旋轉鉆頭、檢查旋轉鉆頭的方法、裝置及其系統的制作方法

專利名稱：旋轉鉆頭、檢查旋轉鉆頭的方法、裝置及其系統的制作方法
技術領域：
估以便識別其中內部缺陷的裝置、系統與方法，其中旋轉鉆頭用于在 地層中鉆孔，還涉及設計成方便對其進行非破壞性評估的旋轉鉆頭。 更具體而言，這種非破壞性評估可以利用超聲波進行。
背景技術：
用于在地層中鉆孔的典型旋轉鉆頭包括其上具有表面區域的鉆 頭體，該表面區域帶有用于在大地地層中切割的切割結構。鉆頭體可 以固定到具有帶螺紋銷連接的硬化鋼桿柄，其中帶螺紋銷連接用于將 鉆頭附加到包括管狀部分的鉆柱，該管狀部分在鉆頭和其它鉆孔設備 之間端部對端部耦合。例如轉臺或頂部驅動器的設備可以用于旋轉鉆 柱和鉆頭。可選地，桿柄可以直接耦合到井下電動機的驅動軸來旋轉 鉆頭。
總的來說，如果鉆頭是固定刀具，或者所謂"拖拉"類型的旋轉鉆 頭，則鉆頭體表面區域上的切割結構包括多個切割元件，所述多個切 割元件至少部分是由例如多晶金剛石的超磨蝕材料構成的。采用這種 多晶金剛石復合片(PDC)切割元件的固定刀具旋轉鉆頭已經采用了 幾十年。 一般來說，旋轉鉆頭的鉆頭體是由嵌入到包括硬微粒材料(例 如碳化鴒(WC))的基體材料(matrix material)中的鋼或鋼構件 構成的，其中該硬微粒材料被例如銅合金的結合材料滲透。在鋼體鉆頭的情況下，鉆頭體一般從原材料機器加工制成期望形 狀。結構性特征可以通過利用機器控制的、多軸機器加工工具加工鉆 頭體從而在鉆頭體的精確位置上限定。這種結構性特征可以包括例如 徑向和縱向延伸的刀片、切割元件套、脊、刃帶、鑄嘴型腔和鉆探流 體路線與通道，包括所謂的"排屑槽"。表面硬化通常應用到鉆頭體的 表面區域和鉆頭的其它關鍵區域，以便抵抗由于與所鉆探地層接觸引 起的磨損和鉆探操作過程中由于鉆探流體造成的腐蝕。切割元件通常 固定到加工至刀片中的套中，其中刀片位于鉆頭體的表面區域上。硬 化鋼桿柄可以在鉆頭體成形后固定到鉆頭體。
另一方面，基體型(Matrix-type)鉆頭包括至少部分由例如碳 化鴒(WC)的硬微粒材料構成的鉆頭體，其中硬微粒材料被例如銅 合金的結合材料滲透。基體型鉆頭通常是通過利用微粒碳化鎢填充由 石墨或陶資材料構成的高溫模具并利用熔化的銅合金滲透碳化鴒粒 子形成的。但是> 因為基體材料通常很難或者不可能機器加工，所以 可機器加工的鋼坯的部分一般在基體材料滲透之前放置到模具中。一
硬化，滲透就將鋼坯與基體材料粘到一起，形成包括鋼坯和基體材料 的鉆頭體。鑄塑樹脂覆層砂、石墨滑移或者在有些情況下是彈性聚合
征。基體型鉆頭體的可機器加工鋼坯部分可以以與前面關于鋼體鉆頭 所描述的相同方式固定到石更化鋼桿柄。
圖1說明了通常根據以上所述形成的傳統基體型鉆頭10。傳統 的基體型鉆頭10包括耦合到鋼桿柄14的鉆頭體12。內孔16通過鉆 頭IO的一部分縱向形成，用于在鉆探操作過程中通過由內孔16延伸 至表面20的多個通道(未示出)將鉆探流體傳送到鉆頭10的表面20， 其中一般放置了噴嘴。如果采用熱穩定的PDC，則切割元件22和24 (一般是金剛石，最常見的是PDC )可以在鉆頭體的滲透過程中粘到 鉆頭表面，其中熱穩定的PDC通常稱為熱穩定產品或TSP。可選地， 具有在WC基底上形成的金剛石臺的傳統非熱穩定PDC切割元件22 和24可以在利用如銅焊、粘接或機械固定的方法形成鉆頭體12之后由基底結合到鉆頭體12的表面20。
鉆頭體12包括預成型的鋼坯26和鉆頭體基體28。鉆頭體基體 28可以包括由銅合金粘到一起的碳化鴒粒子。鋼坯26可以具有通常 圓柱形或管狀或者相當復雜的形狀，包括例如在鉆頭表面形成的刀片 的結構性加固特征。
在鉆頭體12形成的過程中，鋼坯26可以放置成部分地在用于澆 鑄鉆頭體12的高溫鑄模中延伸。用于滲透碳化鎢粒子的銅合金結合 材料一旦凝固，鋼坯26就固定到鉆頭體基體28。然后，鋼坯26暴露 的上部可以機器加工并通過帶螺紋連接30及通過在裝配桿柄14和鋼 坯26之間形成的連續的、環繞的或"圍繞的"焊縫32固定到桿柄14。 桿柄14可以包括在其上部形成銷連接的錐螺紋34，用于將基體型鉆 頭10連4婁到鉆桿柱(string of drill pipe)(未示出)。
在制成鉆頭之后, 一般使用它幾次來執行連續的鉆探操作，在這 個過程中鉆頭體要經受由于所施加鉆壓(WOB)、所施加的用于旋 轉鉆頭的扭矩及與鉆頭和其上所承栽切割元件與井筒前面和圍繞井 筒的地層接觸關聯的沖擊力造成的極端負載和應力。這些應力可以在 鉆頭中產生一個缺陷或多個缺陷，并造成現有、潛在缺陷的變大。如 果鉆頭中缺陷的特征和大小達到臨界點，則鉆頭可能會突難性地失 效。這種特征可以包括單個缺陷的類型、大小、位置和取向及鉆頭中 缺陷的個數。因此，提供可以用于在鉆頭制成后和在連續鉆探操作期 間非破壞性地檢查鉆頭以便識別鉆頭中缺陷來表征那些缺陷類型、大 小、位置、取向和個數的方法將是有利的。

發明內容
本發明在其各種實施方式中總體上涉及對用于在地層中鉆孔的 旋轉鉆頭進行非破壞性評估以便識別其中缺陷的裝置、系統與方法， 還涉及設計成方便對其進行例如超聲波檢查的非破壞性評估的旋轉 鉆頭。
在某些實施方式中，本發明包括用于對大地鉆孔的鉆頭進行非破壞性檢查的方法。該方法包括將超聲波傳送到鉆頭中并檢測由鉆頭的 至少一部分反射的超聲波。在某些實施方式中，超聲波可以從鉆頭的 縱向內孔中傳送到鉆頭中。所反射的超聲波可選地可以從鉆頭的縱向 內孔里面檢測到。該方法可以用于確認鉆頭中 一 個或多個缺陷的存在 或不存在，而且可選地可以包括利用超聲波生成對鉆頭至少一部分的 表示。用于執行本發明方法的超聲波探頭可以配置成單個發射器/接收
器組合，或者配置成發射器/接收器的相控陣(phased array )，這兩 種配置都是已知的。
在附加的實施方式中，本發明包括用于超聲波檢查對大地鉆孔的 鉆頭的系統。該系統包括至少一個超聲波探頭、縱向探頭定位機構、 旋轉探頭定位機構和計算機設備，該計算機設備可以用于控制從探頭 發射超聲波能量和接收來自超聲波探頭的代表反射超聲波的數據或 信號中的至少一個。超聲波探頭包括至少一個超聲波換能器，并且可 以配置成插入到鉆頭的縱向內孔中
在其它實施方式中，本發明包括用于檢查在地層中鉆孔的鉆頭的 超聲波檢查裝置。該裝置包括超聲波探頭、用于支撐超聲波探頭的超 聲波探頭支撐結構、縱向探頭定位機構和旋轉探頭定位機構。超聲波 探頭支撐結構的一部分可以配置成插入到鉆頭的縱向內孔中，且超聲 波探頭可以耦合到支撐結構的部分并且它自己可以配置成插入到鉆 頭的縱向內孔中。
頭，該鉆頭包括定義其中的縱向內孔的鉆頭體。通過例如減少鉆頭外 表面和超聲波檢查的鉆頭區域之間的多個材料界面，可將鉆頭體配置 成方便鉆頭體的超聲波檢查。在某些實施方式中，鉆頭可以包括耦合 到鋼坯的鉆頭體基體。鉆頭體基體可以沿斜面區域中的界面與鋼坯鄰 接，該斜面區域可以與內孔的縱軸有一個角度。鋼坯可以配置成定義 縱向內孔壁的至少一部分，還配置成在縱向內孔和斜面區域之間提供 通過鋼坯的連續通路。
本發明的進一步的實施方式包括用于在地層中鉆孔的旋轉鉆頭，該鉆頭包括桿柄和鉆頭體。鉆頭體定義縱向內孔，通過具有在其中形
成的停靠臺(landing pad )的內表面與該內孔外切，其中停靠臺配置 成用于方便在縱向內孔中基本上可重復地定位超聲波探頭。
通過結合附圖考慮以下具體描述，本發明的特征、優點及可選方 面對本領域的技術人員將是顯而易見的。


盡管本說明書以權利要求作為結論，該權利要求特別指出并明確 要求保護作為本發明的內容，但通過結合附圖閱讀本發明的以下描 述，本發明的優點可以更容易地確定，其中
圖l是傳統基體型鉆頭的截面波評估的系統的部分截面示意圖3是根據本發明的超聲波探頭的實施方式的立體圖4是根據本發明的超聲波探頭的另一實施方式的立體波評估的裝置的立體圖6是根據本發明實施方式且配置成方便其非破壞性超聲波評 估的基體型鉆頭的截面圖；及
圖7是根據本發明且配置成方便其非破壞性超聲波評估的基體 型鉆頭的另一實施方式的截面圖。
具體實施例方式
性評估以便識別其中缺陷的裝置、系統與方法，還涉及設計成方便對 其進行例如超聲波檢查的非破壞性評估的旋轉鉆頭。
在此所給出的說明并不意味著用于進行旋轉鉆頭非破壞性評估 的任何特定裝置、系統或方法的實際視圖，而僅僅是用于描述本發明 的理想化表示。此外，附圖和實施方式中相同的元件與特征可以保留相同的標號。
根據本發明，多種系統與方法可以用于在鉆頭制成后第 一 次在鉆 探操作中使用之前及采用該鉆頭的連續鉆探操作之間執行鉆頭的超
聲波、非破壞性評估或檢查。圖2說明了根據本發明且可以用于進行 鉆探設備的非破壞性、超聲波評估的超聲波檢查系統50的非限制性 例子，例如圖1中所示的傳統基體型鉆頭10。如下面所指出的，盡管 本發明不限于檢查基體型的鉆頭或者鉆頭本身，但圖2所示的超聲波 檢查系統50配置成檢查基體型的鉆頭10。基體型的鉆頭IO在圖2中 示為包括鋼坯26和鉆頭體基體28之間接近的所謂斜面區域36的缺 陷40。本發明的發明人已經觀察到例如鉆頭10的傳統基體型鉆頭中 的缺陷可能形成這些接近的斜面區域36。當然，缺陷也可以在鉆頭的 任何區域或其中無限制地形成或發展。例如，空洞和裂縫可以完全在 鉆頭體基體28中及完全在鋼坯26中出現。
超聲波檢查系統50可以包括用于支撐鉆頭!0的轉臺52。轉臺 52可以手動旋轉，或者由例如通過齒輪驅動的電動機或者用于精確控 制轉臺52旋轉位置并由此控制其上所承載鉆頭IO旋轉位置的旋轉步 進電動機來驅動。可選地，另一較不精確類型的旋轉驅動可以結合用 于精確跟蹤轉臺52旋轉位置的旋轉編碼器來使用。鉆頭對準結構54 可以在轉臺52上提供，用于對準鉆頭10的內孔16的縱軸"6和轉臺 52的旋轉軸。在本發明的一種實施方式中，鉆頭對準結構54可以包 括例如具有與鉆頭10表面20 (圖1 )結構性特征的輪廓或形狀互補 的輪廓或形狀的結構性特征，從而在期望的旋轉位置和取向牢固地在 其表面20上支撐鉆頭10。
超聲波檢查系統50還可以包括具有至少一個配置成發射和檢測 超聲波的超聲波換能器的超聲波探頭56。超聲波探頭56可以具有小 于內孔16截面尺寸的截面尺寸，并由此可以確定超聲波探頭56的尺 寸并將其配置成在鉆頭10的內孔16中安裝。此外，超聲波探頭56 可以有足夠小的截面尺寸，以便在超聲波探頭56的超聲波發射與接 收表面和內孔16中鉆頭10的面對的內表面之間提供選定的近場相隔距離。在超聲波探頭56的發射與接收表面和鉆頭10的內表面之間提 供選定的近場相隔距離可以最小化響應至少部分地由于內孔16內表 面粗糙程度反射的超聲波而由超聲波探頭56的超聲波換能器生成的 電信號中的噪聲。如本領域普通技術人員可以認識到的，合適的近場 相隔距離將依賴于所選超聲波探頭56的工作頻率。相信超聲波探頭 56的發射與接收表面和內孔16中鉆頭10的內表面之間例如19毫米 的近場相隔距離對大多數超聲波探頭是足夠的。用于實現本發明的一 種合適的超聲波探頭是在5MHz頻率下工作的會聚32/64超聲波相控 P車脈沖接收器 (Focus 32/64 ultrasonic Phased Array Pulser-Recdver )，陣列中有64個換能器元件且元件間距(間隔)為 0.60mm。
超聲波檢查系統50還可以包括用于在鉆頭10的內孑L 16中定位 和支撐超聲波探頭56的探頭支撐結構60。探頭支撐結構60可以包括 通過縱向定位機構66垂直可移動耦合到固定構件62的懸臂支撐構件 64，其中為了方〈更將固定構件62示為垂直柱，而將縱向定位^U構66 示意性地示為軸環。懸臂支撐構件64可以包括固定到縱向定位機構
伸部分。可移動構件64的縱向延伸部分在其自由端承載超聲波探頭 56。縱向定位機構66可以用于在總體上與縱向內孔16平行且關于鉆 頭iG的縱向移動懸臂支撐構件64并由此移動超聲波探頭56。縱向定 位機構66可以包括例如手動操作的齒輪組或者包括與固定構件62上 齒協作的電驅動齒輪組、與固定構件62協作的步進電動機、與固定 構件62所定義的內孔協作的氣動或液壓驅動活塞的機電設備。此外， 縱向定位機構66還可以包括與用于垂直定位懸臂支撐構件64的軸環 關聯的手動夾具。如果驅動機構本身不提供指示可移動構件64和由 此所承載的超聲波探頭56垂直位置的信號或其它輸出，則縱向定位 機構66中手動或帶電驅動機構的使用可以與線性定位傳感器關聯。
還考慮，代替轉臺52的使用懸臂支撐構件64的縱向延伸部分可 以包括與其橫向延伸部分分開的部件，及可旋轉安裝到該橫向部分自由端或末端的縱向延伸部分。因此，超聲波探頭56可以在縱向內孔 16中旋轉，而不是鉆頭10被旋轉。傳感器可以用于監視超聲波傳感 器的旋轉位置，而且如果期望，懸臂支撐構件64的縱向與橫向部分 之間或者超聲波探頭56與懸臂支撐構件64縱向部分之間的耦合可以 包括例如滑環式觸點(slip ring contact)的結構，以允許超聲波探頭 56通過大于360°弧的旋轉或者實現多個整圏旋轉。
超聲波檢查系統50還可以包括用于操作超聲波探頭56和用于接 收、存儲、分析、圖示或以別的方式操作由超聲波探頭56響應超聲 波所生成數據的計算機設備(未示出)。例如， 一種為可以用于超聲 波檢查系統50的超聲波測試特別設計的商業可獲得的便攜式計算機 設備由加拿大魁北克R/D Tech公司以商標OMNISCAN 出售。可 選地，個人計算機可以與適于獲得并分析超聲波數據的軟件一起使 用。可以與個人計算機一起使用的示例性商業可獲得軟件還由馬薩諸 塞州沃爾瑟姆的O!ym卩is NDT公司出售。這樣的設備和軟件適于與 相控陣超聲波探頭一起使用。超聲波脈沖發生器和接收器(未示出) 還可以與計算機設備和超聲波探頭56 —起使用，以方便計算機設備 對超聲波探頭56的控制和操作。
在附加實施方式中，超聲波探頭56可以在不使用計算機設備的 情況下手動地操作，且由此生成的模擬信號可以直觀地進行分析(不 使用計算機設備)，來執行鉆頭10的超聲波檢查。
根據需要，在計算機設備與超聲波探頭56之間可以提供電纜(未 示出)，以便在其間發送電信號。電纜可以耦合到懸臂支撐構件64的 橫向延伸部分和縱向延伸部分。如果懸臂支撐構件64是中空的，則 電纜可以在可移動構件64中延伸到超聲波探頭56。
如前面所指出的，轉臺52可以包括用于在任何給定時間指示轉 臺54 (由此指示置于其上的鉆頭10)的相對旋轉位置或者在不采用 轉臺54的情況下用于指示超聲波探頭56的相對旋轉位置的傳感器或 其它設備。類似地，而且也是前面所指出的，縱向定位機構66可以 包括用于在任何給定時間指示懸臂支撐構件64及相應地還有超聲波探頭56的縱向位置的傳感器或其它設備。這些傳感器可以連接到計 算機設備，且關于其縱向和圓周位置，由此得到的輸出(信號)用于 確定超聲波探頭56相對于鉆頭10的位置并用于將在任何給定時間獲 得的超聲波數據關聯到給定區域。這種數據還可用于生成如下所示鉆 頭10內部的三維表示，或者呈現例如沿鉆頭IO任何選定直徑通過其 的兩維(X-Y軸)截面。
可以認識到，希望通過提供反饋來使旋轉和縱向位置傳感器，例 如旋轉和線性編碼器，與超聲波探頭56 —起使用，以便于將超聲波 探頭56的旋轉和縱向位置與由超聲波探頭56產生的信號精確地關 聯，其中由超聲波探頭56產生的信號對應于在從鉆頭10的鉆頭體中 反射后由超聲波探頭接收到的超聲波。因此，與超聲波探頭56信號 關聯的位置信號可以用于呈現上述鉆頭10內部的三維表示或者通過 其的兩維截面，以便識別鉆頭10中的內部缺陷。
為了利用圖2所示的超聲波檢查系統50進行鉆頭10的超聲波檢 查，懸臂支撐構件64和超聲波探頭56可以利用縱向定位機構66向 上移動到允許鉆頭10放置到轉臺52上的位置。鉆頭10可以利用鉆 頭對準結構54放置到轉臺52上，使得內孔16的縱軸！^基本上與轉 臺52的旋轉軸一致。然后，懸臂支撐構件64和超聲波探頭56可以 利用縱向定位機構66移動到超聲波探頭56位于鉆頭10內孑L 16中選 定位置處。例如水或其它合適流體或凝膠體的超聲波耦合劑68可以 在鉆頭10的內孔16中提供，以便將超聲波探頭56超聲耦合到鉆頭 10。由于鉆探流體路線一般在鉆頭10中提供成從內孔16延伸到其表 面20,因此鉆頭IO可以浸到轉臺52所承載的水槽(未示出)中，以 防止在鉆頭10的超聲波評估過程中超聲波耦合劑68從內孔16中泄 漏。可選地，在利用超聲波耦合劑68填充內孔16之前，鉆探流體路 線開口可以利用例如彈性塞子在鉆頭IO表面附近堵住。當鉆頭10位 于鉆頭對準結構54之上時，鉆頭對準結構54還可以配置成堵上內孔 16與鉆頭10外部之間連通的開口 。這種鉆頭對準結構54可以配置成 用于鉆頭的特定設計與大小，并包括例如一層配置成覆蓋鉆頭10表面中開口或包括突出結構性特征的彈性材料，該突出結構性特征可以
由彈性材料形成或者用彈性材料覆蓋，以便容納在鉆頭對準結構54 的支撐表面附近的鉆頭10中的開口中并堵上鉆頭10中的開口。
在附加實施方式中，旋轉鉆頭10的至少一部分可以浸到超聲波 耦合劑中，或者例如凝膠體的超聲波耦合劑可以直接應用到超聲波探 頭56或者應用到內孔16中鉆頭10的表面，以方便其超聲波檢查。
然后，超聲波59可以由超聲波探頭56發射或脈動并傳送或引向 鉆頭10的至少一個區域中。這些超聲波59可以由包括任何缺陷的鉆 頭10中的結構或特征反射。這些反射的超聲波可以利用超聲波探頭 56檢測并由超聲波探頭56轉換成電信號。與每個反射超聲波數據集 的超聲波探頭56的旋轉和縱向位置數據結合，駐留在由超聲波探頭 56生成的電信號中或者由其承栽的數據可以利用計算機設備接收、存 儲、分析、圖示、映射或以別的方式操作。如果鉆頭10中存在至少 一個缺陷5例如圖2所示鉆頭10中的示例性缺陷40,則可以以與鉆 頭中同質區域或者區域之間的已知邊界表面和邊界表面配置的情況 相比畸變或者不一致的方式，反射或引起至少一部分超聲波的折射或 者兩者兼有。以這種方式，鉆頭10中至少一個缺陷40的存在或不存 在可以由利用超聲波探頭56獲得的數據指示。
應當認識到，超聲波的折射、反射或者折射與反射的組合可以發 生在具有不同物理屬性的材料之間的界面上。例如，超聲波的折射、 反射或者折射與反射的組合可以發生在超聲波耦合劑68和鉆頭體基 體28之間的界面處及鉆頭體基體28和鋼坯26之間的界面處。按照 上述畸變方式的超聲波的反射、或折射或彎曲可以進行對超聲波換能 器所處位置56上面或下面的縱向位置處缺陷的檢測。如果鉆頭每種 材料(例如，鋼坯、 一種或多種基體材料、焊接材料)中超聲波的速 度及不同材料之間界面關于入射超聲波的角度是已知的，則可以考慮 并使用Snell定律來確定超聲波59的路徑。因此，通過將在鉆頭10 檢查期間所檢測到的反射超聲波的幅值、角度和所產生的圖案 (pattern )與鉆頭給定大小和設計的理想化模型或者來自相同大小和設計并已知沒有缺陷的另一鉆頭的實際數據進行比較，包括鉆頭10 各個區域和其間邊界位置的給定鉆頭10的三維計算機模型可以與折
射和反射的超聲波結合使用以確定任何缺陷的類型、大小、位置、取 向和個數。換句話說，本發明的檢查技術可以最有利地與特定鉆頭設 計、鉆頭體部件的材料、大小及部件之間的界面結合使用。
應當認識到，旋轉鉆頭10的超聲波檢查可以根據本發明利用縱
波、剪波或者二者執行。如本領域中已知的，縱波一般用于正入射檢 查技術，而剪波一般用于傾斜入射檢查技術。剪波或縱波的使用可以 由鋼坯和基體材料或鉆頭體的材料之間的斜切角來規定。
計算機設備可以用于利用相應的關聯的傳感器檢測并記錄超聲
波探頭56的縱向位置和轉臺52的旋轉取向。轉臺52可以有選擇地 旋轉，如旋轉選定的增量(例如，1°)，而超聲波可以再次傳送到鉆 頭10的另一內部段中，且可以檢測到反射的超聲波。根據檢查鉆頭 IO選定區域或體積的需要或者期望，可以重復這種過程。例如，該過 程可以一直執行，直到在超聲波探頭56的第一縱向位置完成鉆頭10 基本完整的360°超聲波掃描。然后，超聲波探頭56可以有選擇地在 縱向內孑L16中相對于鉆頭IO縱向移動選定的增量(例如，0.102厘 米(0.040英寸))，且可以在新的縱向位置實現鉆頭10另一基本完 整的360。超聲波掃描。這個過程可以一直重復，直到鉆頭10的期望 區域或體積都已經進行了超聲波檢查。可選地，轉臺52可以有選摔' 地旋轉，同時超聲波探頭56有選擇地縱向移動，以便為超聲波探頭 56提供螺旋掃描路徑并同時獲得數據。在這種情況下，可能期望在懸 臂支撐構件64的末端放置具有多個換能器的超聲波探頭56,例如相 等圓周間隔的兩個或四個換能器(分別為180°或90°,見下圖4)， 以便在更快速移動懸臂支撐構件通過縱向內孔16的同時獲得足夠的 數據或者避免需要旋轉鉆頭10。此外，還可能期望利用協調其移動的 計算機設備來控制轉臺52和懸臂支撐構件64的縱向移動的驅動機 構，以確保不遺漏其任何重要區域地完整掃描鉆頭10。
在超聲波探頭56多個縱向位置和轉臺52多個旋轉位置獲得的超聲波數據可以由計算機組合并分析，生成鉆頭10至少一部分的虛擬 三維表示。鉆頭10的數據和虛擬三維表示可以用于識別并表征鉆頭 10中所存在的任何一個或多個缺陷。以這種方式，超聲波檢查系統 50可以用于識別鉆頭中的缺陷，表征那些缺陷的類型、大小、位置、 取向和個數，當那些缺陷的特征達到臨界點時，使得鉆頭停止工作， 并由此防止鉆探操作過程中鉆頭的災難性失效。
應當指出，給定鉆頭10中缺陷的類型、大小、位置、取向和個 數的精確識別是通過使用參考校準特征或標準來提高的，其中該參考 校準特征或標準可以制成對每個鉆頭10固有的，以方便其檢查。這 種參考校準特征可以包括例如機器加工到鋼坯26內表面中的0.64厘 米(0.25英寸)長、0.003至0.013厘米(0.0010至0.0050英寸)深 的圓周凹陷。如下關于圖6所公開的鉆頭設計特別適于提供這種參考 校準特征，其中鋼坯26的內表面定義了縱向內孑L 16的內表面，當從 探頭56發射的超聲波穿過超聲波耦合劑68入射到W陷的表面上時， 超聲波從超聲波探頭56的面和凹陷表面之間的已知精確距離反射回 來，這可以用于在開始時或者檢查操作過程中每隔一段時間校準超聲 波探頭。此外，這種校準表面可以位于鋼坯26上的別的地方，例如 鋼坯26和基體材料之間的界面表面，因此可以校準例如通過已知厚 度鋼的超聲波的通道。此外，多個參考校準特征可以在鉆頭上或其中 各個已知深度和位置處提供。當如前所述檢查鉆頭的缺陷時，這種配 置可以方便實時校準。換句話說，當鉆頭被超聲波掃描時，可以利用 一系列校準特征中的每一個周期性地執行校準。這種校準特征可以設 計成不負面影響鉆頭的性能。在附加實施方式中，在存在超聲波耦合 劑68的情況下，便攜式參考標準可以固定到超聲波探頭56的反射和 接收表面上，以提供已知的反射相隔距離，且探頭56在插入到縱向 內孔16中之前運行校準模式。在任何情況下，相對已知標準的響應 的幅值都可以用于衡量確定位置的缺陷的大小和結構。
如上面所指出的，超聲波探頭與用于操作超聲波探頭中超聲波換 能器及用于分析和圖示由探頭所收集數據的軟件在本領域中是已知
16的而且是可以商業獲得,的。圖3是圖2所示超聲波探頭56的放大的 立體圖。超聲波探頭56是矩形的并包含可以包括超聲波換能器(未 示出)的相控陣的工作(active)表面57。可選超聲波探頭58在圖4 中示為圓柱形且用在圖2所示的超聲波檢查系統50中。超聲波探頭 58可包括多個關于超聲波探頭58圓周布置的工作表面59。超聲波探 頭58的每個工作表面59都可以包括超聲波換能器(未示出)的相控 陣。在這種配置中，對應于鉆頭10的內孔16中給定的縱向位置，超 聲波探頭58可以配置成對鉆頭10執行基本完整360°的超聲波掃描， 而不需要相對于超聲波探頭56旋轉鉆頭10。
由于用于構造例如鉆頭10的傳統基體型鉆頭的制造過程的復雜 性，內孔16的縱軸Lj6不可能與鉆頭10的縱軸精確一致。換句話說， 內孔16不可能精確地位于鉆頭10的中心或在鉆頭10中精確的定向。 如果內孔16的縱軸"6不與鉆頭10的縱軸一致，則超聲波探頭56可 以關于內孔！ 6的縱軸L,6定位。當鉆頭10關于超聲波探頭56旋轉時， 這會方便提供超聲波探頭56的表面和鉆頭10的內表面之間選定的相 隔距離。如由從超聲波探頭56所獲得的數據指示的，這會便于正確 確定鉆頭10中任何缺陷位置。至少部分地因為這個原因，可以提供 在本文中前面參考的鉆頭對準結構54來對準鉆頭10的內孔16的縱 軸L"與轉臺52的旋轉軸。
超聲波檢查系統50可以包括用于正確確定鉆頭10的內孑L :16的
縱軸Lw位置與取向的附加測量^L構(未示出)。這個附加測量才幾構
可以包括例如坐標測量才幾(CMM)的測量i殳備。該測量4幾構可以用 于識別內孔16中鉆頭10內表面上幾個點的位置，并使用那些位置來 識別內孔16的位置和取向及其縱軸L16。 一旦確定了縱軸L,6的位置 和取向，鉆頭10就可以放置到轉臺52上，使得轉臺52的旋轉軸與 內孔16的縱軸L,6基本一致。鉆頭對準結構54可以用于方便這個過 程。
圖5說明了根據本發明實施方式的便攜式示例性超聲波檢查裝 置70，該裝置可用于進行對例如圖1所示傳統基體型鉆頭10的鉆探設備的非破壞性、超聲波檢查。超聲波檢查裝置70可以包括配置成 位于鉆頭10的內孔16中的下部72。下部72可以包括超聲波探頭56， 該探頭可位于下彈性o環74和上彈性o環76之間。在使用過程中， 下彈性o環74和上彈性o環76可以密封地與內孔16中鉆頭10的內 表面接合。可以提供盤形軸環(collar) 78，在下部72位于鉆頭10 的內孔16中時接合桿柄14的表面。盤形軸環78可以配置成將超聲 波檢查裝置70錨定并置于鉆頭10的中心。例如，盤形軸環78可以 包括在其內表面(未示出)上的錐螺紋，用于將盤形軸環78連接到 圖1所示桿柄14的錐螺紋34。
超聲波檢查裝置70可以包括用于有選擇地在關于鉆頭10的縱向 移動下部72和超聲波探頭56的縱向定位才幾構80。縱向定位沖幾構80 可以包括用于在任何給定時間識別超聲波探頭56關于鉆頭10的縱向 位置的傳感器82。超聲波檢查裝置70還可以包括用于有選擇地關于 鉆頭10旋轉下部72和超聲波探頭56的旋轉定位機構86。旋轉定位 機構86可以包括用于在任何給定時間識別超聲波探頭56關于鉆頭10 的旋轉位置的傳感器88。縱向定位機構80和》走轉定位機構86可以包 括機電設備、機械設備、氣動設備或液壓設備，這些設備用于有選擇 地關于鉆頭H)在縱向移動超聲波探頭56,還用于有選擇地關于鉆頭 10旋轉超聲波探頭56。例如，縱向定位機構80和旋轉定位機構86 中的每個都可以包括用于調整超聲波探頭56在鉆頭10的內孔16中 的縱向和旋轉位置的電動機。電動機可以由計算機設備控制，來進一 步自動化鉆頭的檢查。可選地，縱向定位機構80和旋轉定位才幾構86 可以是手動的。
開口 90可以在超聲波檢查裝置70的頂部提供，其中超聲波檢查 裝置70與耦合到下部72的中空縱向支撐構件92的內部空腔連通。 當超聲波檢查裝置70的下部72插入到鉆頭的內孔16中時，通過中 空縱向支撐構件92壁中的孔，例如水的超聲波耦合劑可以通過開口 90和中空縱向支撐構件92引入到鉆頭10的內孔16中的下彈性o環 74和上彈性o環76之間的區域中。超聲波探頭56可以利用圖5所示的銷支撐P繞橫穿中空縱向支 撐構件92的軸，旋轉耦合到超聲波檢查裝置70的下部72。可以提供 調整機構來調整超聲波探頭56關于垂直于內孔16縱軸Lw的平面的 向上和向下的角度。例如，電線或電纜可以通過開口卯并通過縱向 支撐構件92提供給超聲波探頭56。通過允許超聲波探頭56繞垂直于 鉆頭10的內孔16并位于其中的軸旋轉，由此發射的超聲波可以在關 于垂直于其縱軸的平面的各個角度引向鉆頭10。可以提供附加傳感器 (未示出)來指示在任何給定時間轉動安裝的超聲波探頭56的角度。
計算機設備(未示出)可以以與先前關于圖2所示的超聲波檢查 系統50所討論的相同方式與超聲波檢查裝置70 —起用于控制超聲波 探頭56，并用于接收、存儲、分析、圖示或以別的方式操作由超聲波 探頭56響應超聲波所生成的數據。電纜或電線可以在計算機設備與 超聲波探頭56之間提供，用于在其間傳送電信號。電纜可以通過開 口 90和縱向支撐構件92延伸到超聲波探頭56。
超聲波檢查裝置70可以以與先前關于圖2所示的超聲波檢查系 統50所討論的相同方式用于進行對鉆頭10的超聲波檢查。特別地， 超聲波檢查裝置70的下部72可以位于鉆頭10的縱向內孔16中，使 得盤形軸環78與鉆頭10的桿柄14接合。下部72可以利用縱向定位 機構80關于鉆頭IO縱向移動到選定位置。例如水的超聲波耦合劑可 以通過開口 90提供到鉆頭10的內孔]6中的下彈性o環74和上彈性 o環76之間的區域。
然后，超聲波可以從超聲波探頭56發射或脈動，并傳送到或引 向鉆頭10中。反射的超聲波可以利用超聲波探頭56檢測。由超聲波 探頭56生成的電信號可以由計算機設備接收和記錄。計算機設備還 可以檢測并記錄超聲波探頭56的縱向位置、超聲波探頭56的旋轉取 向及對應傳感器所指示的超聲波探頭56關于鉆頭10的角度。這個信 息可以用于將所獲得的超聲波數據與鉆頭10中的特定的位置或區域 關聯。
下部72和超聲波探頭56可以有選擇地旋轉，而超聲波可以再次傳送到鉆頭10中，且反射的超聲波可以被檢測并記錄。這個過程可 以一直重復，直到在超聲波探頭56關于鉆頭10的縱向位置處完成對 鉆頭10基本完整的360°超聲波掃描。然后，超聲波探頭56可以有選 擇地關于鉆頭IO在縱向移動，并在不同的縱向位置處實現對鉆頭10 的另一基本完整的360。超聲波掃描。這個過程可以一直重復，直到鉆 頭10期望的區域或體積都已經進行了超聲波評估。對于超聲波探頭 56的多個縱向和旋轉位置所記錄超聲波數據可以由計算機設備組合 并分析，從而生成鉆頭IO至少一個區域的虛擬三維表示。鉆頭10至 少一個區域的虛擬三維表示和數據可以用于指示鉆頭10中一個或多 個缺陷的存在。以這種方式，超聲波檢查裝置70可以用于識別鉆頭 中的缺陷，用于表征那些缺陷的類型、大小、位置、取向和個數，用 于當那些缺陷的所選定的特征達到臨界點時使得鉆頭停止工作，并由 此防止鉆探操作過程中鉆頭的突難性失效。
如在本文中前面所討論的，由超聲波探頭56生成的超聲波的折 射和反射可以發生在(例如)超聲波耦合劑68和鉆頭體基體28之間 的界面處及鉆頭體基體28和鋼坯26之間的界面處。超聲波的折射或 彎曲可能使精確確定鉆頭10中任何檢測到的缺陷的位置變得復雜化。 在本發明的另 一 方面，鉆頭可以設計成最小化超聲波探頭與斜面區域 36之間有可能發生缺陷的界面個數，以便減少發生在界面處的折射和 反射量并進一步提高本文中所述檢查技術的精度。
例如，根據本發明實施方式的基體型鉆頭100在圖6中示出。鉆 頭100類似于圖1所示的鉆頭10并包括鉆頭體102和桿柄14。縱向 延伸的內孔16設置為通過鉆頭100。鉆頭體102還包括鋼坯104和鉆 頭體基體106。但是，與圖1所示的鉆頭10相反，圖6所示的鉆頭 100的鋼坯104徑向向內延伸到鉆頭體102區域中靠近可能發生缺陷 的斜面區域36的內孑L 16的內壁。如通過與例如圖1所示的鉆頭10 的傳統基體型鉆頭的比較所說明的，在鉆頭100的這種配置中，鉆頭 體基體106和鋼坯104之間的界面已經去除，從而提供縱向內孔16 和斜面區域36之間通過鋼坯104的連續通路。因此，超聲波59的總體折射或彎曲可以減少，并可以促進用于精確確定鉆頭體102中的缺 陷位置和取向的能力。
根據本發明實施方式的系統和裝置，例如超聲波檢查系統50和 超聲波檢查裝置70，可以用于在給定時間周期上監視鉆頭中至少一個 缺陷的存在、發展或者二者兼有。例如，鉆頭的連續評估可以在每次 鉆探操作后執行并可以彼此比較。為了確保可以公正地比較鉆頭連續 評估的結果，將超聲波探頭重復定位到鉆頭內孔中基本相同位置的能 力可能是相對期望的。為了使超聲波探頭能夠在鉆頭中相對精確的重 新定位，鉆頭的內部可以配置成提供停靠臺(landing pad )或用于換 能器的其它參考特征或者位置。停靠臺可以允許每次要檢查鉆頭時超 聲波探頭在鉆頭的內孔中基本重復的定位。
根據本發明實施方式并包括用于超聲波換能器的停靠臺的基體 型鉆頭110在圖7中示出。鉆頭IIO與圖6所示鉆頭IOO類似，并包 括下鉆頭偉112和上桿柄〗4。縱向延伸的內孔！6被.設i置為通過鉆頭 110。鉆頭體112包括鋼坯114和鉆頭體基體H6。但是，與圖6所示 的鉆頭100相反，圖7所示鉆頭110的鋼坯114包括用于超聲波探頭 的停靠臺空腔120。停靠臺空腔120可以配置成在鉆頭內孔16中在鋼 坯114的內表面形成的圓周缺口 ( circumferential notch )。停靠臺空 腔120可以包括截頭圓錐體、錐形的上表面122和垂直于內孔116取
向的凸緣或停靠臺表面124。用于檢查鉆頭no的超聲波探頭(未示
出)可以包括配置成當超聲波探頭插入到內孔16中時接合鉆頭10內 表面的彈簧構件。當超聲波探頭縱向前進到內孔16中時，彈簧構件 可以接合停靠臺空腔120的圓周缺口并可以緊靠著凸緣或停靠臺表面 124。凸緣或停靠臺表面124可以防止超聲波探頭進一步縱向前進到 鉆頭的內孔16中。停靠臺空腔120的錐形上表面122可以允許彈簧 構件滑出停靠臺空腔120的圓周缺口并由此允許超聲波探頭從鉆頭10 的內孔16撤回。在這種配置中，停靠臺空腔120允許每次檢查鉆頭 10時將超聲波探頭精確定位到鉆頭10中基本相同的位置。這種配置 提供了使得能夠對于至少兩次不同檢查所獲得的數據進行合理比較的參考位置。
在鉆探操作過程中，流體被強迫以高壓力和速度通過鉆頭110 的內孔16，到達其表面，這會造成內孔16中鉆頭110內表面的磨損 和腐蝕。由于鋼坯114 一般來說比鉆頭體基體116更易磨損和腐蝕， 因此，在鉆探操作過程中，由例如碳化鴒、碳化硅的抗腐蝕和磨損材 料或本領域中已知的其它抗腐蝕和磨損材料形成的管狀可拆卸保護 襯里130可以在內孔16中提供，以便抑制鋼坯114和停靠臺120的 劣化。可選地，可拆卸的保護性管狀襯里可以由類似于鉆頭體基體116 的材料形成，并且可以確定其大小和形狀以保護鋼坯104的內表面。 當要對鉆頭體102進行超聲波檢查時，可拆卸的保護性管狀襯里130 可以從鉆頭100中去除，并在后續鉆探操作開始之前重新放置。可拆 卸的保護性管狀襯里130可以通過銅焊、粘接或機械固定(例如，當 要對鉆頭進行超聲波檢查時，通過彈性元件與停靠臺徑向接合，以便 允許從鉆頭110除去保護性管00)可拆卸地附加到鉆頭H(L
例如可拆卸保護性管狀村里130的可拆卸保護性襯里還可以與 圖6所示的鉆頭IOO結合使用，來抑制鋼坯104的腐蝕和磨損。
在本發明的另一實施方式中，停靠臺空腔或其它參考元件可以在
其其形成過程中而不是在鋼坯m中機器加工停靠臺時在鉆頭體in
的鉆頭體基體116中形成。
代替提供停靠臺空腔或其它參考元件來在鉆頭的內孔中精確定 位超聲波探頭，可以提供可拆卸定位構件來相對于內孔定位超聲波探 頭。該定位構件可以配置成接合內孔底面的至少一部分、內孔側壁的 至少一部分或者二者兼有，以便每次在內孔中定位該定位構件和探頭 時可以將該定位構件和超聲波探頭定位到基本相同的位置。例如，定 位構件可以配置成用于支撐超聲波探頭并接合內孔中鉆頭的至少一 個內表面的卡具。超聲波探頭可以位于該卡具中，且該卡具和超聲波 探頭可以位于鉆頭的內孔中，使得該卡具接合內孔中鉆頭的至少一個 內表面，且將超聲波探頭定位在鉆頭內孔中選定的位置。
在本文中上面所討論的每種超聲波檢查技術與方法都包括了利用位于鉆頭內孔中的超聲波探頭來檢查鉆頭的鉆頭體。在可選方法 中，可以從鉆頭的外部對鉆頭進行超聲波檢查。可以提供環形的超聲 波探頭，該探頭具有大于鉆頭體外徑的內徑，以便允許該環形超聲波 探頭定位成使得探頭環繞鉆頭外表面的至少一部分。超聲波探頭可以 包括多個徑向向內取向并繞超聲波探頭圓周排列的單獨的超聲波換 能器，以便提供對鉆頭體的所選圓周的覆蓋。此外，單獨的超聲波換 能器可以在關于鉆頭縱軸的各個角度提供或者關于其旋轉安裝。在其 它方法中，可以通過從位于鉆頭縱向內孔中的發射器發射超聲波、將
聲波來對鉆頭進行超聲波檢查。類似地，可以通過從位于鉆頭外部的 發射器發射超聲波、將超聲波通過鉆頭發送到縱向內孔并利用位于鉆 頭縱向內孔中的接收器檢測超聲波來對鉆頭進行超聲波檢查。
此外，期望表面為超聲波反射材料的可移動"鏡"可以與固定的超 聲波換能器結合使用，從而將所發射的超聲波脈沖以期望角度反射到 鉆頭中。在這種配置中，環形超聲波探頭可以用于從鉆頭外部檢查鉆 頭。從鉆頭外部位置檢查鉆頭可能出現與內孔的存在及探頭和要檢查 的缺陷之間的材料界面關聯的困難。本發明的發明人已經發現這些困 難可以通過在鉆頭的內孔中執行超聲波檢查來減輊或克服。
在此所公開的非破壞性超聲波檢查技術、方法、系統與裝置可以 用于在其壽命范圍內檢查鉆頭，以便識別和表征其中的至少一個缺 陷。鉆頭在鉆探操作過程中災難性失效的可能性至少部分地是鉆探操 作過程中施加到鉆頭的負栽或力的大小、材料的斷裂屬性和鉆頭的整 體結構及鉆頭中缺陷存在的函數。鉆頭中的一個或多個缺陷可能不一 定造成鉆頭在使用過程中的災難性失效。鉆頭中一個或多個缺陷造成 鉆頭在使用過程中災難性失效的可能性(即，缺陷的臨界狀態)至少 部分地是鉆頭中缺陷個數、形狀、大小、類型和位置的函數。
應當理解，在此所述的檢查方法和技術可以用于檢查旋轉鉆頭的 任何部分。例如，旋轉鉆頭的鉆頭體、桿柄、焊縫或任何其它部分都 可以利用在此所述的方法和技術進行檢查。在一個特定的非限制性例子中，在此所公開的技術可以用于檢查內部的圓周完整性，或者鉆頭
鋼坯26和鉆頭外部的桿柄14 (見圖1)之間的環形焊縫32及其與鉆 頭鋼坯26和桿柄14的界面。此外，在此所述的檢查方法和^支術已經 參考基體型的鉆頭進行了描述。但是，檢查方法和技術并非如此限制， 它還可以應用到其它類型的鉆頭，包括具有鋼鉆頭體的鉆頭和具有含 粒子基體合成材料的鉆頭體的鉆頭，其中粒子基體合成材料由粒子壓 制和密集化技術形成，例如在2005年11月10日提交的未決美國專 利申請No. 11/271,153和同樣在2005年11月10日提交的未決美國專 利申請No. 11/272,439中所描述的那些。
而且，除了傳統基體型的旋轉鉆頭，該檢查方法和技術還可以用 于檢查鉆探工具，例如取芯鉆具、鉸擴鉆、套管鉆、雙心和離心旋轉 鉆頭、鉸擴鉆翼面、鋼體鉆頭、滾動圓錐鉆頭及本領域中已知的其它 鉆探工具。前面任何一種鉆探工具的特定材料、大小及內部和外部配 置都不限制本發明的使用。
前面所述的檢查方法和技術可以用于預測在預定義的鉆探條件 下鉆探工具是否將失效。作為例子而不是限制，前面所述的檢查方法 和技術可以用于識別和表征象圖1所示大地鉆孔旋轉鉆頭10中的 個或多個裂縫或其它缺陷。如果形成大地鉆孔旋轉鉆頭10的材料是
已知的，則材料的屬性(例如，斷裂韌度Ke和裂縫傳播的臨界應力(Jc)
可以利用本領域中已知的傳統的標準測試方法(例如，ASTM (美國 檢測與材料學會)標準測試方法E 1820-98,名稱為斷裂韌度的測量) 來確定。可以生成包括識別出并表征的裂縫或缺陷的鉆頭10的計算 模型。有限元分析(FEA)技術可以用于計算所估計的應力強度因子 K和由于可能在后續鉆探操作過程中施加到鉆頭10的期望外力(例 如，鉆壓(WOB)和扭矩)而可能在鉆頭10中生成的有效應力(j。 用于計算應力強度因子K和有效應力cr及斷裂韌度IC和裂縫傳播的 臨界應力oc的7^式在本領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頁中進行描述。 一旦這些值都確定了，
24就可以生成失效評定圖(FDA)，并將其用于預測鉆頭IO是否將在預 期的鉆探條件下失效。這種失效評定圖在本領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頁中進行描述。作為
例子而不是限制，如果有效應力(7與裂縫傳播的臨界應力 之比((7/<Tf )
大于或等于約0.8,則可以預測鉆頭IO將由于塑性破壞機制而失效。 如果應力強度因子K與斷裂韌度Ke之比(k/Kc)大于或等于約0.8， 則可以預測鉆頭10將由于脆性疲勞機制而失效。以這種方式，在此
預測鉆頭及其它鉆探工具的失效，從而防止鉆頭或其它鉆探工具的失效。
域普通技術人員將認識到并理解本發明不受此限制。相反，在不背離 下文所要求保護的本發明范圍的情況下，可以對這些優選實施方式進 行許多增加、刪除和修改。此外，來自一種實施方式的特征可以與另 一實施方式的特征組合，同時仍包含在本發明人預期的本發明范圍之 內。
權利要求
1、一種用來對用于地下鉆孔的鉆頭進行非破壞性檢查的方法，包括將超聲波從超聲波能量發射器傳送到旋轉鉆頭的至少一部分中；利用超聲波能量接收器檢測由該旋轉鉆頭的至少一部分反射的超聲波；及利用所檢測到的超聲波生成對該旋轉鉆頭的至少一部分的表示。
2、 如權利要求l所述的方法，其中傳送超聲波包括從旋轉鉆頭 的縱向內孔中將超聲波引向該旋轉鉆頭的至少一部分。
3、 如權利要求1所述的方法，其中傳送超聲波包括從鉆頭外部 的位置將超聲波引向該旋轉鉆頭的至少一部分。
4、 如權利要求]至3中任一項所述的方法，其中檢測超聲波包 括從旋轉鉆頭的縱向內孔中檢測反射的超聲波。
5、 如權利要求1至3中任一項所述的方法,其中檢測超聲波包 括從鉆頭外部的位置檢測反射的超聲波。
6、 如權利要求1至5中任一項所述的方法，還包括將超聲波能 量發射器和超聲波能量接收器中的至少一個聲波耦合到旋轉鉆頭。
7、 如權利要求6所述的方法，其中聲波耦合包括利用超聲波耦 合劑填充旋轉鉆頭的縱向內孔的至少一部分。
8、 如權利要求1至7中任一項所述的方法，還包括 將超聲波傳送到旋轉鉆頭上的至少 一個參考校準特征上； 檢測從該至少一個參考校準特征反射的超聲波；及利用檢測到的從該至少 一個參考校準特征反射的超聲波和該至 少一個參考校準特征的至少一個已知尺寸來校準超聲波能量發射器 和超聲波能量接收器中的至少一個。
9、 如權利要求所述的方法，還包括使用單個超聲波探頭作為 超聲波能量發射器和超聲波能量接收器。
10、 如權利要求1至9中任一項所述的方法，還包括利用至少一個參考位置特征將超聲波能量發射器和超聲波能量接收器中的至少 一個定位到關于鉆頭的預定選擇位置。
11、 一種用來檢查用于地下鉆孔的鉆頭的超聲波檢查裝置，包括 用于支撐超聲波探頭的超聲波探頭支撐結構，該超聲波探頭支撐結構包括配置成位于旋轉鉆頭的縱向內孔中的一部分；結構性耦合到支撐結構的該部分的超聲波探頭，該超聲波探頭配置成位于旋轉鉆頭的縱向內孔中；縱向探頭定位機構，配置成改變超聲波探頭關于旋轉鉆頭的縱向位置；及旋轉探頭定位機構，配置成改變超聲波探頭關于旋轉鉆頭的旋轉位置。
12、 如權利要求11所述的裝置，其中旋轉探頭定位機構配置成 繞超聲波探頭旋轉該旋轉鉆頭。
13、 如權利要求11所述的裝置，其中旋轉探頭定位機構配置成 在旋轉鉆頭的縱向內孔中旋轉超聲波探頭。
14、 如權利要求11至13中任一項所述的裝置，其中縱向探頭定 ^立才幾構包括位于旋轉鉆頭的縱向內孔外部的固定構件，該固定構件總體上與 旋轉鉆頭的縱向內孔的縱軸平行地延伸；及可移動地耦合到該固定構件的懸臂支撐構件，該懸臂支撐構件包括可移動地耦合到固定構件并從該固定構件橫向延伸的第 一部分；及總體上相對于第一部分垂直延伸并具有耦合到超聲波探頭的自 由端的第二部分。
15、 如權利要求11至14中任一項所述的裝置，還包括附加超聲 波探頭，該附加超聲波探頭包括配置成用于發射超聲波和檢測超聲波 中至少一項的至少一個超聲波換能器，該附加超聲波探頭配置成位于探頭配置成插入到大地鉆孔旋轉鉆頭的縱向內孔中。
16、 如權利要求11至15中任一項所述的裝置，還包括用于接收 從超聲波探頭獲得的數據的計算機設備。
17、 一種用于在地層中鉆孔的基體型旋轉鉆頭，包括在其中定義 了縱向內孔的鉆頭體，該鉆頭體包括鋼坯；及耦合到該鋼坯的鉆頭體基體，該鉆頭體基體沿包括斜面區域的界 面與鋼坯鄰接，鋼坯配置成在縱向內孔和斜面區域之間提供通過鋼坯 的連續通路。
18、 如權利要求17所述的鉆頭，還包括配置成插入到鉆頭體的 縱向內孔中的可拆卸的抗腐蝕和磨損的襯里。
19、 一種用于在地層中鉆孔的鉆頭，包括在其中定義了縱向內孔 的鉆頭體,該鉆頭體包括縱向內孔中的內y表面；及縱向內孔中鉆頭體內表面中的至少一個參考特征，該至少一個參 考特征的結構設計成便于在縱向內孔中基本上可重復地定位超聲波探頭。
20、 如權利要求19所述的鉆頭,其中至少一個參考特征包括停 靠臺空腔。
全文摘要
一種對用于對在地層中鉆孔的旋轉鉆頭進行非破壞性內部檢查的方法，包括將超聲波傳送到鉆頭中并檢測由該鉆頭的至少一部分反射的超聲波。在某些實施方式中，超聲波可以從鉆頭縱向內孔中引入鉆頭中。所反射的波也可以從內孔中檢測到。該方法可以用于開發用于將鉆頭分類為可接受或不可接受的閾值接受標準，以防止在使用過程中鉆頭的災難性失效。公開了對用于在地層中鉆孔的鉆頭進行非破壞性超聲波檢查的系統與裝置。該系統與裝置可以包括配置成插入到鉆頭的縱向內孔中的超聲波探頭。公開了配置成方便其非破壞性超聲波檢查的鉆頭。
文檔編號G01N29/04GK101460839SQ200780020538
公開日2009年6月17日 申請日期2007年4月17日 優先權日2006年4月17日
發明者E·C·沙利文, J·倫德, N·J·萊昂, T·D·沃茨 申請人:貝克休斯公司