CN105308263B - 使用集成计算元件的牙轮密封失效检测 - Google Patents

Abstract

一种用于确定牙轮钻头中的轴承密封的有效性的方法和装置。所述钻头包括与所述轴承润滑剂进行光通信的传感器。所述传感器包括光源、光过滤器和光检测器，其被布置为使得光与所述润滑剂相互作用、被过滤并被检测，其中所检测的光指示所述润滑剂内的污染物的量。所述光过滤器优选地是从所述光中过滤预选正交成分的集成计算元件。

Description

使用集成计算元件的牙轮密封失效检测

技术领域

本公开一般涉及用于在地中钻孔的钻头，并具体涉及用于牙轮钻头的润滑系统。

发明背景

石油和天然气钻探行业中使用的牙轮钻头通常具有其由润滑系统润滑的密封球轴承。润滑脂经常用作润滑剂。在轴承组件中，轴承密封件通常具有最低平均部件故障间隔时间，使得轴承密封有效性通常决定轴承系统的寿命。在密封件磨损时，润滑脂可能会被钻井泥浆和水污染，钻井泥浆和水逐渐会被引入润滑系统中。因此，润滑剂内的污染物流体的量可指示密封的有效性，并且当污染物达到预定极限时，继续钻孔必须停止，以免发生轴承故障，轴承故障可使一个或多个牙轮留在钻孔底部并且需要昂贵的捕捞操作来取回它们。

用于感测由于轴承密封失效而引起的即将发生的轴承故障的现有技术领域的技术是已知的。在一些情况下，轴承密封失效是逐渐发生的，但在其它情况下，轴承故障可能会几乎没有任何预警而灾难性地发生。检测密封失效的现有技术方法可能不足够敏感来预测即将发生的密封失效或不足够敏感来检测密封失效并在显著轴承损坏发生之前迅速传达这样的状况。因此，理想的是实时检测牙轮钻头的密封失效。

附图简述

下面将参考附图详细描述实施方案，其中：

图1是四分之一被切开以显露根据本实施方案的牙轮钻头的纵向截面的正视图，其示出钻头主体，所述钻头主体具有终止于轴颈的臂、旋转地安装到具有球轴承的轴颈的切割器总成，和内部轴承润滑系统；且

图2是用于图1的钻头的润滑系统内的根据本实施方案的光传感器的放大纵向截面，其示出位于其具有透明窗(位于一端以用于浸没在润滑剂中)的圆柱形壳体内的光源、光过滤器和光检测器。

具体实施方式

图1示出被布置为包括光传感器100的牙轮钻头10，如图2所示，所述光传感器被专门设计并构造为用于检测润滑脂、润滑剂或其它流体内的水的存在。钻头10包括钻头主体12，其优选包括作为轴颈16而终止的臂14。切割器总成20(通常是携带大量离散切割器22的牙轮)被旋转地留置在每个轴颈16处。

在一个实施方案中，切割器总成20的内圆周具有限定外轴承座圈的形成于其中的半圆槽30。同样，轴颈16的外圆周具有限定内轴承座圈32的形成于其中的半圆槽。多个硬化的球轴承34被容纳在内轴承座圈和外轴承座圈30、32之间限定的圆形腔室中以在轴颈16上旋转地留置切割器总成20。球形通道36(其在一般使用过程中会被堵塞)形成于每个臂14内的外表面和圆形轴承腔室之间以允许球轴承根据需要被加载和卸载以进行安装、维护和维修。

一个或多个腔室形成于钻头主体12中以作为润滑剂的储存器40。储存器40与球轴承34和轴承座圈30、32理想地通过其将球形通道36连接到储存器40的管道42流体连通。可提供隔膜、活塞，或类似的压力调节总成44来对润滑系统加压以最小化污染物侵入到轴承总成中。为此目的，提供一个或多个轴颈/切割器总成密封件50以使润滑剂保持在轴承总成内并使污染物保持在轴承总成外。

密封失效传感器或监测器100(图2)被定位为与润滑剂流体连通。在一个实施方案中，传感器被定位在其流体耦接到管道42的插槽46中。然而，在其它实施方案中，传感器可定位在润滑剂系统周围的钻头中的其它位置处。传感器100可以是整体的，或者其可由几个离散部分组成。

图2是图1的钻头10的插槽46的详细视图，其示出根据一个实施方案的定位在其中的传感器100。传感器100包括壳体102，所述壳体可以是圆柱形的并且螺纹连接到插槽46。然而，可适当地使用将传感器100安装在钻头10内的其它技术。

壳体102的内端包括窗口104，或者由窗口104形成，所述窗口优选地形成与壳体102的流体密封，但是对于光传感器100所关注的光的波长是透光的。窗口104与润滑剂60进行光通信(理想地是物理接触)，所述润滑剂如图2所示可包含在管道42内。传感器100包括光源106和光过滤器108，和光检测器110，它们都优选但不是必须定位在壳体102内。光源106和光过滤器108，和光检测器110可全部都是离散组件，或两个或更多个可以连体。无论如何，这些组件被定位为使得来自光源106的光与润滑剂相互作用、(在适当时与润滑剂60相互作用之前或之后)穿过光过滤器108，并在光检测器110处被接收。

如箭头所示，光与润滑剂60的相互作用可通过如箭头70所示的反射(主要在窗口/润滑剂接口处)、通过如由箭头72所示的传输(管道壁的反射)，或通过这些机制的组合来进行。实际上，来自光源106的光也可能会经受折射、扩散和吸收，只要一些相互作用的光到达光检测器110即可。

传感器100还可包含处理和遥测模块120，其可操作地耦接到光检测器110以用于处理来自光检测器110的信号并将它们传达到远程位置(例如，地表)。以此方式，钻井操作者可实时地被准确告知水侵入钻头润滑系统中的量，并相应地告知密封的有效性。可使用各种形式的遥测，包括电遥测、电磁遥测、声学遥测等。由于这样的遥测技术在本领域中是公知的，所以在这里不再提供关于遥测的进一步详情。

在第一实施方案中，每个切割器总成20都可具有单独的专用光传感器100，其优选位于每个臂14内。遥测可包括来自每个传感器的信号，其例如可以是连续的或排序的。或者，钻头100可包括单个光检测器100，其监测服务钻头上的所有切割器总成20的共用润滑系统。

现在描述传感器100的操作原理：当光与物质例如经由透射或反射相互作用时，光会带走关于它与物质相互作用的物理和化学性质的信息。可测量和解释光的性质(例如光的强度)以提供关于光与其相互作用的物质的信息。即，光所携带的数据(通过其强度)可被测量以导出关于物质的信息。

一般情况下，因为干扰数据而难以将光强度的简单测量转化为信息。即，即使在相对有限的波长范围内，几个因素也可能会对光的强度有所贡献。因为其它因素的贡献是未知的，所以充分地测量与这些因素中的一个相关的数据通常是不可能的。

然而，可能从光中导出信息。可例如通过以下步骤获得估计：将来自几个样品的光分为波长带并进行这些波长带的强度相对每个样品的所需信息的常规测量的结果的多重线性回归。特别而言，润滑剂样品可被照射，使得来自润滑剂的光携带诸如样品的水含量的信息。来自几个样品中的每个的光可被引导到其从光中分离预定波长频带的一系列带通滤波器。带通滤波器后面的光检测器测量每个光带的强度。如果使用常规方法测量每个润滑剂样品的水含量，则几个所测量的带通强度相对每个样品的所测量的水含量的多元线性回归可产生诸如下面的等式：

y＝a₀+a₁w₁+a₂w₂+…+a_nw_n (等式1)

其中y是水含量，a_n是由回归分析确定的常数，且w_n是每个波长带的光强度。

等式1可用于估计相同润滑剂类型的后续样品的水含量。然而，根据情况，估计可能是不可接受的不准确，因为除了水之外的因素可能也会影响波长带的强度。此外，这些其它因素可能不会以与水一致的方式从一个样品改变为下一个样品。

更准确的估计可通过压缩由光带入主成分中的数据而获得。为了获得主成分，例如从相同类型的润滑剂的照射样品中收集相同类型的光的各种样品的光谱数据。光样品由摄谱仪散布到其波长光谱上，使得每个光样品在每个波长上的量值可被测量。这些数据然后被汇集并经受被称为奇异值分解(SVD)的线性代数过程。SVD是主成分分析的关键，其脱离本公开的特定教导对本领域的专业人士而言通常是公知的。

简单地，主成分分析是一种降维技术，其采取具有n个独立变量的m个光谱并构建一套新的本征矢量(其是原始变量的线性组合)。本征矢量可被视为一组新的绘制轴。主轴(称为第一主成分)是描述大部分数据可变性的矢量。随后的主成分描述依次减小的样品可变性，直到仅噪声由高阶主成分描述。

通常，主成分被确定为归一化矢量。因此，光样品的每个成分都可被表达为x_n 其中x_n是标量乘数且是第n个成分的归一化成分矢量。即，是其中其中每个波长是一个维度的多维空间中的矢量。归一化确定成分在每个波长上的值，使得成分保持其形状并使得主成分向量的长度等于一。因此，每个归一化成分矢量都具有形状和大小，使得成分可用作其具有这些主成分的所有光样品的基本构建块。因此，每个光样品可通过归一化的主成分乘以适当标量乘数的组合以下列格式来描述。

当主成分具有如由归一化提供的标准化量值时，标量乘数x_n可被认为是给定光样品中的主成分的“量值”。

因为主成分是正交的，所以它们可用于相对简单的数学过程中来将光样品分解为其准确地描述原始样品中的数据的成分量值。由于原始光样品也可被认为是多维波长空间中的矢量，所以原始信号矢量与主成分矢量的点积是归一化成分矢量的方向上的原始信号的量值。即，所述点积是存在于原始信号中的归一化主成分的量值。这类似于将三维笛卡尔空间(Cartesian space)中的矢量分成其X、Y和Z成分。三维矢量与每个轴矢量的点积(假设每个轴矢量具有1的量值)给出三个方向中的每个方向上的三维矢量的量值。由于该量值已由两个或多个正交轴贡献，所以原始信号和不垂直于其它三个维度的一些其它矢量的点积提供冗余数据。

因为主成分是互相正交，或垂直的，所以任何主成分与任何其它主成分点积，或直接乘积是零。在物理上，这意味着成分不会相互干扰。如果数据变化以改变原始光信号中的一个成分的量值，则其它成分保持不变。在类似的笛卡尔实施例中，三维矢量的X成分的减少不影响Y和Z成分的量值。

主成分分析提供最少的正交成分(其可准确地描述由光样品所携带的数据)。因此，在数学意义上，主成分是不相互干扰并表示由光所携带的整个数据的最紧凑描述的原始光的成分。在物理上，每个主成分是形成原始光信号的一部分的光信号。每个都具有原始波长范围内的一些波长范围的形状。如果每个成分都具有适当量值，则合并主成分可产生原始信号。

主成分包括由总光信号所携带的数据的压缩。在物理意义上，主成分的形状和波长范围描述了什么样的数据在总光信号中，而每个成分的量值描述了存在多少数据。如果几个光样品包含相同类型的数据，但量不同，那么一组主成分可用于通过将适当量值应用于多个成分来精确地描述(除了噪声)每个光样品。

因此，光的主成分可用于准确地估计由光所携带的信息。因此，已经与由未知量的已知污染物污染的已知材料的测试样品相互作用的光可被分解拆为其主要成分并与具有已知量的污染物的参考样品的预先测量的主成分比较，以确定测试样品内的污染物的量。这是本实施方案的操作原理。

在一个优选实施方案中，光过滤器104是多元光学元件，也被称为集成计算元件(“ICE”)，其被专门设计和构造为检测润滑脂或其它润滑剂中的水或其它污染物的量。在例如美国专利号6,198,531、6,529,276、7,697,141和8,049,881中描述了ICE结构的设计和操作，每个专利都由本公开的受让人(克萨斯州休斯敦的Halliburton Energy Services公司)拥有。

本公开的摘要只是为了给美国专利和商标局和广大公众提供一种通过粗略阅读本技术公开的性质和要点来快速确定的方法，且本公开的摘要只是代表一个或多个实施方案。

虽然已经详细说明了各种实施方案，但是本公开不限于所示出的实施方案。对于那些熟练的技术人员，上述实施方案的修改和调整可能会发生。这样的修改和调整都在本公开的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种用于测量润滑剂中的水的浓度的传感器，其包括：

壳体；

形成于所述壳体的内端中的窗口，所述窗口形成与所述壳体的流体密封；

定位在所述壳体中的光过滤器；

定位在所述壳体中的光检测器，从而通过所述传感器来接收光；其中所述光过滤器和所述光检测器被定位为使得与所述润滑剂相互作用的光穿过所述窗口、通过所述光过滤器，并由所述光检测器接收；并且其中所述光过滤器被构造为光学地过滤其中的所述光的多个预定正交成分使得由所述光检测器测量的光的特性与所述润滑剂内的水的浓度直接相关；

定位在所述壳体中的光源，从而发射光通过所述窗口以与所述润滑剂相互作用；

其中所述壳体是带有螺纹的，从而所述壳体布置成从所述壳体的外端螺纹连接到插槽。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中：

所述润滑剂包括润滑脂。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中：

所述壳体是流体密封的。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中：

所述光过滤器包括集成计算元件。

5.一种钻头，其包括：

钻头主体，所述钻头主体限定延伸至钻头主体外部的插槽；

至少一个切割器总成，其由轴承总成旋转地耦接到所述钻头主体；

储存器，其形成于所述钻头主体中，与所述轴承总成流体连通；和

光传感器，其螺纹连接到所述钻头主体中的所述插槽，从而形成于所述光传感器的内端中的窗口与所述储存器流体连通，所述光传感器被布置为通过所述窗口发射和接收光，用于光学地确定所述储存器中的润滑剂内的污染物的浓度。

6.根据权利要求5所述的钻头，其还包括：

遥测装置，其耦接到所述光传感器并被布置为用于将数据从所述光传感器传送到远程位置。

7.根据权利要求5所述的钻头，其中：

所述光传感器包括光源、光检测器，和光学地耦接到所述润滑剂的光过滤器。

8.根据权利要求7所述的钻头，其中：

所述窗口使所述光源、所述光检测器和所述光过滤器与所述润滑剂流体分离。

9.根据权利要求7所述的钻头，其中：

所述光过滤器包括集成计算元件。

10.根据权利要求5所述的钻头，其中：

所述钻头是牙轮钻头，其特征在于多个臂，每个臂都可旋转地承载切割器总成；而且

所述钻头还包括定位在所述多个臂中的至少一个中的光传感器。

11.根据权利要求10所述的钻头，其中：

所述钻头还包括可拆卸地定位在所述多个臂中的每个中的光传感器。

12.一种确定钻头密封有效性的方法，其包括：

提供钻头，所述钻头具有钻头主体；至少一个切割器总成，其由密封轴承总成旋转地耦接到所述钻头主体；和储存器，其形成于所述钻头主体中，与所述轴承总成流体连通；

将润滑剂设置在所述储存器中；

将传感器壳体螺纹连接到形成于钻头主体外部的插槽；

闪光通过所述传感器壳体的内端处的窗口以与润滑剂相互作用；

接收通过所述窗口反射的光；

选择地过滤通过所述窗口接收的光；和

测量所述光以确定所述润滑剂内的污染物的浓度。

13.根据权利要求12所述的方法，其还包括：

从所述钻头到远程位置遥测有关所述浓度的数据。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述选择地过滤的步骤包括：

从所述光中过滤多个预定正交成分使得所测量的光的特性与所述润滑剂内的所述污染物的浓度直接相关。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述选择地过滤的步骤至少部分由集成计算元件完成。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述选择地过滤的步骤包括：

从所述光中过滤多个预定正交成分使得所测量的光的特性与所述润滑剂内的水的浓度直接相关。