢測710以查看記錄程度指數是否小於第一記錄 閾值。如果是，操作塊712將數據模式切換到背景模式並且軟體退出記 錄塊處理。如果檢測710失敗，則執行檢測714以查看記錄程度指lbi否大於 第二記錄閾值。如果是，操作塊716將數據模式切換到突發模式並且軟 件退出記錄塊處理。如果檢測714失敗，數據模式停留於記錄模式並且 軟體退出記錄塊處理。圖8E說明關於突發塊處理760的一般自適應閾值檢測。首先，執 行檢測882以查看時間觸發模式是否是激活的。如果是，操作塊884導 致數據模式可能切換到不同的模式。基於預定的算法，數據模式可以切 換到背景模式、記錄模式，或者可以停留於突發模式更長的預定時間。 在切換數據模式之後，軟體退出突發塊處理。如果檢測882失敗，則自適應閾值觸發是激活的，並且操作塊888 計算突發程度指數(Sbu)、第一突發閾值(Tlbu)以及第二突發閾值 (T2bu)。然後，執行檢測890以查看突發程度指fci否小於第一突發 閾值。如果是，操作塊892將數據模式切換到背景模式並且軟體退出突 發塊處理。如果檢測890失敗，則執行檢測894以查看突發程度指數是否小於 第二突發閾值。如果是，操作塊896將數據模式切換到記錄模式並且軟 件退出突發塊處理。如果檢測894失敗，數據模式停留於突發模式並且 軟體退出突發塊處理。在被說明於圖8F-8H中的、且定義了另一個相對於主例行程序600 的處理示例實施方案的計算機指令中，數據收集和數據處理的更多細節 被說明，但是並非所有的判定都被解釋和說明。而是，許多判定被顯示以進一步說明自適應閾值觸發的一般概念。在圖8F中說明了背景模式處理640的另一個實施方案的細節。在 該示例背景模式中，X、 Y和Z方向上的加速計的數據被收集。ADC 例行程序780對於X、 Y和Z加速計中的每一個將數據作為連續的全部 背景樣本的總和以及連續的全部背景數據的平方和來存儲。在背景模式處理中，每個加速計的平均值、方差、最大方差以及最小方差的參數被 計算並存儲於背景數據記錄內。首先，軟體將當前時間標記M 642於 背景數據記錄中。然後，如操作塊644和646中所說明的，參數被計 算。可以將平均值計算為連續的總和除以當前對於該塊所收集的樣本的 數量。可以使用操作塊646中所示的等式將方差設置為均方值。通過如 果當前方差小於最小方差的任何之前的值則將當前方差設置為最小值來 確定最小方差。同樣地，通過如果當前方差大於最大方差的任何之前的 值則將當前方差設置為最大方差來確定最大方差。其次，如果方差(也 稱為背景程度指數)大於背景閾值，則觸發標記被設置648，在這種情 況下該背景閾值是在啟動軟體之前設置的預定值。觸發標記被檢測 650。如果觸發標記沒有被設置，則軟體向下跳到操作塊656。如果觸發 標記已被設置，則軟體轉換652到記^式。在切換到記錄模式之後， 或者如果觸發標記沒有被設置，則軟體可以選擇地將背景數據記錄的內 容寫656到NVRAM。在一些實施方案中，可能不希望為背景數據4吏用 NVRAM空間。然而在其他實施方案中，當在背景模式中時，保留至少 部分所收集數據的歷史記錄可能是有價值的。參考圖9，顯示了 X磁力計樣本610X和Y磁力計樣本610Y的磁 力計樣本歷史記錄。考慮樣本點卯2，可以看到Y磁力計樣本接近最小 值並且X磁力計樣本處於大約90度的相位。通過跟蹤這些樣本的歷史 記錄，軟體能夠檢測到何時已發生完整旋轉。例如，軟體能夠探測X磁 力計樣本610X何時變成正的(即大於選定值)以作為旋轉的起始點。 然後，軟體能夠檢測到何時Y磁力計樣本610Y已變成正的(即大於選 定值)以作為旋轉發生的指示。然後，軟體能夠檢測到X磁力計樣本 610X變成正的下一個時刻，其指示完整旋轉。每當旋轉發生時，記錄操作610更新上文所述的記錄變量。記錄塊處理700的另一種實施方案的細節祐j兌明於圖8G中。在該 示例記錄塊處理中，軟體假定數據模式將被重置為背景模式。因而，磁 力計的電源被切斷並且背景模式被設置722。如果背景模式不合適，該 數據模式可以稍後在記錄塊處理700中更改。在記錄塊處理700中，每 個加速計的均值、偏差及程度的M被計算並存儲於記錄數據記錄中。 ^!t如操作塊724中所示的那樣被計算。可以將平均值計算為ADC例 行程序780所準備的連續的總和除以該塊當前所收集的樣本數。偏差被 設置為ADC例行程序780所設置的最大值減去ADC例行程序780所 設置的最小值的量的二分之一。程度被設置為偏差乘以常數(Ksa)，該 常數可以被設置為軟體運行之前的配置參數。對於每個磁力計，平均值 和跨度的M被計算並存儲726於記錄數據記錄中。對於溫度，平均值 被計算並且存儲728於記錄數據記錄中。對於產生於記^式處理610 (在圖8B中)期間的RPM數據，平均RPM、最小RPM、最大RPM 以及RPM程度的參數被計算並存儲730於記錄數據記錄中。程度被設 置為最大RPM減去最小RPM並乘以常數(Ksr)，該常數可以被設置 為軟體運行之前的配置參數。在計算全部^lt之後，存儲記錄數據記錄 732於NVRAM中。對於系統中的每個加速計，計算閾值734以用於確 定是否應設置自適應觸發標記。比較在塊734中所定義的閾值與初始觸 發值。如果該閾值小於初始觸發值，則該閾值被設置為初始觸發值。一旦計算出所有用於存儲和自適應觸發的M，則執行檢測736以 確定模式當前是被設置為自適應觸發還是基於時間觸發。如果檢測失敗 (即基於時間觸發是激活的)，則觸發標記清除738。執行檢測740以檢 驗數據收集是否處於記錄數據塊的結尾。如果不是，軟體退出記錄塊處 理。如果數據收集處於記錄數據塊的結尾，則設置突發模式742，並且 設置突發塊的完成時間。另外，定義要捕獲的突發塊為時間觸發744。如果對自適應觸發的檢測736通過，則執行檢測746以檢驗觸發標 記是否被設置，這表示基於自適應觸發計算應進入突發模式以收集更多 的詳細信息。如果檢測746通過，則設置突發模式748，並且設置突發塊的完成時間。另外，定義要捕獲的突發塊為自適應觸發750。如果檢 測746失敗或者在定義突發塊為自適應觸發之後，則觸發標記被清除 752並且記錄塊處理完成。在圖8H中說明了突發塊處理760的另一個實施方案的細節。在該 示例實施方案中，突發程度指數沒有實施。作為代替，軟體總是在突發 塊完成之後返回背景模式。首先，可以切斷磁力計的電源以節約電能並 且軟體轉換762到背景模式。在處理了許多突發塊之後，被分配以用於存儲突發樣本的存儲量可 以被完全消耗。如果是這種情況，之前存儲的突發塊可能需要被設置以 由來自下一個突發塊的樣本重寫。軟體檢查764以查看是否有任何未使 用的NVRAM可用於突發塊數據。如果並不是所有的突發塊都被使 用，則軟體退出突發塊處理。如果所有的突發塊都被使用766，則軟體 使用算法找出768用於重寫的良好候補者。本領域技術人員將意識到並認識到，於圖8B中所說明的主例行程 序600在背景模式中的每次採樣之後切換到自適應閾值檢測，而在記錄 模式和突發模式中只是在塊被收集之後切換。當然，自適應閾值檢測可 以適合於在每種模式中的每次採樣之後執行，或者在每種模式中在完整 的塊被收集之後執行。此外，在圖8A中所說明的ADC例行程序780 說明數據收集和分析的示例實施方案。許多其他數據收集和分析操作都 認為屬於本發明的範圍之內。更多的存儲器、更多的電源或者它們的組合可能為更加詳細的模式 所需要，因此，自適應閾值觸發關於收集和處理最有用的和最詳細的信 息提供最優化存儲器使用、電源使用或者它們的組合的方法。例如，自 適應閾值觸發可以適合於探測特定類型的已知事件，例如鑽頭渦動、鑽 頭反彈、鑽頭擺動、鑽頭步進、橫向振動以及扭轉振蕩。圖10、 11和12說明可以由數據分析模塊收集的示例數據類型。圖 IO說明扭轉振蕩。初始地，磁力計測量值610Y和610X說明每分鐘大 約20轉(RPM) 6UX的旋轉速度，該速度可能指示著對某個類型地層 的鑽頭約束。然後，磁力計說明在鑽頭不受約束力時旋轉速度增至大約120RPM 611Y的大增加。旋轉的這種增加也由加速計測量值620X、 620Y和620Z"i兌明。圖11說明由加速計收集的數據的波形(620X、 620Y和620Z)。波 形630Y說明由軟體計算的Y加速計的方差。波形640Y說明由軟體計 算的Y加速計的閾值。該Y閾值可以單獨地或與其他閾值組合地使 用，以確定是否數據模式轉換應該發生。圖12說明如圖11中所示的由加速計收集的相同數據的波形 (620X、 620Y和620Z)。圖12也顯示了說明由軟體計算的X加速計 的方差的波形630X。波形640X說明由軟體計算的X加速計的閾值。 該X閾值可以單獨地或與其他閾值組合地使用，以確定是否數據模式轉 換應該發生。雖然在這裡已針對某些優選實施方案描述本發明，但是本領域技術 人員應當意識到並認識到它並非如此局限的。而是，可以不背離在下文 所要求權利的發明範圍，而對優選實施方案進行許多添加、刪除以及修 改。另外， 一個實施方案的特徵可以與另一個實施方案的特徵結合，而 仍然包含在發明人所考慮的發明範圍內。
權利要求
1. 一種用於鑽入地層的鑽頭，包括具有至少一個切割元件並適合於連接到鑽柱的鑽頭體；在鑽頭體中形成的腔室，該腔室被配置以在鑽入地層時將壓力基本上維持在地面大氣壓力附近；以及布置於腔室中並被配置以感測至少一個物理參數的一個或多個傳感器。
2. 根據權利要求1的鑽頭，其中該一個或多個傳感器中的至少一 個以適合於將鑽頭所經受的加速效應的傳遞性提供到該一個或多個傳感 器中的該至少一個的方式固定到腔室。
3. 根據權利要求l的鑽頭，還包括布置於腔室中的電子模塊。
4. 根據權利要求l的鑽頭，還包括包括通過其中形成的中心孔的釺尾，該釺尾固定到該鑽頭體並適合 於連接到鑽柱，配置為布置於中心孔中的環圏的電子模塊；以及布置於中心孔中的端蓋，其延伸通過環圏的內直徑並形成被配置以 基本密封在端蓋和中心孔的至少一個壁之間的電子模塊的環形腔。
5. 根據權利要求l的鑽頭，還包括包括通過其中形成的中心孔的釺尾，該釺尾固定到鑽頭體並適合於 連接到鑽柱；以及被配置以布置在中心孔中的端蓋，該端蓋包括 端蓋體；從端蓋體延伸的第一法蘭；以及從端蓋體延伸的第二法蘭，使得腔室通過第一法蘭、第二法蘭、端蓋體以及中心孔的至少一個壁在釺尾中形成為環形腔。
6. 根據權利要求l、 4或5的鑽頭，還包括至少一個被配置為該一 個或多個傳感器中的至少一個的替代傳感器的冗餘傳感器。
7. 根據權利要求l、 4或5的設備，其中該一個或多個傳感器包括 至少 一個被配置用於感測該鑽頭的加速效應的加速計。
8. 根據權利要求l、 4或5的設備，其中該一個或多個傳感器包括 至少一個被配置用於感測作用在鑽頭上的磁場的磁力計。
9. 根據權利要求4或5的鑽頭，其中通過至少一個包含高壓高溫 的靜止密封封裝的密封環將該環形腔基本上密封於該端蓋和該中心孔之 間。
10. 根據權利要求4或5的鑽頭，其中，使用選自由固定壓入配 合、螺紋連接、環氧樹脂連接、形狀記憶固定器、焊接以及銅焊構成的 組的連接將端蓋固定到釺尾。
11. 根據權利要求4或5的鑽頭，還包括電子模塊，該電子模塊包 括安裝在被配置為環圏並布置在環形腔中的柔性電路板上的電路。
12. 根據權利要求ll的鑽頭，其中柔性電路板包括用以下方式固定到端蓋的加強構架，該方式適合於 將鑽頭所經受的加速效應的傳遞性提供到安裝在加強構架上的至少一個 傳感器；以及柔性電路板除了加強構架外的部分用粘彈性粘合劑粘合到端蓋上， 該粘彈性粘合劑適合於對安裝在柔性電路板上的非傳感器電子部件至少 部分削弱鑽頭所經受的加速效應。
13. 根據權利要求3或11的鑽頭，還包括被配置以探測至少 一個起始^t並且響應於該至少 一個起始參數產 生電源啟動信號的起始傳感器；以及連接到起始傳感器、電源和電子模塊的電源門控模塊，其中該電源 門控模塊被配置以當電源啟動信號淨皮斷定時在操作上將電源連接到電子 模塊.
14. 根據權利要求13的鑽頭，其中該至少一個起始參數選自由振 動、加速度、向心加速度、鑽頭中的位置處的溫度、鑽頭中的位置處的 應變、鑽頭內部的流體壓力、鑽頭外部的流體壓力、鑽頭內的流體流 動、流體阻抗、流體混濁度、電磁水平以及磁通量構成的組。
15. 根據權利要求3或11的鑽頭，其中電子模塊還包括被配置以 與選自由遠程處理系統和隨鑽測量通信系統構成的組的遠程裝置通信的 通信埠。
16. 根據權利要求15的鑽頭，其中通信埠還被配置以使用選自 由有線連接和無線連接構成的組的連接進行通信。
17. 根據權利要求15的鑽頭，其中通信使用選自由電磁能、振動 能和壓力差構成的組的通信媒介發生。
18. 根據權利要求3或11的鑽頭，其中電子模塊還包括 被配置以存儲包含計算機指令和傳感器數據的信息的存儲器；以及 被配置以執行計算機指令的處理器，其中該計算機指令被配置以通過採樣該至少一個傳感器收集傳感器數據； 分析傳感器數據以形成程度指數； 將程度指數與至少一個自適應閾值比較，以及響應於該比較而修改數據採樣模式。
19. 根據權利要求18的鑽頭，其中電子模塊還包括至少一個冗餘傳感器並且計算機指令還被配置以採樣作為該至少一個傳感器的替代的 該至少 一個冗餘傳感器。
20. 根據權利要求3或11的鑽頭，其中電子模塊還包括被配置以 與遠程傳感器通信的傳感器接收器。
21. 根據權利要求3或11的鑽頭，其中電子模塊還包括在操作上 連接到處理器和該至少一個傳感器的至少一個電源控制器，該至少一個 電源控制器被配置以響應於來自處理器的電源控制信號而對該至少一個 傳感器加電和禁止加電。
22. —種方法，包括在採樣頻率下通過採樣布置於鑽頭中的至少一個傳感器來收集傳感 器數據，其中該至少一個傳感器響應於與鑽頭狀態有關的至少一個物理沐分析傳感器數據以形成程度指數，其中分析由布置於鑽頭中的處理器執行；將程度指數與至少一個自適應閾值比較；以及 響應於該比較而修改數據採樣模式。
23. —種方法，包括當處於背景模式時，通過在背景採樣頻率下釆樣與鑽頭狀態有關的至少一個物理M來收集背景數據；以及在預定數量的背景樣本後，從背景模式轉換到記錄模式。
24. 根據權利要求23的方法，還包括當處於記錄模式時，通過在記錄採樣頻率下採樣該至少一個物理參數來收集記錄數據；以及在預定數量的記錄樣本後，從記^S式轉換到背景模式。
25. 根據權利要求23的方法，還包括當處於記錄模式時，通過在記錄採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集記錄數據；以及在預定數量的記錄樣本後，從記錄模式轉換到突發模式。
26. 根據權利要求25的方法，還包括當處於突發模式時，通過在突發採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集突發數據；以及在預定數量的突發樣本後，從突發模式轉換到背景模式。
27. 根據權利要求25的方法，還包括當處於突發模式時，通過在突發採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集突發數據；以及在預定數量的突發樣本後，從突發模式轉換到記錄模式。
28. —種方法，包括當處於背景模式時，通過在背景採樣頻率下採樣與鑽頭狀態有關的 至少一個物理參數來收集背景數據；以及在預定數量的背景樣本後，從背景模式轉換到突發模式。
29. 根據權利要求28的方法，還包括當處於突發模式時，通過在突發採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集突發數據；以及在預定數量的突發樣本後，從突發模式轉換到背景模式。
30. 根據權利要求28的方法，還包括當處於突發模式時，通過在突發採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集突發數據；以及在預定數量的突發樣本後，從突發模式轉換到記M式。
31. 根據權利要求30的方法，還包括當處於記錄模式時，通過在記錄採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集記錄數據；以及在預定數量的記錄樣本後，從記M式轉換到背景模式。
32. 根據權利要求30的方法，還包括當處於記錄模式時，通過在記錄採樣頻率下採樣該至少一個物理參 數來收集記錄數據；以及在預定數量的記錄樣本後，從記錄模式轉換到突發模式。
33. —種方法，包括當處於背景模式時，通過採樣與鑽頭狀態有關的至少一個物理參數 來收集背景數據；分析背景數據以產生背景程度指數；重複在背景採樣頻率下收集背景數據和分析背景數據的動作；以及 如果背景程度指數大於第一背景閾值，則從背景模式轉換到記錄模式。
34. 根據權利要求33的方法，還包括當處於記錄模式時，通過採樣該至少一個物理參數來收集記錄數據；分析記錄數據以產生記錄程度指數；重複在記錄釆樣頻率下收集記錄數據和分析記錄數據的動作； 如果記錄程度指數小於第一記錄閾值，則從記錄模式轉換到背景模式；以及如果記錄程度指數大於第二記錄閾值，則從記錄模式轉換到突發模式。
35. 根據權利要求34的方法，還包括當處於突發模式時，通過採樣該至少一個物理參數來收集突發數據；分析突發數據以產生突發程度指數； 重複在突發採樣頻率下收集突發數據和分析突發數據的動作； 如果突發程度指數小於第 一突發閾值，則從突發模式轉換到背景模式；以及如果突發程度指數小於第二突發閾值，則從突發模式轉換到記錄模式。
36. —種方法，包括當處於背景模式時，通過採樣與鑽頭狀態有關的至少一個物理參數 來收集背景數據；分析背景數據以產生背景程度指數；重複在背景採樣頻率下收集背景數據和分析背景lt據的動作；以及 如果背景程度指數大於第二背景閾值，則從背景模式轉換到突發模式。
37. 根據權利要求36的方法，還包括當處於突發模式時，通過採樣該至少一個物理參數來收集突發數據；分析突發數據以產生突發程度指數； 重複在突發採樣頻率下收集突發數據和分析突發數據的動作； 如果突發程度指數小於第 一突發閾值，則從突發模式轉換到背景模 式；以及如果突發程度指數小於笫二突發閾值，則從突發模式轉換到記錄模式。
38.根據權利要求37的方法，還包括當處於記錄模式時，通過採樣該至少一個物理參數來收集記錄數據；分析記錄數據以產生記錄程度指數； 重複在記錄採樣頻率下收集記錄數據和分析記錄數據的動作； 如果記錄程度指數小於第一記錄閾值，則從記錄模式轉換到背景模 式；以及如果記錄程度指數大於第二記錄閾值，則從記錄模式轉換到突發模式。
全文摘要
公開鑽頭和採樣與鑽頭狀態有關的傳感器數據的方法。用於鑽入地層的鑽頭(200)包括鑽頭體和釺尾(210)。釺尾還包括通過釺尾的內直徑而形成並且被配置以接收數據分析模塊的中心孔。數據分析模塊包括多個傳感器(340)、存儲器(330)以及處理器(320)。處理器被配置用於執行計算機指令，以通過採樣多個傳感器來收集傳感器數據，分析傳感器數據以形成程度指數，將傳感器數據與至少一個自適應閾值比較，並且響應於比較而更改數據採樣模式。該方法包括當處於各種採樣模式時通過採樣多個與鑽頭狀態有關的物理參數來收集傳感器數據，以及在這些採樣模式間轉換。
文檔編號E21B44/00GK101223335SQ200680026003
公開日2008年7月16日 申請日期2006年6月7日 優先權日2005年6月7日
發明者保羅·E·帕斯圖塞克, 保羅·J·路特斯, 埃裡克·C·沙利文, 基斯·格拉斯哥, 達裡爾·L·普裡查德, 鄭思禎 申請人:貝克休斯公司