用于放置切削元件的连续现场跟踪系统

摘要

一种制造钻头或其他油田工具的方法包括将切削元件支撑结构或用于替代性工具元件的支撑结构对准到钻头组件的计算机生成的模型或替代性工具组件的计算机生成的模型的图像。所述方法还包括将工具元件放置在所述支撑结构上，以及使用实时连续的偏离反馈来将所述工具元件在所述支撑结构上的所述放置与所述工具元件的模型在所述工具组件的所述模型的所述图像上的所述放置进行比较。所述方法还包括调整所述工具元件在所述元件支撑结构上的所述放置，以匹配所述工具元件的所述模型在所述工具组件的所述模型的所述图像上的所述放置；以及将所述工具元件接合到所述支撑结构。

权利要求

1.一种制造钻头组件的方法，所述方法包括：

将切削元件定位在所述钻头组件的切削元件支撑结构上；

使用成像系统以通过使用连续的现场视频馈送来获取和比较所述切削元件在所述切削元件支撑结构上的相对位置与所述切削元件的计算机生成的模型在所述切削元件支撑结构的计算机生成的模型上的相对位置；

响应于所述连续的现场视频馈送，将所述切削元件在所述切削元件支撑结构上的位置调整到调整位置，所述调整位置匹配所述切削元件的所述计算机生成的模型在所述切削元件支撑结构的所述计算机生成的模型上的相对位置；以及在所述调整位置处将所述切削元件接合到所述切削元件支撑结构。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

扫描所述切削元件支撑结构以产生所述切削元件支撑结构的图像；

基于所述切削元件支撑结构的所述图像来在所述切削元件支撑结构上建立测量点；

使所述测量点与所述切削元件支撑结构的所述计算机生成的模型上的参考点关联；以及将所述测量点与所述参考点进行比较。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

扫描所述切削元件以产生所述切削元件的图像；

基于所述切削元件的所述图像在所述切削元件上建立第二测量点；

使所述第二测量点与所述切削元件支撑结构的所述计算机生成的模型上的第二参考点关联；以及将所述第二测量点与所述第二参考点进行比较。

4.如权利要求3所述的方法，其中将所述第二测量点与所述第二参考点进行比较包括产生指示在第二测量点与第二参考点的位置之间的差异的线性测量值。

5.如权利要求3所述的方法，其中将所述第二测量点与所述第二参考点进行比较包括产生指示在第二测量点与第二参考点的位置之间的差异的体积测量值。

6.如权利要求3所述的方法，其中将所述第二测量点与所述第二参考点进行比较包括产生指示在第二测量点与第二参考点的位置之间的差异的表面面积测量值。

7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

扫描所述切削元件支撑结构并检测在所述切削元件支撑结构上的测量点，所述测量点对应于在所述切削元件支撑结构的所述计算机生成的模型上的参考点；以及扫描所述切削元件并检测在所述切削元件上的第二测量点，所述第二测量点对应于在所述切削元件支撑结构的所述计算机生成的模型上的第二参考点；

其中将所述切削元件定位在所述切削元件支撑结构上包括观察示出了在所述第二测量点与第二参考点之间的偏离的所述连续的现场视频馈送。

8.一种制造油田工具的方法，所述方法包括：

将油田工具元件定位在所述油田工具的支撑结构上；

使用成像系统以通过使用所述油田工具元件相对于所述油田工具的计算机生成的模型的连续的现场视频馈送来获取和比较所述油田工具元件在所述支撑结构上的相对位置与所述油田工具元件的计算机生成的模型在所述支撑结构的计算机生成的模型上的相对位置；

响应于所述连续的现场视频馈送，将所述油田工具元件在所述支撑结构上的位置调整到调整位置，所述调整位置匹配所述油田工具元件的所述计算机生成的模型在所述支撑结构的所述计算机生成的模型上的所述相对位置；以及在所述调整位置处将所述油田工具元件接合到所述支撑结构。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述连续的现场视频馈送包括体积测量值，所述体积测量值指示在所述油田工具元件在所述支撑结构上的所述相对位置与所述油田工具元件的所述计算机生成的模型在所述支撑结构的所述计算机生成的模型上的所述相对位置之间的差异。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述连续的现场视频馈送包括表面面积测量值，所述表面面积测量值指示在所述油田工具元件在所述支撑结构上的所述相对位置与所述油田工具元件的所述计算机生成的模型在所述支撑结构的所述计算机生成的模型上的所述相对位置之间的差异。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述连续的现场视频馈送包括矢量测量值，所述矢量测量值指示所述油田工具元件的测量点与所述支撑结构的所述计算机生成的模型的参考点之间的距离。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述连续的现场视频馈送包括对应于在所述油田工具元件的多个测量点与所述支撑结构的所述计算机生成的模型的多个参考点之间的距离的多个矢量测量值。

13.如权利要求12所述的方法，其还包括将所述矢量测量值中的至少一个与预先确定的阈值进行比较，并且响应于确定所述矢量测量值中的所述至少一个大于所述预先确定的阈值而产生警报。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述警报包括视觉信号。

15.一种用于制造钻头的系统，所述系统包括：

控制系统，具有处理器、存储器、电源以及输入-输出子系统，所述输入-输出子系统包括：至少一个相机和至少一个投影仪，所述投影仪可操作来照亮和扫描切削元件支撑结构的图像和切削元件的图像；以及至少一个显示器，所述显示器可操作来实时地显示指示所述切削元件在所述切削元件支撑结构上的位置的连续的现场视频馈送；

其中所述控制系统可操作来接收所述切削元件的所述扫描图像并产生多个测量点，所述多个测量点中的每一个对应于在所述切削元件上的位置和在所述切削元件支撑结构的计算机生成的模型上的参考点；以及所述控制系统还可操作来向所述显示器产生现场、连续的视频馈送信号，从而示出每个测量点相对于每个参考点的位置。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述控制系统还可操作来计算在每个测量点与每个参考点之间的距离。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器可操作来向所述显示器传输所述连续的现场视频馈送，所述连续的现场视频馈送包括在所述测量点中的至少一个与所述对应的参考点中的至少一个之间的所述计算的距离。

18.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器可操作来将在每个测量点与每个参考点之间的所述计算的距离与预先确定的阈值进行比较，并且产生指示计算距离中的至少一个大于所述预先确定的阈值的信号。

19.如权利要求18所述的系统，其还包括扬声器，所述扬声器可操作来响应于接收来自所述控制系统的信号而产生听觉警报，所述信号指示所述计算的距离中的至少一个大于所述预先确定的阈值。

20.如权利要求18所述的系统，其中所述显示器可操作来响应于接收来自所述控制系统的信号而产生视觉指示，所述信号指示所述计算的距离中的至少一个大于所述预先确定的阈值。

说明书

用于放置切削元件的连续现场跟踪系统

技术领域

[0001] 本公开大体涉及用于制造钻头或用于钻探烃回收井的其他工具的系统和方法，并且更具体地，涉及用于通过使用实时视觉反馈来制造此类钻头或其他油田工具的系统和方法，所述实时视觉反馈允许用户观察钻头相对于模型钻头的呈现以增强制造工艺的精度。

背景技术

[0002] 将井钻探到各种深度以从地下地质地层获取和生产油、气、矿物质、和其他天然存在的沉积物。通常利用钻头来完成井的钻探，所述钻头旋转以通过移除表土、砂、粘土、石灰石、方解石、白云石或其他材料来推进井筒。钻头通常是旋转锥形钻头或固定切刀钻头。通常，旋转锥形钻头包括由包括切削元件的多个旋转部分组成的钻头体，并且固定切刀钻头包括具有附接到钻头体外部的切削元件的单件式本体。钻头体可由许多种制造方法形成，诸如铸造、机加工或它们的组合。在固定切刀钻头的情况下，切削元件通常被安装来在钻头体已形成之后完成钻头，所述切削元件是接合并移除来自地层的材料以形成井筒的钻头的相对锋利的元件。在旋转锥形钻头的情况下，切削元件通常被附接到旋转锥体，所述旋转锥体在完成钻头之前被安装在钻头组件中。

附图说明

[0003] 图1是具有附接到钻头体的多个切削元件的固定切刀钻头的透视图；

[0004] 图2是图1的钻头的顶视图；

[0005] 图3是图1的钻头的特写透视图，示出了附接到钻头体的多个切削元件；

[0006] 图4是具有多个旋转锥体和附接到其的多个切削元件的旋转锥形钻头的侧向透视图；

[0007] 图5是示出用于制造钻头的说明性过程的流程图，其包括将切削元件上的测量点对准到模型钻头上的对应参考点；

[0008] 图6是用于实现图5的过程的现场跟踪成像和显示系统；

[0009] 图7A是示出用于将物体放置在其正确位置中的现场跟踪模式的实例的屏幕截图，其示出了切削元件相对于钻头体的放置，其中制造者或用户处于将切削元件附接到钻头体的过程中，屏幕截图的顶部部分示出了安装过程的实时图像，并且屏幕截图的底部部分示出了被附接到钻头体模型的模型切削元件的实时图像；以及

[0010] 图7B是示出用于将物体放置在其正确位置中的现场跟踪模式的实例的屏幕截图，其示出了切削元件相对于钻头体的放置，其中制造者或用户已将切削元件相对于钻头体正确地就座，屏幕截图的顶部部分示出了安装的实时图像，并且屏幕截图的底部部分示出了被附接到钻头体模型的模型切削元件的实时图像。

具体实施方式

[0011] 在以下说明性实施方案的具体实施方式中，参考了形成本文的一部分的附图。充分详细地描述这些实施方案以使本领域技术人员能够实践本发明。应理解的是可以利用其他实施方案，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以作出合乎逻辑的、结构的、机械的、电力的、和化学的改变。为了避免对于使得本领域的技术人员能够实践在此所描述的这些实施方案来说所不必要的细节，本说明可能省略了本领域的技术人员已知的某些信息。因此以下详细说明不具有限制性意义，并且这些说明性实施方案的范围仅由所附权利要求书限定。

[0012] 切削元件相对于钻头体的放置在维持钻头的有效性中是重要因素。如本文所参考的，切削元件的放置可指切削元件相对于所述切削元件附接到的钻头体的角度和位置的取向。例如，当在钻头制造过程中安装切削元件时，钻头体的放置可能需要将切削元件放置在钻头体表面上的特定位置处并定向切削元件，以使得当操作钻头时，切削元件的切削表面将以一定角度和深度接合地层，所述角度和深度与设计规格一致。切削元件的放置可能因此需要使用来自钻头体上的参考点的坐标测量来放置切削元件，并调整切削元件的切削表面的角度和高度，以使得以指定的角度和高度相对于钻头体的外表面来附接切削元件的面。切削元件的放置在确保钻头如由设计者所预期地接合地层以有效地移除材料并形成井中可以是重要因素。

[0013] 除了其他方面，本公开描述了用于使用三维成像系统的扫描、测量、投影、连续跟踪以及现场视频显示技术来跟踪和改进工具结构(当其在制造过程期间被固定到工具时)的放置的方法和系统。例如，说明性系统和方法可以是可适用于在用于制造钻头的过程期间将切削元件接合到钻头体。代表性方法可以包括将钻头体对准到钻头或支撑钻头的旋转锥体(在旋转锥形钻头的情况下)的计算机生成的、三维模型的图像。钻头的模型可以包括切削元件的模型和钻头体的模型，以改善在钻头体上放置切削元件的准确度。所述方法还可以包括实时地将切削元件在钻头体上的放置与切削元件相对于钻头的计算机生成的、三维模型的图像的视觉表示的放置进行比较。如本文所参考的，一个部分的计算机生成的、三维模型可以被称为“模型”部分。在模型钻头或模型切削元件支撑结构(其可以是模型钻头体或模型旋转锥体)的情况下，模型可以是切削元件或指示切削元件的预期位置的位置信息。

[0014] 前述比较可以包括观察模型钻头体的图像的连续、现场视频馈送、和实际钻头体的图像以及模型切削元件和实际切削元件的图像。所述方法还可包括调整切削元件在钻头体上的相对位置，直到切削元件的位置匹配模型钻头体的图像上的模型切削元件的相对位置，并将切削元件接合到钻头体。

[0015] 可通过将测量点标记放置在钻头体上、扫描钻头体、识别标记位置作为测量点、并且使测量点与模型钻头上的参考点关联来实现代表性方法，当在设计公差内完成钻头时，所述参考点指示标记相对于钻头体的位置。除了反映出将切削元件放置在钻头体上的精确度如何的定量数据之外，现场视频馈送可示出实际的标记位置(当在放置切削元件期间将它们对准到参考点位置时)。例如，现场视频馈送还可以基于测量点与参考点的比较示出瞬时计算。这类瞬时计算可指示钻头的圆形特征的轴线位置从模型钻头上的对应轴线的位置偏离的程度。类似的计算可以反映出以下的现场连续显示：(i)在部分表面与模型部分表面之间的偏离角；(ii)在扫描的部分与模型部分之间的体积差，其可以指示理论体积重叠的程度；以及(iii)在扫描的部分与模型部分之间的面积差，其可以指示扫描的部分与模型部分的表面区域重叠的程度。

[0016] 现参照图1-图3，代表性钻头100由钻头体104和多个切削元件102形成。通过铸造、机加工和接合处理以及它们的组合，钻头还可以包括另外的切削结构、排屑槽、流体流动路径以及喷嘴开口。切削元件102可以以优化钻头100关于某些因素的性能的方式围绕钻头体104安排，所述某些因素诸如由钻头移除的材料量、钻头形成井筒的精确度水平以及钻头
100的耐久性。切削元件可在尺寸、形状和取向上变化，并且通常被使用硬钎焊工艺粘合至钻头体104，其中熔融的粘合材料被应用在切削元件102与钻头体104之间，并且被允许冷却和凝固以将切削元件102附接到钻头体104。代替硬钎焊，其他接合工艺也可以被用来将切削元件102接合至钻头体104。这类其他接合工艺可以包括焊接、应用粘附剂以及其他类似的工艺。

[0017] 尽管通过将切削元件102插入至预先制造的袋或其他定位特征中，可将切削元件102频繁地附接到钻头100，在其他实例中可能有必要将切削元件102附接到不包括这类定位特征的钻头体104，或者以得益于额外的准确度的方式来安装切削元件102。在任一种情况下，可使用焊枪来硬钎焊切削元件102，所述焊枪加热和熔化在切削元件102和钻头体104的配合表面之间的金属或金属合金硬钎焊材料，并且可以旋转或以其他方式操纵切削元件
102以确保硬钎焊材料占据在切削元件102与钻头体104之间的整个界面。这种制造工艺可以是其中一个人应用硬钎焊材料并操作焊枪并且另一个操纵切削元件102的手动制造工艺、机器为其完成先前功能的自动工艺或者它们的组合。

[0018] 图4示出具有钻头体204的旋转锥形钻头200的说明性实施方案，所述钻头体204支撑包括切削元件202的多个旋转锥形元件201。旋转锥形钻头200类似于上文相对于在旋转锥形钻头200上的切削元件202的放置所描述的固定切刀钻头100。然而，在旋转锥形钻头200的情况下，切削元件202被附接到旋转锥体201而不是直接附接到钻头体204。另外，切削元件202可以以考虑到其他设计因素来优化钻头200的性能的方式被安排，所述其他设计因素诸如移除材料的速率、钻头形成井筒的精确度水平以及钻头200的耐久性。

[0019] 下文描述的系统和方法有利于钻头的精确制造，并且更具体地是，切削元件在旋转锥体或固定切刀钻头体上的放置，所述旋转锥体或固定切刀钻头体中的任何一个可以被称为“切削元件支撑结构”。如下文更详细描述的，所述系统和方法在油田工具制造领域中也可以具有较为广阔的适用性。例如，图5描述了用于将切削元件精确地附接到支撑结构(诸如钻头体或旋转锥体)的说明性过程，并且图6示出了用于实现这类过程的代表性系统。图7A和图7B示出了可以向用户显示的图5的过程和图6的系统的屏幕截图。

[0020] 如图6中所示，代表性系统400包括控制系统402，所述控制系统402可以包括处理器、存储器、电源以及输入/输出子系统。存储器可以被用来存储引起处理器执行图5的过程或类似过程的指令，用来存储和分析切削元件、旋转锥体、钻头体、钻头和钻头的其他部件(共同地，“钻头部件”)的图像。如本文所参考的，“图像”或“现场图像”可以是指现场视频馈送。此外，存储器可以存储对应于设计规格的主钻头部件或主钻头组件的计算机辅助设计(CAD)模型。处理器可以实现从存储器的指令读取、从输入/输出子系统接收命令、并产生对输入/输出子系统的输出。

[0021] 为了接收输入并采集成像数据，控制系统的输入-输出子系统可以包括具有一个或多个相机(诸如第一相机404和第二相机406)的成像系统。还可以包括一个或多个另外的相机。在一个实施方案中，相机404、406可以被用来捕获例如钻头部件的一个或多个三维图像，或者用来使用环境光呈现钻头部件的现场实时三维图像。在图6的实施方案中，相机404和406可操作来产生钻头412(包括钻头体414和多个切削元件416)的三维图像。在一个实施方案中，相机404、406形成还包括投影仪420的三维成像扫描器的部分，所述投影仪420照亮网格422的图像或者将其投射到钻头412和钻头体414上，以帮助位置数据的成像和映射。投影仪420可以是联接至成像系统或与相机404、406中的一个整体成形的独立机构。在一个实施方案中，投影网格422是被投影到钻头412上的紫外线网格422。网格412显示由相机404、406读取的在部件412的表面上的条纹图案。如下文更详细描述的，由相机404、406采集的数据被转换成位置数据，诸如可用来导出测量点数据和参考点数据的坐标数据。

[0022] 在图6中，钻头412被示出安装到在制造或接合过程期间支撑和稳定钻头体414的夹具或固定装置410，其中切削元件412被附接到钻头体414。为了向用户提供反馈，系统400还包括显示器408，并且还可包括听觉输出装置(诸如扬声器)。显示器408、扬声器以及其他输出装置可以可通信地联接到在控制系统400处的输入/输出子系统，以从控制系统400接收数据并将数据传送给用户。

[0023] 为了帮助用户制造钻头或其他工具，控制系统400可以执行类似于图5所示的说明性过程的一个或(多个)过程。通常，所述过程包括扫描将包括在组件内的项目、和所述项目将被装配至其的支撑结构。扫描被用来产生项目和支撑结构的三维图像。图像可以被分析以产生与模型组件上的参考点相关的测量点，所述模型组件包括项目和支撑结构的模型。通过确保测量点和参考点会聚以具有等同的位置数据，或者在设计公差内的等同的位置数据，所述说明性系统和方法可以被用在与油田工具制造相关的多个应用中。本申请中更详细讨论的实施方案涉及切削元件到钻头或切削元件支撑结构的装配。然而，所述说明性系统和过程可类似地适用于以下的装配，例如：(1)将切削元件接合到钻头牙轮，(2)将锥体接合到牙轮钻头体，(3)将销连接器(诸如美国石油学会(API)连接器)接合到钻头体，(4)将其他阴螺纹部分和阳螺纹部分接合到井底总成(BHA)，(5)将切削元件接合到铰刀体，(6)将铰刀臂接合到铰刀体，(7)将切削元件接合到任何其他孔扩展工具或取芯工具，(8)将传感器(诸如随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)传感器)接合到BHA或钻头，(9)将发信号装置接合到BHA或钻头，以及(10)将其他类型的电气装置接合到BHA或钻头。

[0024] 再次参考图5的过程，所述过程涉及钻头切削元件到钻头体的装配，所述说明性过程包括扫描如上所述可以是旋转锥体或钻头体的切削元件支撑结构302，以产生也可被称为切削元件支撑结构的钻头体的三维图像。分析三维图像并使其与切削元件支撑结构304或相关组件的模型关联，并且将其存储在存储器中。过程300还包括扫描待附接到切削元件支撑结构的切削元件306或其他部件(诸如磨损检测仪)，以产生切削元件或其他部件的三维图像。还分析切削元件的三维图像并使其与切削元件或其他部件308的模型关联，并且将其存储在存储器中。

[0025] 在一个实施方案中，产生切削元件(或其他部件)和切削元件支撑结构的三维图像并将所述图像存储在存储器中的步骤包括分析所述图像以产生测量点。如本文所参考的，测量点是在可以是实际扫描的切削元件和钻头体的待装配元件和支撑结构上的点。测量点可以被识别为位置数据，诸如在三维图像中的坐标或者通过其他位置标记来识别，并且可以以多种方式产生。在一个实施方案中，测量点对应于在成像之前物理地放置在切削元件和钻头体上的标记的位置。在其他实施方案中，测量点可由从图像随机选择测量点的算法、由对应于成像物体的可识别特征的预先选择的测量点(诸如在表面上的部分线拐点)、或由对应于在投影到成像物体上的网格422上的位置的预先选择的测量点来进行选择。

[0026] 测量点由相机检测(如果测量点对应于标记)，或从由相机采集的图像来识别(当这类标记不被使用时)，并且将所述测量点存储在点云或其他合适的数据结构中。可将点云或其他测量点数据存储为指示测量点的实际位置的坐标数据。为了有利于在将元件装配至支撑结构中使用测量点数据，分析所述图像并且系统识别对应于测量点的参考点，并使测量点与参考点关联。如本文所参考的，每个参考点是为了评估的目的用作基准或定位特征的模型上的点。参考点也可以被表达或跟踪为原点(在基准的情况下)、或作为一组三维坐标。在一个实施方案中，参考点是表面上的点、或在钻头部件模型(诸如模型切削元件)的拐角处的点，其可与在相同类型的实际钻头部件上的对应测量点进行比较，以确定(相对于模型)制造部件的精确度如何、或者以通过确定在参考点的位置数据与测量点的位置之间的差异来有助于钻头部件的安装。

[0027] 如上所述，以下可能是明显的：每个测量点具有位置数据，所述位置数据可以用作用于与对应的参考点的位置数据相比较的检查点。因此，参考点位置数据可起到校验和的作用，以通过确定在测量点的位置数据与对应的参考点的位置数据之间的差异来检查制造、装配或以其他方式安装部件的精确度如何。例如，如果假设的钻井系统部件为立方体，通过分析部件的三维图像，所述立方体的八个角中的每一个可以被指定为实际部件上的测量点，并且所述立方体模型的八个角中的每一个可以被指定为模型的图像或呈现中的参考点。

[0028] 在一个实施方案中，将测量点标记在成像前放置在实际元件上，并且测量点标记的位置使用相机来进行识别，以基于在实际部分上的测量点关于参考点的比较来构造图像。可将参考点的位置对准到完成的钻头的三维模型，以使得在装配之后参考点对应于测量点的期望位置。此外，测量点位置可通过跟踪软件的操作来与参考点位置进行比较，以帮助用户将物理元件对准到在支撑结构上的其期望的位置中。在一个实施方案中，系统向用户提供显示数据，所述显示数据可以包括实时移动图像数据和连续更新的坐标数据，其示出在一个或多个测量点的位置与参考点的一个或多个位置或“虚拟位置”之间的实时偏离。这类系统可以被用来提供现场反馈跟踪方法，以验证和加强制造过程。为了核实制造部件或将其安装在组件(诸如钻头)中的精确度如何，测量点(1、2、3、...、8)中的任何一个或多个的坐标可与对应的参考点(1、2、3、...、8)中的一个或多个进行比较，以使得操作者能够确定安装部件的精确度如何。如果测量点与参考点等同，那么用户可以推断出部件是被正确地制造或安装。相反地，如果一个或多个测量点与其对应的参考点明显不同，那么用户可以推断出部件未被正确地制造或者未被正确地安装。

[0029] 根据说明性实施方案，在操作中，当操作者将元件或部件部分带入至其在主部分或组件上的正确位置并针对偏离观察屏幕时，在实际部分上的测量点标记将对准到虚拟图像中的参考点，因为如果部件部分被适当地接合到组件，它们将会聚。相反地，当操作者可以从显示器看见测量点位置与参考点位置未对准时，他将看见在虚拟图像中的对应的表面偏离，其指示例如所述部分的表面从来自模型部分的表面突出的距离。当操作者移动物理部分以减少观察到的偏离时，现场反馈显示器将示出虚拟部分被移动以与模型会聚(以使得例如成像元件的前表面与模型组件中的前表面元件会聚)，并且所显示的偏离将实时地减少。操作者可以连续改变所述部分的位置，直到在每个方向上的偏离为零，在所述点处物理部分上的所有测量点将对准到模型图像中示出的参考点，所述模型图像也可被称为虚拟图像或呈现。

[0030] 尽管上文描述的系统可以指示作为点之间的线性测量的模型部分位置与实际部分位置之间的变化，显示器也可以提供对应于变化的其他测量值。例如，变化也可以被表示成体积或表面面积上的差异。

[0031] 通过使用图6的系统，例如可将测量点和参考点进行比较，以确定在将部件永久地固定在适当的位置处之前将其对准在最终组件中的精确度如何。例如，在钻头和切削元件的情况下，用户可以对准钻头体(或旋转锥体)上的切削元件，通过将测量点与参考点进行比较来检查所述对准是否与模型钻头一致，并选择是否基于所述比较来完成安装或改善切削元件的对准。

[0032] 再次参考图5的过程，所述过程包括以下类似的步骤：将切削元件放置在钻头体或旋转锥体上，并且观察部件当与装配的模型相比时的实际图像的现场比较，并且通过在视觉显示器312上观察参考点与测量点之间的实时偏离。例如，当用户在启动硬钎焊工艺来将切削元件固定在适当的位置处之前将切削元件设置在钻头体上时，可以捕获连续、现场图像并对其进行分析以将模型钻头上的参考点的位置与实际切削元件或钻头体上的测量点进行比较。基于比较，操作所述过程的系统可向用户显示图像，所述图像在实际切削元件的实时位置旁边示出模型钻头中的模型切削元件的位置的轮廓，以向系统的操作者提供实时反馈。可替代地，在测量点与参考点之间的差异可作为定量值向用户显示，所述定量值可以是实际的矢量位移、体积偏离或表面面积偏离，以向用户指示切削元件与模型钻头中的模型切削元件对偏的程度。

[0033] 尽管用户可以能够从观察显示器来确定切削元件是否适当地安放，也可以并入其他类型的通知系统。例如，听觉系统可以提供听觉信号以基于部分规格和公差或另一种类型的预先确定的阈值来指示将切削元件适当地或者在公差内安放。可替代地，听觉系统可以提供听觉信号以指示切削元件未适当地安放。

[0034] 基于向用户提供的信息，用户可将所有的测量点与对应的参考点对准，以准确地安放切削元件314。一旦将切削元件适当地安放，用户通过焊接、硬钎焊或使用另一种类似的接合工艺316将切削元件接合到切削元件支撑结构，以完成切削元件的安装或固定。

[0035] 在一个实施方案中，上文描述的系统可以被用来制造具有高度反射率的部件，诸如钢钻头体或切削元件。在这类实施方案中，为了防止材料的反射率干扰相机的操作，可以应用非反射性涂层来减少反射率和帮助相机更准确地捕获部件的几何形状。

[0036] 图7A和图7B示出根据上文描述的系统和过程的对于由用户操作的显示器的示例性屏幕截图。在图7A和图7B的实例中，切削元件502被装配至形成切削元件支撑结构的钻头体504。屏幕截图的顶部部分示出由相机产生的现场、实时视频馈送，并且下部部分示出虚拟图像的对应的连续、现场视频馈送，所述虚拟图像可以被理解为建模的或呈现的切削元件512相对于建模的或呈现的支撑结构514的图像。如图所示，所述系统已分配、检测或以其他方式在切削元件502和切削模型512上建立了四个测量点506a-506d，所述测量点506a-506d在屏幕的两个部分中显示。所述系统还已经分配了四个参考点518a-518d，所述参考点
518a-518d根据设计规格对应于测量点506a-506d的期望位置。图7A中示出的第一屏幕截图的下部部分指示出切削元件502尚未适当地安放，用户可通过观察图像容易地确定这点。

[0037] 如上所述，测量点506a-506d可以是在扫描切削元件502之前放置在切削元件502上的实际标记，并且可将测量点506a-506d和参考点518a-518d的位置数据存储在点云中或者存储在将用于软件来产生和分析图像的其他数据结构中。在图7A的图像的下部部分中示出的虚拟图像示出操作员通过将测量点506a-506d或标记的位置对准到对应的参考点位置来装配钻头。

[0038] 在图7B的第二屏幕截图中，切削元件502已经移动到用于安装的正确位置中，所述正确位置由测量点506a-506d和参考点518a-518d的视觉一致或协同位置所指示。通过观看图7B的第二屏幕截图的下部部分，其也可被理解是虚拟图像，用户可以看见例如测量点506a与参考点518a协同定位，测量点506b与参考点518b协同定位，测量点506c与参考点
518c协同定位等。此外，系统可以播放听觉声音以指示测量点506a-506e与参考点518a-
518e被协同定位并且切削元件被适当地安放，以使得用户可以开始硬钎焊或其他接合工艺来将切削元件502附接到支撑结构504。

[0039] 前面描述了制造钻头的代表性方法，所述代表性方法包括将切削元件支撑结构对准到模型切削元件支撑结构的图像，并且将切削元件放置在切削元件支撑结构上。更一般地说，所述代表性方法还可被理解为制造工具的方法，所述方法包括将部件和支撑结构对准到模型组件的图像，并且将元件放置在支撑结构上，以使得当将部件移动到适当的位置中时，实际部件和支撑结构的图像与模型组件的虚拟图像会聚。所述方法还包括通过例如观察模型和/或实际切削元件支撑结构以及模型和/或实际切削元件的连续、现场视频馈送来实时地将切削元件在切削元件支撑结构上的放置与模型切削元件在模型切削元件支撑结构的图像上的放置进行比较。所述方法还包括调整切削元件在切削元件支撑结构上的放置，以匹配模型切削元件在模型切削元件支撑结构的图像上的放置，并且将切削元件接合到切削元件支撑结构。

[0040] 可以通过扫描具有测量点标记的切削元件支撑结构、将标记位置转换成测量点、并使测量点与参考点关联来实现所述方法，所述参考点指示标记相对于切削元件支撑结构的正确位置。由于将实际标记位置对准到在监视器上显示的参考点位置，这使得视频馈送能够示出实际的标记位置。此外，所述方法可以包括利用测量点对切削元件进行成像并将测量点转换成位置数据，所述位置数据可以是包括例如坐标数据的点云数据。可将位置数据与参考点位置数据的位置数据进行比较，所述参考点位置数据的位置数据对应于测量点相对于切削元件支撑结构的正确位置，以使得当将实际测量点与显示器或计算机监视器上的参考点对准时，视频馈送可以示出实际测量点。

[0041] 在一个实施方案中，所述方法可以包括：(1)成像或扫描切削元件支撑结构并在切削元件支撑结构上建立测量点，(2)使在支撑结构上的测量点与模型切削元件支撑结构上的参考点关联，(3)成像或扫描切削元件并在切削元件上建立第二测量点，以及(4)使第二测量点与模型切削元件支撑结构上的第二参考点关联。成像或扫描切削元件和切削元件支撑结构并在每个项目上建立测量点可以使用上文描述的代表性系统或方法中的任一种来完成。例如，测量点可以通过检测放置在切削元件上的标记来建立，或者在切削元件的分析之后由用户或算法来定位。如果根据设计规格来安装切削元件，第二参考点可以对应于第二测量点的期望位置。在这类实施方案中，将切削元件放置在切削元件支撑结构上以安放切削元件的步骤包括：观察示出了在第二测量点与第二参考点之间的偏离的连续、现场视频馈送。

[0042] 在一个实施方案中，用于控制钻头制造的方法包括以下步骤中的一个或多个：(1)计算在切削元件支撑结构上的测量点与在模型切削元件支撑结构上的参考点之间的方差，(2)计算在切削元件上的第二测量点与模型组件(诸如模型钻头)上的第二参考点之间的第二方差，以及(3)显示切削元件相对于模型组件的视频图像。此处，显示切削元件相对于模型切削元件支撑结构的视频图像可以包括：显示矢量或矢量的大小，这类矢量指示从第二参考点到第二测量点的距离或从物理部分表面到模型部分表面的偏离。矢量可以表示为沿三个垂直轴(x、y和z)的位移、表示为重叠或非重叠体积的测量、或者表示为重叠或非重叠表面面积的测量。

[0043] 上述方法还可以包括计算对应于从第二测量点到第二参考点的距离的一个或多个矢量测量值，并且还可包括将计算的矢量测量值与预先确定的阈值进行比较，以及响应于确定计算的矢量测量值具有比预先确定的阈值更小或更大的大小来产生警报。在体积或表面面积测量值代替矢量测量值来使用的情况下，可应用类似的方法。警报可以是音频信号(诸如铃声、钟声或嗡嗡声)、或视觉信号(诸如闪光或红光)。

[0044] 在一个实施方案中，用于制造钻头的系统包括具有处理器、存储器、电源和输入-输出子系统的控制系统。所述系统包括一个或多个相机或成像传感器和投影仪，所述投影仪被联接到输入-输出子系统并且可操作来扫描切削元件支撑结构的图像和切削元件的图像。此外，所述系统包括联接到输入-输出子系统的一个或多个显示器。控制系统可操作来接收切削元件支撑结构的扫描图像并产生多个测量点，这类测量点中的每一个对应于标记的位置或者在切削元件支撑结构上的另一个选择位置。每个测量点与模型组件或切削元件支撑结构的参考点关联。

[0045] 所述系统还可操作来接收切削元件的扫描图像并产生多个第二测量点，所述多个第二测量点对应于标记的位置或在切削元件上的另一个选择位置。这类第二测量点中的每一个与模型切削元件支撑结构或钻头组件上的第二参考点关联。控制系统还可操作来向显示器产生现场视频图像，从而示出测量点和第二测量点中的每一个相对于参考点和第二参考点的位置。控制系统可以可操作来分别计算出在测量点和第二测量点中的每一个与参考和第二参考点中的每一个之间的距离。处理器还可以可操作来将现场视频图像传输至显示器，以示出在测量点和第二测量点中的至少一个与对应的参考点和第二参考点中的至少一个之间的计算距离。需注意，一旦支撑结构或钻头体与模型适当对准以使得测量点与参考点对准，所述系统可停用关于测量点与参考点的比较的数据显示，并且仅显示出关于第二测量点与第二参考点的比较的数据，以简化提供给用户的数据呈现。

[0046] 根据上述系统，处理器可以可操作来将在每个第二测量点与每个第二参考点之间的计算距离与预先确定的阈值比较，并且产生指示计算距离中的至少一个大于预先确定的阈值的信号。所述系统可以包括扬声器以响应于从控制系统接收指示计算距离中的至少一个大于预先确定的阈值的信号来产生听觉警报或产生视觉信号的显示或光。

[0047] 本文描述的说明性系统、方法和装置也可通过以下实施例来描述：

[0048] 实施例1.一种制造钻头的方法，所述方法包括：

[0049] 使用成像系统来将切削元件支撑结构的扫描图像对准到在钻头组件的计算机生成的模型中的所述切削元件支撑结构的模型的图像；

[0050] 将切削元件放置在所述切削元件支撑结构上；

[0051] 使用所述成像系统以基于实时、连续的视觉反馈来将所述切削元件在所述切削元件支撑结构上的所述放置与所述切削元件的计算机生成的模型在所述钻头组件的所述模型的所述图像上的所述放置进行比较；

[0052] 调整所述切削元件在所述切削元件支撑结构上的所述放置，以匹配所述切削元件的所述模型在所述钻头组件的所述模型的所述图像上的所述放置；以及

[0053] 将所述切削元件接合到所述切削元件支撑结构。

[0054] 实施例2.如实施例1所述的方法，所述方法还包括：

[0055] 扫描所述切削元件支撑结构以产生所述切削元件支撑结构的图像；

[0056] 基于所述切削元件支撑结构的所述图像来在所述切削元件支撑结构上建立测量点；

[0057] 使所述测量点与所述钻头组件的所述模型上的参考点关联；以及

[0058] 将所述测量点与所述参考点进行比较。

[0059] 实施例3.如实施例1和2所述的方法，所述方法还包括：

[0060] 扫描所述切削元件以产生所述切削元件的图像；

[0061] 基于所述切削元件的所述图像来在所述切削元件上建立第二测量点；

[0062] 使所述第二测量点与所述钻头组件的所述模型上的第二参考点关联；以及[0063] 将所述第二测量点与所述第二参考点进行比较。

[0064] 实施例4.如实施例3所述的方法，其中将第二测量点与所述第二参考点进行比较包括产生指示在所述第二测量点与第二参考点的位置之间的所述差异的线性测量值。

[0065] 实施例5.如实施例3所述的方法，其中将第二测量点与所述第二参考点进行比较包括产生指示在所述第二测量点与第二参考点的位置之间的所述差异的体积测量值。

[0066] 实施例6.如实施例3所述的方法，其中将第二测量点与所述第二参考点进行比较包括产生指示在所述第二测量点与第二参考点的位置之间的所述差异的表面面积测量值。

[0067] 实施例7.如实施例1-6所述的方法，所述方法还包括：

[0068] 扫描所述切削元件支撑结构并检测所述切削元件支撑结构上的测量点，这类测量点对应于在所述钻头组件的所述模型上的参考点；以及

[0069] 扫描所述切削元件并检测所述切削元件上的第二测量点，这类第二测量点对应于在所述钻头组件的所述模型上的第二参考点；

[0070] 其中将所述切削元件放置在所述切削元件支撑结构上包括观察示出了在所述第二测量点与第二参考点之间的偏离的连续、现场视频馈送。

[0071] 实施例8.如实施例7所述的方法，其中调整所述切削元件在所述切削元件支撑结构上的所述放置以匹配所述切削元件的所述模型在所述钻头组件的所述模型的所述图像上的所述放置包括对准所述第二测量点与第二参考点。

[0072] 实施例9.如实施例7和8所述的方法，其中将所述切削元件接合到所述切削元件支撑结构包括将所述切削元件硬钎焊到所述切削元件支撑结构。

[0073] 实施例10.如实施例7-9所述的方法，其中所述钻头组件的所述模型包括模板钻头的计算机辅助设计模型。

[0074] 实施例11.一种用于控制油田工具的制造的方法，所述方法包括：

[0075] 计算在支撑结构上的测量点与所述油田工具的计算机生成的模型上的参考点之间的方差；

[0076] 计算在油田工具元件上的测量点与所述油田工具的所述模型上的第二参考点之间的第二方差；以及

[0077] 实时地显示所述油田工具元件相对于所述油田工具的所述模型的视频图像。

[0078] 实施例12.如实施例11所述的方法，其中显示所述油田工具元件相对于所述油田工具的所述模型的视频图像包括显示指示从所述第二测量点到所述第二参考点的所述距离的体积测量值。

[0079] 实施例13.如实施例11-12所述的方法，其中显示所述油田工具元件相对于所述油田工具的所述模型的视频图像包括显示指示从所述第二测量点到所述第二参考点的所述距离的表面面积测量值。

[0080] 实施例14.如实施例11-13所述的方法，其中显示所述油田工具元件相对于所述油田工具的所述模型的视频图像包括显示矢量，这类矢量指示从所述第二测量点到所述第二参考点的所述距离。

[0081] 实施例15.如实施例14所述的方法，其中显示所述油田工具元件相对于所述油田工具的所述模型的视频图像包括显示沿着三个垂直轴的位移。

[0082] 实施例16.如实施例11-15所述的方法，其还包括计算对应于从所述第二参考点到所述第二测量点的所述距离的多个矢量测量值。

[0083] 实施例17.如实施例16所述的方法，其还包括将所述计算的矢量测量值与预先确定的阈值进行比较，并且响应于确定所述计算的矢量测量值大于所述预先确定的阈值而产生警报。

[0084] 实施例18.如实施例17所述的方法，其中所述警报包括听觉信号。

[0085] 实施例19.如实施例17所述的方法，其中所述警报包括视觉信号。

[0086] 实施例20.如实施例11-19所述的方法，其还包括

[0087] 调整所述油田工具元件在所述支撑结构上的所述放置，以匹配所述油田工具元件的模型在所述工具的所述模型的所述图像上的所述放置；以及

[0088] 将所述油田工具元件接合到所述支撑结构。

[0089] 实施例21.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括切削元件，并且所述油田工具包括钻头牙轮。

[0090] 实施例22.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括锥形元件，并且所述油田工具包括牙轮钻头。

[0091] 实施例23.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括销连接器，并且所述油田工具包括钻头。

[0092] 实施例24.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括螺纹部分，并且所述油田工具包括井底总成。

[0093] 实施例25.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括切削元件，并且所述油田工具包括铰刀。

[0094] 实施例26.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括铰刀臂，并且所述油田工具包括铰刀。

[0095] 实施例27.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括传感器，并且所述油田工具包括井底总成。

[0096] 实施例28.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括传感器，并且所述油田工具包括钻头。

[0097] 实施例29.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括发信号装置，并且所述油田工具包括井底总成。

[0098] 实施例30.如实施例11-20所述的方法，其中所述油田工具元件包括发信号装置，并且所述油田工具包括钻头。

[0099] 实施例31.一种用于制造钻头的系统，所述系统包括：

[0100] 控制系统，所述控制系统具有处理器、存储器、电源以及输入-输出子系统，所述输入-输出子系统包括：至少一个相机和至少一个投影仪，所述投影仪可操作来照亮和扫描切削元件支撑结构的图像和切削元件的图像；以及至少一个显示器，所述显示器可操作来利用视觉反馈显示连续的现场跟踪反馈；

[0101] 其中所述控制系统可操作来：接收所述切削元件支撑结构的所述扫描图像；以及确定多个测量点，这类测量点中的每一个对应于所述切削元件支撑结构上的位置并且对应于所述钻头的模型的参考点；以及接收所述切削元件的所述扫描图像并产生多个第二测量点，这类第二测量点中的每一个对应于所述切削元件上的位置和所述钻头的所述模型上的第二参考点；以及

[0102] 所述控制系统还可操作来向所述显示器产生现场、连续的视频图像，从而示出每个第二测量点相对于每个第二参考点的位置。

[0103] 实施例32.如实施例31所述的系统，其中所述控制系统还可操作来计算在每个第二测量点与每个第二参考点之间的所述距离。

[0104] 实施例33.如实施例32所述的系统，其中所述处理器可操作来向所述显示器传输现场、连续的视频图像，从而示出在所述第二测量点中的至少一个与所述对应的第二参考点中的至少一个之间的所述计算的距离。

[0105] 实施例34.如实施例32所述的系统，其中所述处理器可操作来将每个第二测量点与每个第二参考点之间的所述计算的距离与预先确定的阈值进行比较，并且产生指示计算距离中的至少一个大于所述预先确定的阈值的信号。

[0106] 实施例35.如实施例34所述的系统，其还包括扬声器，所述扬声器可操作来响应于接收来自所述控制系统的信号而产生听觉警报，所述信号指示所述计算的距离中的至少一个大于所述预先确定的阈值。

[0107] 实施例36.如实施例34所述的系统，其中所述显示器可操作来响应于接收来自所述控制系统的信号而产生视觉指示，所述信号指示所述计算的距离中的至少一个大于所述预先确定的阈值。

[0108] 根据前述内容显而易见的是，已提供了一种具有显著优点的发明。尽管仅以其几种形式示出本发明，但其不仅仅限于这些实施方案，而是在不背离本发明的精神的情况下易于作出各种变化和修改。