CN106133268B - 使用光纤传感器测量泥浆电动机中的微失速和粘着滑动 - Google Patents

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Abstract

一种光纤传感器设置在泥浆电动机的定子的弹性体中，以便在钻井期间感测弹性体应变。通过使用阈值来分类、或通过将来自所述光纤传感器数据的时域测量值转换为频率，从所述光纤传感器数据测量微失速和粘着滑动的频率。例如，通过累加在时间间隔上的直方图、或通过计算在时间间隔上的离散傅里叶变换产生所述频率。多个光纤传感器也可感测所述泥浆电动机的转子的角位置，用于使所述微失速和粘着滑动与所述角位置关联。所述微失速和粘着滑动的所述测量值用于选择补救动作，诸如钻井参数改变。

Description

使用光纤传感器测量泥浆电动机中的微失速和粘着滑动
技术领域
本公开大体涉及井下随钻测井，并且更具体地涉及测量泥浆电动机中的微失速和粘着滑动。
发明背景
针对定向钻井，位于钻柱端部处的钻头通过泥浆电动机来转动。泥浆电动机由钻井泥浆的流动供电，所述钻井泥浆在地面处泵送到钻柱中，并且从钻柱端部流出以便清洁来自井筒的钻屑。具体地，泥浆电动机可包括耦接到钻头的转子，并且钻井泥浆通过泥浆电动机的流动可导致转旋转和驱动钻头。
在特定实例中，钻头和转子可停止转动，从而导致泥浆电动机失速。泥浆电动机失速可导致钻井泥浆通过泥浆电动机的流动阻塞，这通过钻井泥浆将压力脉冲发送回地面。当在钻井期间检测失速时，钻柱回缩以便使钻头从地层释放，并且随后钻井可恢复。频繁的失速可通过调整钻井参数(诸如泥浆流速和钻头上的重量、钻井泥浆成分、以及钻头配置)来解决。
附图简述
图1是用于随钻测井井筒的示例性系统的图；
图2是沿图1中的剖面线2-2的泥浆电动机的图；
图3是在图2的泥浆电动机的定子形成的凹槽的图，以便将光纤设置在所述凹槽中；
图4示出将光纤设置在泥浆电动机定子中的另一种方式；
图5、图6和图7示出将光纤设置在泥浆电动机定子中的又一种方式；
图8示出由泥浆电动机定子中的光纤中的布拉格光栅在正常钻井期间反射的光的光谱；
图9示出当存在转子的粘着滑动时，由布拉格光栅反射的光的光谱；
图10示出当存在转子的微失速时，由布拉格光栅反射的光的光谱；
图11示出在两个粘着滑动接着两个微失速期间作为时间函数的纤维传感器伸长的图；
图12示出在正常钻井期间以及在微失速和粘着滑动期间作为时间函数的由布拉格光栅反射的光波长的图；
图13示出由泥浆电动机定子中的光纤中的布拉格光栅在1分钟钻井间隔上反射的光的各种波长的直方图；
图14为泥浆电动机定子的侧视图，示出多个布拉格光栅在两根光纤中的每个中的区段中的放置；
图15为针对处于定子相对于转子的8个不同相位的纤维区段中的8个不同布拉格光栅的、作为转子角位置函数的纤维传感器伸长的图；
图16为用于报告在粘着滑动或微失速与转子相对于定子的角位置之间的相关性的图；
图17示出用于包括布拉格光栅的光纤的检测器；
图18为井下计算机以及用于泥浆电动机中的多个光学传感器纤维的接口的方框图；以及
图19和图20一起包括一种过程的流程图，所述过程包括使用泥浆电动机中的光纤传感器来测量微失速和粘着滑动。
具体实施方式
应了解，为简单和清楚起见并且在认为需要的情况下，已在不同图中重复使用参考数字来指示对应的或类似的元件。此外，提出了许多具体细节，以便提供对本文描述的实施方案的透彻了解。然而，本领域技术人员将理解，本文所述的实施方案可以在没有这些具体细节的情况下进行实践。在其它情况下，方法、程序以及部件没有进行详细描述，以便不使所描述的与之相关的有关特征混淆。另外，本说明书不解释为限制本文所描述的实施方案的范围。附图不必要按比例绘制，并且某些部分的比例已经被夸大以便更好示出本公开的细节和特征。
在以下描述中，如在此所使用的，诸如“上”、“向上”、“下”、“向下”、“以上”、“以下”、“井下”、“井上”、“纵向”、“侧向”等术语，应当意味着相对于底部或周围井筒甚至所述井筒或其可能是偏移或水平的部分的最远范围。对应地，横向、轴向、侧向、纵向、径向等取向应当意味着相对于井筒或工具的取向的位置。附加地，所示出的实施方案被描绘，以使得取向是这样的使得右手侧与左手侧相比是井下的。
现在将呈现在整个本公开中应用的若干定义。术语“耦接”被定义为无论直接地或通过中间部件间接地连接，并且不必要限于物理连接。所述连接可以是这样的使得物体是永久性地连接的或可释放地连接的。术语“可通信地耦接”被定义为直接地或通过中间部件间接地连接，并且所述连接不必要限于物理连接，而是调节在这样描述的部件之间的数据转移的连接。术语“基本上”被定义成实质上符合特定尺寸、形状或“基本上”修改的其他情况，以使得部件不需要是精确的。例如，基本上圆柱形意味着物体类似于圆柱体，但可具有一个或多个从真实圆柱体的偏差。
术语“径向”和/或“径向地”意味着基本上在沿物体半径的方向上，或在沿物体半径的方向上具有方向分量，即使物体不是精确圆形或圆柱形。术语“轴向地”意味着基本上沿物体轴线的方向。如果未指定，术语轴向地是这样的使得它指物体的较长轴线。
现参考图1，用于钻探井筒100的系统包括由地表103处的钻机102支撑的钻柱101。在钻柱101的端部处的钻头104创建通过周围地层105的井筒100，所述周围地层105也可能包括地层边界。泥浆泵129将钻井泥浆从泥浆罐127泵送以及向下通过钻柱101并且沿围绕钻柱101的环形套筒向上，以便冷却钻头104并且从井筒100移除钻屑。钻井泥浆穿过由钻井泥浆的流动驱动的泥浆电动机113。泥浆电动机116旋转钻头104。
传感器子单元111位于钻头104上面。传感器子单元111承载遥测设备112，用于传输、接收和处理沿钻柱101往复于地面103的遥测信号。为说明性目的，传感器子单元111在图1中被示出定位在泥浆电动机113上面。附加传感器子单元114、115、116可按需包括在钻柱101中。传感器子单元116被定位在电动机113下面，并且此传感器子单元116具有用于与传感器子单元111通信的遥测设备，以便将信息中继到地面103。例如，在电动机113下面的遥测设备与传感器子单元111之间的通信可通过使用短距离声学或电磁遥测来完成。
在地面103处，由钻柱101支撑的地面子单元121承载遥测设备122，所述遥测设备122通过一个或多个有线或无线通信信道，或通过泥浆脉冲或声学遥测系统(诸如本文所描述的系统)与传感器子单元111的遥测设备112通信。地面子单元121也可由地面钻机102支撑。在遥测设备122处所接收的信号可在遥测设备122内处理，或发送到地面设施123用于处理。
如图1所示，地面设施123包括用于与地面子单元121通信的收发器124、以及耦接到收发器124的用于处理来自传感器子单元121的信号并且将结果报告到钻井操作员126的个人计算机125。
在特定实例中，当泥浆电动机113正驱动钻头104时，钻头104可完全停止转动，被称为“完全”失速，这可阻塞通过泥浆电动机113的流体通道并且导致位于地面的泥浆泵129处的压力尖峰。在泥浆泵129处的这种压力尖峰被认为是泥浆电动机失速的可靠指示器。然而，在泥浆电动机113的这种完全失速之前，在地面处通常存在若干未检测的微失速，其中钻头暂时停止或减速。微失速是与用于产生最大压力尖峰的完全失速的时间相比持续一个短时间的失速，以使得微失速具有一个压力尖峰，所述压力尖峰具有基本上小于最大压力尖峰的压力。因为钻井在完全失速发生前完成，也有可能的是微失速可在没有钻井期间所采取的校正动作的情况下频繁地发生。
微失速以类似于正常检测的失速的方式在定子弹性体上产生冲击负载。微失速中断钻井泥浆到泥浆电动机113中的流动，以使得在泥浆电动机入口处的钻井泥浆冲击定子弹性体，具有与泥浆电动机入口处的钻井泥浆密度和钻井泥浆速率的改变率成比例的瞬时压力增加。随着在钢转子与定子弹性体之间的接触区之间强制更多钻井泥浆，此类重复冲击负载由于弹性体上的重复应力和应变并且也由于摩擦和磨损而减少弹性体寿命。
泥浆电动机上的重复应力也可由粘着滑动引起。粘着滑动通常已知为可在两个物体在彼此上滑动时发生的自发冲撞运动。在井下钻井的特别情况下，粘着滑动通常由钻头粘附到井筒底部或端部处的岩石以及随后从所述岩石滑动引起。
通过知道微失速和粘着滑动的频率，泥浆电动机操作可以被优化。通过记录关于在钻井期间的微失速和粘着滑动的数据，合适的钻头、电动机类型和泥浆可基于微失速和粘着滑动数据，被配置用于钻探附近的开发井。失速和粘着滑动是不同的现象，但两者都引起定子弹性体的非计划负载。
图2示出根据本公开的方面的、可用于在钻井操作期间监测微失速和粘着滑动的示例性泥浆电动机113。图2中的泥浆电动机113是已知为Moineau电动机的正排量式液压电动机的实例。具体地，泥浆电动机113具有位于泥浆电动机113的管状钢外壳133内的钢转子131和弹性体定子132。在此实例中，转子131的外表面具有7个螺旋叶，并且定子132的内表面具有8个螺旋叶。
大体上，Moineau电动机的转子是螺旋形的，并且可尽可能少地具有2个叶，并且Moineau电动机的定子通过具有比转子多一个叶的类似内部螺旋形有叶图案被模制，并且内部螺旋形图案具有比转子更长的节距长度，以便当转子在定子内转动和滚动时在转子与定子之间形成密封腔。当转子在定子内转动和滚动时，转子轴线保持平行于定子轴线并且从定子轴线位移。差速器接头插在转子与钻头之间，以便调节转子在定子内的滚动。
为维持在转子与定子之间的密封腔，应当在定子的弹性体与每个转子叶之间存在接触。为减少弹性体的磨损，然而，接触区域处的力应当不大于必须的，以便防止在钻井期间钻井泥浆在密封腔之间流动。因此当转子在额定负载下以特定速度转动时，基于正常钻井情况选择转子相对于弹性体中的腔的相对尺寸估计，从而引起横跨泥浆电动机中的转子和定子的长度的特定压降。一旦泥浆电动机被安装并且与钻头一起降低到井筒中，它应当根据其额定速度和负载来操作，以使得泥浆电动机失速是不频繁的。
根据本公开的方面，一根或多根光纤141、142、143、144等设置在定子132的弹性体中。定子132的弹性体内的变形可导致一些或所有光纤伸长。每根光纤通过由所述纤维传送的光来感测伸长。例如，光纤通过由于光传播长度改变的调相、或通过瑞利或布里渊散射、或通过布拉格衍射来感测伸长。
例如，每根光纤具有内接或压印到纤维上的一个或多个布拉格衍射光栅。这种布拉格光栅具有一系列横跨纤维横向内接或压印的光散射凹槽，以使得在纤维内沿纤维轴线在一个方向上行进的至少一些光被反射以便在相反方向上行进。由布拉格光栅反射的光是由凹槽散射的光的叠加，以使得当存在由凹槽所散射的光的相长干涉时，所反射的光具有最大强度。对于具有彼此以距离“d”(已知为布拉格光栅的周期)彼此等间隔的凹槽的布拉格光栅的典型情况，相长干涉的情况针对nλ＝2d发生，其中“n”是整数，并且λ是光的波长。由此，光纤中的布拉格光栅的反射系数是光波长和布拉格光栅周期的函数，以使得具有最大反射的波长指示光纤内的伸长。相应地，可通过测量光纤内的伸长来间接测量泥浆电动机内的微失速。
在一个配置中，每根光纤在相应定子叶内以螺旋形方式贯穿定子133的整个长度行进。因此如通过来自布拉格光栅的光反射测量的光纤伸长高度响应于钻井泥浆的压力。
光纤的特定区段的伸长也响应于来自转子131的叶与定子132的叶之间的接触的应变。来自叶之间的接触的此应变是转子相对于定子的角位置除以定子叶数目(N)的周期函数。为感测泥浆压力，布拉格光栅可设置在每根纤维中，以使得布拉格光栅测量总伸长，所述总伸长响应于泥浆压力而不是转子相对于定子的角位置。另外从多根纤维测量的伸长可以求和或取平均值，以便响应于压力而不是转子相对于定子的角位置。
来自多根纤维的伸长测量值的求和或取平均值还减少伸长测量值中的非关联噪声。在这种情况下，指示泥浆压力的信号将相干地添加，并且非关联噪声将非相干地添加。由此，求和或取平均值将增加信噪比。例如，当对两个测量值进行求和时，关联信号将增加6dB，并且非关联噪声将增加3dB，以使得信噪比增加3dB。
在一个配置中，当使用多根纤维时，纤维围绕定子周长对称设置，以使得从多根纤维测量的伸长可求和或取平均值，以便取消由于转子131在定子132内的旋转和滚动的变化。例如，当仅使用4根光纤时，它们设置在图2所示的位置141、142、143、144处。如以下将参考图14、图15和图16另外描述的，每根纤维的选择区段也可被设置有相应的布拉格光栅，用于感测转子131相对于定子132的角位置，以用于使微失速和粘着滑动与角位置相关联。每个布拉格光栅的周期是这样的，使得它在受应力情况下反射特定波长的光。因此有可能使用不同周期用于相同光纤中的不同布拉格光栅，以便获得在每个的布拉格光栅处的应变的独立测量值。
如图2另外所示，更多光纤可在定子132中设置在围绕整个定子的大体上均匀间隔的位置处。这些光学传感器中的每一个可具有多个布拉格光栅，每个所述布拉格光栅在无应力情况下具有不同的标称周期。因此，光纤可感测弹性体在定子132的整个内表面上的离散周围和轴向位置处的情况。
光纤可粘结到定子132的弹性体，以使得布拉格光栅的位置固定到弹性体，并且弹性体中的应变导致布拉格光栅中的成比例伸长。光纤可在弹性体内设置在精确深度处，并且被包围和粘结到弹性体，其方式为使得弹性体在钻井期间的应变不损害光纤，充分的应变还从弹性体传送到光纤用于检测弹性体中的应变的强信号。
如以下参考图14和图17另外示出和描述的，定子132的顶端处的光纤向上延伸到放置在泥浆电动机外壳133内的检测器，其方式为使得保护光纤和检测器免于流动的钻井泥浆。i)存在将光纤粘结到弹性体的各种合适方法。例如，如图3所示，径向和螺旋凹槽151、152、153、154等在定子132的弹性体中形成，并且随后涂覆有胶粘剂的相应光纤电缆211、155、156、157、158放置在所述凹槽中，并且随后凹槽填充有所述胶粘剂。例如，当弹性体被模制时，凹槽151、152、153、154被切削到弹性体中，或在定子132的弹性体中形成。例如，当通过在模具(其模制定子132的所述弹性体)的可拆卸插件上机加工或模制的径向和螺旋翅片来模制弹性体时，形成凹槽151、152、153、154。
图4示出将光纤161粘结到定子的弹性体162的另一种方式。在此实例中，光纤161设置在半刚性载体163的中心处，并且半刚性载体覆盖有粘合剂并且插入软橡胶管164中以便形成半刚性光纤电缆165。例如，半刚性载体163由复合塑料材料组成。光纤电缆165缠绕在具有所希望的定子节距的螺旋心轴上，以便形成光纤电缆在定子中应当具有的螺旋形状。随后光纤电缆165放置在用于定子162的模具中，以使得光纤电缆165在定子被模制时变成粘结到定子的弹性体162。
图5、图6和图7示出将光纤电缆175设置在定子176中的又一种方式。光纤电缆175可类似于先前实例的光纤电缆165，但光纤电缆175不需要是刚性的。在此实例中，定子176的弹性体被模制，其中可拆卸螺旋管177设置在光纤应出现的地方。例如，铝管177缠绕在具有所希望的定子176的节距的螺旋心轴上，并且随后铝管177放置在用于定子的模具中，以及随后定子被模制以使得铝管变成嵌入在定子的弹性体中。随后铝管通过使酸或碱溶液流动通过管来移除，从而导致如图6所示的通过定子176的长度的螺旋孔178。随后一些胶粘剂179插入孔中，并且随后光纤电缆176插入孔中，以使得光纤电缆176变成通过粘合剂层179来粘结到弹性体176。
图8示出由泥浆电动机定子中的光纤中的布拉格光栅在正常钻井期间反射的光的光谱。反射光的幅值是布拉格光栅周期的函数，以使得幅值在是布拉格光栅周期两倍的波长处具有峰值。定子弹性体中的应变导致布拉格光栅中的应变，以使得布拉格光栅周期与应变成比例。因此，在反射光的光谱幅值中的峰值波长指示弹性体中的应变。
图9示出当存在转子的粘着滑动时，由布拉格光栅反射的光的光谱。粘着滑动已经导致光谱中的峰值从大约1550.0纳米增加到大约1550.1纳米。这对应于光纤中的大约0.0032％的应变。
图10示出当存在转子的微失速时，由布拉格光栅反射的光的光谱。当泥浆-电动机失速时，转子上的转矩达到其额定极限。这导致转子弹性体中的最大应变，从而导致光纤中的最大应变。这导致布拉格光栅周期中的最大改变(增加)。在这种情况下，微失速已经导致光谱中的峰值增加到大约1550.2纳米。这对应于光纤中的大约0.0064％的应变。
图11示出在两个粘着滑动接着两个微失速期间作为时间函数的光纤传感器伸长的图。在粘着滑动期间，弹性体比正常钻井情况应变更多，并且将偶尔达到失速情况的最大应变。然而，粘着滑动的频率大于失速的频率。大体上，根据负载情况可推断γ钻井<γ粘着滑动<γ失速，其中“γ”是反射光的光谱峰值的波长。
来自光纤传感器的数据可在钻井期间或为了在记录期间分析以各种方式处理，以便在钻井期间通过井上声学或泥浆脉冲遥测向地面报告异常情况。在一个或多个配置中，传感器数据的收集始于通过一根或多根光纤传输光脉冲，以及通过分光光度计感测来自光纤的反射。分光光度计针对每个光脉冲产生对应于相应光波长(γi)的幅值强度(Ai)的阵列。每个布拉格光栅具有对应于零伸长的峰值反射的对应标称波长(γo)。对于每个布拉格光栅，幅值强度阵列被处理以便计算峰值波长，所述峰值波长是关于布拉格光栅的标称波长的幅值强度的平均值。此峰值波长也在多个脉冲上取平均值，以便计算时域中的数据样本用于记录或用于进一步分析。
例如，光脉冲以大约100微秒的速率发生，并且峰值波长在一千个脉冲上取平均值以便产生数据样本，用于以每100毫秒1个日志记录的速率记录。这为图11中的图表提供时域中的充分分辨率。在此实例中，粘着滑动的存在由落在第一阈值(TH1)与第二阈值(TH2)之间的纤维传感器伸长指示。微失速的存在由超过第二阈值(TH2)的纤维传感器伸长指示。所述数据另外在频域中处理，以便减少井上遥测或向钻井操作员呈现的数据速率。
图12示出在正常钻井期间以及在粘着滑动和微失速期间作为时间函数的由泥浆电动机定子中的光纤中的布拉格光栅反射的光波长的图。在此实例中，数据在2分钟间隔上取平均值，以使得一个波长值被绘制用于每个2分钟间隔。总体上，基于所希望的准确度水平来限定间隔，以使得更长的间隔以获得结果的延迟为代价提供更多的准确度。在此特定实例中，正常钻井以2、4、6、8、10、20、22和32分钟的倍数来识别。微失速以12、14、16和18分钟来识别。粘着滑动以22、26、28和30分钟来识别。然而，这种在2分钟间隔上取平均值可能未将频繁粘着滑动情况与非频繁微失速清楚地区别，因为这些情况中的每一个可导致1550.1纳米的相同平均波长。
图13示出由泥浆电动机定子中的光纤中的布拉格光栅在1分钟钻井间隔上反射的光的各种波长的直方图。在此实例中，直方图记录根据每个光脉冲在间隔上的反射计算的峰值波长的频率分布。每个峰值波长被量化到特定分辨率，所述特定分辨率在此实例中是0.1纳米。由此，量化到1550.0纳米的峰值波长被分类成正常钻井事件，量化到1550.1纳米的峰值波长被分类成粘着滑动事件，并且量化到1550.2纳米的峰值波长为微失速事件。例如，如图13所示的，在1分钟间隔期间的总共大约6000个事件中，大约1500个事件是粘着滑动事件，并且大约1000个事件是微失速事件。这提供一种在钻井期间产生用于井上遥测的简化数据的方便方式。例如，泥浆电动机子单元(图1中的113)中的或井下工具总成的另一个子单元(图1中的112、114、115)中的井下计算机(图18中的251)，每分钟以2个相应字节的数据计算和报告粘着滑动频率和微失速频率。
与给定时间间隔上微失速和粘着滑动相关的频率也可使用傅里叶变换来计算，诸如对图11所示的那种时域数据的离散傅里叶变换(DFT)。例如，所希望的频率分辨率和给定间隔确定用作离散傅里叶变换计算的输入的时域数据样本的速率。时域数据样本的速率随后确定在离散傅里叶变换计算之前对峰值波长测量值进行取平均值的量。取平均值可通过累加在时域数据样本的较短间隔上的峰值波长测量值来进行。例如，针对1分钟间隔和大约1赫兹的分辨率，离散傅里叶变换计算接收64个时域样本作为输入，以使得图11所示的时域信号以60/64＝0.937Hz的速率向离散傅里叶变换计算提供样本。
图14为泥浆电动机定子的侧视图，示出多个布拉格光栅191、192等在两根光纤141、143中的每个中的区段中的放置。在此实例中，为清楚起见省略其他光纤。每根光纤141、142的上端终止在相应的源和接收器组件144、145处。源和接收器组件通过胶粘剂粘结到定子132的弹性体和泥浆电动机外壳133，以便保护光纤免于通过泥浆电动机的泥浆流动。
图15为针对处于定子相对于转子的8个不同相位的纤维区段中的8个不同布拉格光栅201、202、203、204、205、206、207、208的、作为转子角位置函数的纤维传感器伸长的图。针对每个布拉格光栅，纤维传感器伸长是以2π弧度为单位的转子相对于定子的角位置除以转子上的叶数目(N)的周期函数。
例如，0度的角位置对应于图2所示的转子位置，并且在这种情况下针对图2中的光纤142，最大伸长在定子132的顶端处发生。由此，光纤142中的在定子顶端处的布拉格光栅区段将产生图15中的曲线201。在此相同实例中，针对在定子顶端的光纤144，最小伸长在定子132的顶端处发生。由此，光纤142中的在定子132的顶端处的布拉格光栅区段将产生图15中的曲线205。以类似方式，光纤143中的在定子132的顶端处的布拉格光栅区段将产生图15中的曲线203，并且光纤141中的在定子132的顶端处的布拉格光栅区段将产生图15中的曲线207。其他曲线可由这些相同光纤中的、但位于沿定子132的轴线的另一个深度的不同布拉格光栅产生。可替代地，其他曲线202、204、206、208可由设置在定子132中的4个更多光纤(图2中的211、212、213、214)中的布拉格光栅提供。
转子的角位置可从纤维传感器伸长测量值201、202、203、204、205、206、207和208，通过发现两个最大测量值，并且随后在这两个最大测量值之间内插以便确定角位置在0至2π/N的弧度范围内来追踪，并且在以下组的测量值之间追踪以便确定在0至2π弧度的全范围上的角位置。
随后，如图16所示，粘着滑动和微失速可与转子的角位置关联，并且此关联可以用图像来显示。在此实例中，根据图11的数据的粘着滑动和微失速被绘制成图16中的时间和角位置的函数，并且粘着滑动通过表示不同颜色的不同交叉影线与微失速区别。例如，所表示的颜色以与地形图被颜色编码以便示出海拔相同的方式，指示纤维传感器伸长的程度。例如，粘着滑动被指示为用表示黄颜色的方形交叉影线示出的区221、222，并且微失速被指示为用表示红颜色的垂直线交叉影线示出的红色区223、224。图16的此实例示出其中粘着滑动和微失速大约处于转子的相同角位置的情况。
对于井上数据传输，粘着滑动和微失速与转子角位置的关联可以被完成，作为记录粘着滑动相对于角位置的量化值的频率的直方图，以及作为记录粘着滑动相对于角位置的量化值的频率的直方图。
图17示出用于包括布拉格光栅232、233等的光纤231的检测器。检测器包括诸如发光二极管(LED)或激光二极管的光源234、3-dB耦接器或光束分离器235、在光纤底端处的光吸收器236、终止3-dB耦接器或光束分离器235的一个侧端的光吸收器237、衍射光栅239、光传感器阵列240、复用器241和模数转换器242。衍射光栅239将布拉格光栅所反射的光分离成横跨光传感器阵列240扩散的光谱。
光传感器阵列240、复用器241和模数转换器包括在光学扫描仪中使用的那种常规线性光学传感器集成电路中。到复用器241的帧同步脉冲或地址导致集成电路提供数据样本，所述数据样本指示光传感器阵列240中的相应光传感器所接收的光的幅值。
图18为井下硬件计算机251的方框图，所述井下硬件计算机251可用于周期性地计算粘着滑动频率和微失速频率。这种井下计算机减少在钻井期间记录或传输到地面的数据量。井下硬件计算机251具有用于声学或泥浆-脉冲遥测收发器253的接口252、以及用于多根光纤141、142、143和在泥浆电动机中的其相关联的传感器区段257、258、259的光源和接收器254、255、256。井下计算机251具有数据处理器261，所述数据处理器261可包含多个核心CPU、以及在所述核心CPU中共享的高速缓冲存储器。数据处理器261具有系统总线262。系统总线262可以是包括存储器总线或存储器控制器、外设总线和本地总线的若干类型的总线结构中的任何一个，所述总线使用多种总线架构中的任何一种。存储在只读存储器264中的基本输入/输出例程(BIOS)263提供诸如在起动期间帮助在计算机251内的元件之间转移信息的基本例程。计算机251还具有随机存取存储器265和计算机可读存储介质(诸如耦接到系统总线262的闪速存储器266)。闪速存储器266存储测井程序267和日志268。测井程序267包括指令，所述指令由数据处理器261执行以便周期性地计算粘着滑动频率和微失速频率。
在井下钻井期间，测井程序周期性地扫描接收器254、255和256，以便从所述接收器中的分光光度计收集数据样本，并且确定对应于光纤的传感器区段257、258、259所测量的伸长的相应峰值波长。如以上所讨论的，峰值波长被取平均值以便测量泥浆压力，并且峰值波长也可用于追踪转子相对于泥浆电动机定子的角位置。在包括包括泥浆压力的多个样本的采样间隔上，多个样本以各种方式处理以便测量微失速和粘着滑动，如以上所描述的，用于记录在日志268中或用于传输到地面以及用于向钻井操作员报告。
当井下钻井总成升高到地面时，日志268中的所有传感器数据可下载到地面处的计算机(图1中的123)。地面处的计算机随后可执行微失速和粘着滑动的频率的更精确测量。
图19和图20一起包括一种过程的流程图，所述过程包括使用泥浆电动机中的光纤传感器来测量微失速和粘着滑动。在第一步骤281中，将螺旋形光纤传感器设置在井下钻井总成的泥浆电动机的定子弹性体中，以使得光纤传感器平行于弹性体的内部叶延伸。
接下来，在步骤282中，在井下钻井期间，测量光纤传感器的伸长以便检测泥浆电动机的粘着滑动和微失速的发生。记录粘着滑动和微失速发生，并且通过声学或泥浆脉冲遥测向地面报告粘着滑动和微失速。
例如，通过测量从嵌入在弹性体中的光纤中的布拉格光栅反射的光的光谱的峰值波长偏移来测量伸长。当伸长或波长超过第一阈值时，检测粘着滑动，并且当伸长或波长超过第二阈值时，检测微失速。
在步骤283中，在井下钻井期间，在设置在定子相对于转子的不同相位处的光纤区段上，测量光纤传感器的伸长，以便追踪转子的角位移，并且检测转子失速以及使粘着滑动和微失速与转子的角位置关联。例如，转子具有数量为“N”的多个叶，并且转子相对于定子的角位置在2π/N弧度范围内由此范围上的多个伸长样本来分辨，以便发现这些伸长样本中的最大值以及内插在所述最大值之间。
在步骤284中，通过累加在时间间隔上的传感器数据中的频率直方图，测量微失速和粘着滑动的频率。直方图至少包括微失速的第一频率、以及粘着滑动的第二频率。
在步骤285中，通过计算在时间间隔上的离散傅里叶变换来测量微失速和粘着滑动的频率，以便将传感器数据从时域转换为频域。
在步骤286中，向钻井操作员报告微失速和粘着滑动的频率、以及微失速和粘着滑动与转子的角位置的关联。
在步骤287中，响应于微失速和粘着滑动的频率的报告，钻井操作员对钻井参数进行合适的调整，所述钻井参数诸如泥浆流动(RPM)、钻头上的重量(压差)、泥浆成分和钻头配置。如果时域数据是可用的(例如，通过从日志(图18中的268)下载时域数据)，调整可将时域数据(例如，如图11所示)考虑在内。
在步骤288中，使用微失速和粘着滑动的频率的报告，以便选择钻井参数(诸如泥浆流动(RPM)、钻头上的重量(压差)、泥浆成分和钻头配置)用于钻探附近的井。如果时域数据是可用的(例如，通过从日志(图18中的268)下载时域数据)，钻井参数的选择也可将时域数据(例如，如图11所示)考虑在内。
以上描述的各种实施方案只通过举例说明的方式提供，并且不应将其解释为限制本公开的范围。因此，许多此类细节未被示出或描述。尽管本技术的许多特征和优点已经连同本公开的结构和功能的细节一起在以上描述中列举，本公开仅是说明性的，并且在本公开的原理到所附权利要求中使用的术语的广泛一般意义所指示的最大程度内，可在细节中进行改变，尤其在零件的形状、尺寸和布置的事项中。因此将了解以上以上所描述的实施方案可以在所附权利要求书的范围内修改。引用一组的“至少一个”的权利要求语言指示所述组的一个成员或所述组的多个成员满足所述权利要求。
鉴于上文，已经描述一种用于在井下钻井期间测量泥浆电动机中的微失速和粘着滑动的方法和设备。一种光纤传感器设置在泥浆电动机的定子的弹性体中，以便在钻井期间感测弹性体应变。通过使用阈值来分类、或通过将来自所述光纤传感器数据的时域测量值转换为频率，从所述光纤传感器数据测量微失速和粘着滑动的频率。例如，通过累加在时间间隔上的直方图、或通过计算在时间间隔上的离散傅里叶变换产生所述频率。对频域的分类或转换可以由钻井总成中的井下计算机来完成，或由地面处的计算机使用从记录在井下钻井总成中的传感器数据日志下载的数据来完成。多个光纤传感器可设置在弹性体中以便感测泥浆电动机转子的角位置，用于使微失速和粘着滑动与角位置关联。微失速和粘着滑动的测量值用于选择补救动作，诸如用于避免微失速和粘着滑动的钻井参数改变。这有助于优化钻井，并且还有助于选择附近井的钻井参数。
在第一实例中，公开一种测量井下泥浆电动机中的粘着滑动和微失速的方法，所述方法包括将具有弹性体定子以及在所述弹性体定子内的至少一个光纤传感器的泥浆电动机定位在井筒中；从所述光纤传感器接收对应于所述弹性体定子内的应变的测量值；以及处理所述测量值以便确定所述泥浆电动机的微失速和粘着滑动中的至少一个的频率。
在第二实例中，本文公开根据第一实例的方法，所述方法还包括向钻井操作员报告微失速和粘着滑动中的所述至少一个的所述频率。
在第三实例中，本文公开根据第一实例或第二实例的方法，其中所述数字计算机是井下数字计算机，并且所述方法还包括在所述钻井期间，将微失速和粘着滑动中的所述至少一个的所述频率沿井上从所述井下计算机传输到所述钻井操作员，并且所述钻井操作员使用微失速和粘着滑动中的所述至少一个的所述频率来改变钻井参数，用于减少微失速和粘着滑动中的所述至少一个的所述频率。
在第四实例中，本文公开根据第一实例或第二实例的方法，其中所述数字计算机是地面计算机，并且所述方法还包括在钻井期间将来自所述光纤传感器的所述数据记录在井下存储器中，并且在所述钻井之后，将所述数据从所述井下存储器下载到所述地面计算机，并且所述钻井操作员使用微失速和粘着滑动中的所述至少一个的所述频率，用于选择附近井的钻井参数。
在第五实例中，本文公开根据先前第一实例至第四实例中任一个的方法，所述方法还包括所述数字计算机通过使用阈值的分类来测量微失速和粘着滑动的频率，以便将微失速和粘着滑动与正常钻井区别并且将微失速与粘着滑动区别。
在第六实例中，本文公开根据先前第一实例至第五实例中任一个的方法，所述方法还包括所述数字计算机通过累加在时间间隔上的所述传感器数据中的频率直方图，测量微失速和粘着滑动的频率。
在第七实例中，本文公开根据先前第一实例至第六实例中任一个的方法，其中所述直方图包括至少所述微失速的第一频率、以及至少所述粘着滑动的第二频率。
在第八实例中，本文公开根据先前第一实例至第七实例中任一个的方法，所述方法还包括所述数字计算机通过计算在时间间隔上的傅里叶变换来测量所述微失速和粘着滑动的频率，以便将来自所述传感器的所述数据从时域转换为频域。
在第九实例中，本文公开根据先前第一实例至第八实例中任一个的方法，其中所述光纤传感器包括布拉格光栅，并且所述方法包括通过分光光度计测量从所述布拉格光栅反射的光的光谱，以及井下计算机处理来自所述分光光度计的数据以便计算从所述布拉格光栅反射的光的所述光谱中的峰值波长的时域样本，并且所述井下计算机通过将峰值波长的所述时域样本转换为所述频域来计算微失速和粘着滑动的频率。
在第十实例中，本文公开根据先前第一实例至第九实例中任一个的方法，所述方法还包括在钻井期间通过感测来自设置在所述弹性体中、处于所述定子相对于所述转子的不同相位处的多个光纤传感器的光，通过井下数字计算机处理来自所述多个光纤传感器的数据以便感测所述转子相对于所述定子的角位置，并且使微失速和粘着滑动与所述转子相对于所述定子的所述角位置关联。
在第十一实例中，本文公开一种用于测量井下泥浆电动机的粘着滑动和微失速的系统，所述系统包括：井下泥浆电动机，其具有转子、弹性体定子、以及设置在所述定子的所述弹性体中的光纤传感器；以及计算机，其可通信地耦接到所述光纤传感器，其中所述计算机具有数据处理器、以及存储指令的计算机可读存储装置，所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器接收在所述光纤传感器处产生的数据；以及至少部分地基于所接收的数据，确定所述微失速和粘着滑动的频率。
在第十二实例中，本文公开根据第十一实例的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器向钻井操作员报告所述微失速和粘着滑动的所述频率。
在第十三实例中，根据第十一实例或第十二实例的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过使用阈值的分类来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率，以便将微失速和粘着滑动与正常钻井区别并且将微失速与粘着滑动区别。
在第十四实例中，本文公开根据先前第十一实例至第十三实例中任一个的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过累加在时间间隔上的所述传感器数据中的频率直方图来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率。
在第十五实例中，本文公开根据先前第十一实例至第十四实例中任一个的系统，其中所述直方图包括至少所述微失速的第一频率、以及至少所述粘着滑动的第二频率。
在第十六实例中，本文公开根据先前第十一实例至第十五实例中任一个的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过计算在时间间隔上的傅里叶变换来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率，以便将所述传感器数据从所述时域转换为所述频域。
在第十七实例中，本文公开根据先前第十一实例至第十六实例中任一个的系统，其中所述光纤传感器包括布拉格光栅，并且所述系统还包括耦接到所述光纤传感器的分光光度计，并且其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致通过处理来自所述分光光度计的数据来计算从所述布拉格光栅反射的光的所述光谱中的峰值波长的时域样本，并且通过将峰值波长的所述时域样本转换为所述频域来计算所述微失速和粘着滑动的频率，所述数据处理器测量所述微失速和粘着滑动的所述频率。
在第十八实例中，本文公开根据先前第十一实例至第十七实例中任一个的系统，其中所述光纤传感器包括设置在所述弹性体中、处于所述定子相对于所述转子的不同相位处的多个光纤传感器中的一个，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器处理来自所述多个光纤传感器的数据，以便确定所述转子相对于所述定子的角位置，并且使所述微失速和粘着滑动与所述转子相对于所述定子的所述角位置关联。
在第十九实例中，本文公开一种存储指令的非瞬时性计算机可读存储装置，所述指令在由数据处理器执行时使所述数据处理器进行以下操作：从设置在泥浆电动机的所述定子的所述弹性体中的光纤传感器接收数据，处理所接收的数据以便确定所述泥浆电动机的微失速和粘着滑动中的至少一个的频率；以及报告所确定的频率。
在第二十实例中，本文公开根据第十九实例的计算机可读存储装置，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致至少以下中的至少一个：(1)所述数据处理器通过使用阈值的分类来测量微失速和粘着滑动的频率，以便将微失速和粘着滑动与正常钻井区别并且将微失速与粘着滑动区别；(2)所述数据处理器通过累加在时间间隔上的所述传感器数据中的频率直方图，测量微失速和粘着滑动的所述频率；以及(3)所述数据处理器通过计算在时间间隔上的傅里叶变换来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率，以便将所述传感器数据从所述时域转换为所述频域。

Claims (20)

1.一种测量井下泥浆电动机中的粘着滑动和微失速的方法，所述方法包括：
将具有弹性体定子以及在所述弹性体定子内的至少一个光纤传感器的泥浆电动机定位在井筒中；
从所述光纤传感器接收对应于所述弹性体定子内的应变的测量值；以及
处理所述测量值以便确定所述泥浆电动机的微失速的频率，或者确定所述泥浆电动机的微失速和粘着滑动的频率。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括：
向钻井操作员报告微失速的所述频率或者微失速和粘着滑动的所述频率。
3.如权利要求2所述的方法，其中数字计算机是井下数字计算机，并且所述方法还包括在钻井期间，将微失速的所述频率或者微失速和粘着滑动的所述频率沿井上从所述井下计算机传输到所述钻井操作员，并且所述钻井操作员使用微失速的所述频率或者微失速和粘着滑动的所述频率来改变钻井参数，用于减少微失速的所述频率或者减少微失速和粘着滑动的所述频率。
4.如权利要求2所述的方法，其中数字计算机是地面计算机，并且所述方法还包括在钻井期间将来自所述光纤传感器的数据记录在井下存储器中，并且在所述钻井之后，将所述数据从所述井下存储器下载到所述地面计算机，并且所述钻井操作员使用微失速的所述频率或者微失速和粘着滑动的所述频率，用于选择附近井的钻井参数。
5.如权利要求2所述的方法，其包括数字计算机通过使用阈值的分类来测量微失速和粘着滑动的频率，以便将微失速和粘着滑动与正常钻井区别并且将微失速与粘着滑动区别。
6.如权利要求2所述的方法，其包括数字计算机通过累加在时间间隔上的传感器数据中的频率直方图，测量微失速和粘着滑动的频率。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述直方图包括至少微失速的第一频率、以及至少粘着滑动的第二频率。
8.如权利要求2所述的方法，其包括数字计算机通过计算在时间间隔上的傅里叶变换来测量所述微失速和粘着滑动的频率，以便将来自所述传感器的数据从时域转换为频域。
9.如权利要求2所述的方法，其中所述光纤传感器包括布拉格光栅，并且所述方法包括通过分光光度计测量从所述布拉格光栅反射的光的光谱，以及井下计算机处理来自所述分光光度计的数据以便计算从所述布拉格光栅反射的光的所述光谱中的峰值波长的时域样本，并且所述井下计算机通过将峰值波长的所述时域样本转换为频域来计算微失速和粘着滑动的频率。
10.如权利要求2所述的方法，其包括在钻井期间通过感测来自设置在所述弹性体中、处于所述定子相对于转子的不同相位处的多个光纤传感器的光来感测所述泥浆电动机的弹性体的应变，通过井下数字计算机处理来自所述多个光纤传感器的数据以便感测所述转子相对于所述定子的角位置，并且使微失速和粘着滑动与所述转子相对于所述定子的所述角位置关联。
11.一种用于测量井下泥浆电动机的粘着滑动和微失速的系统，所述系统包括：
井下泥浆电动机，其具有转子、弹性体定子、以及设置在所述弹性体定子的所述弹性体中的光纤传感器；以及
计算机，其可通信地耦接到所述光纤传感器，其中所述计算机具有数据处理器、以及存储指令的计算机可读存储装置，所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器：
接收在所述光纤传感器处产生的数据；以及
至少部分地基于所接收的数据，确定所述微失速和粘着滑动的频率。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器向钻井操作员报告所述微失速和粘着滑动的所述频率。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过使用阈值的分类来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率，以便将微失速和粘着滑动与正常钻井区别并且将微失速与粘着滑动区别。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过累加在时间间隔上的传感器数据中的频率直方图来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述直方图包括至少微失速的第一频率、以及至少粘着滑动的第二频率。
16.如权利要求12所述的系统，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过计算在时间间隔上的傅里叶变换来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率，以便将传感器数据从时域转换为频域。
17.如权利要求12所述的系统，其中所述光纤传感器包括布拉格光栅，并且所述系统还包括耦接到所述光纤传感器的分光光度计，并且其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器通过处理来自所述分光光度计的数据来计算从所述布拉格光栅反射的光的光谱中的峰值波长的时域样本，并且通过将峰值波长的所述时域样本转换为频域来计算所述微失速和粘着滑动的频率，来测量所述微失速和粘着滑动的所述频率。
18.如权利要求12所述的系统，其中所述光纤传感器包括设置在所述弹性体中、处于所述定子相对于所述转子的不同相位处的多个光纤传感器中的一个，并且其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致所述数据处理器处理来自所述多个光纤传感器的数据，以便确定所述转子相对于所述定子的角位置，并且使所述微失速和粘着滑动与所述转子相对于所述定子的所述角位置关联。
19.一种存储指令的计算机可读存储介质，所述指令在由数据处理器执行时使所述数据处理器进行以下操作：
从设置在泥浆电动机的定子的弹性体中的光纤传感器接收数据，
处理所接收的数据以便确定所述泥浆电动机的微失速的频率，或者确定所述泥浆电动机的微失速和粘着滑动的频率；以及
报告所确定的频率。
20.如权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中所述指令在被所述数据处理器执行时，导致以下中的至少一个：(1)所述数据处理器通过使用阈值的分类来测量微失速和粘着滑动的频率，以便将微失速和粘着滑动与正常钻井区别并且将微失速与粘着滑动区别；(2)所述数据处理器通过累加在时间间隔上的传感器数据中的频率直方图，测量微失速和粘着滑动的所述频率；以及(3)所述数据处理器通过计算在时间间隔上的傅里叶变换来测量微失速和粘着滑动的所述频率，以便将所述传感器数据从时域转换为频域。
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