專利名稱：磨損指示設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)領(lǐng)域——本發(fā)明涉及用于通過諸如磨銑、刀具或鉆頭的具有工作型面的工具在井眼中執(zhí)行井下作業(yè)的方法和設(shè)備，所述工作型面在使用期間被磨損。
背景技術(shù)：
在油氣井的鉆孔、完井和修井中，通常利用具有某種與井下結(jié)構(gòu)相作用的耐磨工作型面的工具在井眼中執(zhí)行井下作業(yè)。例如，利用磨銑銑削井下金屬物體，利用銑鞋執(zhí)行沖洗操作，利用切削工具切開管狀物體，或利用鉆頭鉆穿地層。在執(zhí)行這些操作期間，對(duì)工具的工作型面來說，例如對(duì)安裝在其下表面或外表面的切削元件來說，通常會(huì)受到磨損。隨著該磨損的發(fā)展，工具的效用降低。
當(dāng)工作型面已經(jīng)受到一給定量的磨損時(shí)，需要從井中拉出工具，并更換。更換工具所需要的磨損程度取決于工具的種類和執(zhí)行的操作。不幸的是，對(duì)地表上的井操作者來說，很難、甚至不可能精確地知道什么時(shí)候出現(xiàn)該給定的磨損量。通常，決定什么時(shí)候拉出工具基本上取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)。也就是說，操作者必須根據(jù)所知道的操作已經(jīng)進(jìn)行的時(shí)間、工具上的重量、正在作業(yè)的井下結(jié)構(gòu)的類型、在鉆井流體中出現(xiàn)的切屑或作業(yè)管柱扭矩的逐漸變化，來估計(jì)工具的磨損量。這些參數(shù)中沒有一個(gè)參數(shù)提供了對(duì)工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到操作者需要拉出工具時(shí)的特定程度的明確指示。過早地拉出工具，會(huì)增加的不必要的從井中抽出的操作，增加鉆井時(shí)間。拉出工具太遲，會(huì)逐漸地降低井下作業(yè)的效率，也會(huì)增加鉆井時(shí)間。
所希望的是，具有一種用于明確地確定什么時(shí)候井下工具的工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到已知的程度、從而允許操作者進(jìn)行理性決斷更換工具的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種磨損指示器，其嵌入工作型面一定深度中，防止磨損指示器與即將成為工作型面執(zhí)行的作業(yè)目標(biāo)的井下結(jié)構(gòu)相接觸。隨著作業(yè)的進(jìn)行，工作型面受到磨損，直到磨損指示器暴露而與井下結(jié)構(gòu)例如被銑削或被切削的物體或被鉆探的地層相接觸。在暴露時(shí)，磨損指示器改變與井下工具有關(guān)的一些工作參數(shù)，工作參數(shù)的這個(gè)改變由操作者或控制系統(tǒng)檢測(cè)，明確地指示工作型面的具體磨損程度?？梢栽诠ぷ餍兔鎯?nèi)的多個(gè)深度設(shè)置多個(gè)磨損指示器，以提供對(duì)工作型面的逐級(jí)磨損的明確指示。
磨損指示器可以采取各種各樣的形式。例如，可以在工作型面內(nèi)部形成壓力流體路徑，終止于地表之下。流體路徑可以是被加壓的，例如，通過經(jīng)由工具泵送的鉆井流體。當(dāng)工作型面的磨損發(fā)展到流體路徑破裂的時(shí)候，這提供了用于流體流出工具的附加的流動(dòng)路徑。這樣會(huì)引起流體的可測(cè)量的壓力降低，所述壓力降低能夠被檢測(cè)，以提供一個(gè)清晰指示即已經(jīng)出現(xiàn)選定程度的磨損。在這種情況下，嵌入工作型面內(nèi)的壓力流體路徑成為磨損指示器，流體壓力為被監(jiān)測(cè)的相關(guān)工作參數(shù)，監(jiān)測(cè)流體壓力的傳感器可以為壓力計(jì)。
作為另一個(gè)例子，可以在工作型面內(nèi)部嵌入耐磨墊片而作為磨損指示器。當(dāng)工作型面的磨損發(fā)展到耐磨墊片接觸井下結(jié)構(gòu)并承載一部分重量的時(shí)候，這顯著地限制了工具的銑削或切削作用，導(dǎo)致使工具旋轉(zhuǎn)所需要的扭矩的可測(cè)量的降低，該降低能夠被檢測(cè)，以提供一個(gè)清晰指示即已經(jīng)出現(xiàn)選定程度的磨損。在這種情況下，嵌入工作型面內(nèi)的耐磨墊片構(gòu)成磨損指示器，所需要的旋轉(zhuǎn)扭矩為被監(jiān)測(cè)的相干工作參數(shù)，監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩的傳感器可以為扭矩計(jì)。
作為又一個(gè)例子，可以在工作型面內(nèi)部封裝一定量可識(shí)別的材料?？勺R(shí)別的材料可以是例如磁性粉末、化學(xué)示蹤劑或看得見的材料，所述可識(shí)別的材料與返回到井的地表的鉆井流體形成對(duì)照。當(dāng)工作型面的磨損發(fā)展到被封裝的材料沉積物(material deposit)接觸井下結(jié)構(gòu)并從工作型面中逸出的時(shí)候，可識(shí)別的材料進(jìn)入穿過工具流動(dòng)的流體，并返回到地表。該材料從工作型面的選出能夠被檢測(cè)到，以提供一個(gè)清晰指示即已經(jīng)出現(xiàn)選定程度的磨損。在這種情況下，嵌入工作型面內(nèi)的可識(shí)別的材料的包裝件構(gòu)成磨損指示器，材料的磁性、化學(xué)性質(zhì)或可看得見的性質(zhì)是被監(jiān)測(cè)的相關(guān)工作參數(shù)，監(jiān)測(cè)所述性質(zhì)的傳感器可以是合適的儀表，或者僅僅目測(cè)。
由磨損指示器引起的工具的工作參數(shù)的這些改變可以在井地表通過操作者觀測(cè)諸如壓力計(jì)、扭矩計(jì)或鉆井流體中的傳感器的儀表或者通過觀測(cè)鉆井流體本身而被檢測(cè)到。作為選擇，工作參數(shù)的改變也可以由向控制系統(tǒng)輸出信號(hào)的傳感器檢測(cè)到。另外，工作參數(shù)的改變也可以由井下儀表檢測(cè)到，所述井下儀表然后將磨損信號(hào)傳輸?shù)降乇怼６喾N磨損指示器可以組合在一個(gè)給定的工具中。
從附帶的附圖以及下列的描述中可以很好地理解本發(fā)明的具有新穎性的特征以及本發(fā)明本身，其中同樣的參考標(biāo)記指的是同樣的部件。


圖1和圖2是先有技術(shù)磨銑的剖視圖；圖3是先有技術(shù)磨銑的端視圖；圖4是依照本發(fā)明的磨銑的端視圖；圖5是圖4的磨銑的剖視圖，顯示了由井下結(jié)構(gòu)穿透的磨損指示器；圖6和7是本發(fā)明的第二實(shí)施例的剖視圖，顯示了流體壓力磨損指示器破裂前后以及耐磨墊片類型的磨損指示器接觸前后；和圖8是本發(fā)明的第三實(shí)施例的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1-3所示，先有技術(shù)磨銑M通過殼體C下降到與即將被銑削的井下結(jié)構(gòu)、例如管狀元件T相接觸。典型磨銑M具有用于鉆井流體或銑削流體的流體路徑FP，流體經(jīng)由本技術(shù)領(lǐng)域已知的流體噴嘴被引導(dǎo)到磨銑M的工作型面WP的工作表面，在這里僅僅部分地顯示了噴嘴。磨銑M通常被旋轉(zhuǎn)，以便用工作型面WP銑削管狀元件T。工作型面WP可以是在磨銑M的下表面上形成的切削元件基體，在這種情況下，工作型面WP表示為端銑刀或平頭磨鞋。對(duì)于本發(fā)明來說，工具還可以是銑鞋、任意類型的刀具，甚至是鉆頭。同樣，工作型面可以是安裝或形成在工具上的任何類型的型面，以便對(duì)包括地層在內(nèi)的任何井下結(jié)構(gòu)執(zhí)行作業(yè)。
如圖2和圖3所示，當(dāng)磨銑M旋轉(zhuǎn)時(shí)，磨銑M銑削一部分管狀元件T，但是同時(shí)，管狀元件T將穿過構(gòu)成工作型面WP的切削元件基體磨損出一凹槽G。當(dāng)管狀元件T的頂端接觸到磨銑M的主體時(shí)，切削或銑削作用基本上停止了。此刻，對(duì)操作者來說，很少或根本沒有銑削已經(jīng)停止的指示。對(duì)被銑削或鉆孔的其它類型的結(jié)構(gòu)來說，在工作型面上形成的磨損痕跡可能不同于所示的環(huán)槽，但是原理是一樣的。
圖4顯示了依照本發(fā)明的工具10的第一實(shí)施例的端視圖。圖5顯示了運(yùn)行中的工具10。工具10具有主體12，在主體12上形成有切削元件基體形式的工作型面14。當(dāng)工具10旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作型面14的先導(dǎo)面16接觸管狀元件T，工作型面14銑削管狀元件T。如上所述，同時(shí)，管狀元件T將在工作型面14上磨損出圓槽。一矩形的且端部封閉的流體通道21形成在工作型面14內(nèi)部，并嵌入工作型面14的先導(dǎo)面16的下面。也就是說，工作型面14最初隔離了流體通道21與井下結(jié)構(gòu)的接觸，在這種情況下井下結(jié)構(gòu)為管狀元件T。因而，流體通道21由圖4中的虛線表示，所示的噴嘴19從流體路徑18引導(dǎo)到先導(dǎo)面16。圖4僅僅顯示了流體通道21在不干擾穿過噴嘴19的正常流動(dòng)的情況下如何嵌入工作型面14內(nèi)部的一個(gè)例子。流體通道21可以是嵌入工作型面14內(nèi)部的管道，或者可以僅僅是通過任何已知的手段形成在其中的空腔。
圖5顯示的是流體通道21實(shí)際上流體連通地連接到流體路徑18上并形成閉端部分。隨著管狀元件T在工作型面14內(nèi)磨損出圓槽，管狀元件T最終使流體通道21破裂。除了噴嘴19之外，這又提供了流體路徑18的附加的出口。這個(gè)附加的流體出口的打開導(dǎo)致流體路徑18中的背壓的顯著降低，這提供了對(duì)工作型面14的磨損已經(jīng)發(fā)展到應(yīng)當(dāng)更換工具10的程度的明確指示。所以，流體通道21提供了一種類型的磨損指示器，其可以給出工作型面的磨損的可識(shí)別并明確的指示。該相關(guān)的工作參數(shù)，即流體壓力，可以通過本技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何裝置來監(jiān)測(cè)，例如壓力計(jì)。
圖6和7顯示了工具10的第二實(shí)施例，工具10實(shí)際上包括兩個(gè)其它類型的磨損指示器。也就是說，多個(gè)封閉流體通道20，在這種情況下為多個(gè)支管，嵌入切削型面14內(nèi)部。像矩形流體通道21一樣，這些流體支管20可以為嵌入工作型面14內(nèi)部的管道22，或者它們可以僅僅是通過已知的手段形成在其中的通道。這些流體支管20的功能類似于流體通道21。在該實(shí)施例中還顯示了另一種磨損指示器，即多個(gè)耐磨材料制成的墊片24。
當(dāng)如圖7所示的工作型面14已經(jīng)磨損到耐磨墊片24接觸到井下結(jié)構(gòu)的程度的時(shí)候，耐磨墊片24開始承載工具10上的顯著的一部分重量。這本質(zhì)上阻止了進(jìn)一步的銑削或切削作用，結(jié)果，使工具10旋轉(zhuǎn)所需要的扭矩顯著降低。旋轉(zhuǎn)扭矩的這個(gè)可識(shí)別的降低可以通過本技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何裝置來感知，例如扭矩計(jì)。該降低的扭矩計(jì)讀數(shù)構(gòu)成了對(duì)工作型面14已經(jīng)磨損到需要更換工具10的程度的明確指示。所以，耐磨墊片24提供了另一種類型的磨損指示器，其可以給出工作型面的磨損的可識(shí)別且明確的指示。該相關(guān)工作參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)扭矩，可以通過本技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何裝置來檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。耐磨墊片24可以與流體支管20組合使用，或者與矩形流體通道21組合使用，或者這些中的任意一個(gè)都可以單獨(dú)使用。
圖8顯示了工具10的第三實(shí)施例，工具10也包括兩種磨損指示器。像圖6和7所示的實(shí)施例那樣，這里顯示了耐磨墊片24，它們的功能與上述一樣。另外，該實(shí)施例顯示了可識(shí)別的介質(zhì)或材料的包裝件28，所述可識(shí)別的介質(zhì)或材料起警告劑(tell-tale agent)的作用。像矩形流體通道21那樣，包裝件28可以是嵌入工作型面14內(nèi)部的管道30，或者它可以僅僅是通過已知的手段形成在其中的通道?？勺R(shí)別的材料可以是磁性粉末、化學(xué)劑或與穿過工具10泵送的鉆井流體或銑削流體在某方面、例如可觀察方面形成對(duì)照的任何其它的材料。也可以使用其它的可識(shí)別的性質(zhì)，關(guān)鍵在于，一旦它們從工具10中被釋放出來，它們對(duì)觀測(cè)者或某種儀表來說就是可識(shí)別的。
隨著井下結(jié)構(gòu)磨損工作型面14，井下結(jié)構(gòu)最終使材料包裝件28破裂。這從工具10中釋放了可識(shí)別的警告性材料?？勺R(shí)別的材料可直接由操作者發(fā)覺，或者可由某種儀表檢測(cè)，這提供了對(duì)工作型面14的磨損已經(jīng)發(fā)展到應(yīng)當(dāng)更換工具10的程度的明確指示。所以，材料包裝件28提供了另一種磨損指示器，其可以給出工作型面的磨損的可識(shí)別且明確的指示。該相關(guān)工作參數(shù)，即該材料的可識(shí)別的性質(zhì)，可以通過本技術(shù)領(lǐng)域已知的任何裝置監(jiān)測(cè)到，例如磁性傳感器、化學(xué)傳感器，或者由操作者觀測(cè)。材料包裝件28可以單獨(dú)使用，或者與任何其它類型的磨損指示器組合使用。
雖然在此所示和詳細(xì)披露的特定發(fā)明完全能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)明目的以及提供以上所述的優(yōu)點(diǎn)，但是，應(yīng)當(dāng)明白，所披露的內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的說明，除了附帶的權(quán)利要求書所描述的之外，其目的不在于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測(cè)井下工具的磨損的系統(tǒng)，其包括形成在井下工具上的工作型面，所述工作型面適于對(duì)井眼內(nèi)的井下結(jié)構(gòu)執(zhí)行作業(yè)；在所述工作型面內(nèi)部的磨損指示器，所述磨損指示器最初由所述工作型面保護(hù)而不與所述井下結(jié)構(gòu)物理接觸；適于測(cè)量所述井下工具的工作參數(shù)的傳感器；其中，當(dāng)所述工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到足以使所述磨損指示器暴露而與所述井下結(jié)構(gòu)接觸的時(shí)候，所述磨損指示器適用于改變所述工作參數(shù)的值。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述井下工具包括選自磨銑、銑鞋、刀具和鉆頭組成的組中的工具。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述工作型面包括切削元件基體。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述磨損指示器包括在所述工作型面中的壓力流體路徑；所述傳感器包括測(cè)量所述流體路徑中的流體壓力的壓力傳感器；在所述工作型面的磨損發(fā)展到足以打開所述流體路徑時(shí)，所述流體路徑適于引起所述流體壓力的下降。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述磨損指示器包括耐磨墊片；所述傳感器包括測(cè)量旋轉(zhuǎn)所述井下工具所需要的扭矩的扭矩傳感器；以及在所述工作型面的磨損發(fā)展到足以導(dǎo)致所述井下結(jié)構(gòu)與所述耐磨墊片相接觸時(shí)，所述耐磨墊片適于引起所述扭矩的下降。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述磨損指示器包括嵌入所述工作型面內(nèi)部的一定量可識(shí)別的介質(zhì)；所述傳感器適于檢測(cè)從井眼返回到地表的流體中的所述可識(shí)別的介質(zhì)的存在；以及在所述工作型面的磨損發(fā)展到足以導(dǎo)致所述井下結(jié)構(gòu)與所述一定量可識(shí)別的介質(zhì)相接觸的同時(shí)，所述一定量可識(shí)別的介質(zhì)適于被釋放到所述流體中。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述可識(shí)別的介質(zhì)選自磁性材料、化學(xué)示蹤劑和可觀察到的對(duì)照材料組成的組。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括輸出裝置，所述輸出裝置適于提供指示所述磨損發(fā)展的所述工作參數(shù)的所述值的改變的信號(hào)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出裝置包括操作者接口。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述操作者接口包括流體壓力計(jì)。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述操作者接口包括扭矩計(jì)。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出裝置包括適于提供輸入到控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)的控制系統(tǒng)接口。
13.一種用于監(jiān)測(cè)井下工具的磨損的方法，包括如下步驟在井下工具的工作型面中提供磨損指示器；提供適于測(cè)量所述井下工具的工作參數(shù)的傳感器；操作所述井下工具在井眼中執(zhí)行井下作業(yè)；當(dāng)所述工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到足以使所述磨損指示器暴露而與所述井下結(jié)構(gòu)接觸的時(shí)候，用所述磨損指示器改變所述工作參數(shù)的值；和用所述傳感器檢測(cè)所述工作參數(shù)的所述值的變化。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括提供壓力流體路徑作為所述磨損指示器以及提供壓力傳感器作為所述傳感器；當(dāng)所述工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到足以使所述流體路徑與井下結(jié)構(gòu)接觸的時(shí)候，打開所述流體路徑；和用所述傳感器檢測(cè)所述流體路徑中的壓力的降低。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括提供耐磨墊片作為所述磨損指示器以及提供扭矩傳感器作為所述傳感器；當(dāng)所述工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到足以使所述耐磨墊片暴露而與井下結(jié)構(gòu)接觸的時(shí)候，用所述耐磨墊片支承重量；和用所述扭矩傳感器檢測(cè)使所述井下工具旋轉(zhuǎn)所需要的扭矩的降低。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括在所述工作型面中嵌入一定量可識(shí)別的介質(zhì)；當(dāng)所述工作型面的磨損已經(jīng)發(fā)展到足以使所述一定量的可識(shí)別的介質(zhì)暴露而與所述井下結(jié)構(gòu)接觸的時(shí)候，從所述工作型面釋放所述一定量可識(shí)別的介質(zhì)；和鑒別所述可識(shí)別的介質(zhì)從所述工作型面的逸出。
全文摘要
用于監(jiān)測(cè)井下工具的磨損和向井地表上的操作者提供對(duì)磨損程度的指示的設(shè)備和方法。當(dāng)切削元件基體的磨損發(fā)展到流體路徑時(shí)，基體內(nèi)部的壓力流體路徑呈現(xiàn)壓力降低，或者當(dāng)基體的磨損發(fā)展到磨損切削元件基體內(nèi)部的墊片時(shí)，旋轉(zhuǎn)扭矩呈現(xiàn)降低。其它的磨損指示器也可以嵌入切削元件基體內(nèi)。到指示器的磨損發(fā)展可以直接在井地表上測(cè)量，或者經(jīng)由井下通信系統(tǒng)中轉(zhuǎn)到地表。
文檔編號(hào)E21B10/00GK1973108SQ200580020625
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月13日
發(fā)明者G·D·林德, J·P·戴維斯 申請(qǐng)人:貝克休斯公司