使用集成計算元件的牙輪密封失效檢測的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開一般設(shè)及用于在地中鉆孔的鉆頭，并具體設(shè)及用于牙輪鉆頭的潤滑系統(tǒng)。 陽00引發(fā)明背景
[0003] 石油和天然氣鉆探行業(yè)中使用的牙輪鉆頭通常具有其由潤滑系統(tǒng)潤滑的密封球 軸承。潤滑脂經(jīng)常用作潤滑劑。在軸承組件中，軸承密封件通常具有最低平均部件故障間隔 時間，使得軸承密封有效性通常決定軸承系統(tǒng)的壽命。在密封件磨損時，潤滑脂可能會被鉆 井泥漿和水污染，鉆井泥漿和水逐漸會被引入潤滑系統(tǒng)中。因此，潤滑劑內(nèi)的污染物流體的 量可指示密封的有效性，并且當(dāng)污染物達(dá)到預(yù)定極限時，繼續(xù)鉆孔必須停止，W免發(fā)生軸承 故障，軸承故障可使一個或多個牙輪留在鉆孔底部并且需要昂貴的捕拱操作來取回它們。
[0004] 用于感測由于軸承密封失效而引起的即將發(fā)生的軸承故障的現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)是已知的。在一些情況下，軸承密封失效是逐漸發(fā)生的，但在其它情況下，軸承故障可能 會幾乎沒有任何預(yù)警而災(zāi)難性地發(fā)生。檢測密封失效的現(xiàn)有技術(shù)方法可能不足夠敏感來預(yù) 測即將發(fā)生的密封失效或不足夠敏感來檢測密封失效并在顯著軸承損壞發(fā)生之前迅速傳 達(dá)運樣的狀況。因此，理想的是實時檢測牙輪鉆頭的密封失效。 陽0化]附圖簡述
[0006] 下面將參考附圖詳細(xì)描述實施方案，其中：
[0007] 圖1是四分之一被切開W顯露根據(jù)本實施方案的牙輪鉆頭的縱向截面的正視圖， 其示出鉆頭主體，所述鉆頭主體具有終止于軸頸的臂、旋轉(zhuǎn)地安裝到具有球軸承的軸頸的 切割器總成，和內(nèi)部軸承潤滑系統(tǒng)；且
[000引圖2是用于圖1的鉆頭的潤滑系統(tǒng)內(nèi)的根據(jù)本實施方案的光傳感器的放大縱向截 面，其示出位于其具有透明窗（位于一端W用于浸沒在潤滑劑中）的圓柱形殼體內(nèi)的光源、 光過濾器和光檢測器。
【具體實施方式】
[0009] 圖1示出被布置為包括光傳感器100的牙輪鉆頭10,如圖2所示，所述光傳感器被 ?？谠O(shè)計并構(gòu)造為用于檢測潤滑脂、潤滑劑或其它流體內(nèi)的水的存在。鉆頭10包括鉆頭主 體12,其優(yōu)選包括作為軸頸16而終止的臂14。切割器總成20 (通常是攜帶大量離散切割 器22的牙輪）被旋轉(zhuǎn)地留置在每個軸頸16處。
[0010] 在一個實施方案中，切割器總成20的內(nèi)圓周具有限定外軸承座圈的形成于其中 的半圓槽30。同樣，軸頸16的外圓周具有限定內(nèi)軸承座圈32的形成于其中的半圓槽。多 個硬化的球軸承34被容納在內(nèi)軸承座圈和外軸承座圈30、32之間限定的圓形腔室中W在 軸頸16上旋轉(zhuǎn)地留置切割器總成20。球形通道36 (其在一般使用過程中會被堵塞）形成 于每個臂14內(nèi)的外表面和圓形軸承腔室之間W允許球軸承根據(jù)需要被加載和卸載W進(jìn)行 安裝、維護(hù)和維修。
[0011] 一個或多個腔室形成于鉆頭主體12中W作為潤滑劑的儲存器40。儲存器40與球 軸承34和軸承座圈30、32理想地通過其將球形通道36連接到儲存器40的管道42流體連 通?？商峁└裟ぁ⒒钊?，或類似的壓力調(diào)節(jié)總成44來對潤滑系統(tǒng)加壓W最小化污染物侵入 到軸承總成中。為此目的，提供一個或多個軸頸/切割器總成密封件50W使?jié)櫥瑒┍３衷?軸承總成內(nèi)并使污染物保持在軸承總成外。
[0012] 密封失效傳感器或監(jiān)測器100 (圖2)被定位為與潤滑劑流體連通。在一個實施方 案中，傳感器被定位在其流體禪接到管道42的插槽46中。然而，在其它實施方案中，傳感 器可定位在潤滑劑系統(tǒng)周圍的鉆頭中的其它位置處。傳感器100可W是整體的，或者其可 由幾個離散部分組成。
[0013] 圖2是圖1的鉆頭10的插槽46的詳細(xì)視圖，其示出根據(jù)一個實施方案的定位在 其中的傳感器100。傳感器100包括殼體102,所述殼體可W是圓柱形的并且螺紋連接到插 槽46。然而，可適當(dāng)?shù)厥褂脤鞲衅?00安裝在鉆頭10內(nèi)的其它技術(shù)。
[0014] 殼體102的內(nèi)端包括窗口 104,或者由窗口 104形成，所述窗口優(yōu)選地形成與殼體 102的流體密封，但是對于光傳感器100所關(guān)注的光的波長是透光的。窗口 104與潤滑劑 60進(jìn)行光通信（理想地是物理接觸），所述潤滑劑如圖2所示可包含在管道42內(nèi)。傳感器 100包括光源106和光過濾器108,和光檢測器110,它們都優(yōu)選但不是必須定位在殼體102 內(nèi)。光源106和光過濾器108,和光檢測器110可全部都是離散組件，或兩個或更多個可W 連體。無論如何，運些組件被定位為使得來自光源106的光與潤滑劑相互作用、（在適當(dāng)時 與潤滑劑60相互作用之前或之后）穿過光過濾器108,并在光檢測器110處被接收。
[0015] 如箭頭所示，光與潤滑劑60的相互作用可通過如箭頭70所示的反射（主要在窗 口 /潤滑劑接口處）、通過如由箭頭72所示的傳輸（管道壁的反射），或通過運些機(jī)制的組 合來進(jìn)行。實際上，來自光源106的光也可能會經(jīng)受折射、擴(kuò)散和吸收，只要一些相互作用 的光到達(dá)光檢測器110即可。
[0016] 傳感器100還可包含處理和遙測模塊120,其可操作地禪接到光檢測器110W用于 處理來自光檢測器110的信號并將它們傳達(dá)到遠(yuǎn)程位置（例如，地表）。W此方式，鉆井操 作者可實時地被準(zhǔn)確告知水侵入鉆頭潤滑系統(tǒng)中的量，并相應(yīng)地告知密封的有效性?？墒?用各種形式的遙測，包括電遙測、電磁遙測、聲學(xué)遙測等。由于運樣的遙測技術(shù)在本領(lǐng)域中 是公知的，所W在運里不再提供關(guān)于遙測的進(jìn)一步詳情。
[0017] 在第一實施方案中，每個切割器總成20都可具有單獨的專用光傳感器100,其優(yōu) 選位于每個臂14內(nèi)。遙測可包括來自每個傳感器的信號，其例如可W是連續(xù)的或排序的。 或者，鉆頭100可包括單個光檢測器100,其監(jiān)測服務(wù)鉆頭上的所有切割器總成20的共用潤 滑系統(tǒng)。
[0018] 現(xiàn)在描述傳感器100的操作原理：當(dāng)光與物質(zhì)例如經(jīng)由透射或反射相互作用時， 光會帶走關(guān)于它與物質(zhì)相互作用的物理和化學(xué)性質(zhì)的信息?？蓽y量和解釋光的性質(zhì)（例如 光的強(qiáng)度）W提供關(guān)于光與其相互作用的物質(zhì)的信息。目P，光所攜帶的數(shù)據(jù)（通過其強(qiáng)度） 可被測量W導(dǎo)出關(guān)于物質(zhì)的信息。
[0019] 一般情況下，因為干擾數(shù)據(jù)而難W將光強(qiáng)度的簡單測量轉(zhuǎn)化為信息。目P，即使在相 對有限的波長范圍內(nèi)，幾個因素也可能會對光的強(qiáng)度有所貢獻(xiàn)。因為其它因素的貢獻(xiàn)是未 知的，所W充分地測量與運些因素中的一個相關(guān)的數(shù)據(jù)通常是不可能的。
[0020] 然而，可能從光中導(dǎo)出信息。可例如通過W下步驟獲得估計：將來自幾個樣品的光 分為波長帶并進(jìn)行運些波長帶的強(qiáng)度相對每個樣品的所需信息的常規(guī)測量的結(jié)果的多重 線性回歸。特別而言，潤滑劑樣品可被照射，使得來自潤滑劑的光攜帶諸如樣品的水含量的 信息。來自幾個樣品中的每個的光可被引導(dǎo)到其從光中分離預(yù)定波長頻帶的一系列帶通濾 波器。帶通濾波器后面的光檢測器測量每個光帶的強(qiáng)度。如果使用常規(guī)方法測量每個潤滑 劑樣品的水含量，則幾個所測量的帶通強(qiáng)度相對每個樣品的所測量的水含量的多元線性回 歸可產(chǎn)生諸如下面的等式：
[0021] y=日。+日1訊1+日2訊2+···+日。町 （等式1)
[0022] 其中y是水含量，a。是由回歸分析確定的常數(shù)，且W。是每個波長帶的光強(qiáng)度。
[0023] 等式1可用于估計相同潤滑劑類型的后續(xù)樣品的水含量。然而，根據(jù)情況，估計可 能是不可接受的不準(zhǔn)確，因為除了水之外的因素可能也會影響波長帶的強(qiáng)度。此外，運些其 它因素可能不會W與水一致的方式從一個樣品改變?yōu)橄乱粋€樣品。
[0024] 更準(zhǔn)確的估計可通過壓縮由光帶入主成分中的數(shù)據(jù)而獲得。為了獲得主成分，例 如從相同類型的潤滑劑的照射樣品中收集相同類型的光的各種樣品的光譜數(shù)據(jù)。光樣品由 攝譜儀散布到其波長光譜上，使得每個光樣品在每個波長上的量值可被測量。運些數(shù)據(jù)然 后被匯集并經(jīng)受被稱為奇異值分解（SVD)的線性代數(shù)過程。SVD是主成分分析的關(guān)鍵，其脫 離本公開的特定教導(dǎo)對本領(lǐng)域的專業(yè)人±而言通常是公知的。
[00巧]簡單地，主成分分析是一種降維技術(shù)，其采取具有η個獨立變量的m個光譜并構(gòu)建 一套新的本征矢量（其是原始變量的線性組合）。本征矢量可被視為一組新的繪制軸。主 軸（稱