专利名称：磨损指示设备和方法
技术领域：
技术领域——本发明涉及用于通过诸如磨铣、刀具或钻头的具有工作型面的工具在井眼中执行井下作业的方法和设备，所述工作型面在使用期间被磨损。
背景技术：
在油气井的钻孔、完井和修井中，通常利用具有某种与井下结构相作用的耐磨工作型面的工具在井眼中执行井下作业。例如，利用磨铣铣削井下金属物体，利用铣鞋执行冲洗操作，利用切削工具切开管状物体，或利用钻头钻穿地层。在执行这些操作期间，对工具的工作型面来说，例如对安装在其下表面或外表面的切削元件来说，通常会受到磨损。随着该磨损的发展，工具的效用降低。
当工作型面已经受到一给定量的磨损时，需要从井中拉出工具，并更换。更换工具所需要的磨损程度取决于工具的种类和执行的操作。不幸的是，对地表上的井操作者来说，很难、甚至不可能精确地知道什么时候出现该给定的磨损量。通常，决定什么时候拉出工具基本上取决于操作者的经验。也就是说，操作者必须根据所知道的操作已经进行的时间、工具上的重量、正在作业的井下结构的类型、在钻井流体中出现的切屑或作业管柱扭矩的逐渐变化，来估计工具的磨损量。这些参数中没有一个参数提供了对工作型面的磨损已经发展到操作者需要拉出工具时的特定程度的明确指示。过早地拉出工具，会增加的不必要的从井中抽出的操作，增加钻井时间。拉出工具太迟，会逐渐地降低井下作业的效率，也会增加钻井时间。
所希望的是，具有一种用于明确地确定什么时候井下工具的工作型面的磨损已经发展到已知的程度、从而允许操作者进行理性决断更换工具的装置。
发明内容
本发明提供了一种磨损指示器，其嵌入工作型面一定深度中，防止磨损指示器与即将成为工作型面执行的作业目标的井下结构相接触。随着作业的进行，工作型面受到磨损，直到磨损指示器暴露而与井下结构例如被铣削或被切削的物体或被钻探的地层相接触。在暴露时，磨损指示器改变与井下工具有关的一些工作参数，工作参数的这个改变由操作者或控制系统检测，明确地指示工作型面的具体磨损程度。可以在工作型面内的多个深度设置多个磨损指示器，以提供对工作型面的逐级磨损的明确指示。
磨损指示器可以采取各种各样的形式。例如，可以在工作型面内部形成压力流体路径，终止于地表之下。流体路径可以是被加压的，例如，通过经由工具泵送的钻井流体。当工作型面的磨损发展到流体路径破裂的时候，这提供了用于流体流出工具的附加的流动路径。这样会引起流体的可测量的压力降低，所述压力降低能够被检测，以提供一个清晰指示即已经出现选定程度的磨损。在这种情况下，嵌入工作型面内的压力流体路径成为磨损指示器，流体压力为被监测的相关工作参数，监测流体压力的传感器可以为压力计。
作为另一个例子，可以在工作型面内部嵌入耐磨垫片而作为磨损指示器。当工作型面的磨损发展到耐磨垫片接触井下结构并承载一部分重量的时候，这显著地限制了工具的铣削或切削作用，导致使工具旋转所需要的扭矩的可测量的降低，该降低能够被检测，以提供一个清晰指示即已经出现选定程度的磨损。在这种情况下，嵌入工作型面内的耐磨垫片构成磨损指示器，所需要的旋转扭矩为被监测的相干工作参数，监测旋转扭矩的传感器可以为扭矩计。
作为又一个例子，可以在工作型面内部封装一定量可识别的材料。可识别的材料可以是例如磁性粉末、化学示踪剂或看得见的材料，所述可识别的材料与返回到井的地表的钻井流体形成对照。当工作型面的磨损发展到被封装的材料沉积物(material deposit)接触井下结构并从工作型面中逸出的时候，可识别的材料进入穿过工具流动的流体，并返回到地表。该材料从工作型面的选出能够被检测到，以提供一个清晰指示即已经出现选定程度的磨损。在这种情况下，嵌入工作型面内的可识别的材料的包装件构成磨损指示器，材料的磁性、化学性质或可看得见的性质是被监测的相关工作参数，监测所述性质的传感器可以是合适的仪表，或者仅仅目测。
由磨损指示器引起的工具的工作参数的这些改变可以在井地表通过操作者观测诸如压力计、扭矩计或钻井流体中的传感器的仪表或者通过观测钻井流体本身而被检测到。作为选择，工作参数的改变也可以由向控制系统输出信号的传感器检测到。另外，工作参数的改变也可以由井下仪表检测到，所述井下仪表然后将磨损信号传输到地表。多种磨损指示器可以组合在一个给定的工具中。
从附带的附图以及下列的描述中可以很好地理解本发明的具有新颖性的特征以及本发明本身，其中同样的参考标记指的是同样的部件。
图1和图2是先有技术磨铣的剖视图；图3是先有技术磨铣的端视图；图4是依照本发明的磨铣的端视图；图5是图4的磨铣的剖视图，显示了由井下结构穿透的磨损指示器；图6和7是本发明的第二实施例的剖视图，显示了流体压力磨损指示器破裂前后以及耐磨垫片类型的磨损指示器接触前后；和图8是本发明的第三实施例的剖视图。
具体实施例方式
如图1-3所示，先有技术磨铣M通过壳体C下降到与即将被铣削的井下结构、例如管状元件T相接触。典型磨铣M具有用于钻井流体或铣削流体的流体路径FP，流体经由本技术领域已知的流体喷嘴被引导到磨铣M的工作型面WP的工作表面，在这里仅仅部分地显示了喷嘴。磨铣M通常被旋转，以便用工作型面WP铣削管状元件T。工作型面WP可以是在磨铣M的下表面上形成的切削元件基体，在这种情况下，工作型面WP表示为端铣刀或平头磨鞋。对于本发明来说，工具还可以是铣鞋、任意类型的刀具，甚至是钻头。同样，工作型面可以是安装或形成在工具上的任何类型的型面，以便对包括地层在内的任何井下结构执行作业。
如图2和图3所示，当磨铣M旋转时，磨铣M铣削一部分管状元件T，但是同时，管状元件T将穿过构成工作型面WP的切削元件基体磨损出一凹槽G。当管状元件T的顶端接触到磨铣M的主体时，切削或铣削作用基本上停止了。此刻，对操作者来说，很少或根本没有铣削已经停止的指示。对被铣削或钻孔的其它类型的结构来说，在工作型面上形成的磨损痕迹可能不同于所示的环槽，但是原理是一样的。
图4显示了依照本发明的工具10的第一实施例的端视图。图5显示了运行中的工具10。工具10具有主体12，在主体12上形成有切削元件基体形式的工作型面14。当工具10旋转时，工作型面14的先导面16接触管状元件T，工作型面14铣削管状元件T。如上所述，同时，管状元件T将在工作型面14上磨损出圆槽。一矩形的且端部封闭的流体通道21形成在工作型面14内部，并嵌入工作型面14的先导面16的下面。也就是说，工作型面14最初隔离了流体通道21与井下结构的接触，在这种情况下井下结构为管状元件T。因而，流体通道21由图4中的虚线表示，所示的喷嘴19从流体路径18引导到先导面16。图4仅仅显示了流体通道21在不干扰穿过喷嘴19的正常流动的情况下如何嵌入工作型面14内部的一个例子。流体通道21可以是嵌入工作型面14内部的管道，或者可以仅仅是通过任何已知的手段形成在其中的空腔。
图5显示的是流体通道21实际上流体连通地连接到流体路径18上并形成闭端部分。随着管状元件T在工作型面14内磨损出圆槽，管状元件T最终使流体通道21破裂。除了喷嘴19之外，这又提供了流体路径18的附加的出口。这个附加的流体出口的打开导致流体路径18中的背压的显著降低，这提供了对工作型面14的磨损已经发展到应当更换工具10的程度的明确指示。所以，流体通道21提供了一种类型的磨损指示器，其可以给出工作型面的磨损的可识别并明确的指示。该相关的工作参数，即流体压力，可以通过本技术领域中已知的任何装置来监测，例如压力计。
图6和7显示了工具10的第二实施例，工具10实际上包括两个其它类型的磨损指示器。也就是说，多个封闭流体通道20，在这种情况下为多个支管，嵌入切削型面14内部。像矩形流体通道21一样，这些流体支管20可以为嵌入工作型面14内部的管道22，或者它们可以仅仅是通过已知的手段形成在其中的通道。这些流体支管20的功能类似于流体通道21。在该实施例中还显示了另一种磨损指示器，即多个耐磨材料制成的垫片24。
当如图7所示的工作型面14已经磨损到耐磨垫片24接触到井下结构的程度的时候，耐磨垫片24开始承载工具10上的显著的一部分重量。这本质上阻止了进一步的铣削或切削作用，结果，使工具10旋转所需要的扭矩显著降低。旋转扭矩的这个可识别的降低可以通过本技术领域中已知的任何装置来感知，例如扭矩计。该降低的扭矩计读数构成了对工作型面14已经磨损到需要更换工具10的程度的明确指示。所以，耐磨垫片24提供了另一种类型的磨损指示器，其可以给出工作型面的磨损的可识别且明确的指示。该相关工作参数，即旋转扭矩，可以通过本技术领域中已知的任何装置来检测或监测。耐磨垫片24可以与流体支管20组合使用，或者与矩形流体通道21组合使用，或者这些中的任意一个都可以单独使用。
图8显示了工具10的第三实施例，工具10也包括两种磨损指示器。像图6和7所示的实施例那样，这里显示了耐磨垫片24，它们的功能与上述一样。另外，该实施例显示了可识别的介质或材料的包装件28，所述可识别的介质或材料起警告剂(tell-tale agent)的作用。像矩形流体通道21那样，包装件28可以是嵌入工作型面14内部的管道30，或者它可以仅仅是通过已知的手段形成在其中的通道。可识别的材料可以是磁性粉末、化学剂或与穿过工具10泵送的钻井流体或铣削流体在某方面、例如可观察方面形成对照的任何其它的材料。也可以使用其它的可识别的性质，关键在于，一旦它们从工具10中被释放出来，它们对观测者或某种仪表来说就是可识别的。
随着井下结构磨损工作型面14，井下结构最终使材料包装件28破裂。这从工具10中释放了可识别的警告性材料。可识别的材料可直接由操作者发觉，或者可由某种仪表检测，这提供了对工作型面14的磨损已经发展到应当更换工具10的程度的明确指示。所以，材料包装件28提供了另一种磨损指示器，其可以给出工作型面的磨损的可识别且明确的指示。该相关工作参数，即该材料的可识别的性质，可以通过本技术领域已知的任何装置监测到，例如磁性传感器、化学传感器，或者由操作者观测。材料包装件28可以单独使用，或者与任何其它类型的磨损指示器组合使用。
虽然在此所示和详细披露的特定发明完全能够实现发明目的以及提供以上所述的优点，但是，应当明白，所披露的内容仅仅是对本发明的当前优选实施例的说明，除了附带的权利要求书所描述的之外，其目的不在于对本发明进行限制。
权利要求
1.一种用于监测井下工具的磨损的系统，其包括形成在井下工具上的工作型面，所述工作型面适于对井眼内的井下结构执行作业；在所述工作型面内部的磨损指示器，所述磨损指示器最初由所述工作型面保护而不与所述井下结构物理接触；适于测量所述井下工具的工作参数的传感器；其中，当所述工作型面的磨损已经发展到足以使所述磨损指示器暴露而与所述井下结构接触的时候，所述磨损指示器适用于改变所述工作参数的值。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述井下工具包括选自磨铣、铣鞋、刀具和钻头组成的组中的工具。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述工作型面包括切削元件基体。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述磨损指示器包括在所述工作型面中的压力流体路径；所述传感器包括测量所述流体路径中的流体压力的压力传感器；在所述工作型面的磨损发展到足以打开所述流体路径时，所述流体路径适于引起所述流体压力的下降。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述磨损指示器包括耐磨垫片；所述传感器包括测量旋转所述井下工具所需要的扭矩的扭矩传感器；以及在所述工作型面的磨损发展到足以导致所述井下结构与所述耐磨垫片相接触时，所述耐磨垫片适于引起所述扭矩的下降。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述磨损指示器包括嵌入所述工作型面内部的一定量可识别的介质；所述传感器适于检测从井眼返回到地表的流体中的所述可识别的介质的存在；以及在所述工作型面的磨损发展到足以导致所述井下结构与所述一定量可识别的介质相接触的同时，所述一定量可识别的介质适于被释放到所述流体中。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述可识别的介质选自磁性材料、化学示踪剂和可观察到的对照材料组成的组。
8.如权利要求1所述的系统，还包括输出装置，所述输出装置适于提供指示所述磨损发展的所述工作参数的所述值的改变的信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述输出装置包括操作者接口。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述操作者接口包括流体压力计。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述操作者接口包括扭矩计。
12.如权利要求8所述的系统，其中，所述输出装置包括适于提供输入到控制系统的输入信号的控制系统接口。
13.一种用于监测井下工具的磨损的方法，包括如下步骤在井下工具的工作型面中提供磨损指示器；提供适于测量所述井下工具的工作参数的传感器；操作所述井下工具在井眼中执行井下作业；当所述工作型面的磨损已经发展到足以使所述磨损指示器暴露而与所述井下结构接触的时候，用所述磨损指示器改变所述工作参数的值；和用所述传感器检测所述工作参数的所述值的变化。
14.如权利要求13所述的方法，还包括提供压力流体路径作为所述磨损指示器以及提供压力传感器作为所述传感器；当所述工作型面的磨损已经发展到足以使所述流体路径与井下结构接触的时候，打开所述流体路径；和用所述传感器检测所述流体路径中的压力的降低。
15.如权利要求13所述的方法，还包括提供耐磨垫片作为所述磨损指示器以及提供扭矩传感器作为所述传感器；当所述工作型面的磨损已经发展到足以使所述耐磨垫片暴露而与井下结构接触的时候，用所述耐磨垫片支承重量；和用所述扭矩传感器检测使所述井下工具旋转所需要的扭矩的降低。
16.如权利要求13所述的方法，还包括在所述工作型面中嵌入一定量可识别的介质；当所述工作型面的磨损已经发展到足以使所述一定量的可识别的介质暴露而与所述井下结构接触的时候，从所述工作型面释放所述一定量可识别的介质；和鉴别所述可识别的介质从所述工作型面的逸出。
全文摘要
用于监测井下工具的磨损和向井地表上的操作者提供对磨损程度的指示的设备和方法。当切削元件基体的磨损发展到流体路径时，基体内部的压力流体路径呈现压力降低，或者当基体的磨损发展到磨损切削元件基体内部的垫片时，旋转扭矩呈现降低。其它的磨损指示器也可以嵌入切削元件基体内。到指示器的磨损发展可以直接在井地表上测量，或者经由井下通信系统中转到地表。
文档编号E21B10/00GK1973108SQ200580020625
公开日2007年5月30日 申请日期2005年5月9日 优先权日2004年5月13日
发明者G·D·林德, J·P·戴维斯 申请人:贝克休斯公司