CN104040106A - 用于自动铣削操作的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于铣削布置在井筒(W)内的障碍物的方法(50)和组件(10)，该组件包括：铣削模块(12)，其具有马达(22)，所述马达(22)旋转铣削钻头(14)；第一电子设备盒(26)，其用于基于马达扭矩值来控制马达；牵引模块(16、18)，其用于接合所述井筒且相对于所述井筒提供推力，以在朝所述铣削钻头的方向上推进铣削组件；以及第二电子设备盒(28)，其用于控制牵引模块的推力值。该方法包括：旋转铣削钻头(54)并使牵引模块与井筒接合(56)，以及基于计算出的扭矩值和计算出的推力值来反复调整操作(58)，以将计算出的值维持在目标扭矩值周围和低于推力极限值(66、70)。

Description

用于自动铣削操作的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及井场设备，如油田地面设备、井下组件等。
背景技术
铣削系统用于铣削已形成在井筒内部的污垢沉积物或其它井筒障碍物。使用电缆铣削系统的益处是能提供精确铣削，而无需调动连续油管或笨重的地面设备来用于循环和处理流体。然而，在没有控制钻头上的扭矩的情况下，当在钻头上产生过大的扭矩时，旋转移动可导致损坏工具-管柱或井筒完井设备中的薄弱点。同样，当推力不足够强时，使用者可能没有意识到旋转模块没有正在切割污垢，而是自由地旋转。期望能够自动地实施铣削操作，因为即使实时地测量钻头上的扭矩，但如果使用者必须手工地改变牵引推力，操作工具也是困难的。操作可能是费时的且繁琐的。
希望提供方便和直观的工具控制，该工具控制同时提供工具保护。仍希望提供油田地面设备和/或井下组件的改善。
发明内容
根据本公开的方法涉及一种过程，以在井筒(例如套管井孔环境)中执行高效和直观的铣削操作。自动铣削过程实现受控的材料去除操作，同时最小化不必的人工介入。
自动铣削过程控制铣削组件，该铣削组件利用至少一个带轮的牵引模块以将铣削模块的钻头推靠在污垢上来产生钻压。自动铣削过程监测来自旋转模块中的马达的扭矩测量结果并作为反馈，以从牵引模块产生合适的推力。该过程尝试通过在由使用者设定的预定极限之内自动地调整牵引推力来在钻头上实现同样由使用者设定的目标扭矩。该过程通过最小化由于高的反作用扭矩产生的钻头的失速来实现高效的污垢去除，且允许使用者在钻头失速的情况下采用合适的动作(或采用自动调整)。
铣削组件包括第一电子设备盒，其驱动马达旋转钻头且感测马达扭矩以产生实时反馈信号。铣削组件可包括第二电子设备盒，其驱动牵引模块以响应于扭矩反馈信号控制推力。铣削组件连接到合适的井存取线路例如电缆、一段连续油管等。井存取线路从井筒的地面延伸且与地面设备、控制设备等通信。自动铣削过程能被实施为位于第一电子设备盒、第二电子设备盒以及地面上的控制设备中的一个或多个中的固件和/或软件。
附图说明
通过结合附图参考以下的详细说明，这些和其它的特征和优点将更加容易理解。
图1是通过井筒的剖视图，示出了根据本公开的铣削或井底组件。
图2是图1中示出的铣削或井底组件的透视图。
图3是根据本公开的用于执行自动铣削程序的方法的流程图。
图4是根据本公开的铣削组件和程序的测试的记录。
具体实施方式
现参考图1和2，公开了一种铣削组件或井底组件，总体上以附图标记10表示。组件10包括旋转或铣削模块12和一对牵引模块16和18，该旋转或铣削模块12用于驱动铣削钻头14，该牵引模块16和18用于在井筒W中推进组件10并用于在组件10的操作期间将力提供到铣削钻头14，这将在下文更详细的描述。
旋转或铣削模块12包括补偿器20、马达22和传动箱24，该传动箱24联接到铣削钻头14或与铣削钻头14连通。电子设备盒26将动力和遥测结果提供到旋转模块12的多个构件14、20、22、24，且从旋转模块12的多个构件14、20、22、24获得或接收遥测结果，并控制旋转模块的操作。马达22可包括三相永磁同步电机，其由电子设备盒26驱动。盒26可以其固件实施场定向(field-oriented)控制。
电子设备盒28提供动力和遥测结果到牵引模块16和18且从牵引模块16和18获得或接收遥测结果。牵引模块16和18每一个可包括枢转地伸出的臂30和32，该臂30和32在其自由端上具有轮子34和36用于旋转和接合井筒的壁，例如裸井孔或图1中示出的套管井筒W的壁，本领域技术人员将理解这一点。牵引模块16和18可包括马达(未示出)，例如电机、液压马达等，用于将臂30和32伸开和缩回且用于旋转和驱动轮子34和36。组件10还可包括补偿器模块27作为用于打开牵引臂30和32的液压油储蓄器。当轮子34和36与井筒接合时，牵引模块16和18在朝钻头14的方向上为组件10提供推力。电子设备盒26和28彼此通信，这有助于组件10的操作，这在下文中更加详细的描述。虽然说明的实施例示出了多个电子设备盒26和28，但本领域技术人员将理解，盒26和28的电子设备也可组合在单个盒中，该盒具有盒26和28中的每一个的相同功能。组件10可进一步包括附加推力模块(例如用于接合井筒的线性驱动器和锚定组件)，用于在组件10的操作期间，附加于牵引模块16和18或者代替牵引模块16和18在朝钻头14的方向上为组件10提供推力，这将在下文中更加详细的描述。
组件10进一步在其与铣削钻头14所在的一端相反的一端处包括测井头部38，且包括连接到测井头部38的遥测盒。测井头部38可附连到合适的井存取线路42，例如电缆、一段连续油管或类似物。井存取线路42从井筒的地面延伸且与被标示为地面单元44的地面设备、控制设备和类似物通信，以用于动力、遥测结果和控制信号传送。使用者可从地面单元44指挥组件10的操作，包括设定目标扭矩值、设定推力极限值、开始旋转钻头14和开始自动铣削过程。
操作中，组件10在井存取线路上被布置到井筒中且在井筒之内被操纵到需要的位置。在那些例如水平或偏斜井筒或类似井筒的井筒中，牵引模块16和18可用于通过与井筒的壁接合来将组件10推进到需要的位置。在需要的位置处，例如污垢沉积物等的障碍物布置在井筒之内，且组件10用于去除污垢沉积物，如在下文中进一步概述的。
铣削模块12被接合，以旋转钻头14，且牵引模块16和18的臂30和32和轮子34和36接合井筒以移动组件10，使得钻头14接合障碍物或污垢沉积物。在铣削模块操作期间，电子设备盒26控制马达22的速度，且来自马达22的相电流样本用于控制马达22的扭矩输出。基于相电流样本，电子设备盒26中的固件计算在马达22的轴上经受的扭矩值。计算出的扭矩值用于通过遥测盒40或类似物将实时的扭矩测量报告到地面。这个计算出的扭矩值还用于从电子设备盒28和牵引模块16和18请求推力调整。当电子设备盒26驱动旋转模块12中的马达22时，可从电子设备盒26获得实时的扭矩测量结果，且扭矩信息以足够快速的速率传送到盒28，以调整源自牵引模块16和18的推力，如下文进一步描述的。
图3中示出了一种用于执行自动铣削过程的方法，该方法总体上以附图标记50表示。步骤52处，钻头上的目标扭矩和推力极限由使用者设定，例如在地面单元44处的图形用户界面(未示出)等处。步骤54处，铣削钻头14以需要的速度旋转。步骤56处，开始自动铣削过程。在判断点58处，评估自动铣削过程是否继续。如果该过程要停止(分支“否”)，例如来自使用者在图形用户界面等处输入的命令，则该过程在步骤60处停止。如果该过程要继续(分支“是”)，则在判断点62处评估扭矩(由铣削模块12计算)以确定是否已经达到目标扭矩。如果已经达到目标扭矩(分支“是”)，则在判断点64处，评估扭矩以确定该扭矩是否大于目标扭矩。如果计算出的扭矩不大于目标扭矩(分支“否”)，则方法50返回到判断点58处以评估自动铣削方法是否要继续。如果目标扭矩大于目标扭矩(分支“是”)，(牵引模块16和18上的和/或线性驱动器和锚定组件等上的)推力在步骤66处减小，且方法50返回到判断点58处以评估自动铣削过程是否要继续。如果在判断点62处还没有达到目标扭矩(分支“否”)，则在判断点68处评估(牵引模块16和18上的)推力以确定是否已达到推力极限。如果已达到推力极限(分支“是”)，则方法50返回到判断点58处以评估自动铣削方法是否要继续。如果还没有达到推力极限(分支“否”)，则(牵引模块16和18上的)推力在步骤70处增加，在此之后，方法50返回到判断点58处以评估自动铣削过程是否要继续。
电子设备模块28(例如具有固件或类似物)调整来自牵引器16和18的推力，例如响应于由旋转模块12的电子设备模块26提供的快速变化的扭矩值利用比例-微分控制来调整来自牵引器16和18的推力。
图4示出了由流动回路测试夹具中的铣削操作的测试产生的记录。该记录证明了当工具切割位于测试管内的岩石时进行的自动铣削过程。中间栏的线80示出了牵引模块16和18自动调整推力(例如，点82)以在由使用者设定的钻头14上的目标扭矩(点81)左右实现铣削。但是，因为牵引器推力极限也由使用者设定(如图3中步骤52处标识的)，因此，当钻头上的扭矩小于其目标(点83)时，牵引器推力处于极限下(点84处示出的由使用者设定的最大值)。在此情形中，使用者可选择增加推力极限以尝试再次增加钻头14的切割速度。
在操作(参见点85)中如果钻头14失速，自动铣削过程感测失速状况且可采取一些行动以再次释放(free up)钻头14且由此消除失速状况。例如，自动铣削过程可向后拉动牵引模块16和18(例如通过沿相反的方向旋转轮子34和36，以便为组件10提供远离钻头14的方向的推力)，以减少或颠倒推力(参见点86)，同时钻头14仍锁定到污垢中。如果单独倒退或拉动牵引模块16和18没有释放钻头14，则可在相反的方向上旋转钻头以解锁钻头14。在一些情形中，可同时施加向后拉动牵引模块16和18和在相反的方向上转动钻头14以解锁钻头。在探测失速钻头14时，这些动作中的一些可在固件中自动化为该过程的一部分。
本公开描述了一种过程，以在井筒(例如套管井孔环境)中执行高效和直观的铣削操作。自动铣削过程实现了受控的材料去除操作，同时最小化不必的人工介入。
自动铣削过程利用带有轮子的牵引器以将旋转模块的钻头推靠在该污垢上，以产生钻压。自动铣削过程监测来自旋转模块的扭矩测量结果并作为反馈，以从牵引工具产生合适的推力。该过程尝试通过在由使用者设定的预定极限之内自动地调整牵引推力来在钻头上实现同样由使用者设定的目标扭矩。该过程通过最小化由于高的反作用扭矩产生的钻头的失速来实现高效的材料去除，且允许使用者在钻头失速中采用合适的动作(或采用自动调整)。自动铣削过程能被实施为位于第一电子设备盒26、第二电子设备盒28以及地面单元44中的一个或多个中的固件和/或软件。
前述的说明书已参考在此的实施例来呈现。本公开所属领域的技术人员将理解，在描述的结构和操作方法中的更改和变化可以在未实质背离本发明的原则和范围的情况下实施。因此，前述的说明书不应理解为仅属于描述和在附图中示出的精确结构，而应理解为一致于且支持下文的权利要求书，权利要求将具有它们的最全部和最公平的范围。

Claims (20)

1.一种用于铣削布置在井筒(W)内的障碍物的方法(50)，包括：
提供用于井筒(W)中的铣削组件(10)，所述铣削组件包括：铣削模块(12)，所述铣削模块(12)具有旋转铣削钻头(14)的马达(22)；电子设备盒(26、28)，其用于控制所述马达且基于从所述马达接收的数据来计算扭矩值；以及至少一个推力模块(16、18)，其用于与所述井筒接合且相对于所述井筒提供推力，以在朝所述铣削钻头的方向上推进所述铣削组件，所述电子设备盒进一步被配置为用于控制所述至少一个模块且计算用于所述至少一个模块的推力值；
为所述铣削模块设置目标扭矩值且为所述至少一个模块(52)设置推力极限值；
将所述铣削组件布置到所述井筒中；
将所述铣削钻头在所述井筒中布置到邻近所述障碍物；
通过旋转所述铣削钻头并将所述至少一个模块与所述井筒接合来操作所述铣削组件(54)；以及
基于计算出的扭矩值和计算出的推力值反复地调整所述铣削模块和所述至少一个推力模块的操作(56、58)，以将计算出的值维持在所述目标扭矩值周围和所述推力极限值下或所述推力极限值之下(66、70)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铣削模块马达(22)是电机。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个推力模块包括至少两个推力模块(16、18)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个模块包括牵引模块(16、18)，所述牵引模块(16、18)包括带轮的牵引组件，所述牵引组件具有布置在臂(30、32)上的轮子(34、36)，所述臂能从所述至少一个牵引模块枢转地伸开，所述方法包括操作所述至少一个牵引模块，以使所述轮子与所述井筒(W)接合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：确定所述铣削钻头(14)的失速状况(64)并且调整铣削模块(12)和所述至少一个模块(16、18)中的至少一个的操作(66)，以消除所述失速。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述操作以消除所述失速的步骤包括：向后移动所述至少一个模块(16、18)，以在远离所述铣削钻头(14)的方向上提供推力(66)。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述操作以消除所述失速的步骤包括：倒转所述铣削钻头(14)的旋转方向。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述操作的步骤包括：向后移动所述至少一个模块(16、18)以在远离所述铣削钻头(14)的方向上提供推力(66)且同时倒转所述铣削钻头(14)的旋转方向。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述操作的步骤包括如下步骤：
比较计算出的扭矩值与所述目标扭矩值(62)；
如果已经达到所述目标扭矩值，则确定计算出的扭矩值是否大于所述目标扭矩值(64)；以及
如果计算出的扭矩值大于所述目标扭矩值，则减小所述推力(66)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述操作的步骤包括如下步骤：
比较计算出的扭矩值与所述目标扭矩值(62)；
如果还没有达到所述目标扭矩值，则确定是否已经达到所述推力极限值(68)；以及
如果还没有达到所述推力极限值，则增加所述推力(70)。
11.一种用于铣削布置在井筒(W)内的障碍物的组件(10)，包括：
铣削模块(12)，其具有马达(22)，所述马达(22)旋转安装在所述组件(10)的一个端部处的铣削钻头(14)；
第一电子设备盒(26)，其用于基于从所述马达(22)接收的数据来计算扭矩值，且响应于计算出的扭矩值与目标扭矩值的比较结果来操作所述马达(22)；
至少一个推力模块(16、18)，其用于接合所述井筒(W)且相对于所述井筒提供推力，以在朝所述铣削钻头(14)的方向上推进铣削组件；以及
第二电子设备盒(28)，其用于基于从所述至少一个模块(16、18)接收的数据来计算推力值，且响应于计算出的推力与推力极限值的比较结果来操作所述至少一个推力模块，所述第一电子设备盒和第二电子设备盒通信，以用于反复地执行所述比较来将计算出的扭矩值维持在所述目标扭矩值周围以及将计算出的推力值维持在低于所述推力极限值。
12.根据权利要求11所述的组件，其中，所述马达(22)是电机。
13.根据权利要求11所述的组件，其包括传动箱(24)，所述传动箱连接在所述马达(22)与所述铣削钻头(14)之间。
14.根据权利要求11所述的组件，其中，所述至少一个推力模块包括至少两个推力模块(16、18)。
15.根据权利要求11所述的组件，其中，所述至少一个推力模块(16、18)包括带轮的牵引组件，所述牵引组件具有布置在臂(30、32)上的轮子(34、36)，所述臂能从所述至少一个牵引模块枢转地伸开。
16.根据权利要求11所述的组件，其包括补偿器模块(27)，所述补偿器模块(27)连接在所述至少一个推力模块(16、18)与所述第一电子设备盒(26)之间。
17.根据权利要求16所述的组件，其中，所述补偿器模块(27)是液压油储蓄器，所述液压油储蓄器与液压马达一起使用，以枢转所述至少一个牵引模块(16、18)的臂(30、32)。
18.根据权利要求11所述的组件，其包括测井头部(38)，所述测井头部(38)安装在所述组件(10)的与安装铣削钻头(14)的端部相反的端部处。
19.根据权利要求18所述的组件，其包括遥测盒(40)，所述遥测盒(40)连接到所述测井头部(38)。
20.根据权利要求19所述的组件，其包括存取线路(42)，所述存取线路(42)将所述测井头部(38)与地面单元(44)连接，以传送动力、遥测结果以及控制信号。
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