石油和天然气工业花费相当大的金额以设计切割工具，例如包括牙 轮岩石钻头和固定刀具钻头的向下钻进钻头，该钻头具有相对长期的使 用寿命以及具有相对较少发生的故障。特别地，相当大的金额被花费以 使钻井作业期间发生灾难性钻头故障的机会达到最小的方式来设计和制 造牙轮岩石钻头和固定刀具钻头。钻井作业期间固定刀具钻头的牙轮或 多晶金刚石复合片(PDC)的损耗会妨碍钻井作业，而且在最坏的情况 下，使相当昂贵的打捞作业成为必要。如果打捞作业失败，则必须执行 侧钻作业以便在包括失去的牙轮或PDC刀具的井眼部分周围钻井。典 型地，在钻井作业期间，钻头被拔出并用新钻头替换，即使从所替换的 钻头中能够获得显著的服务。向下钻进钻头的这些未成熟替换是昂贵 的，因为井的每次中断延长了总的钻井活动，并且消耗相当大的人力， 但是仍然要实行以便避免至多拨出钻柱并替换钻头或者如果一个或多个 牙轮或复合片因钻头故障而损失时所需的打捞以及侧钻作业的更多中断 和昂贵的过程。
随着对向下钻进钻井系统动态数据的不断增长的需求，许多的“子 部件”(即包含在钻头之上的钻柱中并用来收集关于钻井参数的数据的 子部件)已被设计并安装在钻柱中。遗憾地，这些子部件由于它们在钻 头本身之上的物理布局而不能提供在操作中于钻头处发生情况的实际数 据。
数据获取常规地通过将子部件安装在底孔组件(BHA)中来实现， 底孔组件可以离钻头几米到几十米。从远离钻头的子部件收集的数据可 能并不准确地反映钻井发生时在钻头处直接发生的情况。通常，数据的 这种缺乏导致在没有与钻头的性能关联的直接相关事实或数据时对于可 能引起钻头故障的事物或者钻头如此良好地运行的原因的推测。
最近，已提议将数据获取系统安装到钻头本身中。然而，这些系统 的数据收集、存储以及报告受到限制。另外，钻头中的常规数据收集还 不具有当可能关注的钻井活动发生时以允许更详细的数据收集和分析的 方式适应这些活动的能力。
对于被装备以收集和存储关于钻头的性能和状况的长期数据的钻头 存在需求。这种钻头可以延长有用的钻头寿命，使得能在多个钻井作业 中再利用钻头以及对现有钻头开发钻头性能数据，其也可以用于开发钻 头的未来改善。

本发明包括钻头及布置于钻头中的数据分析系统，该系统用于分析 使用多种自适应的(adaptive)数据采样模式从有关钻头性能的物理参 数采样的数据。
在本发明的一个实施方案中，用于钻入地层的钻头包括钻头体、钎 尾(shank)、数据分析模块以及端盖。钻头体携带至少一个切割元件 (也称作刀片或刀具)。钎尾固定到钻头体，适合于连接到钻柱，并且 包括通过其中形成的中心孔。数据分析模块可以被配置在环圈中，以致 于它可以被布置于中心孔内，同时允许钻井流体经由那里通过。最后， 端盖被配置为布置于中心孔内，以致于端盖使数据分析模块的环圈布置 在附近，并且通过提供在端盖与中心孔的壁之间的密封结构来为数据分 析模块提供腔室。
本发明的另一个实施方案包括用于钻入地层的设备，该设备包含钻 头及布置在钻头中的数据分析模块。钻头携带至少一个刀片或刀具，并 且适合于连接到钻柱。数据分析模块包括至少一个传感器、存储器以及 处理器。该至少一个传感器被配置以感测至少一个物理参数。存储器被 配置以存储包括计算机指令和传感器数据的信息。处理器被配置用于执 行计算机指令，以通过采样至少一个传感器来收集传感器数据。计算机 指令还被配置以分析传感器数据从而形成程度指数(severity index)， 将程度指数与至少一个自适应阈值比较，并且响应于比较而更改数据采 样模式。
本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法包括在某一采样频 率下通过采样布置于钻头中的至少一个传感器来收集传感器数据。在该 方法中，该至少一个传感器响应于与钻头状态有关的至少一个物理参 数。该方法还包括分析传感器数据以形成程度指数，其中分析由布置于 钻头中的处理器执行。该方法还包括将程度指数与至少一个自适应阈值 比较，并且响应于比较而更改数据采样模式。
本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法包括当处于背景 (background)模式时在背景采样频率下通过采样与钻头状态有关的至 少一个物理参数来收集背景数据。该方法还包括在预定数量的背景样本 后从背景模式转换到记录(logging)模式。该方法也可以包括在预定数 量的背景样本后从背景模式转换到突发(burst)模式。该方法也可以 包括在预定数量的记录样本后从记录模式转换到背景模式或突发模式。 该方法也可以包括在预定数量的突发样本后从突发模式转换到背景模式 或记录模式。
本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法包括当处于背景模 式时通过采样与钻头状态有关的至少一个物理参数来收集背景数据。该 方法还包括分析背景数据以产生背景程度指数，并且如果背景程度指数 大于第一背景阈值则从背景模式转换到记录模式。该方法也可以包括如 果背景程度指数大于第二背景阈值则从背景模式转换到突发模式。
附图说明
图1说明用以执行钻井作业的常规钻井设备；
图2是常规矩阵型旋转刮刀钻头的透视图；
图3A是钎尾、示例电子模块和端盖的透视图；
图3B是钎尾和端盖的截面图；
图4是示例电子模块的照片，该电子模块被配置为柔性电路板以允 许形成到适合于布置在图3A和图3B的钎尾中的环圈中；
图5A-5E是说明钻头中可以放置电子模块、传感器或它们的组合的 示例位置的钻头的透视图；
图6是依照本发明的数据分析模块的示例实施方案的方块图；
图7A是说明多种数据采样模式以及根据基于时间的事件触发在模 式间转换的示例时序图；
图7B是说明多种数据采样模式以及根据基于自适应阈值的事件触 发在模式间转换的示例时序图；
图8A-8H是说明数据分析模块的示例操作的流程图，该示例操作 有采样不同传感器的值，存储所采样的数据，并且分析所采样的数据以 确定自适应阈值事件触发；
图9说明沿着旋转的笛卡尔坐标系的两个轴从磁力计传感器采样的 示例数据；
图10说明沿着相对于钻头静止但相对于固定观察者旋转的笛卡尔 坐标系的三个轴从加速计传感器和磁力计传感器采样的示例数据；
图11说明从加速计传感器采样的示例数据，沿着y-轴的加速计数 据方差来自所采样数据的分析，沿着y-轴的加速计自适应阈值来自所采 样数据的分析；以及
图12说明从加速计传感器采样的示例数据，沿着x-轴的加速计数 据方差来自所采样数据的分析，沿着x-轴的加速计自适应阈值来自所采 样数据的分析。

本发明包括钻头以及布置于钻头中的电子设备，该电子设备用于分 析使用多种自适应数据采样模式从涉及钻头性能的物理参数中采样的数 据。
图1描绘用于执行地下钻井作业的示例设备。示例钻井设备110包 括钻架112、钻架底座114、绞车116、吊钩118、转体120、方钻杆连 接122以及旋转台124。包括钻管部分142和钻环部分144的钻柱140 从钻井设备110向下延伸到钻孔100中。钻管部分142可以包括许多连 接在一起的管状钻管部件或绞束，并且钻环部分144同样可以包括多个 钻环。另外，钻柱140可以包括共同称作MWD通信系统146的随钻测 量(MWD)记录(logging)子部件和协作的泥浆脉冲遥测数据传输子 部件，以及本领域技术人员已知的其他通信系统。
在钻井作业期间，钻井流体从泥浆池160循环通过泥浆泵162，通 过波动消除器164，以及通过泥浆供应管道166进入转体120。钻井泥 浆(也称作钻井流体)流过方钻杆连接122并进入钻柱140内的轴中心 孔。最后，它通过位于钻头200中的孔口或喷嘴流出，该钻头200连接 到钻环部分144下面的钻柱140最底部分。钻井泥浆通过在钻柱140的 外表面和钻孔100的内表面之间的环形空隙向上流回，以循环至地面， 在那里它经过泥浆返回管道168返回到泥浆池160。
振动筛(没有显示)可以用于在钻进泥浆返回到泥浆池160之前从 其中分离岩屑。MWD通信系统146可以在钻井作业发生时利用泥浆脉 冲遥测技术从井下位置向地面传送数据。为了于地面接收数据，泥浆脉 冲转换器170被提供与泥浆供应管道166通信。该泥浆脉冲转换器170 响应泥浆供应管道166中的钻井泥浆的压力变化产生电信号。这些电信 号通过地面导体172传输到地面电子处理系统180，该系统180通常是 具有用于执行程序指令以及用于响应通过键盘或图形定点装置输入的用 户命令的中央处理单元的数据处理系统。泥浆脉冲遥测系统被提供以用 于将通常位于MWD通信系统146中的测井和测量系统所感测的关于大 量井下状况的数据传送到地面。定义传播到地面的数据的泥浆脉冲由通 常位于MWD通信系统146中的装备产生。这种装备典型地包括在容纳 于仪表外壳中的电子设备的控制下工作的压力脉冲发生器，以允许钻井 泥浆经过贯通钻环壁的孔排出。每当压力脉冲发生器导致这种排出时， 负压力脉冲被发送以由泥浆脉冲转换器170接收。可选的常规布局产生 并发送正压力脉冲。常规地，循环的钻井泥浆也可以为涡轮驱动发电机 子部件(没有显示)提供能量来源，该子部件可以位于底孔组件 (BHA)附近。涡轮驱动发电机可以为压力脉冲发生器以及为包括构成 随钻测量工具的工作部件的那些电路的各种电路产生电力。可以提供电 池作为可选的或补充的电力来源，尤其是作为涡轮驱动发电机的后备。
图2是固定刀具或所谓的“刮刀”钻头品种的示例钻头200的透视 图。通常，钻头200包括在钎尾210上的用于连接到钻柱140中的螺 纹，该钎尾210在钻头200的上部范围。至少一个通常在钎尾210的相 对端的刀片220(显示多个)可以被提供有多个天然或合成的金刚石 (多晶金刚石复合片)刀具225，这些刀具225沿着刀片220的旋转前 导面排列以当钻头200在所施加的钻压(WOB)下于钻孔100中旋转 时实现对地层材料的有效碎裂。径规衬垫(gage pad)表面230从每个 刀片220向上延伸，在钻头200的钻井作业期间最接近而且通常接触钻 孔100的侧壁。多个沟槽240，称为“排屑槽”，在刀片220和径规衬垫 表面230之间延伸以为了排除由刀具225形成的地层切屑提供清除区 域。
多个径规嵌入物(gage insert)235被提供于钻头200的径规衬垫 表面230上。在钻头200的径规衬垫表面230上的剪切径规嵌入物235 提供有效剪切在钻孔100侧壁的地层材料的能力，并且提供固定刀具品 种的地钻钻头的改进的径规支撑能力。钻头200被示意为PDC(“多晶 金刚石复合片”)钻头，但是在含有用于与钻孔100侧壁接合的径规衬 垫表面230的其他固定刀具或刮刀钻头中，径规嵌入物235可以同样有 用。
本领域技术人员将认识到本发明可以实施于多种钻头类型。本发明 在三锥或牙轮旋转钻头或在本技术领域中已知的在使用时可以利用喷嘴 将钻井泥浆传送到切割结构的其他地下钻井工具的环境中具有效用。因 此，在此所使用的术语“钻头”包括且包含任何及所有旋转钻头，包括 岩心钻头、牙轮钻头、固定刀具钻头；包括但不限于PDC、天然金刚 石、热稳定制备的(TSP)合成金刚石和金刚石孕镶钻头、偏心钻头、 双中心钻头、扩孔钻、扩孔钻轮叶以及其他被配置以容纳电子模块290 的地钻工具。
图3A和3B说明被固定在钻头200(没有显示)上的钎尾210的示 例实施方案，端盖270，以及电子模块290(在图3B中没有显示)的示 例实施方案。钎尾210包括穿过钎尾210纵轴形成的中心孔280。在常 规钻头200中，该中心孔280被设置以允许钻井泥浆流过那里。在本发 明中，中心孔280的至少一部分被赋予足以接收配置在基本上为环圈中 的电子模块290的直径，却不显著地影响到钎尾210的结构完整性。从 而，可以将电子模块290布置于中心孔280中，端盖270的周围，该端 盖270贯穿电子模块290的环圈的内直径，以同中心孔280的壁一起产 生流体密封的环形腔260，并且将电子模块290密封于钎尾210内的适 当位置。
端盖270包括穿过端盖本身而形成的盖孔276，使得钻井泥浆可以 流过端盖，通过钎尾210的中心孔280到钎尾210的另一侧，然后进入 钻头200的体内。另外，端盖270包括在端盖270下端附近的包含第一 密封环272的第一法兰(flange)271，以及在端盖270上端附近的包含 第二密封环274的第二法兰273。
图3B是布置于钎尾中的不带电子模块290的端盖270的剖面图， 该剖面图说明在第一法兰271、第二法兰273、端盖体275以及中心孔 280的壁之间形成的环形腔260。第一密封环272和第二密封环274形 成在端盖270和中心孔280壁之间的保护性的流体密封的封口，以保护 电子模块290不受不利的环境状况的影响。由第一密封环272和第二密 封环274形成的保护性封口也可以被配置以维持环形腔260在近似大气 压力下。
在图3A和3B所示的示例实施方案中，第一密封环272与第二密 封环274由适于高压高温环境的材料形成，例如与PEEK后备环结合的 氢化丁腈橡胶(HNBR)O型环。另外，端盖270可以通过许多连接机 构固定在钎尾210上，例如使用密封环272及274的固定(secure)压 入配合、螺纹连接、环氧树脂连接、形状记忆固定器、焊接以及铜焊。 本领域技术人员将认识到，由于在钻井作业期间的差压以及泥浆的向下 流动，端盖270可以通过相对简单的连结机构十分稳定地保持在位置 上。
可以将如图3A的示例实施方案所示配置的电子模块290配置为柔 性电路板，以使电子模块290能够形成到环圈内，适合于布置在端盖 270周围，并且进入到中心孔280内。电子模块290的这种柔性电路板 的实施方案以平面展开的图形显示于图4中。柔性电路板292包含高强 度的加强构架(没有显示)，以给例如加速计的传感器提供可接受的加 速效应传递性。另外，柔性电路板292的承载非传感器电子元件的其他 区域可以使用像粘弹性粘合剂那样的材料以适合于至少部分地削弱在钻 井作业期间由钻头200经受的加速效应的方式粘附于端盖270上。
图5A-5E是钻头200的透视图，该透视图说明在钻头200中可以放 置电子模块290、传感器340或者它们的组合的示例位置。图5A说明 固定在钻头体230上的图3中的钎尾210。另外，钎尾210包括形成于 中心孔280内的环形滚道260A。当端盖270被布置到位时，该环形滚 道260A可以允许电子模块290扩展到环形滚道260A内。
图5A也说明用于电子模块290、传感器340或者它们的组合的其 他两个可选位置。位于用以将序列号压印在钻头上的椭圆形凹陷(也可 以称为扭矩槽)之后的椭圆形裁切区260B可以被轧磨出来以接收电子 设备。然后，该区域能够被上盖并密封以保护电子设备。可选地，位于 被用来压印钻头的椭圆形凹陷内的圆形裁切区260C可以被轧磨出来以 接收电子设备，然后可以被上盖并密封以保护电子设备。
图5B说明钎尾210的可选配置。圆形凹陷260D可以形成于钎尾 210中，以及中心孔280形成于圆形凹陷周围，以允许传输钻井泥浆。 圆形凹陷260D可以被上盖并密封以保护在圆形凹陷260D内的电子设 备。
图5C-5E说明在钻头200上的位置内形成的圆形凹陷(260E， 260F，260G)。这些位置为电子元件提供大小适当的空间，然而仍旧在 刀片中保持可接受的结构强度。
电子模块290可以被配置以执行多种功能。一个示例电子模块290 可以被配置为数据分析模块，该模块被配置以用于在不同采样模式中采 样数据，在不同采样频率下采样数据，以及分析数据。
示例数据分析模块300被说明于图6中。数据分析模块300包括电 源310、处理器320、存储器330，以及至少一个被配置用以测量涉及钻 头状态的多个物理参数的传感器340，该钻头状态可以包括钻头状况、 钻井作业状况以及最接近于钻头的环境状况。在图6的示例实施方案 中，传感器340包括多个加速计340A，多个磁力计340M以及至少一 个温度传感器340T。
所述多个加速计340A可以包括三个配置于笛卡尔坐标布局中的加 速计340A。同样地，所述多个磁力计340M可以包括三个配置于笛卡 尔坐标布局中的磁力计340M。虽然任何坐标系都可以被定义于本发明 的范围之内，但是图3A所示的示例笛卡尔坐标系定义了沿着钻头200 绕其旋转的纵轴的z-轴，垂直于z-轴的x-轴，以及垂直于z-轴和x-轴两 者的y-轴，以形成典型笛卡尔坐标系的三个正交轴。由于数据分析模块 300在钻头200旋转时以及钻头200在垂直取向以外时可以使用，所以 该坐标系可以被认为是具有相对于钻井设备110的固定地面位置的变动 取向的旋转的笛卡尔坐标系。
图6实施方案的加速计340A在被激活并被采样时，提供沿着三个 正交轴中的至少一个轴的钻头200的加速度测量。数据分析模快300可 以包括附加的加速计340A以提供冗余系统，在该系统中不同的加速计 340A可以被选择，或者被取消选择，以响应于由处理器320执行的故 障诊断。
图6实施方案的磁力计340M在被激活并被采样时，提供沿着三个 正交轴中的至少一个轴的钻头200相对于地球磁场的取向测量。数据分 析模快300可以包括附加的磁力计340M以提供冗余系统，在该系统中 不同的磁力计340M可以被选择，或者被取消选择，以响应于由处理器 320执行的故障诊断。
温度传感器340T可以用来收集有关钻头200温度的数据，以及加 速计340A、磁力计340M和其他传感器340附近的温度。温度数据可 以用于校正加速计340A和磁力计340M，以在多种温度下更加精确。
其他可选传感器340可以被包括作为数据分析模块300的一部分。 一些在本发明中可以是有用的示例传感器是在钻头的不同位置上的应变 传感器，在钻头的不同位置上的温度传感器，测量钻头内部的泥浆压力 的泥浆(钻井流体)压力传感器，以及测量钻头外部的流体静压力的钻 孔压力传感器。这些可选传感器340可以包括被结合起来并且被配置作 为数据分析模块300的一部分的传感器340。这些传感器340也可以包 括被布置在钻头200的其他区域中的、或者在钻头200上方在底孔组件 中的可选远程传感器340。可选传感器340可以使用直接有线连接、或 者通过可选传感器接收器360通信。传感器接收器360被配置以使无线 远程传感器能够在本领域技术人员已知的钻井环境中越过有限的距离通 信。
一个或多个这些可选传感器可以用作起始传感器370。起始传感器 370可以被配置用于检测至少一个起始参数，例如泥浆的混浊度，并且 响应于至少一个起始参数产生电源启动信号372。当电源启动信号372 被断定时，连接电源310和数据分析模块300的电源门控模块374可以 用于控制数据分析模块300的电源施加。起始传感器370可以拥有它自 己的独立电源，例如小型电池，用以在数据分析模块300未被供电期间 为起始传感器370供电。如同其他可选传感器340一样，一些可以用于 启动数据分析模块300的电源的示例参数传感器是被配置以采样以下参 数的传感器：钻头不同位置上的应变、钻头不同位置上的温度、振动、 加速度、向心加速度、钻头内部的流体压力、钻头外部的流体压力、钻 头内的流体流动、流体阻抗以及流体混浊度。另外，至少这些传感器中 的一些可以被配置以产生任何为工作所需的电能，以致于独立电源被自 行产生于传感器中。举例来说，但不限于，振动传感器可以只是从机械 振动产生用以感测振动以及发送电源启动信号372的足够电能。
存储器330可以用于存储传感器数据、信号处理结果、长期数据存 储，以及由处理器320执行的计算机指令。存储器330的部分可以位于 处理器320外部，而部分可以位于处理器320中。存储器330可以是动 态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存 储器(ROM)、例如闪存的非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电 可擦可编程ROM(EEPROM)或者它们的组合。在图6的示例实施方 案中，存储器330是在处理器(没有显示)内的SRAM、在处理器320 内的闪存330以及外部闪存330的组合。闪存对于小功率工作以及在没 有将电源施加到存储器330时保留信息的能力可能是希望的。
通信端口350可以被包含于数据分析模块300中，以用于与像 MWD通信系统146和远程处理系统390那样的外部装置通信。通信端 口350可以被配置以用于直接通信链接352到远程处理系统390，该直 接通信链接352使用直接有线连接或无线通信协议，例如，只是举例来 说，红外线、蓝牙和802.11a/b/g协议。使用直接通信，数据分析模块 300可以被配置以在钻头200不向下钻进时与远程处理系统390，例如 计算机、便携式计算机和个人数字助理(PDA)通信。因而，直接通信 链接352可以被使用于多种功能，例如下载软件和软件升级，允许通过 下载配置数据设置数据分析模块300，以及上传采样数据和分析数据。 通信端口350也可以用于向数据分析模块300查询涉及钻头的信息，例 如钻头序列号、数据分析模块序列号、软件版本、钻头工作的总用时， 以及其他可以存储于NVRAM中的长期钻头数据。
通信端口350也可以被配置以用于通过有线或无线通信链接354和 协议与在底孔组件中的MWD通信系统146通信，该协议被配置以能够 在本领域技术人员已知的钻井环境中越过有限的距离远程通信。一个用 于将数据信号传送到在钻柱140中的邻接子部件的可用技术被描述、被 描写以及被要求权利于1989年11月28日授予Howard的、标题为 “Wellbore Tool With Hall Effect Coupling”的美国专利No.4884071 中。
MWD通信系统146可以使用泥浆脉冲遥测356或者其他适合于越 过在钻井作业中所遇到的相对大的距离通信的合适的通信装置，依次将 数据从数据分析模块300传送到远程处理系统390。
在图6的示例实施方案中的处理器320被配置以用于处理、分析及 存储所收集的传感器数据。为了从多个传感器340中采样模拟信号，该 示例实施方案的处理器320包含数模转换器(DAC)。然而，本领域技 术人员将认识到本发明可以用在传感器340和处理器320之间的通信的 一个或多个外部DAC实施。另外，在示例实施方案中的处理器320包 含内部的SRAM和NVRAM。然而，本领域技术人员将认识到本发明 可以用仅在处理器320外部的存储器330以及在不使用外部的存储器 330而只使用在处理器320内部的存储器330的配置中实施。
图6的示例实施方案使用电池电源作为工作电源310。电池电源使 在钻井环境中时无需考虑连接到另外的电源就能够工作。然而，对于电 池电源来说，电能节约可以成为本发明中的重要考虑因素。因此，小功 率处理器320和小功率存储器330可以使电池寿命能够更长。同样地， 在本发明中，其他电能节约技术可以是重要的。
图6的示例实施方案说明用于门控存储器330、加速计340A和磁 力计340M的电源施加的电源控制器316。运行于处理器320上的软件 可以使用这些电源控制器316管理电源控制总线326，该电源控制总线 326包括用于单独启动电压信号314至每个连接到电源控制总线326的 元件的控制信号。当电压信号314作为单个信号显示于图6中时，本领 域技术人员将理解不同的元件可能需要不同的电压。因而，电压信号 314可以是包括为给不同的元件供电所需要的电压的总线。
图7A和7B说明数据分析模块300可以执行的一些示例数据采样 模式。数据采样模式可以包括背景模式510、记录模式530以及突发模 式550。不同模式的特征可以在于何种类型的传感器数据被采样和被分 析以及传感器数据在什么采样频率下被采样。
背景模式510可以用于在相对低的背景采样频率下采样数据并且从 所有可用的传感器340的子集中产生背景数据。记录模式530可以用于 在相对中间水平的记录采样频率下采样记录数据并且具有可用的传感器 340的较大子集或全部。突发模式550可以用于在相对高的突发采样频 率下采样突发数据并且具有可用传感器340的大子集或全部。
每个不同的数据模式可以在预定的采样频率下以及对于预定的块大 小从传感器的子集中收集、处理和分析数据。举例来说，但不限于，示 例采样频率和块收集大小可以是：对于背景模式5个样本/秒和每块200 秒等量样本，对于记录模式100个样本/秒和每块10秒等量样本，以及 对于突发模式200个样本/秒和每块5秒等量样本。本发明的一些实施 方案可能受限于可用存储器的数量、可用电源的数量或者它们的组合。
更多的存储器、更多的电源或者它们的组合可能为更加详细的模式 所需要，因此，自适应阈值触发关于收集和处理最有用的和最详细的信 息提供最优化存储器使用、电源使用或者它们的组合的方法。例如，自 适应阈值触发可以适合于探测特殊类型的已知事件，例如钻头涡动、钻 头反弹、钻头摆动、钻头步进、横向振动以及扭转振荡。
通常，数据分析模块300可以被配置以基于某类事件触发从一种模 式转换到另一种模式。图7A说明定时触发模式，在该模式中从一种模 式到另一种模式的转换基于定时事件，例如，收集预定数量的样本，或 者定时计数器到期。x-轴590说明前进时间。定时点513说明由于定时 事件从背景模式510到记录模式530的转换。定时点531说明由于定时 事件从记录模式530到背景模式510的转换。定时点515说明由于定时 事件从背景模式510到突发模式550的转换。定时点551说明由于定时 事件从突发模式550到背景模式510的转换。定时点535说明由于定时 事件从记录模式530到突发模式550的转换。最后，定时点553说明由 于定时事件从突发模式550到记录模式530的转换。
图7B说明自适应采样触发模式，在该模式中从一种模式到另一种 的转换基于对所收集数据的分析以产生程度(severity)指数以及该程 度指数是大于还是小于自适应阈值。自适应阈值可以是预定的值，或者 它可以基于对所收集数据的以往历史记录的信号处理分析被修改。x-轴 590说明前进时间。定时点513’说明由于自适应阈值事件从背景模式 510到记录模式530的转换。定时点531’说明由于定时事件从记录模 式530到背景模式510的转换。定时点515’说明由于自适应阈值事件 从背景模式510到突发模式550的转换。定时点551’说明由于自适应 阈值事件从突发模式550到背景模式510的转换。定时点535’说明由 于自适应阈值事件从记录模式530到突发模式550的转换。最后，定时 点553’说明由于自适应阈值事件从突发模式550到记录模式530的转 换。另外，如果没有自适应阈值事件被探测到，数据分析模块300可以 从一个采样块到下一个采样块保持于任何给定的数据采样模式，如定时 点555’所说明的。
用于数据分析模块300的软件，也可以被称为固件，包含用于由处 理器320执行的计算机指令。软件可以驻留于外部存储器330或者处理 器320内的存储器。图8A-8H说明了根据本发明的软件的示例实施方 案的主要功能。
在详细描述主例行程序之前，先描述可以由处理器和模数转换器 (ADC)执行的收集及排列数据的基本功能。在图8A中所说明的 ADC例行程序780可以根据处理器中的定时器来工作，该定时器可以 被设置以在预定的采样间隔产生中断。该间隔可以被重复以产生据以在 ADC例行程序780中执行数据采样的采样间隔时钟。ADC例行程序 780可以通过对可以作为模拟源提供测量的任何传感器执行模数转换， 从加速计、磁力计、温度传感器以及任何其他可选传感器收集数据。块 802显示当在背景模式中时可以为不同传感器执行的测量和计算。块 804显示当在记录模式中时可以为不同传感器执行的测量和计算。块 806显示当在突发模式中时可以为不同传感器执行的测量和计算。当定 时器中断发生时，进入ADC例行程序780。判定框782判定数据分析 模块当前工作于哪种数据模式。
如果在突发模式中，所有加速计及所有磁力计的样本被收集(794 和796)。来自每个加速计和每个磁力计的采样数据被存储于突发数据记 录中。然后，ADC例行程序780设置798指示给主例行程序数据已就 绪待处理的数据就绪标记。
如果在背景模式510中，来自所有加速计的样本被收集784。当 ADC例行程序780从每个加速计收集数据时，它将采样值加到包含之 前加速计测量值总和的存储值上，以为每个加速计产生连续 (running)的加速计测量值总和。ADC例行程序780也将采样值的平 方加到包含之前平方值总和的存储值上，以为加速计测量产生连续的平 方值总和。ADC例行程序780还增加背景数据样本计数器的计数，以 指示另一个背景样本已被收集。任选地，温度和温度的总和也可以被收 集以及被计算。
如果在记录模式中，所有加速计、所有磁力计以及温度传感器的样 本被收集(786、788和790)。ADC例行程序780收集来自每个加速计 和每个磁力计的采样值并且将采样值加到包含之前加速计和磁力计的测 量值总和的存储值上，以产生加速计测量值的连续的总和以及磁力计测 量值的连续的总和。另外，ADC例行程序780将每个加速计和磁力计 测量值的当前样本与每个加速计和磁力计的存储最小值比较。如果当前 样本小于存储最小值，则当前样本被保存为新的存储最小值。从而， ADC例行程序780保持对于收集于当前数据块中的所有样本所采样的 最小值。同样地，保持对于收集于当前数据块中的所有样本所采样的最 大值，ADC例行程序780比较每个加速计和磁力计测量值的当前样本 与每个加速计和磁力计的存储最大值。如果当前样本大于存储最大值， 则当前样本被保存为新的存储最大值。ADC例行程序780也通过将温 度传感器的当前样本加到之前的温度测量值总和的存储值，产生连续的 温度值总和。然后，ADC例行程序780设置792指示给主例行程序数 据已就绪待处理的数据就绪标记。
图8B说明主例行程序600的主要功能。在通电602之后，软件主 例行程序通过设置存储器，激活通信端口，激活ADC，以及全面设置 为控制数据分析模块所需的参数，来初始化604系统。然后，主例行程 序600进入循环以开始处理所收集的数据。主例行程序600主要作出关 于是否由ADC例行程序780所收集的数据可用于处理、哪种数据模式 是当前激活的以及是否对于给定数据模式的整个数据块已被收集的判 定。作为这些判定的结果，如果数据是可用的，但是整个数据块还没有 被处理，主例行程序600则可以为任何给定的模式执行模式处理。另一 方面，如果整个数据块是可用的，主例行程序600则可以为任何给定的 模式执行块处理。
如在图8B中所说明的，为了开始判定过程，检测606被执行以查 看工作模式当前是否被设置为背景模式。如果是，背景模式处理640开 始。如果检测606失败或者在背景模式处理640之后，则执行检测608 以查看工作模式是否被设置为记录模式以及来自ADC例行程序780的 数据就绪标记是否已被设置。如果是，则执行记录操作610。这些操作 将在下面更加充分地描述。如果检测608失败或者在记录操作610之 后，则执行检测612以查看工作模式是否被设置为突发模式以及来自 ADC例行程序780的数据就绪标记是否已被设置。如果是，则执行突 发操作614。这些操作将在下面更加充分地描述。如果检测612失败或 者在突发操作614之后，则执行检测616以查看工作模式是否被设置为 背景模式以及整个背景数据块是否已被收集。如果是，则执行背景块处 理617。如果检测616失败或者在背景块处理617之后，则执行检测 618以查看工作模式是否被设置为记录模式以及整个记录数据块是否已 经收集。如果是，则执行记录块处理700。如果检测618失败或者在记 录块处理700之后，则执行检测620以查看工作模式是否被设置为突发 模式以及整个突发数据块是否已被收集。如果是，则执行突发块处理 760。如果检测620失败或者在突发块处理760之后，则执行检测622 以查看是否有任何来自通信端口的主机消息需要处理。如果是，主机消 息被处理624。如果检测622失败或者在主机消息处理之后，主例行程 序600循环回到检测606以开始另一个检测循环以查看是否有任何数据 以及何种类型的数据可以用于处理。当数据分析模块设置为数据收集模 式的时候，该循环无限地继续。
记录操作610的细节被说明于图8B中。在该示例记录模式中，分 析了至少在X和Y方向上的磁力计的数据以确定钻头旋转多快。在执 行这些分析时，软件保持自从记录块开始以来，用于在记录块开始时的 时间标记(time stamp)的变量(RPMinitial)、用于当前数据采样时间 的时间标记的变量(RPMfinal)、包含钻头每转的最大时间单位(time tick)数的变量(RPMmax)、包含钻头每转的最小时间单位数的变量 (RPMmin)以及包含当前钻头转数的变量(RPMcnt)。在ADC例行 程序780期间和在记录操作610期间计算的所得记录数据可以写入非易 失性RAM。
由于磁力计旋转于地球磁场中，所以磁力计可以用于确定钻头转 数。如果钻头被垂直安置，则确定是相对简单的操作，即比较来自X磁 力计和Y磁力计的样本的历史记录。对于可能由于定向钻井而被安置成 一定角度的钻头，计算可能更加繁杂并且需要来自所有三个磁力计的样 本。
突发操作614的细节也被说明于图8B中。突发操作614是该示例 实施方案中相对简单的。由ADC例行程序780收集的突发数据被存储 于NVRAM中，并且数据就绪标记被清除以为下一个突发样本作准 备。
背景块处理617的细节也被说明于图8B中。在背景块的结尾，执 行清理操作以为新的背景块作准备。为了准备新的背景块，完成时间被 设置以用于下一个背景块，涉及加速计的跟踪变量被设置为初始值，涉 及温度的跟踪变量被设置为初始值，涉及磁力计的跟踪变量被设置为初 始值，以及涉及RPM计算的跟踪变量被设置为初始值。在ADC例行 程序780期间和在背景块处理617期间计算的所得背景数据可以写入非 易失性RAM。
在执行自适应采样中，关于何种类型的数据模式当前正在工作以及 是否基于定时事件触发或自适应阈值触发切换到不同数据模式的判定可 以由软件作出。自适应阈值触发通常可以看作程度指数和自适应阈值之 间的检测。至少三种可能结果可能来自该检测。作为该检测的结果，可 能发生到更加详细的数据收集模式的转换，到较不详细的数据收集模式 的转换，或者可能没有发生转换。
这些数据模式被定义为：最不详细的背景模式510、比背景模式 510更加详细的记录模式530，以及比记录模式530更加详细的突发模 式550。
可以为每种数据模式定义不同的程度指数。任何给定的程度指数可 以包括来自传感器的采样值、多个传感器样本的数学组合，或者包含来 自多个传感器的历史样本的信号处理结果。通常，程度指数给出所关注 的特定现象的度量。例如，程度指数可以是由X加速计和Y加速计所 感测的值的均方误差计算组合。
在其最简单的形式中，自适应阈值可以被定义为特定阈值(可能存 储为常数)，对于该阈值，如果程度指数大于或小于自适应阈值，数据 分析模块可以切换(即适应采样)到新的数据模式。在更加复杂的形式 中，自适应阈值可以基于历史数据样本或者历史数据样本的信号处理分 析更改它的值(即适应阈值)为新的值。
通常，可以为每种数据模式定义两个自适应阈值。较低的自适应阈 值(也称为第一阈值)以及较高的自适应阈值(也称为第二阈值)。针 对自适应阈值的程度指数检测可以被用以判定是否需要切换数据模式。
在被说明于图8C-8E中的、且定义了相对于主例行程序600的弹性 示例实施方案的计算机指令中，自适应阈值判定被充分说明，但是数据 处理和数据收集的细节没有说明。
图8C说明关于背景模式处理640的一般自适应阈值检测。首先， 执行检测662以查看时间触发模式是否是激活的。如果是，操作块664 导致数据模式可能切换到不同的模式。基于预定的算法，数据模式可以 切换到记录模式、突发模式，或者可以停留于背景模式更长的预定时 间。在切换数据模式之后，软件退出背景模式处理。
如果检测662失败，则自适应阈值触发是激活，并且操作块668计 算背景程度指数(Sbk)、第一背景阈值(T1bk)以及第二背景阈值 (T2bk)。然后，执行检测670以查看背景程度指数是否在第一背景阈 值与第二背景阈值之间。如果是，操作块672将数据模式切换到记录模 式并且软件退出背景模式处理。
如果检测670失败，则执行检测674以查看背景程度指数是否大于 第二背景阈值。如果是，操作块676将数据模式切换到突发模式并且软 件退出背景模式处理。如果检测674失败，数据模式停留于背景模式并 且软件退出背景模式处理。
图8D说明关于记录块处理700的一般自适应阈值检测。首先，执 行检测702以查看时间触发模式是否是激活的。如果是，操作块704导 致数据模式可能切换到不同的模式。基于预定的算法，数据模式可以切 换到背景模式、突发模式，或者可以停留于记录模式更长的预定时间。 在切换数据模式之后，软件退出记录块处理。
如果检测702失败，则自适应阈值触发是激活的，并且操作块708 计算记录程度指数(Slg)、第一记录阈值(T1lg)以及第二记录阈值 (T2lg)。然后，执行检测710以查看记录程度指数是否小于第一记录 阈值。如果是，操作块712将数据模式切换到背景模式并且软件退出记 录块处理。
如果检测710失败，则执行检测714以查看记录程度指数是否大于 第二记录阈值。如果是，操作块716将数据模式切换到突发模式并且软 件退出记录块处理。如果检测714失败，数据模式停留于记录模式并且 软件退出记录块处理。
图8E说明关于突发块处理760的一般自适应阈值检测。首先，执 行检测882以查看时间触发模式是否是激活的。如果是，操作块884导 致数据模式可能切换到不同的模式。基于预定的算法，数据模式可以切 换到背景模式、记录模式，或者可以停留于突发模式更长的预定时间。 在切换数据模式之后，软件退出突发块处理。
如果检测882失败，则自适应阈值触发是激活的，并且操作块888 计算突发程度指数(Sbu)、第一突发阈值(T1bu)以及第二突发阈值 (T2bu)。然后，执行检测890以查看突发程度指数是否小于第一突发 阈值。如果是，操作块892将数据模式切换到背景模式并且软件退出突 发块处理。
如果检测890失败，则执行检测894以查看突发程度指数是否小于 第二突发阈值。如果是，操作块896将数据模式切换到记录模式并且软 件退出突发块处理。如果检测894失败，数据模式停留于突发模式并且 软件退出突发块处理。
在被说明于图8F-8H中的、且定义了另一个相对于主例行程序600 的处理示例实施方案的计算机指令中，数据收集和数据处理的更多细节 被说明，但是并非所有的判定都被解释和说明。而是，许多判定被显示 以进一步说明自适应阈值触发的一般概念。
在图8F中说明了背景模式处理640的另一个实施方案的细节。在 该示例背景模式中，X、Y和Z方向上的加速计的数据被收集。ADC 例行程序780对于X、Y和Z加速计中的每一个将数据作为连续的全部 背景样本的总和以及连续的全部背景数据的平方和来存储。在背景模式 处理中，每个加速计的平均值、方差、最大方差以及最小方差的参数被 计算并存储于背景数据记录内。首先，软件将当前时间标记保存642于 背景数据记录中。然后，如操作块644和646中所说明的，参数被计 算。可以将平均值计算为连续的总和除以当前对于该块所收集的样本的 数量。可以使用操作块646中所示的等式将方差设置为均方值。通过如 果当前方差小于最小方差的任何之前的值则将当前方差设置为最小值来 确定最小方差。同样地，通过如果当前方差大于最大方差的任何之前的 值则将当前方差设置为最大方差来确定最大方差。其次，如果方差(也 称为背景程度指数)大于背景阈值，则触发标记被设置648，在这种情 况下该背景阈值是在启动软件之前设置的预定值。触发标记被检测 650。如果触发标记没有被设置，则软件向下跳到操作块656。如果触发 标记已被设置，则软件转换652到记录模式。在切换到记录模式之后， 或者如果触发标记没有被设置，则软件可以选择地将背景数据记录的内 容写656到NVRAM。在一些实施方案中，可能不希望为背景数据使用 NVRAM空间。然而在其他实施方案中，当在背景模式中时，保留至少 部分所收集数据的历史记录可能是有价值的。
参考图9，显示了X磁力计样本610X和Y磁力计样本610Y的磁 力计样本历史记录。考虑样本点902，可以看到Y磁力计样本接近最小 值并且X磁力计样本处于大约90度的相位。通过跟踪这些样本的历史 记录，软件能够检测到何时已发生完整旋转。例如，软件能够探测X磁 力计样本610X何时变成正的(即大于选定值)以作为旋转的起始点。 然后，软件能够检测到何时Y磁力计样本610Y已变成正的(即大于选 定值)以作为旋转发生的指示。然后，软件能够检测到X磁力计样本 610X变成正的下一个时刻，其指示完整旋转。每当旋转发生时，记录 操作610更新上文所述的记录变量。
记录块处理700的另一种实施方案的细节被说明于图8G中。在该 示例记录块处理中，软件假定数据模式将被重置为背景模式。因而，磁 力计的电源被切断并且背景模式被设置722。如果背景模式不合适，该 数据模式可以稍后在记录块处理700中更改。在记录块处理700中，每 个加速计的均值、偏差及程度的参数被计算并存储于记录数据记录中。 参数如操作块724中所示的那样被计算。可以将平均值计算为ADC例 行程序780所准备的连续的总和除以该块当前所收集的样本数。偏差被 设置为ADC例行程序780所设置的最大值减去ADC例行程序780所 设置的最小值的量的二分之一。程度被设置为偏差乘以常数(Ksa)，该 常数可以被设置为软件运行之前的配置参数。对于每个磁力计，平均值 和跨度的参数被计算并存储726于记录数据记录中。对于温度，平均值 被计算并且存储728于记录数据记录中。对于产生于记录模式处理610 (在图8B中)期间的RPM数据，平均RPM、最小RPM、最大RPM 以及RPM程度的参数被计算并存储730于记录数据记录中。程度被设 置为最大RPM减去最小RPM并乘以常数(Ksr)，该常数可以被设置 为软件运行之前的配置参数。在计算全部参数之后，存储记录数据记录 732于NVRAM中。对于系统中的每个加速计，计算阈值734以用于确 定是否应设置自适应触发标记。比较在块734中所定义的阈值与初始触 发值。如果该阈值小于初始触发值，则该阈值被设置为初始触发值。
一旦计算出所有用于存储和自适应触发的参数，则执行检测736以 确定模式当前是被设置为自适应触发还是基于时间触发。如果检测失败 (即基于时间触发是激活的)，则触发标记清除738。执行检测740以检 验数据收集是否处于记录数据块的结尾。如果不是，软件退出记录块处 理。如果数据收集处于记录数据块的结尾，则设置突发模式742，并且 设置突发块的完成时间。另外，定义要捕获的突发块为时间触发744。
如果对自适应触发的检测736通过，则执行检测746以检验触发标 记是否被设置，这表示基于自适应触发计算应进入突发模式以收集更多 的详细信息。如果检测746通过，则设置突发模式748，并且设置突发 块的完成时间。另外，定义要捕获的突发块为自适应触发750。如果检 测746失败或者在定义突发块为自适应触发之后，则触发标记被清除 752并且记录块处理完成。
在图8H中说明了突发块处理760的另一个实施方案的细节。在该 示例实施方案中，突发程度指数没有实施。作为代替，软件总是在突发 块完成之后返回背景模式。首先，可以切断磁力计的电源以节约电能并 且软件转换762到背景模式。
在处理了许多突发块之后，被分配以用于存储突发样本的存储量可 以被完全消耗。如果是这种情况，之前存储的突发块可能需要被设置以 由来自下一个突发块的样本重写。软件检查764以查看是否有任何未使 用的NVRAM可用于突发块数据。如果并不是所有的突发块都被使 用，则软件退出突发块处理。如果所有的突发块都被使用766，则软件 使用算法找出768用于重写的良好候补者。
本领域技术人员将意识到并认识到，于图8B中所说明的主例行程 序600在背景模式中的每次采样之后切换到自适应阈值检测，而在记录 模式和突发模式中只是在块被收集之后切换。当然，自适应阈值检测可 以适合于在每种模式中的每次采样之后执行，或者在每种模式中在完整 的块被收集之后执行。此外，在图8A中所说明的ADC例行程序780 说明数据收集和分析的示例实施方案。许多其他数据收集和分析操作都 认为属于本发明的范围之内。
更多的存储器、更多的电源或者它们的组合可能为更加详细的模式 所需要，因此，自适应阈值触发关于收集和处理最有用的和最详细的信 息提供最优化存储器使用、电源使用或者它们的组合的方法。例如，自 适应阈值触发可以适合于探测特定类型的已知事件，例如钻头涡动、钻 头反弹、钻头摆动、钻头步进、横向振动以及扭转振荡。
图10、11和12说明可以由数据分析模块收集的示例数据类型。图 10说明扭转振荡。初始地，磁力计测量值610Y和610X说明每分钟大 约20转(RPM)611X的旋转速度，该速度可能指示着对某个类型地层 的钻头约束。然后，磁力计说明在钻头不受约束力时旋转速度增至大约 120RPM 611Y的大增加。旋转的这种增加也由加速计测量值620X、 620Y和620Z说明。
图11说明由加速计收集的数据的波形(620X、620Y和620Z)。波 形630Y说明由软件计算的Y加速计的方差。波形640Y说明由软件计 算的Y加速计的阈值。该Y阈值可以单独地或与其他阈值组合地使 用，以确定是否数据模式转换应该发生。
图12说明如图11中所示的由加速计收集的相同数据的波形 (620X、620Y和620Z)。图12也显示了说明由软件计算的X加速计 的方差的波形630X。波形640X说明由软件计算的X加速计的阈值。 该X阈值可以单独地或与其他阈值组合地使用，以确定是否数据模式转 换应该发生。
虽然在这里已针对某些优选实施方案描述本发明，但是本领域技术 人员应当意识到并认识到它并非如此局限的。而是，可以不背离在下文 所要求权利的发明范围，而对优选实施方案进行许多添加、删除以及修 改。另外，一个实施方案的特征可以与另一个实施方案的特征结合，而 仍然包含在发明人所考虑的发明范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种用于钻入地层的钻头，包括：
具有至少一个切割元件并适合于连接到钻柱的钻头体；
包括通过其中形成的中心孔的钎尾，该钎尾固定到钻头体并适合于 连接到钻柱；以及
被配置以布置在中心孔中的端盖，该端盖包括：
端盖体；
从端盖体延伸的第一法兰；以及
从端盖体延伸的第二法兰，使得通过第一法兰、第二法兰、端 盖体以及中心孔的至少一个壁在钎尾中形成环形腔；以及
布置于环形腔中并被配置以感测至少一个物理参数的一个或多个传 感器。
2. 根据权利要求1的钻头，其中该一个或多个传感器中的至少一 个以适合于将钻头所经受的加速效应的传递性提供到该一个或多个传感 器中的该至少一个的方式固定到环形腔。
3. 根据权利要求1的钻头，还包括布置于环形腔中的电子模块。
4. 根据权利要求1、2或3的钻头，还包括至少一个被配置为该一 个或多个传感器中的至少一个的替代传感器的冗余传感器。
5. 根据权利要求1、2或3的设备，其中该一个或多个传感器包括 至少一个被配置用于感测该钻头的加速效应的加速计。
6. 根据权利要求1、2或3的设备，其中该一个或多个传感器包括 至少一个被配置用于感测作用在钻头上的磁场的磁力计。
7. 根据权利要求1、2或3的钻头，其中通过至少一个包含高压高 温的静止密封封装的密封环将该环形腔基本上密封于该端盖和该中心孔 之间。
8. 根据权利要求1、2或3的钻头，其中，使用选自由固定压入配 合、螺纹连接、环氧树脂连接、形状记忆固定器、焊接以及铜焊构成的 组的连接将端盖固定到钎尾。
9. 根据权利要求1或2的钻头，还包括电子模块，该电子模块包 括安装在被配置为环圈并布置在环形腔中的柔性电路板上的电路。
10. 根据权利要求9的钻头，其中：
柔性电路板包括用以下方式固定到端盖的加强构架，该方式适合于 将钻头所经受的加速效应的传递性提供到安装在加强构架上的至少一个 传感器；以及
柔性电路板除了加强构架外的部分用粘弹性粘合剂粘合到端盖上， 该粘弹性粘合剂适合于对安装在柔性电路板上的非传感器电子部件至少 部分削弱钻头所经受的加速效应。
11. 根据权利要求3或9的钻头，还包括：
被配置以探测至少一个起始参数并且响应于该至少一个起始参数产 生电源启动信号的起始传感器；以及
连接到起始传感器、电源和电子模块的电源门控模块，其中该电源 门控模块被配置以当电源启动信号被断定时在操作上将电源连接到电子 模块。
12. 根据权利要求11的钻头，其中该至少一个起始参数选自由振 动、加速度、向心加速度、钻头中的位置处的温度、钻头中的位置处的 应变、钻头内部的流体压力、钻头外部的流体压力、钻头内的流体流 动、流体阻抗、流体混浊度、电磁水平以及磁通量构成的组。
13. 根据权利要求3或9的钻头，其中电子模块还包括被配置以与 选自由远程处理系统和随钻测量通信系统构成的组的远程装置通信的通 信端口。
14. 根据权利要求13的钻头，其中通信端口还被配置以使用选自 由有线连接和无线连接构成的组的连接进行通信。
15. 根据权利要求13的钻头，其中通信使用选自由电磁能、振动 能和压力差构成的组的通信媒介发生。
16. 根据权利要求3或9的钻头，其中电子模块还包括：
被配置以存储包含计算机指令和传感器数据的信息的存储器；以及 被配置以执行计算机指令的处理器，其中该计算机指令被配置以：
通过采样该至少一个传感器收集传感器数据；
分析传感器数据以形成程度指数；
将程度指数与至少一个自适应阈值比较，以及
响应于该比较而修改数据采样模式。
17. 根据权利要求16的钻头，其中电子模块还包括至少一个冗余 传感器并且计算机指令还被配置以采样作为该至少一个传感器的替代的 该至少一个冗余传感器。
18. 根据权利要求3或9的钻头，其中电子模块还包括被配置以 与远程传感器通信的传感器接收器。
19. 根据权利要求3或9的钻头，其中电子模块还包括在操作上 连接到处理器和该至少一个传感器的至少一个电源控制器，该至少一个 电源控制器被配置以响应于来自处理器的电源控制信号而对该至少一个 传感器加电和禁止加电。
20. 一种方法，包括：
在采样频率下通过采样布置于钻头中的至少一个传感器来收集传感 器数据，其中该至少一个传感器响应于与钻头状态有关的至少一个物理 参数；
分析传感器数据以形成程度指数，其中分析由布置于钻头中的处理 器执行；
将程度指数与至少一个自适应阈值比较；以及
响应于该比较而修改数据采样模式。
21. 一种方法，包括：
当处于背景模式时，通过在背景采样频率下采样与钻头状态有关的 至少一个物理参数来收集背景数据；以及
在预定数量的背景样本后，从背景模式转换到记录模式。
22. 根据权利要求21的方法，还包括：
当处于记录模式时，通过在记录采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集记录数据；以及
在预定数量的记录样本后，从记录模式转换到背景模式。
23. 根据权利要求21的方法，还包括：
当处于记录模式时，通过在记录采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集记录数据；以及
在预定数量的记录样本后，从记录模式转换到突发模式。
24. 根据权利要求23的方法，还包括：
当处于突发模式时，通过在突发采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集突发数据；以及
在预定数量的突发样本后，从突发模式转换到背景模式。
25. 根据权利要求23的方法，还包括：
当处于突发模式时，通过在突发采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集突发数据；以及
在预定数量的突发样本后，从突发模式转换到记录模式。
26. 一种方法，包括：
当处于背景模式时，通过在背景采样频率下采样与钻头状态有关的 至少一个物理参数来收集背景数据；以及
在预定数量的背景样本后，从背景模式转换到突发模式。
27. 根据权利要求26的方法，还包括：
当处于突发模式时，通过在突发采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集突发数据；以及
在预定数量的突发样本后，从突发模式转换到背景模式。
28. 根据权利要求26的方法，还包括：
当处于突发模式时，通过在突发采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集突发数据；以及
在预定数量的突发样本后，从突发模式转换到记录模式。
29. 根据权利要求28的方法，还包括：
当处于记录模式时，通过在记录采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集记录数据；以及
在预定数量的记录样本后，从记录模式转换到背景模式。
30. 根据权利要求28的方法，还包括：
当处于记录模式时，通过在记录采样频率下采样该至少一个物理参 数来收集记录数据；以及
在预定数量的记录样本后，从记录模式转换到突发模式。
31. 根据权利要求20的方法，其中：
收集传感器数据还包括当处于背景模式时在背景频率下收集背景数 据；
程度指数包括背景程度指数；以及
修改数据采样模式还包括：
如果背景程度指数大于第一背景阈值，则从背景模式转换到记 录模式；以及
如果背景程度指数大于第二背景阈值，则从背景模式转换到突 发模式。
32. 根据权利要求31的方法，其中：
收集传感器数据还包括当处于记录模式时在记录频率下收集记录数 据；
程度指数包括记录程度指数；以及
修改数据采样模式还包括：
如果记录程度指数小于第一记录阈值，则从记录模式转换到背 景模式；以及
如果记录程度指数大于第二记录阈值，则从记录模式转换到突 发模式。
33. 根据权利要求32的方法，还包括：
收集传感器数据还包括当处于突发模式时在突发频率下收集突发数 据；
程度指数包括突发程度指数；以及
修改数据采样模式还包括：
如果突发程度指数小于第一突发阈值，则从突发模式转换到背 景模式；以及
如果突发程度指数小于第二突发阈值，则从突发模式转换到记 录模式。