Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение, в общем, относится к способу, устройству и программному обеспечению для тестирования свойственной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых материалов; и более конкретно, к способу, устройству и программному обеспечению для тестирования свойственной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых материалов, таких как образцы горной породы и вставки для скважинных инструментов, используя акустическую эмиссию.
Уровень техники
На фиг.1 показан сверхтвердый материал 100, который может быть вставлен внутрь скважинного инструмента (не показан), такого как буровое долото или расширитель ствола скважины, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения. Один пример сверхтвердого материала 100 представляет собой режущий элемент 100 или резак, или вставку, для шарошечных долот, как показано на фиг.1. Однако сверхтвердый материал 100 может быть сформирован в виде других структур, в соответствии с вариантом применения, в котором он должен использоваться. В других примерах сверхтвердый материал 100 представляет собой образец горной породы, который может быть получен из скважины или других источников. Режущий элемент 100 обычно включает в себя подложку 110, имеющую контактную поверхность 115, и режущую пластину 120. Режущая пластина 120 изготовлена с использованием ультратвердого слоя, который соединен с контактной поверхностью 115 в процессе обжига, в соответствии с одним примером. В соответствии с некоторыми примерами, подложка ПО, в общем, изготовлена из карбида вольфрама и кобальта или карбида вольфрама, в то время как режущая пластина 120 сформирована с использованием слоя поликристаллического ультратвердого материала, такого как поликристаллический алмаз ("PCD") или поликристаллический кубический нитрид бора ("PCBN"). Такие режущие элементы 100 изготавливают в соответствии с процессами и материалами, известными специалистам в данной области техники. Хотя режущая пластина 120 показана, как имеющая, по существу, плоскую внешнюю поверхность, режущая пластина 120 может иметь внешние поверхности альтернативной формы, такой как куполообразная форма, вогнутая форма или другие неплоские формы внешней поверхности, в других вариантах осуществления. Хотя были представлены некоторые примерные составы режущего элемента 100, другие составы и структуры, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться в зависимости от варианта применения. Хотя бурение в твердых породах представляет собой один пример применения, в котором может использоваться или из которого может быть получен сверхтвердый материал 100, который описан ниже, сверхтвердый материал 100 может использоваться в различных других вариантах применения или может быть получен из различных других вариантов применения, включая в себя, но без ограничений, механическую обработку, обработку древесины и карьерные разработки.
Разные сорта PCD, PCBN, твердого и сверхтвердого материала доступны для использования резцов 100 в различных вариантах применения, таких как бурение различных горных пород, используя разные конструкции бурового долота, или для механической обработки разных металлов или материалов. Типичные проблемы, связанные с такими резцами 100, включают в себя скалывание, частичное растрескивание, дробление и/или отслаивание режущей пластины 120 во время использования. Эти проблемы приводят к раннему отказу режущей пластины 120 и/или подложки ПО. Как правило, напряжения большой магнитуды, генерируемые в режущей пластине 120, в области, где режущая пластина 120 входит в контакт с подземными формациями во время бурения, может вызывать эти проблемы. Эти проблемы повышают стоимость бурения, из-за затрат, связанных с ремонтом, временем простоя во время производства и трудозатратами. Таким образом, конечный пользователь, такой как разработчик долота или инженер по эксплуатации, выбирает лучше всего работающую марку резца 100 для любой заданной задачи бурения или механической обработки для снижения вероятности возникновения этих типичных проблем. Например, конечный пользователь выбирает соответствующий резец 100 на основе баланса между устойчивостью к износу и устойчивостью к ударному воздействию резца 100, определяемых с использованием обычных способов. Как правило, информацию, доступную для конечного пользователя для выбора резца 100 соответствующей марки для конкретного варианта применения, выводят из регистрационных данных, которые представляют рабочие характеристики разных марок PCD, PCBN, твердых или сверхтвердых материалов в определенных областях и/или из функциональных лабораторных тестов, в которых пытаются копировать различные условия бурения или механической обработки при тестировании различных резцов 100. В настоящее время существуют две основные категории лабораторного функционального тестирования, которые используют в буровой отрасли. Эти тесты представляют собой тест на абразивный износ и тест на ударное воздействие.
Сверхтвердые материалы 100, которые включают в себя резцы 100 из поликристаллических алмазных вставок ("PDC"), были испытаны на устойчивость к абразивному износу путем использования двух обычных способов тестирования. Резец 100 PDC включает в себя режущую пластину 120, изготовленную из PCD. На фиг.2 показан токарный станок 200, применяемый для тестирования устойчивости на абразивный износ, используя тест с обычным гранитным кругляком. Хотя здесь представлена одна примерная конфигурация устройства токарного станка 200, другие конфигурации устройства, известные специалистам в данной области техники, можно использовать, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.
На фиг.2 токарный станок 200 включает в себя зажимной патрон 210, заднюю бабку 220 и резцедержатель 230, установленный между зажимным патроном 210 и задней бабкой 220. Целевой цилиндр 250 имеет первый торец 252, второй торец 254 и боковую стенку 258, продолжающуюся от первого торца 252 до второго торца 254. В соответствии с обычным тестом с гранитным кругляком, боковая стенка 258 представляет собой открытую поверхность 259, которая входит в контакт со сверхтвердым материалом 100 во время тестирования. Первый торец 252 соединен с зажимным патроном 210, в то время как второй торец 254 соединен с задней бабкой 220. Зажимной патрон 210 выполнен с возможностью вращения, обеспечивая, таким образом, одновременное с ним вращение целевого цилиндра 250 вдоль центральной оси 256 целевого цилиндра 250. Задняя бабка 220 выполнена с возможностью удержания второго торца 254 на месте, во время вращения целевого цилиндра 250. Целевой цилиндр 250 изготовлен из одного однородного материала, который обычно представляет собой гранит. Однако другие типы скальных пород использовались в качестве целевого цилиндра 250, которые включают в себя, но без ограничений, джекфоркский песчаник, известняк из Индианы, песчаник из Береа, карфагенский мрамор, черный мрамор из Шамплейн, гранит из Беркли, белый гранит из Сьерры, техасский розовый гранит, и серый гранит из Джорджии.
Резец 100 PDC установлен на резцедержателе 230 токарного станка таким образом, что резец 100 PDC входит в контакт с открытыми поверхностями 259 целевого цилиндра 250. Резцедержатель 230 токарного станка отводит резец 100 PDC вперед и назад вдоль открытой поверхности 259. Резцедержатель 230 имеет скорость подачи внутрь на целевом цилиндре 250. Устойчивость к абразивному износу резца 100 PDC определяют как степень износа, которую определяют, как отношение удаленного объема целевого цилиндра 250, к удаленному объему резца 100 PDC. В качестве альтернативы, вместо измерения объема, расстояние, на которое резец 100 PDC переместился внутрь целевого цилиндра 250, может быть измерено и может использоваться для количественного выражения устойчивости к абразивному износу резца 100 PDC. В качестве альтернативы, другие способы, известные специалистам в данной области техники, можно использовать для определения устойчивости к износу, используя тест с гранитным кругляком. Работа и конструкция токарного станка 200 известны специалистам в данной области техники. Описания теста такого типа можно найти в публикации Eaton, В.А., Bower, Jr., А.В., and Martis, J.А. "Manufactured Diamond Cutters Used In Drilling Bits." Journal of Petroleum Technology, May 1975, 543-551. Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA, которая была опубликована в the Journal of Petroleum Technology in May 1975, а также можно найти в публикации Maurer, William С, Advanced Drilling Techniques, Chapter 22, The Petroleum Publishing Company, 1980, pp.541-591, которые представлены здесь по ссылке.
На фиг.3 показан вертикальный сверлильный станок 300, предназначенный для тестирования устойчивости к абразивному износу с использованием теста с вертикальным сверлильным станком ("VBM") или теста с вертикально-токарным станком с револьверной головкой ("VTL"). Хотя представлена одна примерная конфигурация устройства для VBM 300, другие конфигурации устройства можно использовать без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Вертикальный сверлильный станок 300 включает в себя вращающийся стол 310 и резцедержатель 320, расположенный над вращающимся столом 310. Целевой цилиндр 350 имеет первый торец 352, второй торец 354 и боковую стенку 358, продолжающуюся от первого торца 352 до второго торца 354. В соответствии с обычным тестом VBM, второй торец 354 представляет собой открытую поверхность 359, в контакте с которой находится сверхтвердый материал 100 во время испытаний. Целевой цилиндр 350 обычно представляет собой приблизительно тридцать дюймов на приблизительно шестьдесят дюймов в диаметре; однако его диаметр может быть больше или меньше.
Первый торец 352 установлен на нижнем вращающемся столе 310 VBM 300, в результате чего, его открытая поверхность 359 обращена к резцедержателю 320. Резец 100 PDC установлен в резцедержателе 320 над открытой поверхностью 359 целевого цилиндра и входит в контакт с открытой поверхностью 359. Целевой цилиндр 350 вращается, в то время как резцедержатель 320 выполняет циклические движения резцом 100 PDC от приблизительно центра открытой поверхности 359 целевого цилиндра приблизительно до ее кромки и обратно приблизительно к центру открытой поверхности 359 целевого цилиндра. Резцедержатель 320 имеет заданную скорость подачи вниз. Способ VBM позволяет установить более высокие нагрузки на резце 100 PDC, и более крупный целевой цилиндр 350 обеспечивает больший объем скальной породы, на которую воздействует резец 100 PDC. Целевой цилиндр 350 обычно изготовлен из гранита; однако целевой цилиндр может быть изготовлен из других материалов, которые включают в себя, но без ограничений, джекфоркский песчаник, известняк из Индианы, песчаник из Береа, карфагенский мрамор, черный мрамор из Шамплейн, гранит из Беркли, белый гранит из Сьерры, техасский розовый гранит, и серый гранит из Джорджии.
Устойчивость к абразивному износу резца 100 PDC определяют, как отношение степени износа, которую определяют, как отношение объема целевого цилиндра 350, который был удален, к объему резца 100 PDC, который был удален. В качестве альтернативы, вместо измерения объема, можно измерять расстояние, на которое переместился резец 100 PDC через целевой цилиндр 350, и использовать для количественной характеристики устойчивости к абразивному износу резца 100 PDC. В качестве альтернативы, другие способы, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться для определения устойчивости к износу, используя тест VBM. Операция и конструкция VBM 300 известны специалистам в данной области техники. Описание тестирования этого типа можно найти в публикации Bertagnolli, Ken and Vale, Roger, "Understanding and Controlling Residual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for Enhanced Durability," US Synthetic Corporation, 2000, которая представлена здесь полностью по ссылке.
В дополнение к тестированию на устойчивость к абразивному износу резцы 100 PDC также могут быть тестированы на устойчивость к ударным нагрузкам. На фиг.4 показано устройство 400 вертикального стенда ударных ускорений для тестирования устойчивости к ударным воздействиям сверхтвердых материалов, используя тест "падающий молоток", где металлический груз 450 подвешивают над и сбрасывают на резец 100. При тесте "падающий молоток" делается попытка эмулировать тип нагрузки, которая может возникать, когда резец 100 PDC переходит из одной формации в другую, или когда на него воздействуют поперечные и осевые вибрации. Результаты тестирования на ударное воздействие позволяют ранжировать разные резцы на основе их прочности к ударному воздействию; однако это ранжирование не позволяет выполнить прогнозирование в соответствии с тем, как резцы 100 будут работать в условиях буровой скважины.
На фиг.4 устройство 400 вертикального стенда для ударных ускорений включает в себя сверхтвердый материал 100, такой как резец PDC, крепление 420 цели и ударную пластинку 450, расположенную над сверхтвердым материалом 100. Резец 100 PDC закреплен в креплении 420 цели. Ударная пластина 450, или груз, обычно изготовлена из стали и располагается над резцом 100 PDC. Однако ударная пластина 450 может быть изготовлена из альтернативных материалов, известных специалистам в данной техники. Резец 100 PDC обычно удерживается под углом 415, равным переднему углу в продольной плоскости, так что алмазная пластина 120 резца 100 PDC установлена под углом внутрь в направлении ударной пластины 450. Диапазон угла 415, равного переднему углу в продольной плоскости резца, известен специалистам в данной области техники.
Ударную пластину 450 многократно сбрасывают на кромку резца 100 PDC до тех пор, пока кромка резца 100 PDC не отломится или не разрушится в результате растрескивания. Эти тесты также называются "тестами бокового удара", поскольку ударная пластинка 450 ударяет об открытую кромку алмазной пластины 120. Повреждения обычно возникают либо в алмазной пластине 120, или на контактной поверхности 115 между алмазной пластиной 120 и карбидной подложкой ПО. Тест "падающий молоток" является очень чувствительным к структуре кромки алмазной пластины 120. Если пластина 120 будет немного скошенной, результаты испытаний могут существенно измениться. Общую энергию, выраженную в Джоулях, затраченную до получения первых повреждений алмазной пластины 120, записывают. Для более устойчивых к ударным воздействиям резцом 100, ударная пластина 450 может сбрасываться в соответствии с заранее установленным планом с увеличивающейся высоты, для того, чтобы передавать большую энергию удара резцу 100, с тем, чтобы получить повреждения. Однако такой тест "падающий молоток" имеет недостатки, состоящие в том, что данный способ требует тестирования множества резцов 100 для достижения достоверной статистической выборки, которая позволяет сравнивать относительную устойчивость к ударному воздействию одного типа резца с другим типом резца. Такой тест дает неадекватные результаты для предоставления истинной устойчивости к ударным воздействиям на весь резец 100, когда на него воздействуют ударные нагрузки во внутрискважинной среде. Такой тест проявляет эффект статического удара, тогда как истинный удар является динамическим. Количество ударов в секунду может достигать до 100 герц ("Гц"). Кроме того, степень повреждения резца 100 субъективно оценивается лицом с натренированным взглядом, и ее сравнивают с повреждениями, возникшими в других резцах.
В то время как результаты различных испытаний на износ, доступных на рынке, обычно имеют разумную степень согласованности с фактическими характеристиками при работе внутри скважины, это не относится к результатам обычных тестов на ударные воздействия. Хотя существует некоторая степень корреляции между результатами обычных тестов на ударные воздействия и фактическими характеристиками при работе внутри скважины, рассеивание данных обычно очень велико, что приводит к трудностям или неточностям при прогнозировании, как резцы поведут себя в фактической среде внутри скважины.
Кроме того, множество трещин, возникающих в резце, не детектируются при использовании этих обычных тестов и, поэтому, остаются не детектированными при оценке жесткости резца.
Кроме того, поскольку выбор долота представляет собой критический процесс, важно знать механические свойства других горных пород, которые долото должно пробурить. Один из самых важных параметров, в настоящий момент используемых для выбора долота, представляет собой предел прочности при неограниченном сжатии ("UCS") горной породы, который может быть измерен прямо на образцах керна или оценен опосредованно по каротажным данным. Однако, выбирая долото, нельзя исключительно положиться на UCS горной породы, потому что UCS может вводить в заблуждение, особенно когда UCS горной породы превышает 15 ООО psi, и порода является хрупкой, таким образом, имеет малую вязкость Kic разрушения. Таким образом, вязкость разрушения горной породы также нужно учитывать, выбирая правильное буровое долото.
Краткое описание чертежей Представленные выше и другие особенности, и аспекты изобретения лучше всего будут поняты со ссылкой на следующее описание определенных примерных вариантов осуществления, которое следует читать совместно с приложенными чертежами, на которых:
на фиг.1 показан сверхтвердый материал, который вставляется в скважинный инструмент, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 показан токарный станок для тестирования устойчивости абразивному износу, используя обычный тест с гранитным кругляком;
на фиг.3 показан вертикальный расточный станок для тестирования сопротивления абразивного износа, используя тест с вертикальным расточным станком или тест с вертикальным револьверным станком;
на фиг.4 показано устройство башни для сброса груза, предназначенное для тестирования устойчивости к ударному воздействию сверхтвердых компонентов, используя тест "падающий молоток";
на фиг.5 показан вид в перспективе системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.6 показан вид в поперечном сечении устройства тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.7 показан вид в перспективе резцедержателя, как показано на фиг.5, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.8 показан вид в перспективе устройства тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 с индентором, удаленным из резцедержателя, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.9 показан вид в перспективе системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с альтернативным примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.10 показана блок-схема устройства записи данных по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления;
на фиг.11 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до двух килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.12 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до пяти килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.13 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до тридцати килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.14 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до сорока килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.15A показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца производителя резца №1 образца резца №1, на который воздействует нагрузка приблизительно до сорока пяти килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.15B показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца производителя резца №2 образца резца №2, на который воздействует нагрузка приблизительно до тридцати килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.16 показана блок-схема последовательности операций способа для анализа точек данных, принятых от акустического датчика, в котором способ, включает в себя способ цикла один и способ цикла два, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.17 показана детальная блок-схема последовательности операций способа цикла один по фиг.16 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.18 показана детальная блок-схема последовательности операций способа цикла два по фиг.16 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.19 показано графическое представление акустической эмиссии резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.20 показан увеличенный вид части графического представления акустической эмиссии резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.21 показано представление интегрального распределения для каждого фактического акустического события в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на фиг.22 показана блок-схема процессора по фиг.10 в соответствии с примерным вариантом осуществления.
на фиг.23 показан образец горной породы, который доступен для проверки в системах тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 и 9, соответственно, вместо резца по фиг.1 в соответствии с примерным вариантом осуществления;
на фиг.24 показано устройство тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5, вставленный в выдерживающую давление камеру, в соответствии с примерным вариантом осуществления;
на фиг.25 показан вид в поперечном сечении системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.26 показан вид в поперечном сечении системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.27 представлен способ акустического тестирования в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на фиг.28 представлен вид в поперечном сечении системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с еще одним примерным вариантом выполнения настоящего изобретения.
На чертежах иллюстрируются только примерные варианты осуществления изобретения, и, поэтому, их не следует рассматривать, как ограничения его объема, поскольку в изобретении могут применяться другие, в равной степени эффективные варианты осуществления.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на способ, устройство и программное обеспечение, для тестирования свойственной прочности, или жесткости твердых или сверхтвердых материалов, таких как вставки и образцы горных пород, полученные из внутрискважинных формаций, используя акустическое излучение. Хотя описание примерных вариантов осуществления представлено ниже в отношении резца PDC, альтернативные варианты осуществления изобретения могут применяться в других типах твердых или сверхтвердых материалов, включающих в себя, но без ограничений, резцы PCBN, образцы горных пород или другие твердые или сверхтвердые материалы, известные или еще не известные для специалистов в данной области техники. Например, твердые или сверхтвердые материалы включают в себя цементированный карбид вольфрама, карбид кремния, матричные образцы карбида вольфрама, керамику или вставки, покрытые способом осаждения из химических паров ("CVD"). Твердые материалы или сверхтвердые материалы также включают в себя образцы горной породы, которые включают в себя, но не ограничены этим, твердые образцы горной породы и/или сцементированные образцы горной породы, полученные из внутрискважинной формации или буровой скважины. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления настоящего изобретение, одно или более свойств образца горной породы определяют, измеряя события разлома, происходящие в образце горной породы, когда на него воздействуют вызывающим излом давлением. В некоторых примерных вариантах осуществления события разлома измеряют во времени и в пространстве. Измерение, по меньшей мере, интенсивности и/или местоположения изломов в пределах образца горной породы облегчает выбор соответствующих типов резца, которые будут использоваться для бурения в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления, измерение, по меньшей мере, интенсивности и/или местоположения разломов в образце горной породы облегчает выбор, по меньшей мере, одной программы формирования разломов внутри скважины в условиях высокого давления или, по меньшей мере, одного параметра программы бурения скважины, нацеленной на внутрискважинную формацию или аналогичные внутрискважинные формации, из которых был получен образец горной породы.
Изобретение будет более понятно при чтении следующего описания не ограничительных примерных вариантов осуществления, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых одинаковые их части каждой из фигур идентифицированы и обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций, которые кратко описаны ниже. На фиг.5 показан вид в перспективе системы 500 тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.6 показан вид в поперечном сечении устройства 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.5 и 6, система 500 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 505 тестирования на основе акустической эмиссии, соединенное с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных. Устройство 505 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя резцедержатель 510, резец 100, индентор 550 и акустический датчик 570. В некоторых вариантах осуществления, однако резцедержатель 510 является необязательным. Хотя резец 100 представлен в примерном варианте осуществления, образец 2300 горной породы (фиг.23) заменяет резец 100 в альтернативных примерных вариантах осуществления.
На фиг.7 показан вид в перспективе резцедержатель 510 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.5, 6 и 7, резцедержатель 510 включает в себя первую поверхность 712, вторую поверхность 714 и боковую поверхность 716. Первая поверхность 712 расположена в плоскости, которая, по существу, параллельна плоскости, в которой расположена вторая поверхность 714. Боковая поверхность 716 продолжается от первой поверхности 712 до второй поверхности 714. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 716 расположена, по существу, перпендикулярно, по меньшей мере, одной из первой поверхности 712 и второй поверхности 714. В соответствии с альтернативными примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 716 не является, по существу, перпендикулярной ни первой поверхности 712, ни второй поверхности 714. Резцедержатель 510 изготовлен из стали; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, резцедержатель 510 изготовлен из любого металла, древесины или другого соответствующего материала, известного специалистам в данной области техники, который позволяет выдерживать нагрузку 580, как описано более подробно ниже, которая может быть приложена. Нагрузка 580 может находиться в диапазоне от приблизительно ноль килоньютонов до приблизительно семидесяти килоньютонов. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал может быть механически обработан или сформован и выполнен с возможностью распространения в нем звука. В определенных примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью распространения в нем звука со скоростью приблизительно 1 километр в секунду или выше.
Резцедержатель 510 выполнен так, что он имеет, по существу, цилиндрическую форму, в которой первая поверхность 712 имеет, по существу, круглую форму, вторая поверхность имеет, по существу, круглую форму, и боковая поверхность 716 имеет, по существу, изогнутую форму. Однако боковая поверхность 716 включает в себя соединительный участок 730, который является, по существу, плоским, или имеет плоскую поверхность и продолжается от первой поверхности 712 до второй поверхности 714. Соединительный участок 730 предоставляет поверхность для соединения акустического датчика 570 для резцедержателя 510. В некоторых примерных вариантах осуществления соединительный участок 730 не продолжается по всей длине от первой поверхности 712 до второй поверхности 714. В некоторых примерных вариантах осуществления акустический датчик 570 имеет такие размеры, что акустический датчик 570 может быть соединен с боковой поверхностью 716, которая имеет изогнутую форму. Таким образом, соединительный участок 730 является необязательным в таких примерных вариантах осуществления. Хотя одна примерная форма предусмотрена для резцедержателя 510, резцедержатель 510 может иметь любую другую или не геометрическую форму, такую как цилиндр в форме квадрата или цилиндр в форме треугольника, без отступа от объема и сущности примерного варианта осуществления.
В полости 720 сформирован резцедержатель 510, и она выполнена с такими размерами, чтобы мог разместиться резец 100, или некоторый другой твердый или сверхтвердый материал, такой как образец 2300 горной породы (фиг.23), который дополнительно описан ниже. Полость 720 имеет размеры, несколько большие в диаметре, чем диаметр резца 100, обеспечивая, таким образом, возможность простой и свободной установки резца 100 внутри полости 720. Полость 720 продолжается от первой поверхности 712 в направлении второй поверхности 714, но не достигает второй поверхности 714. В других примерных вариантах осуществления полость 720 продолжается от первой поверхности 712 до второй поверхности 714 и продолжается через резцедержатель 510, формируя, таким образом, отверстие в резцедержателе 510. Полость 720 выполнена круглой по форме, но имеет любую другую геометрическую или не геометрическую форму в других примерных вариантах осуществления. Полость 720 сформирована путем механической обработки резцедержателя 510 или формования резцедержателя 510, так, чтобы в нем сформировалась полость 720. В качестве альтернативы, полость 720 сформирована с использованием других способов, известных специалистам в данной области техники. В некоторых примерных вариантах осуществления полость 720 сформирована так, чтобы обеспечить правильное выравнивание резца 100 одинаковым образом каждый раз, когда резец 100 вставляют в полость 720.
Резец 100 ранее был описан со ссылкой на фиг.1 и применим для примерных вариантов осуществления. Вкратце, резец 100 включает в себя подложку 110 и пластину 120 резца, которая сформирована или которая соединена с верхней частью подложки 110. В примерном варианте осуществления пластина 120 резца сформована из PCD, но в альтернативных примерных вариантах осуществления пластина 120 резца изготовлена из других твердых или сверхтвердых материалов, таких как PCBN, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Хотя резец 100 имеет плоскую пластину 120 резца или выполнен цилиндрическим, пластина 120 резца может быть выполнена куполообразной, с вогнутой формой или любой другой формой, известной специалистам в данной области техники.
Резец 100 включает в себя обработанные и/или отшлифованные резцы, а также "необработанные" резцы. "Необработанные" резцы являются необработанными и представляют собой резцы, которые обычно доступны непосредственно из пресс-формы. Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают возможность тестирования обоих этих типов резцов. Поскольку изготовители резцов имеют возможность тестировать "необработанные" резцы, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, изготовители резцов имеют возможность гарантировать, чтобы они удовлетворяют спецификации уже на ранних этапах производства резца. Если изготовители резцов определяют, что "необработанные" резцы 100 не удовлетворяют соответствующим спецификациям, они имеют возможность выполнить необходимые изменения в своих операционных параметрах, для получения "хороших" резцов перед дальнейшим производством резцов. Кроме того, "необработанные" резцы могут тестироваться при более низком уровне килоньютонов или нагрузки, для гарантирования того, что "необработанные" резцы не будут трескаться после определенной нагрузки. Если возникают трещины во время тестирования "необработанных" резцов, изготовители резцов могут отказаться от дополнительных затрат, связанных с окончательной обработкой и шлифовкой этих "необработанных" резцов; избегая, таким образом, ненужных затрат. Следовательно, каждый "необработанный" резец может быть тестирован в системе 500 тестирования на основе акустической эмиссии, с использованием более низких уровней нагрузки, для гарантирования того, чтобы резцы 100 являются "хорошими" резцами.
На фиг.6 резец 100 вставлен в полость 720 резцедержателя 510. Резец 100 ориентирован внутри полости 720 так, что пластина 120 резца обращена в направлении первой поверхности 712, или от второй поверхности 714. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления, весь резец 100 вставлен в полость 720. Однако, в альтернативных примерных вариантах осуществления, участок резца 100, который включает в себя всю подложку 110, полностью вставлен в полость 720. Таким образом, в этих альтернативных примерных вариантах осуществления, по меньшей мере, участок пластины 120 резца не вставлен в полость 720. После того, как резец 100 будет вставлен в полость 720, воздушный зазор 610 формируют между внешней кромкой резца 100 и внешней поверхностью полости 720. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, смазку 620 наносят на внешнюю кромку резца 100 или помещают внутрь полости 720. В этих примерных вариантах осуществления, после того, как резец 100 будет помещен в полость 720, смазка 620 заполняет, по меньшей мере, участок воздушного зазора 610 так, что смазка 620 налипает, как на внешнюю поверхность полости 720, так и на внешнюю кромку резца 100 и занимает участок воздушного зазора 610 между ними. В других примерных вариантах осуществления смазка 620 помещена, по меньшей мере, между нижней поверхностью полости 720 и основанием резца 100. Смазка 620 улучшает акустическую передачу между резцом 100 и акустическим датчиком 570. Смазка 620 представляет собой гель, такой как ультразвуковой гель, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. Однако в альтернативных примерных вариантах осуществления, другие материалы можно использовать в качестве смазки 620, которые включают в себя, но не ограничиваются этим, масла, густую смазку и лосьоны. Эти материалы могут быть распределены с прилипанием их к поверхностям, и медленно высыхают. Хотя резец 100 описан, как используемый в этом примерном варианте осуществления, другие твердые или сверхтвердых материалы, для которых требуется выполнить тестирование жесткости, могут использоваться вместо резца 100.
Как снова показано на фиг.5 и 6, индентор 550 выполнен с куполообразной формой на первом торце 650 и имеет плоскую поверхность на втором торце 652. Индентор 550 изготовлен так, чтобы он был более жестким, чем резец 100 таким образом, что после приложения нагрузки 580 к индентору 550, повреждение возникает в резце 100, а не в инденторе 550. Например, индентор 550 изготовлен из карбида вольфрама и кобальта; однако другие материалы, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться для изготовления индентора 550. В некоторых примерных вариантах осуществления содержание кобальта индентора 550 находится в диапазоне от приблизительно шесть процентов до приблизительно двадцать процентов. В некоторых примерных вариантах осуществления содержание кобальта в инденторе 550 больше, чем содержание кобальта в пластине 120 резца для резца 100. Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления, слой PCD сформирован или установлен на первый торец 650 индентора 550. В этих вариантах осуществления содержание кобальта слоя PCD индентора 550 больше, чем содержание кобальта пластины 120 резца для резца 100. Кроме того, в этих примерных вариантах осуществления, содержание кобальта слоя PCD индентора 550 находится в диапазоне приблизительно от шести процентов до приблизительно двадцати процентов. Хотя кобальт используется в этих примерных вариантах осуществления для того, чтобы сделать индентор более жестким, чем резец 100, другие компоненты, известные специалистам в данной области техники, можно использовать в альтернативных примерных вариантах осуществления.
Индентор 550 имеет такие размеры, чтобы он мог помещаться в полости 720 так, что он находится в контакте с резцом 100. В некоторых примерных вариантах осуществления периметр индентора 550 имеет размеры, по существу, аналогичные периметру полости 720. Однако, в примерных вариантах осуществления, когда, по меньшей мере, часть пластины 120 резца не находится внутри полости 720, индентор 550 может иметь такие размеры, чтобы периметр индентора 550 был больше, чем периметр полости 720. Индентор 550 ориентирован так, что первый торец 650 находится в контакте с резцом 100. Таким образом, в этом варианте осуществления, слой PDC индентора 550 находится в контакте со слоем PDC, или пластиной 120 резца для резца 100. Нагрузку 580 прикладывают ко второму торцу 652, который передает эту нагрузку 580 на резец 100. Хотя индентор 550 куполообразной формы используется в этих примерных вариантах осуществления, в других примерных вариантах осуществления могут использоваться инденторы, имеющие другие формы, такие как цилиндрическая форма, имеющая, по существу, плоскую поверхность как на первом торце 650, так и на втором торце 652. Кроме того, второй торец 652 может быть сформирован с другой неплоской формой, без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления.
Акустический датчик 570 представляет собой пьезоэлектрический датчик, который расположен вдоль соединительного участка 730 резцедержателя 510. Однако акустический датчик 570 может представлять собой любой другой тип устройства, известный специалистам в данной области техники, в котором устройство выполнено с возможностью детектировать акустические передачи. Акустический датчик 570 детектирует сигналы упругой волны, формируемые в резце 100, который затем преобразует сигнал упругих волн в сигнал напряжения так, что данные могут быть записаны и впоследствии проанализированы. В некоторых примерных вариантах осуществления смазку 620 помещают в области контакта между соединительным участком 730 и акустическим датчиком 570. Как упомянуто выше, смазка 620 улучшает детектирование передачи упругой волны от резца 100 к акустическому датчику 570. В соответствии с некоторыми альтернативными примерными вариантами осуществления, акустический датчик 570 имеет такие размеры, что он выполнен с возможностью его размещения на изогнутой поверхности боковой поверхности 716. Акустический датчик 570 соединен с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных так, что сигнал напряжения, выводимый из упругих волн, возникающих в резце 100, мог быть сохранен и впоследствии проанализирован. Акустический датчик 570 соединен с блоком 590 записи данных, используя кабель 592; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, акустический датчик 570 может быть соединен с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных беспроводно, используя беспроводные технологии, включающие в себя, но без ограничений, инфракрасные и радиочастотные.
Блок 590 записи данных записывает данные, переданные из акустического датчика 570 и сохраняет эти данные. В некоторых примерных вариантах осуществления, устройство (не показано), или механизм, прикладывающий нагрузку 580, также соединено с блоком 590 записи данных, используя кабель 582; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, устройство, подающее нагрузку 580, может быть соединено с возможностью передачи данных с блоком 590 записи данных по беспроводному каналу передачи, используя беспроводную технологию, включающую в себя, но без ограничений, инфракрасную и радиочастотную. Блок 590 записи данных также обрабатывает и анализируют данные, которые он принимает. Хотя блок 590 записи данных записывает, сохраняет, обрабатывает и анализируют данные, блок 590 записи данных может принимать данные, обрабатывать эти данные и анализировать данные, без сохранения данных в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. В качестве альтернативы, в других примерных вариантах осуществления, блок 590 записи данных может сохранять данные, но не обрабатывать или не анализировать эти данные. В некоторых примерных вариантах осуществления дополнительное устройство (не показано) используется, для обработки и анализа этих данных.
На фиг.10 схематично показана блок-схема блока 590 записи данных по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления. На фиг.5 и 10 блок 590 записи данных представляет собой компьютерную систему. Блок 590 записи данных включает в себя носитель 1040 сохранения информации, интерфейс 1030 пользователя, процессор 1020 и дисплей 1010.
Носитель 1040 сохранения информации принимает информацию из акустического датчика 570 (фиг.5) и записывает эту информацию. Носитель 1040 сохранения информации представляет собой жесткий диск, в соответствии с одним примерным вариантом осуществления. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, носитель 1040 сохранения информации включает в себя, по меньшей мере, один из привода жесткого диска, портативного привода жесткого диска, привода USB, DVD, CD или любое другое устройство, выполненное с возможностью сохранения данных и/или программного обеспечения. В некоторых примерных вариантах осуществления носитель 1040 сохранения информации также включает в себя программное обеспечение для предоставления инструкций в отношении того, как обрабатывать информацию, или данные, принятые из акустического датчика 570 (фиг.5).
Интерфейс 1030 пользователя позволяет пользователю работать с блоком 590 записи данных, и предоставляет инструкции для управления блоком 590 записи данных. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, интерфейс пользователя включает в себя клавиатуру. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, интерфейс пользователя включает в себя, по меньшей мере, одно из следующего: клавиатура, мыши, сенсорный экран, который может представлять собой часть дисплея 1010, или любой другой интерфейс пользователя, известный специалистам в данной области техники.
Процессор 1020 выполнен с возможностью приема инструкций через интерфейс 1030 пользователя, обращения к информации, сохраненной на носителе 1040 сохранения информации, передачи информации на носитель 1040 сохранения информации, и передачи информации в дисплей 1010. В некоторых примерных вариантах осуществления, процессор 1020 обращается к программному обеспечению, которое записано на носителе 1040 сохранения информации и выполняет набор инструкций, предусмотренных этим программным обеспечением. Более подробное описание этих инструкций предоставлено дополнительно ниже. В некоторых примерных вариантах осуществления процессор 1020 включает в себя механизмы 2200 процессора, которые более подробно описаны ниже со ссылкой на фиг.16, 17, 18 и 22.
Дисплей 1010 принимает информацию из процессора и передает эту информацию пользователю. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, дисплей 1010 включает в себя монитор или экран. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, дисплей 1010 включает в себя, по меньшей мере, один из экрана, сенсорного экрана, принтера или любого другого устройства, выполненного с возможностью передачи информации пользователю.
Хотя это и не показано на фиг.10, блок 590 записи данных может быть соединен с возможностью обмена данными либо по кабелю, или по беспроводному каналу передачи данных, с внутренней сетью, в которой программное обеспечение и/или данные от акустического датчика 570 (фиг.5) сохранены в центральном сервере (не показан). Кроме того, в соответствии с некоторыми альтернативными примерными вариантами осуществления, блок 590 записи данных может быть соединен с возможностью передачи данных, либо по кабелю, или по беспроводному каналу, с модемом (не показан), в котором модем соединен с возможностью обмена данными с Всемирной сетью. В некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления, программное обеспечение и/или данные из акустического датчика 570 (фиг.5) сохранены в удаленном местоположении, доступ к которому осуществляется через Всемирную сеть.
На фиг.8 показан вид в перспективе устройства 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 с удаленным индентором 550 из резцедержателя 510 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.8, резец 100 полностью вставлен в полость 720 резцедержателя 510. Как показано, диаметр резца 100 меньше, чем диаметр полости 720, что, таким образом, формирует воздушные зазоры 610. Кроме того, слой PDC или пластина 120 резца ориентирован внутри полости 720 таким образом, чтобы слой PCD был обращен в направлении первой поверхности 712. Индентор 550 удален из полости 720 для дополнительной иллюстрации некоторых свойств индентора 550. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления, индентор 550 включает в себя подложку 808 и твердую поверхность 810, которая сформирована или соединена с верхней частью подложки 808. В примерном варианте осуществления твердая поверхность 810 сформирована из PCD, но в альтернативных примерных вариантах осуществления твердая поверхность 810 может быть изготовлена из других твердых или сверхтвердых материалов, таких как PCBN, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Хотя индентор 550 имеет твердую поверхность 810 куполообразной формы, твердая поверхность 810 может быть плоской или может иметь любую другую форму, известную специалистам в данной области техники. Как можно видеть, индентор 550 имеет диаметр, по существу, аналогичный диаметру полости 720, в соответствии с этим примерным вариантом осуществления.
В альтернативном варианте осуществления индентор 550 установлен внутри полости 720, так что его твердая поверхность 810 обращена к первой поверхности 712. Тестируемый резец 100 устанавливают поверх индентора 550 так, что пластина 120 резца находится в контакте с твердой поверхностью 810. Нагрузку 580 прикладывают вниз к задней стороне подложки ПО тестируемого резца 100. Акустическую эмиссию трещин, инициируемых и/или распространяющихся в тестируемом резце 100, передают через индентор 550 и в акустический датчик 570. В этом альтернативном примерном варианте осуществления резцедержатель 510 является необязательным.
На фиг.9 показан вид в перспективе системы 900 тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с альтернативным примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.9 система 900 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 905 тестирования на основе акустической эмиссии, которое соединено с возможностью обмена данными с блоком 507 записи данных. Устройство 905 тестирования на основе акустической эмиссии аналогично устройству 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5, за исключением того, что акустический датчик 570 непосредственно соединен с резцом 100 и резцедержатель 510 по фиг.5 удален. Резец 100, индентор 550, нагрузка 580, акустический датчик 570 и блок 590 записи данных были ранее описаны со ссылкой на фиг.5, 6, 7, 8 и 10. Кроме того, смазку 620 (фиг.6) помещают между акустическим датчиком 570 и резцом 100, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления.
Работа системы 500 тестирования на основе акустической эмиссии описана со ссылкой на фиг.5-8. Резец 100 или твердый, или сверхтвердый материал, подвергаемые тестированию, помещают в полость 720 резцедержателя 510. Для улучшения передачи упругой волны через контактирующие поверхности между основанием или нижней поверхностью резца 100 и основанием полости 720, используют гель 620 на основе минерального масла между нижней поверхностью резца 100 и основанием полости 720. Акустический датчик 570 помещают на соединительном участке 730 резцедержателя 510 для детектирования упругих волн, генерируемых резцом 100. Для улучшения передачи упругой волны через контактирующие поверхности между акустическим датчиком 570 и соединительным участком 730 гель 620 на основе минерального масла также используют между акустическим датчиком 570 и соединительным участком 730. Индентор 550 помещают поверх слоя 120 PCD резца 100 и нажимают на этот слой 120 PCD, используя нагрузку 580. Нагрузку 580 устанавливают на индентор 550, используя устройство Instron серии 8500 на 100 килоньютонов. Это устройство (не показано) выполнено с возможностью управления величиной нагрузки, прикладываемой к индентору 550. Устройство подключено к блоку 590 записи данных таким образом, что измеряется зависимость нагрузки от времени. Хотя один пример устройства, способного предоставлять нагрузку 580, был раскрыт, любая система, позволяющая прикладывать измеряемую нагрузку к индентору 550, находится в пределах примерных вариантов осуществления данного изобретения. Например, устройство для подачи измеряемой нагрузки 580 может быть в диапазоне от ручного молота до полностью инструментованного ударного устройства или гидравлического устройства с управляемой нагрузкой постепенного повышающегося или циклического графика приложения нагрузки.
Нагрузку 580 прикладывают к индентору 550 и увеличивают с постоянной скоростью до требуемого уровня нагрузки. После достижения требуемого уровня нагрузки, уровень нагрузки поддерживают в течение заданного периода времени, который может быть в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут, и затем понижают с большей скоростью, чем скорость повышения. Каждый раз, когда новая трещина формируется, или существующая трещина начинает расти в верхнем алмазном слое 130, определенное количество упругой энергии высвобождается практически мгновенно в форме последовательности упругих волн, которые распространяются через слой PCD 120, подложку ПО и резцедержатель 510. Акустический датчик 570 детектирует эти упругие волны и преобразует принятые сигналы в сигнал напряжения. Акустический датчик 570 соединен с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных таким образом, что акустическую эмиссию или данные записывают в зависимости от времени. Такая акустическая эмиссия включают в себя фоновый шум и акустические события. Следовательно, поскольку предысторию акустической эмиссии и предысторию нагрузки записывают в блоке 590 записи данных, можно определить, при какой нагрузке 580 возникли определенные акустические события. Акустическое событие представляет собой событие, при котором формируется новая трещина или когда существующая трещина растет в слое 120 PDC. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, акустический датчик 570 предоставляет данные в блок 590 записи данных со скоростью приблизительно 5000 точек данных в секунду; однако количество точек данных в секунду может быть увеличено или уменьшено, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.
На фиг.11 показано графическое представление 1100 акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, к которому прикладывают нагрузку вплоть до приблизительно двух килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.11, представление 1100 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя ось 1110 времени, ось 1120 нагрузки и ось 1110 акустической эмиссии. Ось 1110 времени представлена, как ось X, и обозначена единицами времени в секундах, умноженных на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, численное значение на оси 1110 времени требуется разделить на 5000. Ось 1110 времени также можно считывать, как энергию, передаваемую в образец. Другими словами, чем больше проходит времени, тем больше обще энергии прикладывают к резцу или испытуемому образцу. Ось 1120 нагрузки представлена осью Y, и на ней обозначены единицы в килоньютонах. Ось 1110 акустической эмиссии также представлена осью Y, и на ней обозначены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1110 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Кривая 1140 нагрузки и кривая 1160 акустической эмиссии обе показаны на представлении 1100 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1140 нагрузки, нагрузка увеличивалась от нуля килоньютонов до двух килоньютонов с постоянной скоростью 1142, или с определенной скоростью подъема. Нагрузку выдерживали на пиковом уровне 1143 нагрузки, или два килоньютона в данном примере, в течение некоторого периода времени и затем понижали со скоростью 1144 снижения нагрузки, которая была выше, чем скорость 1142 подъема. Кривая 1160 акустической эмиссии представляет записанный сигнал из акустического датчика. В соответствии с кривой 1160 акустической эмиссии, только единственная записанная акустическая эмиссия представляет собой фоновый шум 1162. При этом не были детектированы какие-либо акустические события. Кроме того, по мере увеличения нагрузки, фоновый шум 1162, также увеличивается.
На фиг.12 показано графическое представление 1200 акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, подвергавшегося нагрузке, вплоть до приблизительно пяти килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.12, представление 1200 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя ось 1210 времени, ось 1220 нагрузки и ось 1230 акустической эмиссии. Ось 1210 времени представлена осью X, и на ней обозначены единицы в секундах, умноженные на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси времени 1210 требуется разделить на 5000. Ось 1210 времени также можно считывать, как энергию, передаваемую в образец. Другими словами, чем больше времени проходит, тем больше общей энергии прикладывается к резцу или тестовому образцу. Ось 1220 нагрузки представлена осью Y, и на ней предусмотрены единицы в килоньютонах. Ось 1230 акустической эмиссии также представлена осью Y, и на ней предусмотрены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1230 акустической эмиссий требуется разделить на десять. Кривая 1240 нагрузки и кривая 1260 акустической эмиссии обе показаны в представлении 1200 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1240 нагрузки, нагрузка увеличивалась от нуля килоньютонов до пяти килоньютонов с постоянной скоростью 1242 или со скоростью подъема. Нагрузку выдерживали на уровне 1243 пиковой нагрузки, или пять килоньютонов в данном примере, в течение определенного периода времени и затем понижали со скоростью 1244 снижения, которая была выше, чем скорость 1242 подъема. Кривая 1260 акустической эмиссии представляет записанный сигнал от акустического датчика. В соответствии с кривой 1260 акустической эмиссии, была записана только акустическая эмиссия, представляющая собой фоновый шум 1262. При этом не были детектированы акустические события. Кроме того, по мере увеличения нагрузки также увеличивался фоновый шум 1262.
На фиг.13 показано графическое представление 1300 акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, который подвергали нагрузке вплоть до приблизительно тридцать килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.13, представление 1300 акустической эмиссии нагрузки резца включает в себя ось 1310 времени, ось 1320 нагрузки и ось 1330 акустической эмиссии. Ось 1310 времени представлена осью X, и на ней обозначены единицы секунды, умноженные на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси 1310 времени требуется разделить на 5000. Ось 1310 времени также можно считывать, как энергию, передаваемую в образец. Другими словами, чем больше времени проходит, тем больше общее количество энергии прикладывают к образцу. Ось 1320 нагрузки представлена осью Y, и на ней обозначены единицы килоньютоны. Ось 1330 акустических эмиссий также представлена осью Y и на ней предусмотрены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1330 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Кривая 1340 нагрузки и кривая 1360 акустической эмиссии обе показаны на представлении 1300 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1340 нагрузки, нагрузку прикладывают от нуля килоньютонов до тридцати килоньютонов с постоянной скоростью 1342, или скоростью подъема. Нагрузку выдерживали на пиковом уровне 1343 нагрузки, или тридцать килоньютонов в данном примере, в течение определенного периода времени, и затем снижали со скоростью 1344 понижения, которая выше, чем скорость 1342 подъема. Кривая 1360 акустической эмиссии представляет записанный сигнал от акустического датчика. В соответствии с кривой 1360 акустической эмиссии, записанная акустическая эмиссия включает в себя фоновый шум 1362 и одно или больше акустических событий 1364. Фоновый шум 1362 составляет большую часть данных, записанных во время теста. Акустический события 1364 показаны, как тонкие вертикальные линии, которые существенно продолжаются вверх от фонового шума 1362. Высота каждого акустического события 1364 над фоновым шумом 1362 пропорциональна величине упругой энергии, высвобождаемой при формировании каждой трещины и/или распространении события на величину постоянной калибровки. Каждое единичное акустическое событие 1364 длится в среднем приблизительно пятьдесят миллисекунд. В соответствии с данным примерным вариантом осуществления, акустический датчик делает выборку приблизительно 5000 точек данных в секунду, что обеспечивает возможность детектирования этих акустических событий 1364. Кроме того, по мере увеличения нагрузки, фоновый шум 1362 также увеличивается. После окончания этого теста визуально исследовали резец. Хотя на нем отсутствовали визуальные признаки какого-либо повреждения на верхней поверхности PCD резца, акустический датчик детектировал акустические события, возникающие внутри резца. Таким образом, акустический датчик позволяет детектировать минимальное повреждение, возникающее в резцах, когда на них воздействует нагрузка, даже при том, что этого повреждения еще не видно.
На фиг.14 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, на который воздействовала нагрузка приблизительно до сорока килоньютонов в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Тот же образец резца, использовавшийся в тестах, представленный на фиг.13, использовали в тесте, показанном на фиг.14. На фиг.14 представление 1400 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя ось 1410 времени, ось 1420 нагрузки и ось 1430 акустической эмиссии. Ось 1410 времени представлена осью X, и на ней обозначены единицы в секундах, умноженных на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси 1410 времени требуется разделить на 5000. По оси 1410 времени также может считать значение энергии, которую прикладывают к образцу. Другими словами, чем больше времени проходит, тем большая общая энергия прикладывается к образцу. Ось 1420 нагрузки представлена осью Y, и на ней обозначены единицы в килоньютонах. Ось 1430 акустической эмиссии также представлена на оси Y, и на ней обозначены единицы милливольты, умноженные на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1430 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Кривая 1440 нагрузки и кривая 1460 акустической эмиссии обе показаны на представлении 1400 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1440 нагрузки, нагрузку повышали от нуля килоньютонов до сорока килоньютонов с постоянной скоростью 1442, или со скоростью повышения. Нагрузку выдерживали на пиковом уровне 1443 нагрузки, или сорок килоньютонов в данном примере, в течение определенного времени и затем понижали со скоростью 1444 понижения, которая выше, чем скорость 1442 повышения. Кривая 1460 акустической эмиссии представляет записанный сигнал из акустического датчика. В соответствии с кривой 1460 акустической эмиссии, записанная акустическая эмиссия включает в себя фоновый шум 1462 и одно или более акустических событий 1464. Акустические события 1464 показаны, как вертикальные линии, которые в значительной степени, продолжаются вверх от фонового шума 1462. Высота каждого акустического события 1464 выше фонового шума 1462, пропорциональна величине упругой энергии, высвобождаемой при каждом событии формирования и/или распространения трещины в пропорции, составляющей калибровочную константу. Как показано на фиг.14, акустические события 1464 не возникают в резце до тех пор, пока нагрузка не достигнет или не превысит предыдущую нагрузку, которая была приложена к этому резцу. Например, на данный резец ранее воздействовали нагрузкой вплоть до тридцати килоньютонов, как описано со ссылкой на фиг.13. Таким образом, новые акустические события 1464 не возникают до тех пор, пока нагрузка не достигнет и/или не превысит порог 1466, который составлял приблизительно тридцать килоньютонов в данном примере, которые ранее были приложены к резцу. Основываясь на экспериментах, видно, что для генерирования новых трещин или роста существующих трещин в резце, которые были сформированы в предыдущем испытании, должен быть приложен уровень нагрузки, равный или выше, чем предыдущий пиковый уровень 1343 нагрузки.
На фиг.15A показано графическое представление 1500 акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца изготовителя №1 резца образца №1 резца, на который воздействует нагрузка вплоть до приблизительно сорока пяти килоньютонов в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.15B показано графическое представление 1550 акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца изготовителя №2 резца образца №2 резца, на который воздействовали нагрузкой вплоть до приблизительно тридцати килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.15A и 15 В представление 1500 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя кривую 1510 акустической эмиссии, представляющую одно или больше акустических событий 1520, возникающих для типа резца изготовителя №1 образца №1 резца, в то время как представление 1550 акустической эмиссии и нагрузки резца включают в себя кривую 1560 акустической эмиссии, представляющую одно или больше акустических событий 1570, возникающих для типа резца для изготовителя №2 резца и образца №2 резца. Для типа резца №2 изготовителя резца образца №2 резца возникает существенное большее количество акустических событий 1520 и 1570, чем для типа резца изготовителя №1 резца и образца №1 резца. Таким образом, разные типы резца представляют разные акустические структуры на своей соответствующей кривой акустической эмиссии. Основываясь на этих результатах, пользователь может определять, какой тип резца является более прочным, чем другой тип резца, и может, таким образом, ранжировать резцы в соответствии с их прочностью. В данном случае, тип резца изготовителя №1 резца для образца №1 резца является более прочным, чем тип резца изготовителя №2 резца и образца №2 резца.
На основе экспериментальных результатов, показанных на фиг.11-15, могут быть выполнены, по меньшей мере, несколько наблюдений. Прежде всего, акустический датчик выполнен с возможностью детектировать формирование трещины и рост трещины в пределах алмазной пластины резца, по мере нагрузки индентора и выполнен с возможностью передавать сигналы, которые впоследствии могут быть проанализированы. Во-вторых, разные типы резца представляют разные структуры акустических событий и позволяют пользователю ранжировать прочность резца по сравнению с другим резцом. В-третьих, хотя могут отсутствовать видимые повреждения, детектируемые на поверхности пластины PDC резца, после испытаний, акустический датчик может детектировать любое невидимое повреждение, возникающее на резце.
На фиг.16 показана блок-схема последовательности операций способа 1600, для анализа точек данных, принятых из акустического датчика, в котором способ включает в себя способ 1680 цикла один и способ 1690 цикла два, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Хотя некоторые этапы показаны, как выполняемые в определенном порядке, последовательность этапов может изменяться, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Кроме того, хотя определенные функции выполняют на одном или больше этапах, количество этапов для осуществления этой функции может быть увеличено или уменьшено, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.
На фиг.16, на этапе 1605, начинается способ 1600. После этапа 1605, способ 1600 переходит на этап 1610. На этапе 1610 определяют одно или больше минимальных пороговых значений, над уровнем фонового шума, для квалификации точки данных, как возможного акустического события. После окончания этапа 1610, способ 1600 переходит на этап 1615 и этап 1625, которые могут выполняться одновременно в некоторых примерных вариантах осуществления. На этапе 1615 определяют фоновые точки, ограничивающие внешнюю огибающую фонового шума. На этапе 1625 возможные точки акустического события определяют на основе одного или больше пороговых значений, определенных на этапе 1610. Этап 1615 и этап 1625 включены в способ 1680 цикла один, который описан более подробно ниже со ссылкой на фиг.17.
После этапа 1615 способ 1600 переходит на этап 1620. На этапе 1620, фоновые точки, определенные на этапе 1615, интерполируют для получения кривой функции фонового шума. После этапов 1620 и 1625, способ 1600 переходит на этап 1630. На этапе 1630 фактические точки акустического события определяют, используя возможные точки акустического события, определенные на этапе 1680, и кривую функции фонового шума, определенную на этапе 1620. После этапа 1630 способ 1600 переходит на этап 1635. На этапе 1635 определяют амплитуду и длительность каждой фактической точки акустического события. После этапа 1635 способ 1600 переходит на этап 1640. На этапе 1640 рассчитывают площадь под каждой точкой акустического события. После этапа 1640 способ 1600 переходит на этап 1645. На этапе 1645 интегральное распределение областей сравнивают с фактической тестовой нагрузкой для каждой акустического события. Пользователь может использовать это сравнение для определения относительной прочности резца по сравнению с другим резцом. Такое сравнение позволяет получить определение, используя количественные и объективные способы. Длительность, амплитуда и частота точек акустического события и соответствующий уровень энергии или нагрузки, переданные в образец, могут быть скоррелированы непосредственно с рабочими характеристиками ударных воздействий на месте применения PCD, или другого твердого или сверхтвердого материала, тестирование которого производится. Способ 1600 позволяет измерять не только наименьшие величины обработки внешних поверхностей или нагрузки, требуемой для инициирования некоторого повреждения, но также обеспечивает возможность измерять количество дополнительной работы или нагрузки, которая должна быть выполнена для увеличения уровня повреждения. После этапа 1645 способ 1600 переходит на этап 1650, на котором способ 1600 останавливают.
На фиг.19 показано графическое представление 1900 акустической эмиссии резца для резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.20 показан увеличенный вид участка графического представления 2000 акустической эмиссии резца для резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.21 показано представление 2100 интегрального распределения для каждого фактического акустического события, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.19-21 представлена большая часть этапов, показанных в способе 1600 на фиг.16.
Как показано на фиг.19, представление 1900 акустической эмиссии резца включает в себя ось 1910 времени и ось 1930 акустической эмиссии. Ось 1910 времени представлена осью x, и на ней обозначены единицы секунды, умноженные на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси 1910 времени требуется разделить на 5000. Ось 1930 акустической эмиссии представлена осью y, и на ней обозначены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1930 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Данные 1960 акустической эмиссии показаны на представлении 1900 акустической эмиссии резца. Данные 1960 акустической эмиссии представляют записанный сигнал от акустического датчика. В соответствии с данными 1960 акустической эмиссии, записанные данные акустической эмиссии включают в себя одну или больше фоновых точек 1962 и одну или больше возможных точек 1964 акустического события. Как показано на фиг.16 и 19, и в соответствии с этапом 1615 и этапом 1625 по фиг.16, данные 1960 акустической эмиссии сортируют так, чтобы они включали в себя фоновые точки 1962 и возможные точки 1964 акустического события. Сортировку данных 1960 акустической эмиссии выполняют, используя алгоритм, который находится в блоке 590 записи данных (фиг.5), в соответствии с одним примерным вариантом осуществления. Однако алгоритм может быть сохранен в другом устройстве, в альтернативных примерных вариантах осуществления или может быть выполнен вручную. В качестве альтернативы, другие способы, известные специалистам в данной области техники и на основе преимущества настоящего раскрытия, можно использовать для категоризации данных 1960 акустической эмиссии. Как показано на фиг.19, каждую фоновую точку 1962 отмечают кругом и каждую возможную точку 1964 акустического события отмечают квадратом. Присутствуют некоторые точки, которые не были определены, ни как фоновая точка 1962, ни как возможная точка 1964 акустического события. Эти метки представлены только с целью иллюстрации, и не предназначены для ограничения объема примерных вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.16 и 19, и в соответствии с этапом 1620 по фиг.16, кривую 1970 функции фонового шума интерполируют, используя определенные фоновые точки 1962. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, кривую 1970 функции фонового шума интерполируют, используя многочлен четвертой степени; однако многочлены другой степени можно использовать для интерполяции фоновых точек 1962, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.
На фиг.20 представлен увеличенный участок графического представления 2000 акустической эмиссии резца. В соответствии с этой фигурой, каждые данные 1960 акустической эмиссии, которые включают в себя фактические точки 2010 акустического события, имеют длительность 2020 времени, в течение которой они возникают. Кроме того, каждая фактическая точка 2010 акустического события имеет амплитуду 2030, которую измеряют вертикально от кривой 1970 функции фонового шума до положения, где расположена фактическая точка 2010 акустического события. На фиг.16 и 20, и в соответствии с этапом 1635 по фиг.16, рассчитывают амплитуду 2030 и длительность 2020 по времени фактической точки акустического события 2010. После определения амплитуды 2030 и длительности 2020 времени, рассчитывают площадь 2040 под каждой точкой 2010 фактического акустического события, путем умножения амплитуды 2030 на длительность 2020 времени. Этот этап заканчивается на этапе 1640 на фиг.16. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, единицы для площади 2040 составляют милливольт умножить на секунду и умножить на 5000; однако можно использовать другие единицы, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.
На фиг.21 представлено представление 2100 интегрального распределения для каждого фактического акустического события. В соответствии с этой фигурой, представление 2100 интегрального распределения включает в себя ось 2110 нагрузки и ось 2130 площади акустической эмиссии. Ось 2110 нагрузки представлена осью x и на ней предусмотрены единицы в килоньютонах. Ось 2130 площади акустической эмиссии представлена осью y, и на ней предусмотрены единицы милливольты умножить на секунды, умножить на пятьдесят тысяч. Эта площадь, которую определяют, как лежащую под каждой фактической точкой акустического события. Таким образом, для получения площади в милливольтах умножить на секунды, цифровое значение на оси 2130 площади акустической эмиссии требуется разделить на пятьдесят тысяч. На фиг.16 и 21, и в соответствии с этапом 1645 на фиг.16, интегральное распределение площадей, которые графически показаны вдоль оси 2130 площади акустической эмиссии, сравнивают с фактической тестовой нагрузкой, которая отмечена по оси 2110 нагрузки для каждого фактического акустического события. Представление 2100 интегрального распределения обеспечивает такое сравнение для графика 2150 резца изготовителя №1 резца и образца №1 резца, и для графика 2160 резца изготовителя №2 резца и образца №2 резца.
Например, на одном из трех графиков 2150 резца изготовителя №1 резца для образца №1 резца имеется точка фактического акустического события на уровне приблизительно двадцать восемь килоньютонов и со значением 3550 милливольт умножить на секунду, умножить приблизительно на 50000, которая обозначена, как точка A 2152. Это означает, что присутствовала интегральная область 3550 милливольт умножить на секунду, умножить на 50000, которая возникла при всех предыдущих точках фактического акустического события, включая в себя область для точки фактического акустической события, которое возникло при нагрузке приблизительно двадцать восемь килоньютонов.
Следующая точка фактического акустического события, точка B 2154, на той же кривой возникает при нагрузке приблизительно 32,5 килоньютонов. Площадь под этой точкой фактического акустического события составляет приблизительно 650 милливольт умножить на секунду, умножить на 50000, что не показано непосредственно на представлении 2100 интегрального распределения. Однако на уровне приблизительно 32,5 килоньютонов присутствовала интегральная площадь приблизительно 4200 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000. Таким образом, 4200 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000 минус приблизительно 3550 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000 равно приблизительно 650 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000. Твердый резец или резец, который имеет большую свойственную прочность, обеспечивает кривую, которая имеет меньшую интегральную площадь для данной нагрузки. Резец с крутой кривой с большим количеством точек фактических акустических событий с высокой амплитудой, имеет меньшую свойственную прочность, чем резец с менее крутой кривой и меньшими амплитудами точек фактических акустических событий. Таким образом, в соответствии с представлением 2100 интегрального распределения, сравнение между графиком 2150 резца изготовителя резца №1 образца №1 резца и графиком 2160 резца изготовится №2 образец №2 резца обозначает, что резец изготовителя №1 резца для образца №1 резца имеет большую свойственную прочность, чем резец изготовителя №2 резца для образца №2 резца. Кроме того, на фиг.21 показаны три кривые, которые представляют график 2150 для резца изготовителя №1 резца для образца №1 резца и две кривые, которые представляют график 2160 для резца изготовителя №2 резца для образца №2 резца. Эти графики 2150 и 2160 иллюстрируют, что способ 1600 (фиг.16) имеет высокое разрешение таким образом, что вариации между образцами в одной и той же группе могут быть детектированы. Способ, предусмотренный на фиг.16, обеспечивает для пользователя информацию для ранжирования прочности резца среди других резцов объективным способом.
На фиг.17 иллюстрируется подробная блок-схема последовательности операций способа 1680 цикла один по фиг.16, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.17, на этапе 1705, начинается способ 1680 цикла один. Начиная с этапа 1705, способ 1680 цикла один переходит на этап 1710. На этапе 1710 считывают первую точку данных. После окончания этапа 1710 способ 1680 цикла один переходит на этап 1715, где считывают следующую точку данных. После этапа 1715 способ 1680 цикла один переходит на этап 1720. На этапе 1720 рассчитывают разности между двумя точками данных и сравнивают с первым значением допуска, который используется для определения акустического события. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, первое значение допуска составляет приблизительно 0,5 милливольта. Однако первое значение допуска может быть выше или ниже в других примерных вариантах осуществления. Если разность между двумя точками данных не меньше, чем первое значение допуска, способ 1680 цикла один переходит на этап 1725. На этапе 1725 определяют вторую из двух точек данных, как точку возможного акустического события. Начиная с этапа 1725, способ 1680 цикла один переходит на этап 1745, где способ 1680 цикла один определяет, присутствует ли другая точка данных. Если на этапе 1745 определяют, что другой точки данных нет, способ 1680 цикла один переходит на этап 1750, где способ 1680 цикла один останавливается. Однако если на этапе 1745 определяют, что имеется другая точка данных, способ 1680 цикла один переходит обратно на этап 1715.
Если на этапе 1720 определяют, что разность между двумя точками данных меньше, чем первое значение допуска, способ 1680 цикла один переходит на этап 1730. На этапе 1730 разность между двумя точками данных сравнивают со вторым значением допуска. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, второе значение допуска составляет приблизительно 0,01 милливольта. Однако второе значение допуска может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. Если разность между двумя точками данных не меньше, чем второе значение допуска, способ 1680 цикла один переходит обратно на этап 1715, и вторую точку данных не определяют. Однако, если разность между двумя точками данных меньше, чем второе значение допуска, способ 1680 цикла один переходит на этап 1735.
На этапе 1735 определяют, является ли разность между двумя точками данных отрицательной, и была ли она отрицательной менее, чем "z" раз подряд, или является ли разность положительной, и она была положительна для менее, чем "u" раз подряд. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, "z" равно двум, и "u" равно трем. Однако ни одно из или оба из значения "u" и значения "z" не может быть выше или ниже в других примерных вариантах осуществления. Если не правда, что разность между двумя точками данных является отрицательной и была отрицательной менее, чем "z" раз подряд, или положительной, и была положительной для менее, чем "u" раз подряд, тогда способ 1680 цикла один переходит обратно на этап 1715, и вторую точку данных не определяют. Однако если разность между двумя точками данных является отрицательной и была отрицательной меньше, чем "z" раз подряд или положительной и была положительной меньше, чем "u" раз подряд, тогда способ 1680 цикла один переходит на этап 1740.
На этапе 1740 вторая из двух точек данных определена, как точка границы заднего фона. Начиная с этапа 1740, способ 1680 цикла один переходит на этап 1745, где определяют, имеется ли другая точка данных. Способ 1680 цикла один продолжается до тех пор, пока этап 1750 не будет достигнут при выполнении этапов, описанных выше. Таким образом, способ 1680 цикла один обеспечивает способ для определения, какие точки данных должны быть определены, как точка возможного акустического события, точка границы заднего фона, или не определены, как ни один из типов точки.
На фиг.18 иллюстрируется подробная блок-схема последовательности операций способа 1690 цикла два по фиг.16, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.18, на этапе 1805, начинается способ 1690 цикла два. После этапа 1805, способ 1690 цикла два переходит на этап 1810. На этапе 1810 формируют кривую функции фонового шума, используя точки границы фонового шума. После окончания этапа 1810 способ 1690 два цикла переходит на этап 1815, где считывают первую точку возможного акустического события. После этапа 1815 способ 1690 цикла два переходит на этап 1820. На этапе 1820 разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фонового шума рассчитывают и определяют, является ли эта разность больше, чем третье значение допуска, которое используется для определения точки фактического акустического события. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, третье значение допуска составляет приблизительно 0,08 милливольт. Однако это третье значение допуска может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. Если разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фонового шума не больше, чем третье значение допуска, способ 1690 цикла два переходит на этап 1825. На этапе 1825 считывают следующую точку возможного акустического события, и способ 1690 цикла два переходит обратно на этап 1820. Однако, если разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фонового шума больше, чем третье значение допуска, способ 1690 цикла два переходит на этап 1830.
На этапе 1830 рассчитывают амплитуду, длительность и площадь между точкой фактического акустического события и кривой функции фонового шума. С этапа 1830 способ 1690 цикла два переходит на этап 1840. На этапе 1840 определяют, имеется ли другая точка возможного акустического события. Если присутствует другая точка возможного акустического события, способ 1690 цикла два переходит обратно на этап 1825, где способ 1690 цикла два продолжается. Однако на этапе 1840, если отсутствует другая точка возможного акустического события, способ 1690 цикла два переходит на этап 1845, где способ 1690 цикла два останавливается. Таким образом, способ 1690 цикла два обеспечивает способ определения, какие точки данных должны быть определены, как точка фактического акустического события, и затем рассчитывают площадь для каждой определенной точки акустического события.
На фиг.22 иллюстрируется блок-схема процессора 1020 по фиг.10 в соответствии с примерным вариантом осуществления. Как упомянуто выше, способ осуществления одного или больше этапов, показанный на фиг.16-18, выполняют в процессоре 1020. Однако в определенных других примерных вариантах осуществления, эти способы выполняют вручную или используя комбинацию осуществления вручную и в процессоре. Процессор 1020 расположен в блоке 590 записи данных, или в компьютерной системе. Хотя показан один процессор 1020, множество процессоров можно использовать, без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления. Процессор 1020 включает в себя один или больше механизмов 2200 процессора.
Механизмы 2200 процессора включают в себя механизм 2210 сбора акустических данных, механизм 2220 определения точек фоновых шумовых, механизм 2230 определения точек возможного акустического события, механизм 2240 интерполяции кривой функции фонового шума, механизм 2250 определения точек фактического акустического события, механизм 2260 расчета площади фактического акустического события, и механизм 2270 кривой интегральной области и нагрузки. Хотя семь механизмов включены в механизмы 2200 процессора, количество механизмов может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. Кроме того, один или больше их этих ранее упомянутых механизмов 2200 процессора могут быть скомбинированы в меньшее количество механизмов 2200 процессора или разделены на дополнительные механизмы 2200 процессора, без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления.
Механизм 2210 сбора акустических данных собирает данные, по меньшей мере, из акустического датчика, который включает в себя фоновые точки и точки возможного акустического события. Механизм 2210 сбора акустических данных также собирает данные из нагрузки, в некоторых примерных вариантах осуществления, таким образом, чтобы соответствующие фоновые точки и возможные точки акустического события сопоставлены с заданной нагрузкой. Механизм 2220 определения фоновых точек оценивает данные, полученные из акустического датчика, и определяет, является ли эта точка данных фоновой точкой. Механизм 2220 определения фоновых точек выполняет этап 1615 на фиг.16. Возможный механизм 2230 определения точек возможных акустических событий выполняет оценку данных, полученных из акустического датчика, и определяет, является ли точка данных точкой возможного акустического события. Механизм 2230 определения точек возможного акустического события выполняет этап 1625 на фиг.16. Механизм 2220 определения фоновых точек и механизм 2230 определения точек возможного акустического события работают одновременно друг с другом, но могут работать независимо друг от друга в некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления.
Механизм 2240 интерполяции кривой функции фоновых шумов генерирует кривую функции фоновых шумов, используя фоновые точки, которые были определены ранее. Механизм 2240 интерполяции кривой функции фоновых шумов выполняет этап 1620 по фиг.16. Механизм 2250 определения точек фактических акустических событий определяет точки фактических акустических события, используя точки возможных акустических событий, которые были определены ранее, и кривую функции фоновых шумов. Механизм 2250 определения точек фактических акустических событий выполняет этап 1630 по фиг.16. После определения точек фактических акустических событий, механизм 2260 расчета площади фактического акустического события определяет площадь, формируемую между точкой фактического акустического события и кривой функции фонового шума. Механизм 2260 расчета площади фактического акустического события выполняет этап 1635 и этап 1640 на фиг.16. Механизм 2270 интегрированной площади и кривой нагрузки сравнивает интегрированное распределение площадей с фактической испытательной нагрузкой для каждой точки фактического акустического события. Механизм 2270 интегрированной площади и кривой нагрузки выполняет этап 1645 на фиг.16. Хотя механизмы 2200 процессора расположены в процессоре 1020, в некоторых примерных вариантах осуществления, механизмы 2200 процессора могут находиться в носителе сохранения информации, включающем в себя, но без ограничений, один или больше приводов жесткого диска, привод USB, компакт-диск, цифровой видеодиск или любое другое устройство-накопитель, известное или еще не известное специалистам в данной области техники.
Хотя механизмы 2200 процессора описаны в примерных вариантах осуществления, инструкции для определения жесткости резца могут быть предусмотрены в программном обеспечении, которое находится на носителе 1040 сохранения информации (фиг.10). Программное обеспечение включает в себя модули и/или код, которые аналогичны механизмам 2200 процессора, описанным выше.
На фиг.23 показан образец 2300 горной породы, который доступен для проверки в системах тестирования 500 и 900 на основе акустической эмиссии по фиг.5 и 9, соответственно, вместо резца 100 по фиг.1, в соответствии с примерным вариантом осуществления. Что касается фиг.5, 6, 9, и 23, образец 2300 горной породы заменяет резец 100 в системе тестирования 500 на основе акустической эмиссии или в системе тестирования 900 на основе акустической эмиссии. Способ тестирования и анализ результатов аналогичны способам и анализу, описанным выше, и предоставляют информацию, относящуюся к пределу прочности при неограниченном сжатии и/или жесткости образца 2300 горной породы.
Образец 2300 горной породы сформирован в виде цилиндра, аналогично резцу 100. Образец горной породы включает в себя первую плоскую поверхность 2310 на одном торце образца 2300 горной породы, вторую плоскую поверхность 2320 на противоположном торце образца горной породы, и окружающую поверхность 2330, продолжающуюся от первой поверхности 2310 до второй поверхности 2320. Однако, в альтернативных примерных вариантах осуществления, образец 2300 горной породы сформирован с другой геометрической или негеометрической формой, такой как форма куба. В некоторых примерных вариантах осуществления форма образца 2300 горной породы представляет собой повторяемую форму такую, что множество образцов 2300 горной породы сформированы с, по существу, аналогичной формой; делая, таким образом, сопоставимыми результаты испытаний.
На фиг.24 показано устройство 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5, установленное в выдерживающей давление камере 2410, в соответствии с примерным вариантом осуществления. Давление в выдерживающей давление камере 2410 является переменным с возможностью управления и его измерения. Давление в выдерживающей давление камере 2410 изменяется от нуля psi до приблизительно 40000 psi в некоторых примерных вариантах осуществления; однако диапазон давлений может быть более высоким или низким в других примерных вариантах осуществления. В этих примерных вариантах осуществления другие материалы, включают в себя датчик 570 и индентор 550, выполненные с возможностью противостоять давлениям, образующимся в выдерживающей давление камере 2410. В соответствии с этими примерными вариантами осуществления, предел прочности при ограниченном сжатии горной породы и жесткость могут быть измерены на разных уровнях гидростатических давлений, таким образом предоставляя важную информацию о свойствах горной породы на разных глубинах ниже земной поверхности. Собранная информация применяется для улучшения знаний о механизмах разрушения горной породы и также может привести к новым теориям и моделям механики твердой горной породы. Собранная информация также применима для подтверждения других известных еще не доказанных теорий. Хотя выдерживающая давление камера 2410 является одним из способов для проверки твердого материала или сверхтвердого материала 100 такого, как образец 2300 горной породы под давлением, могут использоваться другие механизмы для воздействия давлением на твердый материал или сверхтвердый материал 100, такие как использование зажимных колец высокой прочности, собранных вместе и вокруг твердого материала или сверхтвердого материала 100, в альтернативных примерных вариантах осуществления.
Знание UCS и жесткости образцов 2300 горной породы применяется разработчиками для создания новых и инновационных конструкций долота и/или разработки новой методики проектирования долота, которая включает в себя значение UCS и значение K1C. Информация, полученная по образцам 2300 горной породы, применяется для калибровки программного обеспечения и инструментов геофизических и/или геомеханических исследований.
Хотя некоторые примерные варианты осуществления изобретения были описаны выше, альтернативные примерные варианты осуществления включают в себя использование нагревания твердого материала или сверхтвердого материала 100. Такое нагревание твердого материала или сверхтвердого материала 100 происходит при или в комбинация перед, во время и/или после приложения нагрузки к твердому материалу или сверхтвердому материалу 100. Тепло подводят любым из множества способов, известных лицам, имеющим обычные навыки в уровне техники, которые включают в себя, но не ограничены этим, пламя, лазер, инфракрасное излучение и/или нагретую жидкость.
На фиг.25 показан вид в поперечном сечении системы 2500 тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.25, система 2500 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 2505 тестирования на основе акустической эмиссии соединенное с возможностью обмена данными с аналого-цифровым преобразователем 2592, который соединен с возможностью обмена данными с устройством 2590 записи данных. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления аналого-цифровой преобразователь 2592 необязателен. Устройство 2505 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя выдерживающую давление камеру 2510, образец 2580 горной породы, один или больше акустических датчиков 2570, первый барьер 2530, второй барьер 2540 и дренажную трубу 2595. В некоторых примерных вариантах осуществления устройство 2505 тестирования на основе акустической эмиссии также включает в себя одну или больше связей 2594 и клапан 2597 регулирования давления дренажной трубы. Хотя образец 2580 горной породы представлен в примерном варианте осуществления, другие типы пористых образцов могут использоваться вместо образца 2580 горной породы в соответствии с другими альтернативными примерными вариантами осуществления.
Выдерживающая давление камера 2510 выполнена в цилиндрической форме, и в ней образована полость 2512. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, выдерживающая давление камера 2510 сформирована в некоторой другой геометрической форме, такой как форма куба, или негеометрическая форма. Давление в выдерживающей давление камере 2510 является переменным с возможностью управления и его измерения. Давление в выдерживающей давление камере 2510 может изменяться от нуля psi до приблизительно 40000 psi в некоторых примерных вариантах осуществления; однако диапазон давлений может быть более высоким или низким в других примерных вариантах осуществления. Выдерживающая давление камера 2510 включает в себя основание 2514 и боковую стенку 2516 продолжающуюся, по существу, перпендикулярно вокруг периметра основания 2514. В некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления боковая стенка 2516 продолжается, по существу, перпендикулярно основанию 2514 в положении в пределах периметра основания 2514. Выдерживающая давление камера 2510 изготовлена из стали; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, выдерживающая давление камера 2510 изготовлена из любого металла, сплава металлов, полимера, древесины или другого соответствующего материала, известного специалистам с обычным навыком в уровне техники, который позволяет выдерживать, по меньшей мере, второе давление (P0) 2527, как более подробно описано ниже. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью его обработки на станке или отливки в форму и выполнен с возможностью распространения в нем звука. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью распространения в нем звука со скоростью приблизительно 1 километр в секунду или выше.
Полость 2512 сформирована в выдерживающей давление камере 2510 и доведена до требуемого размера, чтобы принимать весь образец 2580 горной породы или некоторый другой твердый материал или сверхтвердый материал. Полость 2512 доведена до требуемого размера с диаметром больше, чем диаметр образца 2580 горной породы, таким образом, позволяя легко и свободно помещать образец 2580 горной породы в полости 2512. Полость 2512 выполнена круглой по форме, но может иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму в других примерных вариантах осуществления. Полость 2512 сформирована путем механической обработки выдерживающей давление камеры 2510 или путем формования выдерживающей давление камеры 2510, формируя в ней полость 2512. В качестве альтернативы, полость 2512 формируют, используя другие способы, известные специалистам, имеющим обыкновенный навык в уровне техники. В некоторых примерных вариантах осуществления полость 2512 сформирована таким образом, чтобы гарантировать выравнивание образца 2580 горной породы должным образом в одинаковом положении каждый раз, когда образец 2580 горной породы помещают в полость 2512. Например, основание 2514 может быть снабжено ключами, чтобы принимать образец 2580 горной породы в желательном положении. Например, основание 2514 включает в себя один или более выступов (не показаны) и/или один или больше зубцов (не показаны), в некоторых примерных вариантах осуществления.
Образец 2580 горной породы представляет собой пористый материал. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, образец 2580 горной породы сформирован из образца горной породы, полученного из буровой скважины или скважины, расположенной на некоторой глубине внутри скважины и при определенном ограничивающем давлении. Некоторые примеры образцов 2580 горной породы включают в себя, но без ограничений, уголь, мел, глинистый сланец, известняк, песчаник, все геологические формации, которые включают в себя газ или нефть, и другие известные пористые породы. Образец 2580 горной породы является, по существу, цилиндрическим по форме, но может быть сформирован с другой геометрической формой, такой как, по существу, форма куба или геометрическая форма. Образец 2580 горной породы включает в себя верхнюю поверхность 2582, нижнюю поверхность 2584 и боковую стенку 2586 продолжающуюся от верхней поверхности 2582 до нижней поверхности 2584. Верхняя поверхность 2582 и нижняя поверхность 2584, по существу, параллельны друг другу; однако в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, верхняя поверхность 2582 и нижняя поверхность 2584 не параллельны друг другу. Боковая стенка 2586 продолжается, по существу, перпендикулярно как верхней поверхности 2582, так и нижней поверхности 2584; однако, в некоторых примерных вариантах осуществления, боковая стенка 2586 не перпендикулярна, по меньшей мере, одной из верхней поверхности 2582 и нижней поверхности 2584. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая стенка 2586 выполнена дугообразной; однако, в соответствии с некоторыми другими примерными вариантами осуществления, по меньшей мере, некоторые участки боковой стенки 2586 включают в себя одну или больше плоских поверхностей (не показаны). В этих примерных вариантах осуществления эти плоские поверхности облегчают соединение акустических датчиков 2570 с образцом 2580 горной породы. Образец 2580 горной породы вставлен в полость 2512 так, чтобы нижняя поверхность 2584 была рядом с основанием 2514. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, образец 2580 горной породы помещен, по существу, в центре полости 2512; однако образец 2580 горной породы может быть помещен вне центра полости 2512 в других примерных вариантах осуществления.
Акустический датчик 2570 является пьезоэлектрическим датчиком, который помещен вдоль боковой стенки 2586 из образца 2580 горной породы. Однако, акустический датчик 2570 может быть любым другим типом устройства, известным лицам, имеющим средний навык в уровне техники, в котором устройство выполнено с возможностью детектирования передачи акустических сигналов. Дополнительно, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, акустический датчик 2570 помещен вдоль внешнего участка боковой стенки 2516 выдерживающей давление камеры 2510. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, акустический датчик 2570 доведен до требуемого размера так, чтобы его было возможно разместить на дугообразном участке боковой стенки 2586, 2516. В других примерных вариантах осуществления акустический датчик 2570 размещен на плоском участке (не показан) боковой стенки 2586, 2516. Акустический датчик 2570 детектирует сигналы упругих волн, сформированные в образце 2580 горной породы, и затем преобразует сигнал упругих волн в сигнал напряжения так, чтобы данные могли быть записаны и впоследствии проанализированы.
Акустический датчик 2570 соединен с возможностью обмена данными с устройством 2590 записи данных через аналого-цифровой преобразователь 2592, в некоторых примерных вариантах осуществления, так, чтобы сигнал напряжения, выводимый из упругих волн, возникающих в образце 2580 горной породы, мог быть сохранен и впоследствии проанализирован. Устройство 2590 записи данных аналогично устройству 590 записи данных (фиг.5) и не будет подробно описано снова. Устройство 2590 записи данных также имеет структуру, аналогичную структуре устройства 590 записи данных (фиг.5). В некоторых примерных вариантах осуществления акустический датчик 2570 соединен с аналого-цифровым преобразователем 2592 с помощью первого кабеля 2591; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, акустический датчик 2570 может быть соединен с возможностью обмена данными с аналого-цифровым преобразователем 2592, используя технологию беспроводной связи, включая в себя, но без ограничения, инфракрасное излучение и радиочастоту. В примере, где акустический датчик 2570 размещен на образце 2580 горной породы, первый кабель 2591 выведен изнутри выдерживающей давление камеры 2510 к области вне выдерживающей давление камеры 2510 посредством соединения 2594, которое предусматривает канал передачи данных между внутренней частью выдерживающей давление камеры 2510 на внешнюю сторону выдерживающей давление камеры 2510. Каждое соединение 2594 позволяет обеспечить передачу данных от одного или нескольких акустических датчиков 2570. Аналого-цифровой преобразователь 2592 преобразует сигнал напряжения, который имеет аналоговый формат, в цифровой формат и передает цифровой сигнал в устройство 2590 записи данных. Аналого-цифровой преобразователь 2592 соединен с возможностью обмена данными с устройством 2590 записи данных с помощью второго кабеля 2593; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, аналого-цифровой преобразователь 2592 может быть соединен с возможностью обмена данными с устройством 2590 записи данных, используя технологию беспроводного соединения, включая в себя, но без ограничений, инфракрасное излучение и радиочастоту. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления аналого-цифровой преобразователь 2592 включен в устройство 2590 записи данных как отдельный компонент, и, таким образом, акустический датчик 2570 передает сигналы прямо в устройство 2590 записи данных.
В соответствии с примерным вариантом осуществления, показанным на фиг.25, имеется четыре акустических датчика 2570, соединенных с образцом 2580 горной породы. Однако количество акустических датчиков 2570 может изменяться от одного акустического датчика 2570 до любого множества акустических датчиков 2570. Акустические датчики 2570 позволяют детектировать интенсивность акустических событий, происходящих на или в пределах образца 2580 горной породы относительно времени и пространства. Таким образом, могут быть определены местоположение акустических событий и направления, в котором трещины распространяются в пределах образца 2580 горной породы. В соответствии с некоторыми примерами, по меньшей мере один или больше акустических датчиков 2570 помещены на разной высоте вдоль боковой стенки 2586. В одном примере три акустических датчика 2570 соединены с образцом 2580 горной породы на разной высоте вдоль боковой стенки 2586. Первый акустический датчик 2570 детектирует интенсивность акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы в первый период времени, и определяет местоположение акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы вдоль первой оси, или оси X. Второй акустический датчик 2570 детектирует интенсивность акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы в первый период времени и определяет местоположение акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы вдоль второй оси, или оси Y. Третий акустический датчик 2570 детектирует интенсивность акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы в первый период времени, и определяет местоположение акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы вдоль третьей оси, или оси Z. Акустические датчики 2570 выполняют тот же самый анализ во второй период времени, третий период времени, и т.д. Используя скорость звука, известную для образца 2580 горной породы, данные от трех акустических датчиков 2570 предоставляют информацию для определения интенсивности акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы, местоположения акустического события, происходящего в пределах образца 2580 горной породы, и направления, в котором акустическое событие распространяется в пределах образца 2580 горной породы. В вариантах осуществления, где акустические датчики 2570 помещены вдоль боковой стенки выдерживающей давление камеры 2516, скорость звука через первую текучую среду 2521 и расстояние между соответствующим акустическим датчиком 2570 и боковой стенкой образца горной породы 2586 также используется при определении. Если используется меньшее количество акустических датчиков 2570, одна или больше осей будут потеряны для определения, где произошло акустическое событие в пределах образца 2580 горной породы вдоль этих осей. Каждый акустический датчик 2570 представляет ось. Когда используются больше, чем три акустических датчика 2570, измерения предусматривают более точные определения для расположения акустических событий, происходящих в пределах образца 2580 горной породы. Данные от трех акустических датчиков 2570 используются, чтобы выполнить триангуляцию местоположения акустического события.
Первый барьер 2530, по существу, выполнен в форме диска и включает в себя отверстие 2532 продолжающееся через него. Отверстие 2532, по существу, размещено в центре, в пределах первого барьера 2530 и доведено до требуемого размера для того, чтобы вставлять, по меньшей мере, верхнюю поверхность 2582 в отверстие 2532. В некоторых примерных вариантах осуществления отверстие 2532 используется, чтобы правильно разместить образец 2580 горной породы в выдерживающей давление камере 2510. В некоторых примерных вариантах осуществления, верхняя поверхность 2582 и, по меньшей мере, участок боковой стенки 2586 образца горной породы вставлены через отверстие 2532. Отверстие 2532 сформировано аналогично по форме, по меньшей мере, форме участка в поперечном сечении участка боковой стенки 2586 образца горной породы. Хотя первый барьер 2530, по существу, выполнен в форме диска, форма может быть любой другой геометрической формой или негеометрической формой, которая, по существу, аналогична, по меньшей мере, форме участка в поперечном сечении полости 2512. Первый барьер 2530 фиксировано соединен с внутренним участком боковой стенки 2516 выдерживающей давление камеры 2510, таким образом разделяя полость 2512 на первую камеру 2520 и вторую камеру 2525. Первый барьер 2530 соединен к боковой стенке 2516 используя сварку или любые другие способы, известные лицам с обычными навыками в уровне техники. Сварка или любое другое устройство, используемое для соединения первого барьера 2530 с боковой стенкой выдерживающей давление камеры 2516, выполнены с возможностью противостоять уровням, по меньшей мере, второго давления 2527. Первый барьер 2530 изготовлен из металла, сплава металлов, полимера или любого другого соответствующего материала, выполненного с возможностью противостоять давлениям до, по меньшей мере, второго давления 2527. Первый уплотнитель 2534 помещен на периметре отверстия 2532 и обеспечивает герметизацию с боковой стенкой 2586 образца горной породы. Первый уплотнитель 2534 представляет собой резиновую прокладку или любой другой соответствующий материал, известный лицам, имеющим обычный навык в уровне техники. Давление в пределах первой камеры 2520 является первым давлением (P1) 2522, которое может быть другим, чем второе давление 2527 в пределах второй камеры 2525 во время тестирования, которое описано более подробно ниже. Каждое первое давление 2522 и второе давление 2527 является переменным. Таким образом, участок образца 2580 горной породы открыт для воздействия первого давления 2522, в то время как другой участок образца 2580 горной породы открыт для воздействия второго давления 2527 во время тестирования.
В пределах первой камеры 2520 помещена первая текучая среда 2521. Первая текучая среда 2521 заполняют всю первую камеру 2520 в некоторых примерных вариантах осуществления; однако, в других примерных вариантах осуществления, первая текучая среда 2521 залита на участке первой камеры 2520. Первая текучая среда 2521 представляет собой воду. Однако другие типы текучих сред, имеющих аналогичные свойства, могут использоваться в качестве первой текучей среды 2521 в других примерных вариантах осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления первая текучая среда 2521 включают в себя частицы песка или другие аналогичные типы частиц.
Второй барьер 2540 также, по существу, выполнен в форме диска и включает в себя второй уплотнитель 2542 вокруг периметра второго барьера 2540. Хотя второй барьер 2540, по существу, выполнен в форме диска, форма может быть любой другой геометрической формой или негеометрической формой, которая, по существу, аналогична, по меньшей мере, на участке в поперечном сечении формы полости 2512. Второй барьер 2540 помещен около главного участка выдерживающей давление камеры 2510 в пределах полости 2512 и подвижно соединен с внутренним участком боковой стенки 2516 выдерживающей давление камеры 2510. Второй барьер 2540 формирует участок второй камеры 2525. Второй уплотнитель 2542 предусматривает герметизацию между вторым барьером 2540 и боковой стенкой выдерживающей давление камеры 2516. Второй уплотнитель 2542 представляет собой резиновую прокладку или любой другой соответствующий материал, известный лицам, имеющим обычный навык в уровне техники. Второй барьер 2540, таким образом, предусматривает средство для изменения второго давления 2527 в пределах второй камеры 2525. Внешняя сила 2502 приложена ко второму барьеру 2540, которая перемещает второй барьер 2540 ближе к первому барьеру 2530. Поскольку второй барьер 2540 придвигается ближе к первому барьеру 2520, второе давление 2527 увеличивается, и по мере того как второй барьер 2540 перемещается дальше от первого барьера 2520, второе давление 2527 уменьшается. Внешнее давление 2502 обеспечивается поршнем 2503 в некоторых примерных вариантах осуществления; однако внешняя сила 2502 может быть обеспечена любыми другими известными способами и/или устройствами. Второй барьер 2540 изготовлен из металла, сплава металлов, полимера или любого другого соответствующего материала, выполненного с возможностью противостоять давлению до, по меньшей мере, второго давления 2527 и/или внешней силе 2502, в зависимости, которая из них больше.
Во второй камере 2525 помещена вторая текучая среда 2526. Вторая текучая среда 2526 заполняют всю вторую камеру 2525 в некоторых примерных вариантах осуществления; однако, в других примерных вариантах осуществления, вторая текучая среда 2526 залита на участке второй камеры 2525. Вторая текучая среда 2526 представляет собой воду. Однако другие типы текучих сред, имеющих аналогичные свойства, могут использоваться в качестве второй текучей среды 2526 в других примерных вариантах осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления вторая текучая среда 2526 включает в себя частицы песка или другие аналогичные типы частиц. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, вторая текучая среда 2526 представляет собой ту же самую, что и первая текучая среда 2521; однако вторая текучая среда 2526 может быть другой, но с аналогичными свойствами, чем первая текучая среда 2521 в других примерных вариантах осуществления. По мере увеличения второго давления 2527 во второй камере 2525 выше первого давления 2522 в первой камере 2520, вторая текучая среда 2526 вытекает из второй камеры 2525 в образец 2580 горной породы и в первую камеру 2520. По мере увеличения второго давления 2527, акустические события, или трещины, формируются в образце 2580 горной породы. В примерных вариантах осуществления, когда частицы песка включены во вторую текучую среду 2526, частицы песка могут попадать в трещины, образующиеся в образце 2580 горной породы и оседать в них, препятствуя закрыванию трещин, когда второе давление 2527 уменьшается.
По мере того как второе давление 2527 увеличивается, и вторая текучая среда 2526 протекает в первую камеру 2520 через образец 2580 горной породы, первое давление 2522 увеличивается. Чтобы поддерживать первое давление 2522 постоянным или, по существу, постоянным, дренажная труба 2595 соединена с внутренней частью первой камеры 2520 и пропущена через основание 2514 для отвода первой текучей среды 2521 и/или второй текучей среды 2526, которая присутствует в первой камере 2520, из первой камеры 2520. Дренажная труба 2595 изготовлена из металла, сплава металлов, полимера или другого соответствующего материала, выполненного с возможностью выдерживать первое давление 2522. В некоторых примерных вариантах осуществления клапан 2597 регулирования давления дренажной трубы установлен в определенном местоположении вдоль дренажной трубы 2595 и выполнен с возможностью открывания и закрывания либо автоматически, или вручную, чтобы поддерживать первое давление 2522, по существу, постоянным во время процесса тестирования. В альтернативных примерных вариантах осуществления дренажная труба 2595 соединена с внутренней частью первой камеры 2520 через боковую стенку 2516.
Работа системы 2500 тестирования на основе акустической эмиссии описана со ссылкой на фиг.25. Когда система 2500 тестирования на основе акустической эмиссии выполнена в соответствии с описанием, представленным выше, клапан 2597 управления дренажной трубы устанавливают для поддержания давления в первой камере 2520 на первом давлении 2522. Первое давление 2522 настроено как ограничивающее давление горной породы, которое является давлением, которое воздействовало на образец 2580 горной породы, в то время как он находился в скважине. Внешняя сила 2502 прикладываемая ко второму барьеру 2540 увеличивается, таким образом, продвигая второй барьер 2540 ближе к первому барьеру 2530. Это движение второго барьера 2540 сжимает вторую текучую среду 2526, таким образом, увеличивая второе давление 2527 в пределах второй камеры 2525. Второе давление 2527 увеличивают до значения выше, чем первое давление 2522, и увеличивают так, чтобы акустические события или разломы происходили на или в пределах образца 2580 горной породы. Второе давление 2527 непрерывно повышается пока второе давление 2527 не достигнет порогового давления, которое установлено таким, что обширные акустические события происходят в образце 2580 горной породы. После того как второе давление 2527 увеличится выше первого давления 2522, вторая текучая среда 2526 протекает через пористый образец породы 2580 и попадает в первую камеру 2520. Первое давление 2522 обычно увеличивалось бы из-за попадания второй текучей среды 2526 в первую камеру 2520; однако клапан 2597 управления дренажной трубы поддерживает первое давление 2522, по существу, постоянным и обеспечивает выпуск первой текучей среды 2521 и/или второй текучей среды 2526, попавшей в первую камеру 2520, из первой камеры 2520, через трубку 2595 стока. Такое достигаемое пороговое давление представляет собой давление, которое требуется генерировать в скважине для разрушения горной породы при заданном ограничивающем давлении. Во время процедуры тестирования акустические события измеряют в соответствии с описанием представленным выше. Кроме того, местоположение акустических событий может быть определено лицами, имеющими обычные навыки в уровне техники, на основе преимуществ настоящего раскрытия. Кроме того, направление, в котором распространяются акустические события, также может быть определено лицами, имеющими обычные навыки в уровне техники, на основе преимуществ настоящего раскрытия. Акустические датчики 2570 получают данные, когда второе давление 2627 увеличивается. Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления акустические датчики 2570 также получают данные, когда второе давление 2627 уменьшается после достижения порогового давления. Хотя это не показано, первое давление 2522 и второе давление 2527 отслеживают. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, второе давление 2527 записывают.
На фиг.26 показан вид в поперечном сечении системы 2600 тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с другими примерными вариантами осуществления настоящего изобретение. Как показано на фиг.26, система 2600 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 2605 тестирования на основе акустической эмиссии, соединенное с возможностью обмена данными с аналого-цифровым преобразователем 2592, который соединен с возможностью обмена данными с устройством 2590 записи данных. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, аналого-цифровой преобразователь 2592 необязателен. Устройство 2605 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя выдерживающую давление камеру 2610, образец 2680 горной породы, один или больше акустических датчиков 2570, крышку 2630 и дренажную трубу 2595. В некоторых примерных вариантах осуществления устройство 2605 тестирования на основе акустической эмиссии также включает в себя одну или больше связей 2594 и клапан 2597 регулирования давления дренажной трубы. Хотя образец 2680 горной породы представлен в примерном варианте осуществления, другие типы пористых образцов могут использоваться вместо образца 2680 горной породы в соответствии с другими альтернативными примерными вариантами осуществления. Поскольку аналого-цифровой преобразователь 2592, устройство 2590 записи данных, акустические датчики 2570, дренажная труба 2595, соединения 2594 и клапан 2597 регулирования давления дренажной трубы были подробно описаны со ссылкой на фиг.25, эти компоненты не описаны подробно снова со ссылкой на фиг.26.
Выдерживающая давление камера 2610 выполнена в цилиндрической форме и образует полость 2612 в ней. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, выдерживающая давление камера 2610 сформирована с некоторой другой геометрической формой, такой как форма куба или негеометрическая форма. Давление в выдерживающей давление камере 2610 является переменным с возможностью управления и его измерения. Давление в выдерживающей давление камере 2610 изменяется от нуля psi до приблизительно 40000 psi в некоторых примерных вариантах осуществления; однако диапазон давлений может быть более высоким или низким в других примерных вариантах осуществления. Выдерживающая давление камера 2610 включает в себя основание 2614 и боковую стенку 2616 продолжающуюся, по существу, перпендикулярно вокруг периметра основания 2614. В некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления боковая стенка 2616 продолжается, по существу, перпендикулярно основанию 2614 в положении в пределах периметра основания 2614. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, верхний участок боковой стенки 2616 включает в себя резьбу 2617 для приема и соединения с крышкой 2630. Однако, в других примерных вариантах осуществления, крышка 2630 герметично соединяется с верхним участком боковой стенки 2616 с использованием других способов, известных лицам, имеющим обычный навык в уровне техники, таких как использование креплений и использование сварки. Выдерживающая давление камера 2610 изготовлена из стали; однако в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, выдерживающая давление камера 2610 изготовлена от любого металла, сплава металлов, полимера, древесины или другого соответствующего материала, известного лицам, имеющим обычный навык в уровне техники, который выполнен с возможностью противостоять, по меньшей мере, второму давлению (P0) 2627, которое более подробно описано ниже. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью его обработки на станке или может быть отлит в форме, и выполнен с возможностью распространения звука. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью распространения звука со скоростью приблизительно 1 километр в секунду или выше.
Полость 2612 сформирована в выдерживающей давление камере 2610 и доведена до требуемого размера для размещения всего образца 2680 горной породы, или некоторого другого твердого материала или сверхтвердого материала. Полость 2612 доведена до требуемого размера большего в диаметре, чем диаметр образца 2680 горной породы, таким образом, что образец 2680 горной породы может быть легко и свободно размещен в полости 2612. Полость 2612 выполнена круглой по форме, но может иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму в других примерных вариантах осуществления. Полость 2612 сформирована путем механической обработки выдерживающей давление камеры 2610 или путем формования выдерживающей давление камеры 2610, чтобы сформировать в ней полость 2612. В качестве альтернативы, полость 2612 формируют, используя другие способы, известные лицам, имеющим обычный навык в уровне техники. В некоторых примерных вариантах осуществления полость 2612 сформирована таким образом, чтобы гарантировать требуемое выравнивание образца 2680 горной породы одинаково каждый раз, когда образец 2680 горной породы вставляют в полость 2612. Например, основание 2614 может быть снабжено ключами, чтобы принимать образец 2680 горной породы в желательном положении. Например, основание 2614 включает в себя один или более выступов (не показаны) и/или один или больше зубцов (не показаны), в некоторых примерных вариантах осуществления.
Образец 2680 горной породы является пористым материалом. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, образец 2680 горной породы сформирован из образца горной породы, полученной из буровой скважины или из скважины, расположенной на некоторой глубине внутри скважины и при ограничивающем давлении. Некоторые примеры образцов 2680 горной породы включают в себя, но не ограничены этим, уголь, мел, глинистый сланец, известняк, песчаник, все геологические формации, которые включают в себя газ или нефть, и другие известные пористые породы. Образец 2680 горной породы имеет, по существу, цилиндрическую форму, но может быть сформирован с другими геометрическими формами, такими как, по существу, форма куба, или негеометрические формы. Образец 2680 горной породы включает в себя верхнюю поверхность 2682, нижнюю поверхность 2684 и боковую стенку 2686, продолжающуюся от верхней поверхности 2682 до нижней поверхности 2684. Верхняя поверхность 2682 и нижняя поверхность 2684, по существу, расположены параллельно друг другу; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, верхняя поверхность 2682 и нижняя поверхность 2684 не параллельны друг другу. Боковая стенка 2686 продолжается, по существу, перпендикулярно верхней поверхности 2682 и нижней поверхности 2684; однако, в некоторых примерных вариантах осуществления, боковая стенка 2686 не перпендикулярна по меньшей мере одной из верхней поверхности 2682 и нижней поверхности 2684. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая стенка 2686 выполнена дугообразной; однако, в соответствии с некоторыми другими примерными вариантами осуществления, по меньшей мере, некоторые участки боковой стенки 2686 включают в себя одну или больше плоских поверхностей (не показаны). В этих примерных вариантах осуществления эти плоские поверхности облегчают соединение акустических датчиков 2570 с образцом 2680 горной породы.
Образец 2680 горной породы также включает в себя отверстие 2681 продолжающееся от верхней поверхности 2682 до нижней поверхности 2684. Отверстие 2681 размещено центрально через образец 2680 горной породы; однако, в других примерных вариантах осуществления отверстие 2681 может быть размещено не через центр образца 2680 горной породы. В альтернативных примерных вариантах осуществления отверстие 2681 продолжается до нижней поверхности 2684, но не продолжается через нижнюю поверхность 2684. Образец 2680 горной породы вставлен в пределах полости 2612 так, чтобы нижняя поверхность 2684 была рядом с основанием 2614. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, образец 2680 горной породы помещен, по существу, в центре полости 2612; однако образец 2680 горной породы может быть помещен вне центра полости 2612 в других примерных вариантах осуществления.
Акустический датчик 2570 был описан выше и не будет подробно описан для краткости. Один или больше акустических датчиков размещены вдоль боковой стенки 2686 образца 2680 горной породы. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, один или больше акустических датчиков 2570 помещены вдоль внешнего участка боковой стенки 2616 выдерживающей давление камеры 2610. Акустический датчик 2570 детектирует сигналы упругой волны, сформированные в образце 2680 горной породы, который затем преобразует сигнал упругих волн в сигнал напряжения так, чтобы данные могли быть записаны и впоследствии проанализированы.
Акустический датчик 2570 соединен с возможностью обмена данными с устройством 2590 записи данных, через аналого-цифровой преобразователь 2592 в некоторых примерных вариантах осуществления, так, чтобы сигнал напряжения, выведенный из упругих волн, возникающих в образце 2680 горной породы, мог быть сохранен и впоследствии проанализирован. Устройство 2590 записи данных и аналого-цифровой преобразователь 2592, наряду с их соответствующими структурами, были описаны выше и не будут подробно описаны для краткости. В примере, где акустический датчик 2570 размещен на образце 2680 горной породы, первый кабель 2591 направлен изнутри выдерживающей давление камеры 2610 к области за пределами выдерживающей давление камеры 2610 посредством соединения 2594, которое также было описано выше и поэтому не будет описано снова для краткости.
В соответствии с примерным вариантом осуществления показанным на фиг.26, присутствуют три акустических датчика 2570 показанных соединенными с образцом 2680 горной породы. Однако количество акустических датчиков 2570 находится в диапазоне от одного акустического датчика 2570 до любого количества акустических датчиков 2570. Акустические датчики 2570 позволяют детектировать интенсивность акустических событий, происходящих на или в пределах образца 2680 горной породы во времени и в пространстве. Таким образом, определяют местоположение акустических событий и направления, в котором трещины распространяются в пределах образца 2680 горной породы. В соответствии с некоторыми примерами, по меньшей мере, один или больше акустических датчиков 2570 помещены на разной высоте вдоль боковой стенки 2686. В одном примере три акустических датчика 2570 соединены с образцом 2680 горной породы на разных высотах вдоль боковой стенки 2586. Первый акустический датчик 2570 детектирует интенсивность акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы в первый период времени и определяет местоположение акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы вдоль первой оси, или оси X. Второй акустический датчик 2570 детектирует интенсивность акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы в первый период времени и определяет местоположение акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы вдоль второй оси, или оси Y. Третий акустический датчик 2570 детектирует интенсивность акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы в первый период времени, и определяет местоположение акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы вдоль третьей оси или оси Z. Акустические датчики 2570 выполняют одинаковый анализ во второй период времени, третий период времени и т.д. Используя известную скорость звука в пределах образца 2680 горной породы, данные от трех акустических датчиков 2570 предоставляют информацию для определения интенсивности акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы, местоположения акустического события, происходящего в пределах образца 2680 горной породы, и направления, в котором акустическое событие распространяется в пределах образца 2680 горной породы. В вариантах осуществления, в которых акустические датчики 2570 размещены вдоль боковой стенки выдерживающей давление камеры 2616, скорость звука через первую текучую среду 2621 и расстояние между соответствующим акустическим датчиком 2570 и боковой стенкой образца горной породы 2686 также используются при определении. Если используется меньше акустических датчиков 2570, одна или больше осей будут потеряны для определения, где акустическое событие произошло в пределах образца 2680 горной породы вдоль этих осей. Каждый акустический датчик 2570 представляет ось. Когда используется больше, чем три акустических датчика 2570, измерения обеспечивают более точное определение месторасположения акустических событий, происходящих в пределах образца 2680 горной породы. Данные от трех акустических датчиков 2570 используются, чтобы выполнить триангуляцию местоположения акустических событий.
Крышка 2630, по существу, сформирована в форме диска и включает в себя нижнюю поверхность 2634, верхнюю поверхность 2636 и боковую стенку 2638 продолжающуюся от периметра основания 2634 до верхней поверхности 2636. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая стенка 2638 выполнена плоской, в то время как в других примерных вариантах осуществления, боковая стенка 2638 является неплоской. Нижняя поверхность 2634 выполнена с возможностью ее вставки в верхний участок боковой стенки выдерживающей давление камеры 2616, и на ней сформирован уплотнитель. Верхняя поверхность 2636 определена с такими же размерами, как и нижняя поверхность 2634, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, в то время как в других примерных вариантах осуществления верхняя поверхность 2636 определена с большими или меньшими размерами, чем нижняя поверхность 2634. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, по меньшей мере нижняя часть боковой стенки 2638 включает в себя резьбу 2639 для сопряжения с резьбой 2617. В других примерных вариантах осуществления вся боковая стенка 2638 включает в себя резьбу 2639. Хотя резьба 2639 используется в некоторых примерных вариантах осуществления в паре герметичного верхнего участка боковой стенки 2616 и крышки 2630, могут использоваться другие способы, известные лицам, имеющим обычный навык в уровне техники, такие как использование креплений и использование сварки. Крышка 2630 изготовлена из стали; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, крышка 2630 изготовлена из любого металла, сплава металлов, полимера, древесины или другого соответствующего материала, известного лицам, имеющим обычный навык в уровне техники, который выполнен с возможностью противостоять, по меньшей, мере второму давлению (P0) 2627, которое более подробно описан ниже.
Крышка 2630 также включает в себя отверстие 2632 продолжающееся через нее. Отверстие 2632, по существу, размещено центрально в пределах крышки 2630 и доведено до требуемого размера так, что оно имеет такие же диаметр или форму, как у отверстия 2681. Однако отверстие 2632 может быть доведено до требуемого размера и/или сформировано по-другому, чем отверстие 2681 в соответствии с другим примерным вариантом осуществления. В соответствии с примерным вариантом осуществления, по меньшей мере, участок отверстия 2632 вертикально выровнен, по меньшей мере, с участком отверстия 2681.
Первый уплотнитель 2631 помещен вдоль периметра отверстия 2632 и обеспечивает герметизацию между крышкой 2630 и образцом 2680 горной породы вокруг отверстия 2632 и отверстия 2681, таким образом предотвращая или уменьшая любую утечку второй текучей среды 2626 через границу перехода между отверстием 2681 и отверстием 2632. Первый уплотнитель 2631 сформирован аналогично по форме отверстия 2632. Второй уплотнитель 2633 помещен в местоположение на нижней поверхности 2634, которая соединена с верхней поверхностью 2682 образца 2680 горной породы. В некоторых примерных вариантах осуществления второй уплотнитель 2633 помещен в местоположение на нижней поверхности 2634, которая соединена с периметром верхней поверхности 2682 образца 2680 горной породы. Второй уплотнитель 2633 обеспечивает герметизацию между крышкой 2630 и образцом 2680 горной породы, по существу, вдоль периметра верхней поверхности 2682 образца 2680 горной породы, таким образом предотвращая или минимизируя любую утечку первой текучей среды 2621 через границу перехода между крышкой 2630 и периметром верхней поверхности 2682 образца 2680 горной породы. Третий уплотнитель 2635 помещен вдоль периметра нижней поверхности 2634 крышки 2630. Третий уплотнитель 2635 обеспечивает герметизацию между крышкой 2630 и боковой стенкой 2616 выдерживающей давление камеры 2610, таким образом предотвращая или минимизируя любую утечку первой текучей среды 2621 через границу перехода между крышкой 2630 и боковой стенкой 2616 выдерживающей давление камеры 2610. Уплотнители 2631, 2633, и 2635 представляют собой резиновые прокладки или любой другой соответствующий материал, известный лицам, имеющим обычный навык в уровне техники. Когда нижняя часть крышки 2630 должным образом вставлена в выдерживающую давление камеру 2610, первый уплотнитель 2631 и второй уплотнитель 2633 находятся в контакте с верхней поверхностью 2682 образца 2680 горной породы. Давление внутри полости 2612, окружающей образец 2680 горной породы представляет собой первое давление (P1) 2622, которое может быть другим, чем второе давление 2627, в пределах отверстий 2632 и 2681 во время тестирования, которое описано более подробно ниже. Каждое первое давление 2622 и второе давление 2627 являются переменными. Таким образом, на участок образца 2680 горной породы воздействует первое давление 2622, в то время как на другой участок образца 2680 горной породы воздействует второе давление 2627 во время тестирования.
В полости 2612 окружающей образец 2680 горной породы, помещена первая текучая среда 2621. Этот участок полости 2612 может упоминаться как первая камера 2620. Первая текучая среда 2621 заполняет первую камеру 2620 в некоторых примерных вариантах осуществления; однако, в других примерных вариантах осуществления, первая текучая среда 2621 залита на участке первой камеры 2620. Первая текучая среда 2621 представляет собой воду. Однако другие типы текучих сред, имеющих аналогичные свойства, могут использоваться в качестве первой текучей среды 2621 в других примерных вариантах осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления первая текучая среда 2621 включает в себя частицы песка или другие аналогичные типы частиц.
Вторую текучую среду 2626 заливают в и заполняют ею отверстие 2681. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, вторую текучую среду 2626 закачивают в отверстие 2632 и отверстие 2681. Однако, в других примерных вариантах осуществления, давление второй текучей среды обеспечивается, используя другие известные способы, такие как использование резервуара второй текучей среды, по текучей среде сообщающегося с отверстиями 2632 и 2681 и имеющего поршень (не показан), прикладывающий силу к подвижной пластине (не показана) внутри резервуара, аналогично второму барьеру 2540, описанному выше. Отверстие 2681 может упоминаться как вторая камера. Вторая текучая среда 2626 представляет собой воду. Однако другие типы текучих сред, имеющих аналогичные свойства, могут использоваться в качестве вторых текучих сред 2626 в других примерных вариантах осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления вторая текучая среда 2626 включают в себя частицы песка или другие аналогичные типы частиц. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, вторая текучая среда 2626 представляет собой ту же самую, что и первая текучая среда 2621; однако вторая текучая среда 2626 может быть другой, но аналогичной по свойствам, чем первая текучая среда 2621 в других примерных вариантах осуществления. По мере того, как второе давление 2627 во второй камере 2681 увеличивается выше первого давления 2622 в первой камере 2620, вторая текучая среда 2626 вытекает из второй камеры 2681 в образец 2680 горной породы и в первую камеру 2620. По мере того, как второе давление 2627 увеличивается, акустические события, или трещины, формируются в образце 2680 горной породы. В примерных вариантах осуществления, где частицы песка включены во вторую текучую среду 2626, частицы песка могут проникать в трещины, образовавшиеся в образце 2680 горной породы и оседать там, препятствуя закрыванию трещин, когда второе давление 2627 уменьшается.
По мере того как второе давление 2627 увеличивается, и вторая текучая среда 2626 протекает в первую камеру 2620 через образец 2680 горной породы, первое давление 2622 увеличивается. Чтобы поддерживать первое давление 2622 постоянным или, по существу, постоянным, дренажная труба 2595 соединена с внутренней частью первой камеры 2620 и через боковую стенку 2616, обеспечивая выход первой текучей среда 2621 и/или второй текучей среды 2626, которая присутствует в первой камере 2620, из первой камеры 2620. Дренажная труба 2595 изготовлена из металла, сплава металлов, полимера или другого соответствующего материала, выполненного с возможностью противостояния первому давлению 2622. В некоторых примерных вариантах осуществления клапан 2597 регулирования давления дренажной трубы установлен в определенном местоположении вдоль дренажной трубы 2595 и выполнен с возможностью его открывания и закрывания либо автоматически, или вручную, поддерживая первое давление 2622, по существу, постоянным во время процесса тестирования. В альтернативных примерных вариантах осуществления дренажная труба 2595 соединена к внутренней частью первой камеры 2620 через основание 2614.
Работа системы 2600 тестирования на основе акустической эмиссии будет описана со ссылкой на фиг.26. Поскольку система 2600 тестирования на основе акустической эмиссии выполнена в соответствии с, описанием, представленным выше, клапан 2597 управления дренажной трубы устанавливают для поддержания давления в первой камере 2620, как первое давление 2622. Первое давление 2622 определено как ограничивающее давление горной породы, которое представляет собой давление, воздействовавшее на образец 2680 горной породы в то время как он находился в скважине. Вторая текучая среда 2626 поступает во вторую камеру 2681 под вторым давлением 2627, которое прикладывает силу к образцу 2680 горной породы изнутри. Второе давление 2627 увеличивается до значения выше первого давления 2622 и увеличивается так, чтобы акустические события, или разломы происходили на или в пределах образца 2680 горной породы. Второе давление 2627 непрерывно повышается вплоть до второго давления 2627, достигает порогового давления, при котором обширные акустические события происходят в образце 2680 горной породы. Когда второе давление 2627 увеличивается выше первого давления 2622, вторая текучая среда 2626 протекает через образец пористой породы 2680 и поступает в первую камеру 2620. Первое давление 2622 обычно увеличивалось бы из-за второй текучей среды 2626, поступающей в первую камеру 2620; однако клапан управления дренажной трубы 2597 поддерживает первое давление 2622, по существу, постоянным и обеспечивает отвод первой текучей среды 2621 и/или второй текучей среды 2626, попавшей в первую камеру 2620, для ее вывода из первой камеры 2620 через трубку 2595 стока. Такое достигаемое пороговое давление, представляет собой давление, которое должно генерироваться в скважине для разрушения горной породы при таком ограничивающем давлении. Во время процедуры тестирования акустические события измеряют в соответствии с описанием, представленным выше. Кроме того, местоположение акустических событий может быть определено лицами, имеющими обычный навык в уровне техники, в соответствии с преимуществом настоящего раскрытия. Кроме того, направление, в котором распространяются акустические события также может быть определено лицами, имеющими обычный навык в уровне техники, в соответствии с преимуществом настоящего раскрытия. Акустические датчики 2570 получают данные, когда второе давление 2627 увеличивается. Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления, акустические датчики 2570 также получают данные, когда второе давление 2627 уменьшается после достижения порогового давления. Хотя это не показано, первое давление 2622 и второе давление 2627 отслеживают. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, второе давление 2627 записывают.
На фиг.27 показан способ 2700 на основе акустического тестирования в соответствии с примерным вариантом осуществления. Хотя способ 2700 на основе акустического тестирования показан как один или больше этапов, происходящих в некотором порядке, один или больше этапов, происходят в другом порядке в соответствии с другими примерными вариантами осуществления. Кроме того, один или больше этапов объединены в меньшее количество этапов в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, в то время как один или более этапов расширены на большее количество этапов в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. Таким образом, представленный порядок этапов и количество этапов не являются ограничивающими.
Способ 2700 на основе акустического тестирования включает в себя этап 2710. На этапе 2710 образец горной породы получают из скважины на некоторой глубине и при определенном ограничивающем давлении горной породы, воздействующем на образец горной породы внутри скважины. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, образец горной породы получают из скважины, которую в настоящий момент бурят. В других примерных вариантах осуществления образец горной породы получают из скважины, которая расположена рядом с участком, на котором предполагается бурение. Способ 2700 также включает в себя этап 2715, на котором образец горной породы подготавливают так, чтобы образец горной породы мог быть вставлен в выдерживающую давление камеру. Образец горной породы формируют с заданным контуром так, чтобы его можно было вставить в выдерживающую давление камеру. Как только образец горной породы будет подготовлен, способ переходит на этап 2720, где готовый образец горной породы должным образом размещают в выдерживающей давление камере так, что первый участок образца горной породы подвергают первому давлению в первой камере, и второй участок образца горной породы подвергают второму давлению во второй камере. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления первый участок включает в себя, по меньшей мере, участок боковой стенки образца горной породы, и второй участок включает в себя верхнюю поверхность образца горной породы. В соответствии с некоторыми другими примерными вариантами осуществления, первый участок включает в себя верхнюю поверхность образца горной породы, и второй участок включает в себя, по меньшей мере, участок боковой стенки образца горной породы. Кроме того, в соответствии с некоторыми другими примерными вариантами осуществления, первый участок включает в себя внешний участок образца горной породы, такой как наружная поверхность боковой стенки, и второй участок включает в себя внутренний участок образца горной породы. В альтернативном примерном варианте осуществления первый участок включает в себя внутренний участок образца горной породы, и второй участок включает в себя внешний участок образца горной породы, такой как наружная поверхность боковой стенки.
Способ 2700 также включает в себя этап 2725, на котором один или более акустических датчиков соединяют с возможностью передачи сигналов с образцом горной породы. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, три акустических датчика соединены с поверхностью образца горной породы таким образом, что каждый акустический датчик помещен на разной высоте друг от друга. Хотя три акустических датчика соединены с образцом горной породы, больше или меньше акустических датчиков применимо в других примерных вариантах осуществления. Кроме того, хотя каждый акустический датчик помещен на разной высоте друг от друга, по меньшей мере, один акустический датчик может быть установлен, по существу, на той же высоте, что и другой акустический датчик в других примерных вариантах осуществления. Кроме того, хотя акустические датчики соединены с поверхностью образца горной породы, один или больше акустических датчиков соединены с выдерживающей давление камерой в других примерных вариантах осуществления.
Способ 2700 также включает в себя этап 2730, на котором первое давление в первой камере поддерживают на уровне или, по существу, доводят до ограничивающего давления горной породы, которое представляет собой давление, воздействующее на образец горной породы внутри скважины. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, первая текучая среда, которая была помещена в первую камеру, прикладывает первое давление на первом участке образца горной породы. Способ 2700 также включает в себя этап 2735, на котором второе давление во второй камере увеличивают до порогового давления, в то время как акустические события, происходящие внутри образца горной породы, записывают во времени и пространстве. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, вторая текучая среда, которая является такой же или аналогичной первой текучей среде, помещена во вторую камеру, и прикладывает второе давление ко второму участку образца горной породы. Пороговое давление представляет собой давление, при котором акустические события формируются быстро и широко внутри и/или на образце горной породы.
Способ 2700 также включает в себя этап 2740. На этапе 2740 анализируют события разлома, которые произошли во времени и пространстве. Этот анализ включает в себя, процессы, описанные выше, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, определяют интенсивность одного или более событий разлома или акустических событий. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления определяют местоположение одного или больше событий разлома или акустических событий, которые произошли внутри образца горной породы. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления определяют направление, в котором распространяются одно или больше событий разлома или акустических событий. После этапа 2740 способ 2700 продолжается на этапе 2745. На этапе 2745, по меньшей мере, один параметр программы внутрискважинного разлома в условиях высокого давления или, по меньшей мере, один параметр программы бурения внутри скважины, нацеленной на выбранную формацию, определяют на основе анализа событий разлома. Например, на основе анализа, давление, которое должно быть приложено долотом к горной породе внутри скважины, чтобы создать соответствующую программу разлома, представляет собой пороговое давление, которое представляет собой давление для второго давления, когда происходит существенный разлом горной породы,. В другом примере можно рассчитать вес на долоте по известному значению давления, которое долото должно прикладывать к горной породе внутри скважины.
На фигуре 28 показан вид в поперечном сечении системы 2800 тестирования акустической эмиссии, в соответствии с еще одним, другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.28, система 2800 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 2805 тестирования на основе акустической эмиссии, соединенное с возможностью обмена данными с блоком 2890 записи данных. Устройство 2805 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя резцедержатель 2810, резец 100, индентор 550 держатель 2850 акустического датчик и акустический датчик 2870, первый стержень 2890 и второй стержень 2895. Хотя резец 100 представлен в примерном варианте осуществления, образец 2300 горной породы (фиг.23) или другой тип твердых или сверхтвердых компонентов заменяет резец 100 в альтернативных примерных вариантах осуществления.
Резцедержатель 2810 включает в себя первую поверхность 2812, вторую поверхность 2814 и боковую поверхность 2816. Первая поверхность 2812 расположена в плоскости, которая, по существу, параллельна плоскости, в которой расположена вторая поверхность 2814. Боковая поверхность 2816 продолжается от кромки первой поверхности 2812 до кромки второй поверхности 2814. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 2816 расположена, по существу, перпендикулярно, по меньшей мере, одной из первой поверхности 2812 и второй поверхности 2814. В соответствии с альтернативными примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 2816 не является, по существу, перпендикулярной ни первой поверхности 2812, ни второй поверхности 2814. Резцедержатель 2810 сформирован с приданием ему, по существу, цилиндрической формы, в которой первая поверхность 2812 имеет, по существу, круглую форму, вторая поверхность 2814 имеет, по существу, круглую форму и боковая поверхность 2816 имеет, по существу, цилиндрическую форму и выполнена изогнутой. Хотя одна примерная форма представлена для резцедержателя 2810, резцедержатель 2810 может быть сформирован с приданием любой другой геометрической или негеометрической формы, такой как квадратный цилиндр или треугольный цилиндр, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Резцедержатель 2810 изготовлен из стали; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, резцедержатель 2810 изготовлен из любого металла, древесины или другого соответствующего материала, известного специалистам в данной области техники, который позволяет выдерживать нагрузку 2880, как описано более подробно ниже. Нагрузка 2880 может находиться в диапазоне от приблизительно ноль килоньютонов до приблизительно семидесяти килоньютонов. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал может быть механически обработан или сформован и выполнен с возможностью распространения в нем звука. В определенных примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью распространения в нем звука со скоростью приблизительно 1 километр в секунду или выше.
Резцедержатель 2810 также включает в себя первую полость 2820 и вторую полость 2830, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления резцедержатель 2820 также включает в себя канал 2838, продолжающийся от первой полости 2820 до второй полости 2830. Первая полость 2820 сформирована внутри первой поверхности 2812 резцедержателя 2810 и продолжается в направлении второй поверхности 2814, но не достигает второй поверхности 2814. Первая полость 2820 включает в себя первый участок 2821 и второй участок 2825, сформированный рядом с первым участком 2821, в соответствии с определенным примерным вариантом осуществления. Первый участок 2821 продолжается от первой поверхности 2812 резцедержателя 2810 и продолжается в резцедержателе 2810 до второго участка 2825. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, первый участок 2821 сформирован так, что он имеет круглое поперечное сечение; однако? форма принята разной в других примерных вариантах осуществления. Первый участок 2821 имеет такие размеры, чтобы устанавливать в него, по меньшей мере, участок индентора 550, который был описан ранее. Например, первый участок 2821 имеет несколько больший размер в диаметре, чем диаметр индентора 550, что позволяет, таким образом, легко и свободно устанавливать индентор 550 внутри первого участка 2821.
Второй участок 2825 продолжается от первого участка 2821 в направлении второй поверхности 2814. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, второй участок 2825 сформирован так, что он имеет круглое поперечное сечение; однако? в других примерных вариантах осуществления используется другая форма. Такой второй участок 2825 имеет такие размеры, чтобы в нем можно было устанавливать, по меньшей мере, участок резца 100, который был описан ранее, или некоторый другой твердый материал или сверхтвердый материал, такой как образец 2300 горной породы (фиг.23), свойства которого требуется определить. Например, диаметр второго участка 2825 имеет размеры несколько большие в диаметре, чем диаметр резца 100, что, таким образом, позволяет легко и свободно устанавливать резец 100 внутри второго участка 2825. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, центральная ось первого участка 2821, по существу, является той же, что и центральная ось второго участка 2825; однако? эти оси выровнены по-разному в других примерных вариантах осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления второй участок 2825 имеет меньший диаметр, чем первый участок 2821. В некоторых примерных вариантах осуществления первая полость 2820 включает в себя второй участок 2825, но не первый участок 2821. Таким образом, в этих примерных вариантах осуществления второй участок 2825 продолжается от первой поверхности 2812 в направлении второй поверхности 2814.
В некоторых примерных вариантах осуществления вторая полость 2830 сформирована в пределах второй поверхности 2814 резцедержателя 2810 и продолжается в направлении второго участка 2825 первой полости 2820, но не достигает второго участка 2825. Однако эта вторая полость 2830 является необязательной. Толщина 2835 сформирована между вторым участком 2825 и второй полостью 2830. Толщина 2835 может противостоять нагрузке 2880 без разлома. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, вторая полость 2830 сформирована так, что она имеет коническое поперечное сечение; однако в других примерных вариантах осуществления используется другая форма. Вторая полость 2830 имеет размеры для установки в нее, по меньшей мере, участка акустического датчика 2870, который описан более подробно ниже. В примерных вариантах осуществления, которые не включают в себя вторую полость 2830, акустический датчик 2870 расположен рядом со второй поверхностью 2814.
В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, канал 2838 сформирован так, что он продолжается от второй полости 2830 до второго участка 2825 первой полости 2820. Центральная осевая ось канала 2838 соответствует ранее упомянутым центральным осевым осям, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. Канал 2838 обеспечивает прямой проход для акустических волн от резца 100 к акустическому датчику 2870.
Одна или больше полостей 2820, 2830 и канал 2838 сформированы путем механической обработки резцедержателя 2810 или формования резцедержателя 2810 так, чтобы он был выполнен с полостями 2820, 2830 и каналом 2838, сформированными в нем. В качестве альтернативы, одна или больше полостей 2820, 2830 и канал 2838 формируют, используя другие способы или комбинацию способов, известных специалистам в данной области техники. В некоторых примерных вариантах осуществления первую полость 2820 формируют так, чтобы обеспечить правильное выравнивание резца 100 одинаково каждый раз, когда резец 100 вставляют в первую полость 2820.
Резец 100 был описан выше и применяется в примерных вариантах осуществления. Вкратце, резец 100 включает в себя подложку 110 и пластину 120 резца, которая сформирована или которая соединена с верхней частью подложки 110. В примерном варианте осуществления пластина 120 резца сформована из PCD, но в альтернативных примерных вариантах осуществления пластина 120 резца изготовлена из других материалов, таких как PCBN, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Хотя резец 100 имеет плоскую пластину 120 резца или выполнен цилиндрическим, пластина 120 резца может быть выполнена куполообразной, с вогнутой формой или любой другой формой, известной специалистам в данной области техники. Как упомянуто выше, резец 100 включает в себя окончательно отделанные и/или отшлифованные резцы, а также "необработанные" резцы.
Резец 100 вставляют во второй участок 2825 первой полости 2820. Резец 100 ориентируют внутри второго участка 2825 так, чтобы пластина 120 резца была обращена к первой поверхности 2812, или от второй поверхности 2814. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, весь резец 100 вставляют во второй участок 2825. Однако в альтернативных примерных вариантах осуществления, участок резца 100, который включает в себя, по существу, всю подложку 110, вставляют во второй участок 2825 первой полости 2820. Таким образом, в этих альтернативных примерных вариантах осуществления, по меньшей мере, участок пластины резца 120 не вставлен во второй участок 2825. Участок резца 100, вставленный во второй участок 2825, надежно установлен в нем. Однако, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, участок резца 100, вставленный во второй участок 2825, свободно располагается в нем. В соответствии с этими другими примерными вариантами осуществления, смазку (не показана) размещают внутри второго участка 2825 между резцом 100 и поверхностью второго участка 2825. Хотя резец 100 описан, как используемый в этом примерном варианте осуществления, другие твердые материалы или сверхтвердые материалы, для которых требуется выполнить тестирование жесткости, могут использоваться вместо резца 100.
Индентор 550 был описан выше и не повторяется здесь для краткости. Индентор 550 имеет такие размеры, чтобы его можно было устанавливать в, по меньшей мере, первый участок 2821 первой полости 2820 так, что он входит в контакт с резцом 100. В некоторых примерных вариантах осуществления периметр индентора 550 имеет размеры, по существу, аналогичные периметру первого участка 2821. Однако в примерных вариантах осуществления, где, по меньшей мере, участок пластины 120 резца не находится внутри первой полости 2820 и расположен по уровню выше первой поверхности 2812, индентор 550 может иметь такие размеры, что периметр индентора 550 больше, чем периметр первого участка 2821 первой полости 2820. Индентор 550 ориентирован так, что первый конец 650 индентора входит в контакт с резцом 100. Таким образом, в этом варианте осуществления, индентор 550 входит в контакт со слоем PDC, или пластиной 120 резца 100. Нагрузку 2880 прикладывают ко второму концу 652 индентора, который передает нагрузку 2880 на резец 100.
Держатель 2850 акустического датчика включает в себя первую поверхность 2852, вторую поверхность 2854 и боковую поверхность 2856. Первая поверхность 2852 расположена в плоскости, которая, по существу, параллельна плоскости, в которой размещена вторая поверхность 2854. Боковая поверхность 2856 продолжается от периметра первой поверхности 2852 до периметра второй поверхности 2854. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 2856, по существу, перпендикулярна, по меньшей мере, одной из первой поверхности 2852 и второй поверхности 2854. В соответствии с альтернативными примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 2856, по существу, не расположена перпендикулярно ни первой поверхности 2852, ни второй поверхности 2854. Держатель 2850 акустического датчика по форме выполнен, по существу, цилиндрическим, в котором первая поверхность 2852, по существу, имеет круглую форму, вторая поверхность 2854 имеет, по существу, круглую форму, и боковая поверхность 2856 имеет, по существу, цилиндрическую и изогнутую форму. Хотя одна примерная форма была представлена для держателя 2850 акустического датчика, держатель 2850 акустического датчика имеет другую форму в других примерных вариантах осуществления. Держатель 2850 акустического датчика изготовлен из сцементированного карбида, такого как сцементированный карбид вольфрама; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, держатель 2850 акустического датчика изготовлен из любого другого соответствующего материала, такого как свинец, который имеет акустический импеданс выше, чем у материала, используемого для изготовления второго стержня 2895, и который выполнен с возможностью противостоять нагрузке 2880. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью его механической обработки или формования, и выполнен с возможностью распространения звука. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью распространения звука со скоростью приблизительно 1 километр в секунду или выше. Материал, из которого изготовлен держатель 2850 акустического датчика, имеет более высокий акустический импеданс, чем у материала, используемого для изготовления второго стержня 2895, в результате чего, звуковые волны шумов отражаются во второй стержень 2895, а не обратно в акустический датчик 2870. Следовательно, отношение сигнал/шум, которое детектируется акустическим датчиком 2870, улучшается в системе 2800.
Держатель 2850 акустического датчика также включает в себя первую полость 2860 и вторую полость 2868, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. Первая полость 2860 сформирована в пределах первой поверхности 2852 держателя 2850 акустического датчика и продолжается в направлении второй поверхности 2854, но не достигает второй поверхности 2854. Первая полость 2860 включает в себя первый участок 2861 и второй участок 2863, сформированный рядом с первым участком 2861, в соответствии с некоторым примерным вариантом осуществления. Первый участок 2861 продолжается от первой поверхности 2852 держателя 2850 акустического датчика до второго участка 2863 в пределах держателя 2850 акустического датчика. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, первый участок 2861 сформирован так, что он имеет круглое поперечное сечение; однако в других примерных вариантах осуществления форма может быть другой. Первый участок 2861 имеет такие размеры, чтобы в него можно было надежно устанавливать нижний участок резцедержателя 2810, который включает в себя вторую поверхность 2814 резцедержателя. Например, первый участок 2861 имеет несколько большие размеры в диаметре, чем диаметр второй поверхности 2814 резцедержателя, обеспечивая, таким образом, возможность для второй поверхности 2814 резцедержателя легко и надежно устанавливаться внутри первого участка 2861.
Второй участок 2863 продолжается от первого участка 2861 в направлении второй поверхности 2854. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, второй участок 2863 сформирован так, что он имеет круглое поперечное сечение; однако? в других примерных вариантах осуществления форма может быть другой. Второй участок 2863 имеет такие размеры, чтобы в него можно было устанавливать, по меньшей мере, участок акустического датчика 2870. Например, диаметр второго участка 2863 имеет большие размеры, чем диаметр акустического датчика 2870. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, центральная осевая ось первого участка 2861, по существу, является той же, что и центральная осевая ось второго участка 2863; однако, эти оси выровнены по-разному в некоторых других примерных вариантах осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления второй участок 2863 имеет меньший диаметр, чем первый участок 2861.
В некоторых примерных вариантах осуществления вторая полость 2868 сформирована в пределах второй поверхности 2854 держателя 2850 акустического датчика и продолжается в направлении второго участка 2863 первой полости 2860, но не достигает второго участка 2863. Однако эта вторая полость 2868 является необязательной. Толщина 2869 сформирована между вторым участком 2863 и второй полостью 2868. Толщина 2869 может противостоять нагрузке 2880 без разлома. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, вторую полость 2868 формируют так, чтобы она имела круглое поперечное сечение; однако, в других примерных вариантах осуществления форма отличается. Вторая полость 2868 имеет такие размеры, чтобы на нее можно было устанавливать, по меньшей мере, участок второго стержня 2895, который более подробно описан ниже.
Полости 2860, 2868 сформированы путем механической обработки держателя 2850 акустического датчика или формовки держателя 2850 акустического датчика так, чтобы в нем сформировались полости 2860, 2868. В качестве альтернативы, полости 2860, 2868 формируют, используя другие способы или комбинацию способов, известных специалистам в данной области техники.
Акустический датчик 2870 представляет собой пьезоэлектрический датчик в некоторых примерных вариантах осуществления; однако? акустический датчик 2870 представляет собой любой другой тип устройства, известный для специалистов в данной области техники, в котором устройство выполнено с возможностью детектировать акустическую передачу. Акустический датчик 2870 детектирует сигналы упругой волны, формируемые в резце 100, которые затем преобразуют сигнал упругих волн в сигнал напряжения так, что данные могут быть записаны и впоследствии проанализированы. Акустический датчик 2870 имеет диапазон чувствительности от одного до приблизительно 1000 килогерц, что позволяет детектировать события акустической эмиссии, слишком слабые или слишком короткие для их детектирования на основе ранее описанных конфигураций системы. Акустический датчик 2870 располагается внутри, по меньшей мере, второго участка 2863 первой полости 2860 держателя акустического датчика. В некоторых примерных вариантах осуществления участок акустического датчика 2870 продолжается в первый участок 2861 первой полости держателя 2860 акустического датчика. Акустический датчик 2870 соединен с или находится в контакте с резцедержателем 2850. В некоторых примерных вариантах осуществления участок акустического датчика 2870 устанавливается во второй полости 2830 резцедержателя 2810. В некоторых примерных вариантах осуществления каждый из индентора 550, резца 100 и акустического датчика 2870, по существу, выровнены линейно. В некоторых примерных вариантах осуществления материал 2875 с низкой плотностью, такой, как смазка, помещают вокруг акустического датчика 2870 после его установки внутри первой полости 2860 держателя акустического датчика. Материал 2875 с низкой плотностью заполняет остающийся участок первой полости 2860 между, по меньшей мере, поверхностью второго участка первой полости 2863 и акустическим датчиком 2870. Материал 2875 с низкой плотностью изолирует акустический датчик 2870, не позволяя ему детектировать шумы окружающей среды или, по меньшей мере, уменьшая детектирование этого шума. Акустический датчик 2870 соединен с возможностью передачи с блоком 2809 записи данных таким образом, что сигнал напряжения, выводимый из упругих волн, возникающих в резце 100, может быть сохранен и впоследствии проанализирован. Акустический датчик 2870 соединен с блоком 2809 записи данных, используя кабель 2808; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, акустический датчик 2870 соединен с возможностью передачи данных в блок 2809 записи данных по беспроводному каналу, используя беспроводные технологии, включающие в себя, но без ограничений, инфракрасную передачу и передачу по радиочастоте. В вариантах осуществления, в которых кабель 2808 соединяет акустический датчик 2870 с блоком 2809 записи данных, канал 2851 сформирован так, что он продолжается от боковой поверхности 2856 держателя акустического датчика до первой полости держателя 2860 акустического датчика. Канал 2851 позволяет передавать данные по кабелю 2808 из первой полости 2860 держателя акустического датчика в блок 2809 записи данных.
Первый стержень 2890 включает в себя первый конец 2891, который ориентирован так, чтобы прикладывать нагрузку 2880 на второй конец 652 индентора. Первый конец 2891 первого стержня располагают рядом со вторым концом 652 индентора и затем прижимают к индентору 550, прикладывая, таким образом, нагрузку 2880. Первый конец 2891, по существу, выполнен плоским, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления; однако первый конец 2891 является неплоским в других примерных вариантах осуществления. Первый стержень 2890 изготовлен с использованием металла, или в качестве альтернативы, любого другого соответствующего материала, выполненного с возможностью противостоять нагрузке 2880.
Второй стержень 2895 включает в себя первый конец 2896, который выполнен в форме, которая надежно закрепляется на нижнем участке держателя 2850 акустического датчика. Первый конец 2896 включает в себя приподнятый участок 2897 и участок 2898 выемки, окружающей приподнятый участок 2897. Приподнятый участок 2897 имеет форму, аналогичную форме второй полости 2868 держателя акустического датчика таким образом, что, по меньшей мере, часть приподнятого участка 2897 может быть вставлена во вторую полость 2868 держателя акустического датчика для надежного соединения второго стержня 2895 с держателем 2850 акустического датчика. Приподнятый участок 2897 включает в себя, по существу, плоскую поверхность 2899, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления; однако поверхность 2899 выполнена неплоской, в зависимости от формы второй полости 2868 держателя акустического датчика в других примерных вариантах осуществления. Второй стержень 2895 изготовлен с использованием стали или, в качестве альтернативы, любого другого соответствующего материала, который выполнен с возможностью противостоять нагрузке 2880 и имеет более низкий акустический импеданс, чем у материала, используемого для изготовления держателя 2850 акустического датчика, такого как алюминий, латунь, пластик и древесина. Как упомянуто выше, такой материал с низким акустическим импедансом позволяет продолжить передачу звука в и через материал, вместо его отражения обратно в акустический датчик 2870. В некоторых примерных вариантах осуществления, по меньшей мере, один из резцедержателя 2810, держателя 2850 акустического датчика и второго стержня 2895 изготовлен из материала, имеющего намного большую плотность или намного меньшую плотность, чем, по меньшей мере, у одного из других оставшихся компонентов. Например, плотность одного из компонентов составляет, по меньшей мере, приблизительно в 1,5 раза больше, чем у, по меньшей мере, одного из ранее упомянутых компонентов.
Хотя одна примерная конфигурация устройства 2805 тестирования акустической эмиссии была представлена и описана выше, другие конфигурации, известные специалистам в данной области техники, с учетом преимуществ настоящего раскрытия, могут использоваться без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления. Например, свойства соединения и/или взаимной фиксации соседних компонентов могут быть выполнены различным образом в других примерных вариантах осуществления. Например, нижний участок резцедержателя 2810 частично вставлен в первую полость 2860, сформированную в верхнем участке держателя 2850 акустического датчика. В качестве альтернативы, в других примерных вариантах осуществления, верхний участок держателя 2850 акустического датчика частично вставлен в полость (не показана), сформированную на нижнем участке резцедержателя 2810.
Блок 2809 записи данных аналогичен блоку 590 записи данных (фиг.5), но выполнен с возможностью записи вплоть приблизительно 100 ООО элементов данных в секунду. В альтернативных примерных вариантах осуществления блок 2809 записи данных записывает даже больше элементов данных в секунду. Блок 2809 записи данных записывает данные, переданные из акустического датчика 2870 и сохраняет эти данные в нем. В некоторых примерных вариантах осуществления блок 2890 записи данных также соединен с возможностью передачи данных с одним или больше компонентами, такими как первый стержень 2890, для получения данных, для определения количественных характеристик нагрузки 2880. Данные обрабатывают в соответствии с описанием, представленным выше.
Хотя каждый примерный вариант осуществления был описан подробно выше, следует понимать, что любые свойства и модификации, которые применимы к одному варианту осуществления, также применимы к другим вариантам осуществления. Кроме того, хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, эти описания не означают, что их следует рассматривать в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления, а также альтернативных вариантов осуществления изобретения будут понятны для специалистов в данной области техники, со ссылкой на описание примерных вариантов осуществления. Для специалистов в данной области техники следует понимать, что концепция и конкретные варианты осуществления, раскрытые здесь, могут непосредственно использоваться как основа для модификации или конструирования других структур или способов, для достижения тех же назначений изобретения. Специалисты в данной области техники также должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема изобретения, которые описаны в приложенной формуле изобретения. Таким образом, предусматривается, что формула изобретения охватывает любые такие модификации или варианты осуществления, которые попадают в пределы объема изобретения.
Использование: для тестирования свойственной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает в себя держатель, компонент, индентор, держатель датчика и акустический датчик. Держатель включает в себя первый конец и второй конец, противоположный первому концу. На первом конце определена первая полость, продолжающаяся в направлении второго конца. Компонент располагают в первой полости. Индентор располагают рядом с участком компонента и прикладывают нагрузку к компоненту. Держатель датчика включает в себя верхний участок, нижний участок и вторую полость в нем. Верхний участок соединен со вторым концом. Датчик расположен внутри второй полости. В некоторых вариантах осуществления устройство включает в себя стержень, соединенный с нижним участком. Стержень имеет более низкий акустический импеданс, чем у держателя датчика, обеспечивая, таким образом, возможность прохода звуковых волн через держатель датчика и без отражения обратно в датчик. Технический результат: обеспечение возможности более достоверного определения свойственной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых материалов. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 28 ил.
1. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии, содержащее:
держатель твердого компонента, содержащий первый конец и второй конец, противоположный первому концу, при этом первый конец определяет первую полость, продолжающуюся в направлении второго конца;
твердый компонент, расположенный в первой полости;
индентор, расположенный рядом с участком твердого компонента;
держатель акустического датчика, содержащий верхний участок, нижний участок и вторую полость в нем, причем верхний участок соединен со вторым концом держателя твердого компонента; и
акустический датчик, расположенный во второй полости,
в котором акустический датчик определяет одно или больше акустических событий, возникающих в твердом компоненте, когда индентор прикладывает нагрузку к твердому компоненту.
2. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, в котором верхний участок содержит верхнюю поверхность, определяющую участок второй полости, причем вторая полость продолжается в направлении нижнего участка, и в котором, по меньшей мере, участок акустического датчика расположен рядом со вторым концом держателя твердого компонента.
3. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.2, в котором на втором конце держателя твердого компонента сформировано отверстие, причем это отверстие продолжается в направлении первой полости, и в котором акустический датчик располагается внутри этого отверстия и рядом со вторым концом держателя твердого компонента.
4. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, дополнительно содержащее смазку, расположенную в пределах второй полости и окружающую, по меньшей мере, участки акустического датчика.
5. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, в котором держатель акустического датчика соединен с взаимной фиксацией с держателем твердого компонента.
6. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, дополнительно содержащее первый стержень, соединенный с нижним участком держателя акустического датчика, причем первый стержень, имеющий более низкий акустический импеданс, чем у держателя акустического датчика.
7. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.6, в котором первый стержень соединен с взаимной фиксацией с держателем акустического датчика.
8. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, в котором твердый компонент включает в себя по меньшей мере один из резца из поликристаллического алмаза, резца на основе поликристаллического нитрида бора и образца горной породы.
9. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, в котором твердый компонент, индентор и акустический датчик, по существу, выровнены линейно.
10. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, в котором держатель твердого компонента дополнительно содержит проход, продолжающийся от первой полости ко второму концу.
11. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п.1, дополнительно содержащее первый стержень, соединенный с нижним участком держателя акустического датчика, в котором по меньшей мере один из держателя твердого компонента, держателя акустического датчика и первого стержня изготовлен из более плотного материала, чем по меньшей мере один из остальных компонентов.
12. Система тестирования на основе акустической эмиссии, содержащая:
устройство тестирования на основе акустической эмиссии, содержащее:
держатель твердого компонента, содержащий первый конец и второй конец, противоположный первому концу, при этом первый конец определяет первую полость, продолжающуюся в направлении второго конца;
твердый компонент, расположенный в первой полости;
индентор, расположенный рядом с участком твердого компонента;
держатель акустического датчика, содержащий верхний участок, нижний участок и вторую полость в нем, причем верхний участок соединен со вторым концом держателя твердого компонента; и
акустический датчик, расположенный во второй полости,
блок записи данных, соединенный с возможностью передачи данных с устройством тестирования на основе акустической эмиссии, блок записи данных принимает данные из устройства тестирования на основе акустической эмиссии, и
в котором акустический датчик определяет одно или больше акустических событий, возникающих в твердом компоненте, когда индентор прикладывает нагрузку к твердому компоненту.
13. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п.12, в которой блок записи данных соединен с возможностью передачи данных с устройством тестирования на основе акустической эмиссии, используя кабель.
14. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п.12, в которой верхний участок содержит верхнюю поверхность, определяющую участок второй полости, вторая полость, продолжающаяся в направлении нижнего участка, и в котором, по меньшей мере, участок акустического датчика расположен рядом со вторым концом держателя твердого компонента.
15. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п.14, в которой на втором конце держателя твердого компонента сформировано отверстие, причем это отверстие продолжается в направлении первой полости, и в котором акустический датчик располагается внутри этого отверстия и рядом со вторым концом держателя твердого компонента.
16. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п.12, в которой устройство тестирования акустической эмиссии дополнительно содержит первый стержень, соединенный с нижним участком держателя акустического датчика, причем первый стержень, имеющий более низкий акустический импеданс, чем у держателя акустического датчика.
17. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п.12, в которой твердый компонент, индентор и акустический датчик, по существу, выровнены линейно.
18. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п.12, в которой держатель твердого компонента дополнительно содержит проход, продолжающийся от первой полости ко второму концу.
19. Способ для тестирования твердого компонента, содержащий этапы, на которых:
предоставляют держатель твердого компонента, содержащий первый конец и второй конец, противоположный первому концу, при этом первый конец определяет первую полость, продолжающуюся в направлении второго конца;
устанавливают твердый компонент в первой полости;
устанавливают индентор рядом с участком твердого компонента;
соединяют верхний участок держателя акустического датчика со вторым концом держателя твердого компоненты, держатель акустического датчика, содержащий в нем верхний участок, нижний участок и вторую полость;
устанавливают акустический датчик внутри второй полости;
применяют нагрузку к индентору, подавая, таким образом, нагрузку к твердому компоненту;
генерируют одно или больше акустических событий в твердом компоненте; и
детектируют одно или больше акустических событий.
20. Способ по п.19, в котором верхний участок содержит верхнюю поверхность, определяющую участок второй полости, вторую полость, продолжающуюся в направлении нижнего участка, и в котором акустический датчик располагают рядом со вторым концом держателя твердого компонента.
21. Способ по п.20, в котором на втором конце держателя твердого компонента сформировано отверстие, причем это отверстие продолжается в направлении первой полости, и в котором, по меньшей мере, участок акустического датчика располагается внутри этого отверстия и рядом со вторым концом держателя твердого компонента.
22. Способ по п.19, дополнительно содержащий этап, на котором помещают смазку в пределах второй полости и окружающую, по меньшей мере, участки акустического датчика.
23. Способ по п.19, дополнительно содержащий этап, на котором соединяют первый стержень с нижним участком держателя акустического датчика, причем первый стержень, имеющий более низкий акустический импеданс, чем у держателя акустического датчика.
24. Способ по п.19, в котором твердый компонент, индентор и акустический датчик, по существу, выровнены линейно.
| Способ оценки твердости материалов | 1986 |
|
SU1375994A1 |
| US 20050172702A1, 11.08.2005 | |||
| US 20040045357A1, 11.03.2004 | |||
| US 20030183021A1, 02.10.2003 | |||
| US 6247355B1, 19.06.2001. | |||
