CN111801483A - 井下部件累积损坏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于间接监测井下部件的累积损坏的系统和传感器元件，该系统和传感器元件具有：传感器主体，该传感器主体限定内部腔室；至少一个电磨损元件，该至少一个电磨损元件位于传感器主体内，其中该至少一个电磨损元件的一部分从内部腔室电延伸穿过传感器主体并且到达传感器主体的外部；以及磨料物质，该磨料物质位于内部腔室内，该磨料物质可在内部腔室内移动以接触并侵蚀至少一个电磨损元件的材料，其中至少一个电磨损元件的侵蚀导致至少一个电磨损元件的电阻增大。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月15日提交的美国专利申请号15/843193的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
1.技术领域
本发明整体涉及井下部件和用于监测井下部件的环境损坏的传感器。
2.相关技术的描述
在地下深处钻出钻孔以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、地热生产以及油气勘探和生产。在所有这些应用中，钻出钻孔，使得它们穿过位于地表下方的地层中所包含的材料(例如，气体或流体)或允许触及这些材料。可将不同类型的工具和仪器设置在钻孔中以执行各种任务和测量。
在操作中，井下部件可能经受可导致此类部件磨损、疲劳和/或失效的振动和各种温度。此外，高温和振动的组合可能协同作用以导致比单独使用这些方式的任一种更多的损坏。因此，有利的是提供对此类井下部件的监测以确定部件是否接近临界磨损量。
发明内容
本文公开了用于间接监测井下部件的累积损坏的系统和传感器元件，该系统和传感器元件具有：传感器主体，该传感器主体限定内部腔室；至少一个电磨损元件，该至少一个电磨损元件位于传感器主体内，其中该至少一个电磨损元件的一部分从内部腔室电延伸穿过传感器主体并且到达传感器主体的外部；以及磨料物质，该磨料物质位于内部腔室内，该磨料物质可在内部腔室内移动以接触并侵蚀至少一个电磨损元件的材料，其中至少一个电磨损元件的侵蚀导致至少一个电磨损元件的电阻增大。
附图说明
在本说明书结束时的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中类似的元件具有类似的编号，附图中：
图1为可采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的系统的示例；
图2示出了可结合本公开的实施方案的用于地层增产和烃生产的系统；
图3为根据本公开的实施方案的监测系统的示意图；
图4为根据本公开的实施方案的传感器元件的部分剖面示意图；
图5A为根据本公开的实施方案的传感器元件的示意图；并且
图5B为图5A的传感器元件的一些部件的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于执行井下操作的系统的示意图。如图所示，该系统为钻井系统10，该钻井系统包括钻柱20，该钻柱具有钻井组件90(也称为井底钻具组合(BHA))，该钻井组件在穿透地层60的钻孔26中输送。钻井系统10包括常规井架11，该常规井架竖立在底板12上，该底板支撑旋转台14，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括钻井管状物22诸如钻管，该钻管从旋转台14向下延伸到钻孔26中。碎裂工具50(诸如附接到BHA 90的端部的钻头)在旋转时使地层碎裂以钻出钻孔26。钻柱20联接到地面装备，诸如用于通过滑轮23经由方钻杆接头21、转环28和管线29来举升、旋转和/或推动(包括但不限于)绞车30的系统。在一些实施方案中，地面装备可以包括顶部驱动装置(未示出)。在钻井操作期间，操作绞车30以控制钻压，钻压影响钻进速率。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此在本文不再详细描述。
在钻井操作期间，来自源或泥浆坑31的合适的钻井液32(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20中。钻井液31在钻孔底部51处通过碎裂工具50中的开口排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空隙27沿井孔向上循环，并且经由回流管线35返回到泥浆坑32。管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，使用与管线29相关联的一个或多个传感器(未示出)来提供钻柱20的钩负荷以及与钻孔26的钻井有关的其他期望参数。该系统还可包括定位在钻柱20和/或BHA 90上的一个或多个井下传感器70。
在一些应用中，仅通过旋转钻管22来旋转碎裂工具50。然而，在其他应用中，使用设置在钻井组件90中的钻井马达55(泥浆马达)来旋转碎裂工具50和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一种情况下，对于给定的地层和钻井组件，碎裂工具50进入钻孔26的钻进速率(ROP)在很大程度上取决于钻压和钻头旋转速度。在图1的实施方案的一个方面，泥浆马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)而联接到碎裂工具50。当钻井液31在压力下通过泥浆马达55时，泥浆马达55使碎裂工具50旋转。轴承组件57支撑碎裂工具50的径向力和轴向力、钻井马达的下推力以及来自所施加的钻压的反应性向上负荷。联接到轴承组件57和其他合适位置的稳定器58充当泥浆马达组件的最下部和其他此类合适位置的扶正器。
地面控制单元40从井下传感器70和设备经由放置在流体管线38中的换能器43诸如压力换能器接收信号以及从传感器S1、S2、S3、钩负荷传感器、RPM传感器、扭矩传感器和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制单元40的已编程的指令来处理此类信号。地面控制单元40在显示器/监视器42上显示由钻机现场的操作人员用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元40包含计算机；存储器，该存储器用于存储计算机中的处理器可访问的数据、计算机程序、模型和算法；记录器，诸如磁带单元、存储器单元等，该记录器用于记录数据；以及其他外围设备。地面控制单元40还可包括由计算机用来根据已编程的指令来处理数据的仿真模型。控制单元响应通过合适的设备(诸如，键盘)输入的用户命令。控制单元40适于在出现某些不安全的或不期望的操作条件时激活警报44。
钻井组件90还包含其他传感器和装置或工具，用于提供与围绕钻孔的地层有关的多种测量结果以及用于沿着期望的路径钻出钻孔26。此类装置可包括用于测量在钻头附近和/或前方的地层电阻率的设备、用于测量地层伽马射线强度的伽马射线设备以及用于确定钻柱的倾斜度、方位角和位置的设备。根据本文所述的实施方案制作的地层电阻率工具64可联接在任何合适的位置(包括下部启动子组件62上方)处，以用于估计或确定在碎裂工具50附近或前方或在其他合适位置处的地层电阻率。可适当地放置测斜仪74和伽马射线设备76，以用于分别确定BHA的倾斜度和地层伽马射线强度。可使用任何合适的测斜仪和伽马射线设备。另外，可利用诸如磁力仪或陀螺仪设备的方位角设备(未示出)来确定钻柱方位角。此类设备是在本领域已知的，因此在本文不再详细描述。在上述示例性构造中，泥浆马达55经由中空轴向碎裂工具50传递动力，该中空轴还使钻井液能够从泥浆马达55传递到碎裂工具50。在钻柱20的替代实施方案中，泥浆马达55可以联接在电阻率测量装置64下方或任何其他合适的位置处。
仍然参考图1，可将其他随钻测井(LWD)设备(在本文一般由数字77表示)诸如用于测量地层孔隙率、渗透率、密度、岩石性质、流体性质等的设备放置在钻井组件90中的合适位置处，以用于提供对于评估沿着钻孔26的地下地层有用的信息。此类设备可包括但不限于温度测量工具、压力测量工具、钻孔直径测量工具(例如，卡尺)、声学工具、核工具、核磁共振工具以及地层测试和采样工具。
上述设备将数据发射到井下遥测系统72，该井下遥测系统继而将所接收的数据沿井孔向上发射到地面控制单元40。井下遥测系统72还从地面控制单元40(其包括发射器)接收信号和数据，并将此类所接收的信号和数据发射到适当的井下设备。在一个方面，可使用泥浆脉冲遥测系统在钻井操作期间在井下传感器70和设备和地面装备之间传送数据。置于泥浆供给管线38中的换能器43响应于由井下遥测72传输的数据而检测泥浆脉冲。换能器43响应于泥浆压力变化而生成电信号，并将此类信号经由导体45发射到地面控制单元40。在其他方面，可使用任何其他合适的遥测系统用于在地面与BHA 90之间进行双向数据通信(例如，下行链路和上行链路)，这些遥测系统包括但不限于声学遥测系统、电磁遥测系统、光学遥测系统、有线管遥测系统，其可在钻柱或钻孔中利用无线耦合器或中继器。可通过连接钻管段来构成有线管，其中每个管段都包括沿着管延伸的数据通信链路。管段之间的数据连接可通过任何合适的方法进行，这些方法包括但不限于硬电连接或光连接、感应连接、电容连接、共振耦合连接或定向耦合连接方法。在使用连续油管作为钻管22的情况下，数据通信链路可沿着连续油管延伸的侧面。
到目前为止所描述的钻井系统涉及那些利用钻杆将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井系统，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前钻井系统，特别是用于钻探高度偏斜钻孔和水平钻孔的钻井系统，都利用连续油管来将钻井组件输送到井下。在此类应用中，有时在钻柱中部署推进器来在钻头上提供期望的力。另外，当利用了连续油管时，并不通过旋转台旋转油管，而是通过合适的注入器将油管注入钻孔中，同时井下马达诸如泥浆马达55使碎裂工具50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或船只来支撑钻井装备，包括钻柱。
仍然参考图1，可提供电阻率工具64，该电阻率工具包括例如多个天线，该多个天线包括例如发射器66a或66b和/或接收器68a或68b。电阻率可以是在作出钻井决定时感兴趣的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。
尾管钻井可以是用于提供碎裂设备的一种构造或操作，因为与常规钻井相比具有若干优点，因此在油气工业中变得越来越有吸引力。在标题为“用于在单程期间钻出钻孔、设置尾管并固结钻孔的装置和方法”(Apparatus and Method for Drilling a Borehole，Setting a Liner and Cementing the Borehole During a Single Trip)的共同拥有的美国专利号9,004,195中示出和描述了此类构造的一个示例，该专利全文以引用方式并入本文。重要的是，尽管钻进速率相对较低，但由于尾管在钻探钻孔的同时下钻，因此减少了将尾管对准目标的时间。这在膨胀的地层中可能是有益的，在这种地层中，钻井的收缩会阻碍尾管的安装。此外，在耗尽且不稳定的油层中使用尾管进行钻探，可最大程度地降低因钻孔塌陷而卡住管或钻柱的风险。
尽管图1是相对于钻井操作示出和描述的，但本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但类似的配置可用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可使用电缆、连续油管和/或其他配置。此外，可采用生产配置用于从地层提取材料和/或向地层中注入材料。因此，本公开不限于钻井操作，而是可用于任何适当或期望的一个或多个井下操作。
转到图2，示出了可采用本发明的实施方案的用于地层102的烃生产和/或评估的系统100的实施方案的示意图。系统100包括设置在钻孔106内的钻孔柱104。在一个实施方案中，柱104包括多个柱段，或者在其他实施方案中，柱为连续导管，诸如盘绕管。如本文所述，“柱”是指适用于通过钻孔降低工具或其他部件或将钻头连接到表面的任何结构或托架，并且不限于本文所述的结构和构造。如本文所用，术语“托架”是指可用于传送、容纳、支撑或以其他方式有利于使用另一个装置、装置部件、装置的组合、介质和/或构件的任何装置、装置部件、装置的组合、介质和/或构件。示例性的非限制性托架包括但不限于套管、电缆、电缆探头、钢丝绳探头、下落弹丸、井下接头、底孔组件和钻柱。
在一个实施方案中，系统100被构造为液压增产系统。如本文所述，“增产”可包括将流体注入到地层中。流体可为任何可流动的物质，诸如液体或气体，或可流动的固体，诸如沙子。在此类实施方案中，柱104包括井下组件108，该井下组件包括一个或多个工具或部件以有利于地层102的增产。例如，柱104包括流体组件110，诸如断裂或“破裂”套筒设备或电潜水泵送系统，以及穿孔组件112。穿孔组件112的示例包括成型装药、点火器、射弹和用于对钻孔壁和/或外壳进行穿孔的其他装置。柱104还可包括另外的部件，诸如一个或多个隔离或封隔接头114。
井下组件108、破裂组件110、穿孔组件112和/或封隔接头114中的一者或多者可包括被构造成与地面处理单元通信和/或控制相应工具或组件的合适电子器件或处理器。
可提供地面系统116以从地层102中提取材料(例如流体)或通过柱104将流体注入到地层102中以用于压裂目的。
如图所示，地面系统116包括与罐120流体连通的泵送设备118。在一些实施方案中，泵送设备118可用于从地层102提取流体诸如烃，并且将提取的流体储存在罐120中。在其他实施方案中，泵送设备118可被构造成将流体从罐120注入到柱104中以将流体引入到地层102中，例如以使地层102增产和/或断裂。
如图所示，一个或多个流速和/或压力传感器122被设置成与泵送设备118和柱104流体连通，以用于测量流体特性。传感器122可定位在任何合适的位置，诸如靠近泵送设备118(例如，在排放输出处)或在泵送设备内、在井口处或在井口附近、或在沿着柱104和/或在钻孔106内的任何其他位置处。
处理和/或控制单元124被设置成与传感器122、泵送设备118和/或井下组件108的部件可操作地连通。处理和/或控制单元124被构造成用于例如接收、存储和/或传输从传感器122和/或泵送设备118生成的数据，并且包括被构造成用于分析来自泵送设备118和传感器122的数据的处理部件，向泵送设备118或其他控制单元和/或控制操作参数提供警报，并且/或者与井下组件108的部件通信和/或进行控制。处理和/或控制单元124包括任何数量的合适部件，诸如处理器、存储器、通信设备和电源。
诸如上文所示和所述的井下系统中的电路板、传感器或其他部件(下文称为“井下部件”)的振动和热疲劳可导致井下部件失效，因此需要维护和/或更换。为了降低失效风险，可定期或按预定计划更换井下部件，这可能早于预期井下部件实际失效较长时间(例如，预防性维护)。然而，过早更换井下部件可能是昂贵的，此外，此类更换可能是不必要的。因此，需要简单、无源和稳健的传感器或其他监测设备来测量井下部件经历的累积环境暴露(例如，振动暴露、热暴露等)。例如，如本文所公开的此类传感器提供类似磨损的传感器，以提供对井下部件的间接监测并且能够确定井下部件是否接近临界磨损量或振动疲劳。
现在转向图3，示出了监测系统300的示意图。监测系统300被布置在井下部件302(诸如印刷电路板)上或其中。尽管被示出为印刷电路板，但井下部件302可为任何井下部件，其包括接线、电路和/或可能由于环境和/或工作条件(诸如位于井下时的振动和/或温度)而遭受磨损、疲劳和/或失效的其他元件。在一些实施方案中，井下部件302被布置为井下部署在钻孔中的井下工具的一部分。例如，在一个非限制性实施方案中，井下部件302是BHA的一部分并且为BHA的至少一部分提供控制和/或电功能。
如图所示，井下部件302包括一个或多个电元件304。电元件304在通过钻孔部署期间、在钻井、勘探和/或生产操作期间可能经受高温和/或振动。在一些实施方案中，井下部件302被构造成电子控制井下柱或结构的一个或多个其他部件。
为了实现对井下部件302的环境影响的无源原位监测，监测系统300包括传感器组件306。传感器组件306固定地附接到井下部件302并且包括暴露于井下部件302所暴露的环境的保护外壳308。传感器组件306被布置成监测由井下部件302经历的累积损坏或磨损。例如，当井下部件302设置在井下时，井下部件302将经受可能磨损或损坏井下部件302的元件(例如，电元件304)的振动。每当井下部件302设置在井下时，电元件304将经受此类振动。传感器组件306(和如本文所述的传感器元件)被布置成提供井下部件302的板载无源累积损坏监测。
保护外壳308隔离一个或多个传感器元件310、312。传感器元件310、312被布置或构造成经受一些环境影响，这些环境影响由井下部件302经受，但通过保护外壳308的保护而被保护或与其他环境影响隔离，诸如高井筒流体压力或腐蚀性或侵蚀性井筒流体。在一些实施方案中，保护外壳308可以是任选的或完全不存在的，具体取决于采用的传感器组件的具体构造。此外，在一些实施方案中，保护外壳308可以是可打开的，从而允许选择性地触及保护外壳308的内部和位于其中的部件(例如，传感器元件310、312和相关联的接线)。
如图所示，传感器元件310、312通过接线318电连接到相应的检测电路314、316或作为其一部分。在一些非限制性实施方案中，传感器元件310、312和相应的检测电路314、316形成惠斯通电桥。传感器元件310、312中的一个或多个被布置成经历各种环境条件，诸如井下部件302在操作期间所暴露的振动和热条件。
在一个非限制性示例中，第一传感器元件310布置有穿过传感器主体的内表面或在该内表面上的电线，如本文所述。传感器主体是限定内部腔室的中空主体。传感器主体包括穿过内部腔室或沿着内部腔室的表面安装的至少一个电磨损元件(例如，导线)。在一些实施方案中，一个或多个电磨损元件将从传感器主体的内部穿过传感器主体到达传感器主体的外部。
内部腔室至少部分地填充有磨料物质，该磨料物质被选择为用于研磨、冲击或以其他方式侵蚀内部腔室内的接线。内部腔室内的接线(或内部接线)电连接到接线318和检测电路314，从而完成电路。当内部接线被磨料物质侵蚀或损坏时，内部接线的电导率将减小(或如果内部接线断开，则停止)，这可因此断开检测电路314，这继而可触发指示井下部件302已经受足够的井下环境条件的通知或其他警报以保证维护(例如，检查、修理、更换等)。在另一个非限制性示例中，诸如实时监测的替代方案，可在返回到地面时测量、检查或以其他方式检验无源传感器。对传感器中的电元件的累积损坏充当物理存储器，该物理存储器不需要任何电力来存储或维护存储器，并且在此用于代替昂贵和/或温度敏感的可连续记录加速度计读数的计算机存储器。本文提供的实施方案可用于预测所监测的系统或设备的剩余使用寿命，而不是因此实现预测维护计划和调度。因为内部接线可用于表示井下部件302上的疲劳，并且此类监测应相对于其他影响隔离，所以传感器主体可由电绝缘材料形成以防止非预期的电连接。
传感器元件310、312通过暴露于与它们固定地连接的井下部件302相同的条件来工作。因此，当井下部件302振动时，传感器元件310、312也将振动。类似地，如果井下部件302暴露于可能影响井下部件302的元件(例如，接线、金属部件、电路等)的高温，则传感器元件310、312也将暴露于此类温度。在一些实施方案中，第二传感器元件312可为不在其中包括磨料物质的对照或参考传感器元件312，因此可作为与第一传感器元件310的测试或比较来工作。
在本公开的传感器元件的一个非限制性示例中，实现对影响传感器组件所连接或附接到的井下部件的力或条件的三维监测。为了测量三维累积振动暴露，X轴、Y轴和Z轴或方向中的每一者可被布置成在传感器主体的内部腔室内具有三个电磨损元件(例如，三根导线)，三根导线中的每一根导线沿着相应的X轴、Y轴和Z轴延伸。当移动的磨料物质撞击、冲击或以其他方式接触垂直于受到冲击的电磨损元件的轴线的电磨损元件时，侵蚀最严重。因此，沿着所有三个主方向布置电磨损元件能够区分由沿着每个方向的振动造成的损坏。通过实验、建模等，可选择磨料物质的特性和特征(例如，粒度、硬度、数量等)以及电磨损元件的特性和特征(例如，材料的直径、厚度、柔软性等)，以最佳地模拟被监测的井下部件的寿命劣化并且能够准确估计此类井下部件的剩余寿命。
当被布置为导线时，不同的内部电磨损元件可在各个时间点连接到惠斯通电桥，惠斯通电桥可包括参考传感器元件312中的电磨损元件，以便灵敏地测量可由内部电磨损元件的侵蚀引起的内部电磨损元件的电阻的任何增大。即随着磨料物质与内部电磨损元件相互作用，内部电磨损元件的材料可被去除或研磨，从而减小电磨损元件的直径或尺寸(或使其断裂)，这继而将增大电磨损元件的电阻，这是可测量的特性。
内部电磨损元件可由导电材料制成，该导电材料被选择为能够被磨料物质侵蚀或研磨。例如，内部接线可由铝形成。磨料物质是被选择来由于磨料物质与内部电磨损元件的冲击而刮擦、切割、研磨、侵蚀或以其他方式减少内部接线的材料的量的材料。例如，磨料物质可由具有9莫氏硬度的颗粒状碳化硅形成。又如，具有10莫氏硬度的工业金刚石粗粒可用作磨料物质。
在一些实施方案中，通信设备可电连接到检测电路314、316。如果检测电路314、316内检测到或测量到的电阻超过预定阈值，则可触发消息发送到地面操作员，指示特定井下部件302正接近维护状态(例如，预计井下部件302的磨损已达到需要维护操作的状态)。在其他布置方式中，当井下工具302被带到地面(例如，从钻孔返回)时，测量或测试工具可连接到检测电路314、316。
现在转向图4，示出了根据本公开的实施方案的传感器元件400的示意图。传感器元件400可安装到或以其他方式附连到井下部件，以能够监测由于井下部件所暴露于的振动和/或温度引起的磨损。传感器元件400包括限定中空内部腔室404的传感器主体402。如图所示，传感器主体402是球形形状，但在不脱离本公开的范围的情况下，可采用其他形状、构造、几何形状等。传感器主体402具有穿过其中的多个电磨损元件，其中电磨损元件沿着X轴、Y轴和Z轴延伸以实现三维监测。如图所示，第一电磨损元件406沿着X轴延伸，第二电磨损元件408沿着Y轴延伸，并且第三电磨损元件410沿Z轴延伸，并且这三个磨损元件(例如，导线)略微偏移，使得它们在传感器主体402(例如，球体)的中心附近不彼此接触。
传感器主体402由绝缘材料形成，使得进入或离开内部腔室404的唯一电传导通过穿过传感器主体402的电磨损元件406、408、410。如图所示，电磨损元件406、408、410从内部腔室404穿过传感器主体402并到达传感器主体402的外部，其中此类电磨损元件406、408、410可电连接到其他电元件或可触及以选择性地连接到其上。
例如，电磨损元件406、408、410可各自连续地或按需连接到独立的或专用的检测电路。如相对于第二电磨损元件408示意性地示出，电磨损元件408可任选地穿过传感器主体402的绝缘部分412。绝缘部分412可为传感器主体402的插头或其他部件，其被布置成在第二电磨损元件408穿过传感器主体402时支撑第二电磨损元件，并且还可提供刚性或结构支撑以防止第二电磨损元件408在第二电磨损元件408进入和离开传感器主体402的点处断裂。在具有传感器主体402的绝缘部分412的实施方案中，传感器主体402可由任何期望的材料形成，甚至任选地由导电材料形成，其中绝缘部分412在电磨损元件406、408、410穿过传感器主体402的位置处电隔离和绝缘电磨损元件406、408、410。
传感器主体402的内部腔室404至少部分地填充有磨料物质414。磨料物质414被选择为研磨、冲击或以其他方式侵蚀电磨损元件406、408、410的材料，使得当电磨损元件406、408、410被磨料物质414冲击时，电磨损元件406、408、410的材料被去除并且电阻增大(例如，当由所连接的检测电路进行测试时)。磨料物质414对电磨损元件406、408、410的冲击由传感器主体402的移动(例如，振动)引起。随着传感器主体402振动，磨料物质414将在传感器主体402的内部腔室404内移动。
在一个示例性实施方案中，磨料物质414是粒状或颗粒状材料(例如，砂粒材料)，当传感器主体402振动时，磨料物质414的颗粒通过震动和振动被挤撞并移动成与电磨损元件406、408、410接触。随着颗粒冲击电磨损元件406、408、410，电磨损元件406、408、410的材料将被去除，从而增大电磨损元件406、408、410的电阻，这可使用检测电路诸如惠斯通电桥进行测量。电磨损元件406、408、410的材料的侵蚀导致电磨损元件406、408、410的电阻分别或单独地累积并永久地增大。电磨损元件406、408、410的侵蚀速率可取决于物体(例如，电磨损元件406、408、410)被物体(例如，磨料物质414)撞击的角度。因此，如图4的实施方案所示，传感器元件400被布置成通过使电磨损元件406、408、410如上所示和所述地布置来提供单独的累积X轴振动暴露测量结果、Y轴振动暴露测量结果和Z轴振动暴露测量结果。
本领域的技术人员将理解，安装在本公开的传感器元件中的电磨损元件的数量不限于如图所示的三个。即，可将任何数量的电磨损元件安装在本公开的传感器主体内。在一些实施方案中，单个电磨损元件可被布置成穿过传感器主体的内部腔室。在一些此类实施方案中，可提供单个维度的磨损监测。此外，可将任何数量的传感器元件安装到一个或多个井下部件。
如图4所示，电磨损元件406、408、410被布置为沿相应的X轴、Y轴和Z轴穿过传感器元件400的导线。因为电磨损元件406、408、410是导电的，并且希望监测在相应X轴、Y轴和Z轴中的每一者的方向上的振动或磨损，所以电磨损元件406、408、410被定位成在传感器元件400的中心416处不彼此接触。即电磨损元件406、408、410被布置成彼此偏移，使得电磨损元件406、408、410之间不发生电接触。
本公开的磨料物质可为颗粒材料、流体、流体和固体的组合(例如，悬浮颗粒)、根据温度改变材料或相状态的气体或液体等。在一些实施方案中，磨料物质将填充小于传感器主体的整个内部腔室。在一个非限制性示例中，内部腔室的体积被磨料物质填充50％。在另一个实施方案中，诸如采用液体悬浮颗粒的情况下，整个(100％)内部腔室可填充有磨料液体悬浮液。可能的粒状磨料物质的示例包括但不限于玻璃、陶瓷、钢(如切割线、丸粒、砂粒)、氧化铝、碳化硅、石榴石、金刚石等。磨料物质的选择可基于电磨损元件的特定材料、传感器主体的内部腔室内的体积量、用于形成传感器主体的材料，或基于其他考虑因素。一个考虑因素是选择将通过以预定或期望速率冲击而侵蚀电磨损元件的磨料物质，该预定或期望速率表示安装有传感器元件的井下部件的其他电子器件上的磨损。
类似地，可基于暴露于磨料物质而针对磨损特性选择电磨损元件的材料，使得电磨损元件的磨损模仿或模拟安装有传感器元件的井下部件的一个或多个电子部件(诸如电路板)的磨损或疲劳。因此，可组合选择磨料和电磨损元件的材料的选择以实现期望的磨损图案。
如上所述，磨料物质的选择可包括液体。使用液体(作为悬浮流体或作为提供磨蚀)的一个目的是使粘度能够因温度而变化。可定制粘度的变化以模拟在较高温度下振动的增大损坏可能性。这是可能的，因为悬浮液中颗粒的侵蚀损坏在较低粘度下将较高。在此类实施方案中，传感器主体可由导热但电绝缘的材料形成。在悬浮液中，一个示例性构造将是用1-丙醇填充内部腔室。1-丙醇是低于约97℃的液体，并且将在大气压下于约97℃下沸腾。如果密封在高于97℃的固定体积室中，气体部分将随温度继续增多，并且液体部分将随温度继续减少，使得更多的磨料物质将被不太粘稠的气体减慢，而更少的磨料物质将被更粘稠的液体减慢，从而得到具有依赖于温度的磨蚀性的更大研磨性混合物，并且因此可模拟加热和振动时井下部件经历的更大损坏。
因此，如果此类传感器元件安装在井下部件上并且井下部件经受振动和不同温度，则电磨损元件的侵蚀速率可基于温度而变化。例如，当井下部件位于相对较低温度下时，诸如在地面处或在早期部署阶段，振动可不那么具有破坏性，因此磨料物质的一部分的液态将防止电磨损元件发生过度损坏/侵蚀。然而，当井下部件位于井下并且处于工作中并且经受高井下温度时，更多的液体部分将蒸发并变成气态，此时悬浮颗粒可更有效地影响电磨损元件。另一种示例性流体可为1-丁醇，其在大气压下具有约117℃的沸点。
现在转向图5A至图5B，示出了根据本公开的实施方案的传感器元件500的示意图。与具有球形形状传感器主体的上述实施方案相比，传感器元件500具有立方体形状的传感器主体502。传感器主体502由多个板504形成。板504安装到基部506并且可由顶部508封盖。板504中的每个板包括电磨损元件的第一部分510。类似地，基座506包括电磨损元件的一个或多个第二部分512，其中第一部分510和第二部分512可电连接以在传感器主体502内形成一个或多个电磨损元件。如例示性地所示，基座506上的第二部分512的一部分形成电磨损元件的第一方向部分，并且图5B中所示的第一部分510中的每个第一部分表示使得可组装三维传感器元件500的其他取向部分。在一些实施方案中，板504、基座506和/或顶部508中的任一者或全部可包括电磨损元件的部分。
传感器元件500可填充有类似于上述的磨料物质。在一个非限制性示例中，如图所示，传感器元件500形成由陶瓷板制成的盒，该陶瓷板包括形成一个或多个电磨损元件的导电(例如，金属)迹线(例如，部分510、512)。类似于上文所述，部分510、512可通过冲击或接触磨料物质而磨损。因此，在一些实施方案中，一个或多个电磨损元件可为“研磨掉的结构”，其中部分510、512的材料被磨损或碎裂，由此导致电阻增大，类似于上述导线布置结构。第二部分512延伸到基部506的边缘，并且能够电连接到传感器元件500附接到的印刷电路板，或者能够按需连接到电压计、欧姆计或其他电测试装置。尽管图5A至图5B的第二部分512显示为具体布置结构，但本领域的技术人员将会知道，在不脱离本发明的范围的情况下，位于基部上的第二部分和/或位于板上的第一部分可具有任何布置结构或构造。
在图5A至图5B的传感器元件500的示例中，立方体传感器元件500的内部腔室可填充有其中具有悬浮颗粒的流体，类似于上文所述。本领域的技术人员根据上述公开内容将会知道，任何类型的流体(包括矿物油)可与针对特定温度和/或粘度特性选择的所选蒸发点一起使用。即，可选择流体以在预定温度下改变相位(例如，从液体到气体、超临界相变等)。
例如，在使用立方体传感器元件500的另一个示例中，内部腔室可填充有丙烷，该丙烷具有接近96.7℃的临界温度，该临界温度是约底孔附近的大多数钻孔的最低温度。板504可为约10mm高并且用顶部508封盖。板504上的第一部分510可部分地浸没有流体悬浮液，该流体悬浮液有约5mm(即，板504的高度的约一半)填充有砂粒并且有约4mm的在室温下包含在内部腔室内的液态丙烷柱。初始，在该示例中，在室温下，约80％的砂粒浸入粘性液体丙烷中，并且仅20％的砂粒处于低粘度蒸气中(即，高于内部腔室内的液位)。未浸没的20％将自由移动，并且浸没的80％将具有高度阻尼的运动。然而，高于96.7℃的临界温度时，丙烷将变成超临界的，因此所有砂粒现在将位于具有比液体更低的粘度(但具有比丙烷蒸气更高的粘度)的超临界流体内。虽然以上描述是针对丙烷进行的，但在不脱离本公开的范围的情况下，可使用其他流体。例如，可采用超临界温度为约100℃的各种不易燃的无毒流体。一些此类示例可为通常被称为氟利昂的制冷剂(例如R12、R22和R134a)。
有利的是，本文提供的实施方案涉及能够监测井下部件的磨损的无源监测系统，其中此类监测原位执行。监测系统被布置成使得电磨损元件能够由于环境条件诸如振动和热条件而被侵蚀。通过电磨损元件的侵蚀并且在电连接到电磨损元件的测试装置中测试电阻，可测量电阻，其中电阻表示或指示电磨损元件的磨损量。随着电磨损元件的侵蚀增加，连接到测试电路诸如惠斯通电桥时的电阻也增大。
通过模拟、测试和观察，可确定何时测量到井下部件已经受过多振动或其他环境条件的特定电阻。电磨损元件和磨料物质可被选择为将特定传感器元件精确匹配到待监测的井下部件。可采用各种几何形状的传感器主体以能够监测不同的物理特性或配合要监测的特定井下部件。
实施方案1：一种用于间接监测井下部件的累积损坏的传感器元件，该传感器元件包括：传感器主体，该传感器主体限定内部腔室；至少一个电磨损元件，该至少一个电磨损元件位于传感器主体内，其中该至少一个电磨损元件的一部分从内部腔室电延伸穿过传感器主体并且到达传感器主体的外部；以及磨料物质，该磨料物质位于内部腔室内，该磨料物质可在内部腔室内移动以接触并侵蚀至少一个电磨损元件的材料，其中至少一个电磨损元件的侵蚀导致至少一个电磨损元件的电阻增大。
实施方案2：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中至少一个电磨损元件是穿过内部腔室的导线。
实施方案3：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中至少一个电磨损元件包括三根导线，每根导线穿过内部腔室，其中三根导线中的每一根导线沿着X轴、Y轴和Z轴延伸。
实施方案4：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中所述三根导线被布置成使得该三根导线之间不发生电接触。
实施方案5：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体为球形形状。
实施方案6：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体是立方体形状的传感器主体。
实施方案7：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体包括多个板，其中至少一个电磨损元件的至少第一部分沿着多个板中的面向内部腔室的至少一个板的内表面形成。
实施方案8：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体还包括基座，并且多个板中的每个板安装到基座以限定立方体形状的传感器主体，并且其中至少一个电磨损元件的第二部分布置在基座上。
实施方案9：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中磨料物质包括砂粒和颗粒材料中的至少一者。
实施方案10：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中磨料物质包括流体和颗粒材料，其中颗粒材料悬浮在流体内。
实施方案11：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中流体包括超临界流体。
实施方案12：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中流体被选择为在预定温度下改变相位。
实施方案13：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体由电绝缘且导热的材料形成。
实施方案14：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体是电绝缘的。
实施方案15：根据本文的任何实施方案所述的传感器元件，其中传感器主体包括绝缘部分，其中至少一个电磨损元件在绝缘部分处穿过传感器主体。
实施方案16：一种监测系统，包括：井下部件，该井下部件包括至少一个电元件，其中该井下部件被布置为用于部署到钻孔中的井下工具的一部分；以及传感器组件，该传感器组件安装到井下部件，其中传感器组件包括：至少一个传感器元件，该至少一个传感器元件具有：传感器主体，该传感器主体限定内部腔室；至少一个电磨损元件，该至少一个电磨损元件位于传感器主体内，其中该至少一个电磨损元件的一部分从内部腔室电延伸穿过传感器主体并且到达传感器主体的外部；以及磨料物质，该磨料物质位于内部腔室内，该磨料物质可在内部腔室内移动以接触并侵蚀至少一个电磨损元件的材料，其中至少一个电磨损元件的侵蚀导致至少一个电磨损元件的电阻增大。
实施方案17：根据本文的任何实施方案所述的监测系统，其中至少一个传感器元件包括第一传感器元件和第二传感器元件，其中第一传感器元件在其中包括磨料物质，并且第二传感器元件是在其中不包含磨料物质的参考传感器元件。
实施方案18：根据本文的任何实施方案所述的监测系统，还包括保护外壳，其中至少一个传感器元件容纳在该保护外壳内。
实施方案19：根据本文的任何实施方案所述的监测系统，其中井下部件是印刷电路板。
实施方案20：根据本文的任何实施方案所述的监测系统，其中磨料物质包括流体和颗粒材料，其中颗粒材料悬浮在流体内。
为了支持本文的教导内容，可使用各种分析部件，包括数字系统和/或模拟系统。例如，如本文所提供的和/或与本文所述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理系统和/或地质导向系统可包括数字系统和/或模拟系统。这些系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)的部件以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，用于以本领域熟知的若干方式中的任一种来提供对本文所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不必结合存储在非暂态计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该非暂态计算机可读介质包括存储器(例如，ROM、RAM)、光学介质(例如，CD-ROM)或磁性介质(例如，磁盘、硬盘驱动器)或任何其他类型的介质，这些计算机可执行指令在被执行时，致使计算机实现本文所述的方法和/或过程。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令还可提供系统设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的装备操作、控制、数据收集、分析和其他功能。处理后的数据(诸如已实现的方法的结果)可作为信号经由处理器输出接口发射到信号接收设备。信号接收设备可以是用于将结果呈现给用户的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收设备可为存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可从处理器向用户界面发射警报信号。
此外，可包括各种其他部件，并要求它们提供本文教导内容的各方面。例如，可包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开以外的其他功能。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，还应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。
应当认识到，各种部件或技术可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型形式可能需要的这些功能和特征被认为是作为本文的教导内容的一部分和本公开的一部分而固有地包括在内。
本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、钻孔和/或钻孔中的装备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。
虽然已参考各种实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于作为设想用于实现所描述的特征的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。
因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
Claims (15)
1.一种用于间接监测井下部件的累积损坏的传感器元件(310，312)，所述传感器元件包括：
传感器主体(402，502)，所述传感器主体限定内部腔室(404)；
至少一个电磨损元件(406，408，410)，所述至少一个电磨损元件位于所述传感器主体内，其中所述至少一个电磨损元件的一部分从所述内部腔室电延伸穿过所述传感器主体并且到达所述传感器主体的外部；和
磨料物质(414)，所述磨粒物质位于所述内部腔室内，所述磨料物质可在所述内部腔室内移动以接触并侵蚀所述至少一个电磨损元件的材料，其中所述至少一个电磨损元件的侵蚀导致所述至少一个电磨损元件的电阻增大。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述至少一个电磨损元件是穿过所述内部腔室的导线。
3.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述至少一个电磨损元件包括三根导线，每根导线穿过所述内部腔室，其中所述三根导线中的每一根导线沿着X轴、Y轴和Z轴延伸，优选地其中所述三根导线被布置成使得所述三根导线之间不发生电接触。
4.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述传感器主体为球形形状。
5.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述传感器主体是立方体形状的传感器主体，优选地其中所述传感器主体包括多个板，其中所述至少一个电磨损元件的至少第一部分(510)沿着所述多个板中的面向所述内部腔室的至少一个板的内表面形成，优选地其中所述传感器主体还包括基座(506)，并且所述多个板中的每个板安装到所述基座以限定所述立方体形状的传感器主体，并且其中所述至少一个电磨损元件的第二部分(512)布置在所述基座上。
6.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述磨料物质包括砂粒和颗粒材料中的至少一者。
7.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述磨料物质包括流体和颗粒材料，其中所述颗粒材料悬浮在所述流体内，优选地其中所述流体包括超临界流体，优选地其中所述流体被选择为在预定温度下改变相位。
8.根据权利要求7所述的传感器元件，其中所述传感器主体由电绝缘且导热的材料形成。
9.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述传感器主体是电绝缘的。
10.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述传感器主体包括绝缘部分，其中至少一个电磨损元件在所述绝缘部分处穿过所述传感器主体。
11.一种监测系统(300)，所述监测系统包括：
井下部件(302)，所述井下部件包括至少一个电元件，其中所述井下部件被布置为用于部署到钻孔(26，106)中的井下工具(302)的一部分；和
传感器组件(306)，所述传感器组件安装到所述井下部件，其中所述传感器组件包括：
至少一个传感器元件(310，312)，所述至少一个传感器元件具有传感器主体(402，502)，所述传感器主体限定内部腔室(404)；
至少一个电磨损元件(406，408，410)，所述至少一个电磨损元件位于所述传感器主体内，其中所述至少一个电磨损元件的一部分从所述内部腔室电延伸穿过所述传感器主体并且到达所述传感器主体的外部；和
磨料物质(414)，所述磨粒物质位于所述内部腔室内，所述磨料物质可在所述内部腔室内移动以接触并侵蚀所述至少一个电磨损元件的材料，其中所述至少一个电磨损元件的侵蚀导致所述至少一个电磨损元件的电阻增大。
12.根据权利要求11所述的监测系统，其中所述至少一个传感器元件包括第一传感器元件(310)和第二传感器元件(312)，其中所述第一传感器元件在其中包括所述磨料物质，并且所述第二传感器元件是在其中不包含所述磨料物质的参考传感器元件(312)。
13.根据权利要求12所述的监测系统，还包括保护外壳(308)，其中所述至少一个传感器元件容纳在所述保护外壳内。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的监测系统，其中所述井下部件是印刷电路板。
15.根据权利要求14所述的监测系统，其中所述磨料物质包括流体和颗粒材料，其中所述颗粒材料悬浮在所述流体内。
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