CN112272728A - 用于监测钻头的磨损的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测钻头的磨损的系统，包括：钻头，其设有切削表面、内部基体和在切削表面下方在钻头的内部区域处的通道；加压钻孔流体的源，钻头的内部基体连接到加压钻孔流体的源，并构造成从内部基体接收钻孔流体；以及用于监测加压钻孔流体的监测器；其中通道构造成当内部区域上方的切削表面磨损而暴露通道时，将钻孔流体释放到钻头的外部。还提供了与该系统相关联的钻头和方法。

Description

用于监测钻头的磨损的系统及方法
相关申请的交叉引用
该申请请求享有2018年4月24日提交的BR102018008190-0的优先权的权益，其通过引用以它的全部合并于此。
技术领域
本发明涉及用于钻油井的钻头。更特别地，本发明涉及用于检测油井钻头的磨损的系统。
背景技术
油井是以若干梯级钻出的。梯级可具有不同的直径。这些梯级中的每一个都称为阶段。根据石油工程师协会的OTC22511文件，在巴西钻出的石油井的主要标准配置如下：
第1阶段：用36''钻头钻孔，并用30''钢管装套；
第2阶段：用26''钻头钻孔，并用20''钢管装套；
第3阶段：用17½''钻头钻孔，并用13 3/8''钢管装套；
第4阶段：用12¼''钻头钻孔，并用9 5/8''钢管装套；
第5阶段：用8 ½''钻头钻孔，并用7''钢管装套。
上面列出的每个阶段都使用连接到钻柱的一个或多个钻头(即，其下端：井底钻具组件-BHA)钻出，钻柱包括成组工具和设备，用于执行所钻岩石的物理性质的测量以及绘制井路径。
钻机经由钻柱传输重量(WOB-钻头重量)、旋转(RPM-每分钟转数)和转矩以促进井眼钻孔。
钻头分为两个主要组：牙轮钻头(或圆锥钻头，最常见的是三锥钻头)和固定铣刀钻头(参见石油工程师协会的文献SPE23937和SPE23940)。这两个主要组之间的主要区别在于，牙轮钻头是通过破碎机制来切削岩石的，而固定铣刀钻头是通过剪切机制来切削岩石的。
目前，三种类型的钻头已应用于在油井中的钻探：三锥钻头、镶金刚石钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。三锥钻头属于牙轮钻头组，且镶金刚石钻头和PDC钻头属于固定铣刀钻头组。
三锥钻头的主要限制在于使用小时的数量。当超过限制时，钻头损失圆锥和钻机时间损失的风险增加。
镶金刚石钻头具有鳍片，小的人造金刚石颗粒插入鳍片中。这些颗粒可为百分之一毫米的量级(也用于砂轮)。这种类型的钻头需要大约1000 rpm的高转速。镶金刚石钻头具有很高的耐用性，但大多数情况下平均渗透速度不超过2 m/h。
PDC钻头由鳍片或板组成，固定有圆形的人造金刚石刀具。刀具的直径通常为13、16和19毫米。
常规的PDC钻头可分为量规(G)、肩部(S)、鼻部(N)和圆锥体(C)，这是本领域技术人员通常已知的并且在图1所示的轮廓中示出。在具有弹道轮廓和圆顶的钻头中，在肩部和鼻部之间还有颈部。
PDC钻头的一种非常常见的磨损类型是环纹。这包括损失一排或多排人造金刚石刀具，在PDC钻头的基体中产生环形沟槽，如图2中所示的那样。通过发明人对钻头数据库的检查表明，绝大多数显示有环纹的磨损的PDC钻头都在钻头的肩部区域磨损。
应该强调的是，环纹磨损是用于钻油井的PDC钻头中最常见的类型之一。它主要发生在钻探坚硬和/或磨蚀性岩石时。这些包括岩石，如Espírito Santo的Maastrichiano和Campaniano的盐层和砂岩的碳酸盐。
由环纹磨损的严重性引起的主要问题是井眼变窄。在不知道磨损的情况下，可能继续钻孔，直到例如在带有稳定器的部分中发生钻柱卡住。这导致浪费时间来调节用磨损的钻头钻出的区段。此外，当磨损明显时，由于质量降低，环纹会削弱其余的PDC鳍片。这可能引起钻头破损，并因此需要从井中"捞出"破损的碎片。这涉及中断钻探操作相当长的时间。
为了减轻上述问题，市场上出现了借助于位于PDC钻头内部的电路系统来测量磨损的技术。例如，文献US20100139987A1公开了一种钻头，其包括由安装在钻头本体中的至少一个电路形成的磨损检测系统。当发生磨损时，会在电路中检测到变化或中断，以准确识别钻头的磨损程度。
尽管文献US20100139987A1中描述的系统解决了检测磨损并发出信号的问题，但是这种技术需要在钻头本体中专门为此目的安装电气系统，该电气系统包括电池、控制/信号系统、功率模块等。除了大大增加制造成本之外，由于操作中的钻头的持续振动可能损坏电气构件和电路，因此该技术还易于发生故障和需要维护。而且，在钻头的本体中插入电路是相当昂贵且费力的任务。
因此，在现有技术中需要一种用于钻油井的钻头，该钻头包括用于通过利用已经存在于钻头或钻柱中的系统和构件来以低成本检测其磨损的手段。
如将在下面更详细地描述的那样，本发明旨在以实用和有效的方式至少部分地解决上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于监测钻头的磨损的系统和方法，其能够简单且有效地检测钻头的磨损而无需专用的额外电气系统。
本发明的进一步的目的在于提供一种用于监测钻头的磨损的系统和方法，其仅使用已经存在于由钻头、钻柱、钻机和其他设备组成的钻孔系统中的系统。
为了至少部分地实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种用于监测钻头磨损的系统，该系统包括以下一者或多者：钻头，其设有切削表面、内部基体和在切削表面下方在钻头的内部区域处的通道；加压钻孔流体的源，钻头的内部基体连接到加压钻孔流体的源，并构造成从内部基体接收钻孔流体；以及用于监测加压钻孔流体的监测器；其中通道构造成当内部区域上方的切削表面磨损而暴露通道时，将钻孔流体释放到钻头的外部。
可选地，该系统进一步包括一个或多个钻孔流体出口以用于将钻孔流体从内部基体供应到钻头的外部。
可选地，通道封闭在钻头内。
可选地，通道定位在距切削表面预定距离处，使得由于切削表面的磨损大于或等于预定距离而发生其到外部的暴露。
可选地，监测器是用于测量加压钻孔流体的压力的压力监测器。
可选地，通道在钻头的肩部或鼻部区段的下方最靠近切削表面延伸。
可选地，该通道包括至少一个分支点。
可选地，监测器相对于钻头远程地定位。
可选地，监测器包括用于自动检测压力变化的传感器。
根据第二方面，提供了一种钻头，其包括以下至少一者：切削表面；可连接到加压钻孔流体的源的内部基体；以及在钻头的内部区域处的通道，其在切削表面下方，构造成接收来自内部基体的钻孔流体，该通道延伸到钻头的内部区域；其中通道构造成当内部区域上方的切削表面磨损以暴露通道时，将钻孔流体释放到钻头的外部。
可选地，钻头进一步包括一个或多个钻孔流体出口一用于将钻孔流体从内部基体供应到钻头的外部。
可选地，通道封闭在钻头内。
可选地，通道定位在距切削表面预定距离处，使得由于切削表面的磨损大于或等于预定距离而发生其到外部的暴露。
可选地，通道在钻头的肩部或鼻部区段的下方最靠近切削表面延伸。
可选地，该通道包括至少一个分支点。
根据第三方面，提供了一种监测钻头的磨损的方法，该方法包括以下一个或多个步骤：为钻头提供通道，通道构造成由钻头磨损而暴露于钻头外部；监测加压钻孔流体的压力；以及检测加压钻孔流体的变化，其指示通道到外部的暴露。
可选地，该方法应用于第一方面的任何变型的系统
可选地，钻头是第二方面的任何变型中的钻头。
可选地，检测变化的步骤包括检测加压钻孔流体的压力下降，并且进一步可选地包括在预定时间间隔内检测加压钻孔流体的压力下降。
可选地，该方法进一步包括额外的步骤：当检测到指示通道暴露于外部的加压钻孔流体的压力下降时，发出声音和/或视觉警报。
根据本发明的第四方面，还公开了一种用于监测钻头的磨损的系统，包括(i)设有切削表面的钻头，其拥有(i-a)多个刀具，和(i-b)内部基体，其供应有处于压力下的钻孔流体，其中借助于至少一个钻孔流体出口将钻孔流体从内部基体分配到外部，该系统还包括(ii)用于监测钻孔流体压力的期间，以及(iii)内部基体与位于距切削表面预定距离的钻头内部区域之间的至少一个流体连通通道，该至少一个通道构造为借助于由于切削表面的磨损大于或等于预定距离引起其到外部的暴露而释放钻孔流体。
根据第五方面，还公开了一种应用于第五方面的监测系统的用于监测钻头磨损的方法，包括以下步骤：(i)通过用于监测钻孔流体的压力的装置监测钻孔流体的压力，以及(ii)在预定的时间间隔内检测到流体的压力下降，其指示至少一个通道到外部的暴露。
根据第六方面，还公开了一种用于监测钻头的磨损的系统，该系统包括钻头(10)，其设有：切削表面(12,12s,12n)，该切削表面具有多个刀具(12c)；以及内部基体(14)，其供应有处于压力下的钻孔流体，其中借助于至少一个钻孔流体出口(16)将钻孔流体从内部基体(14)分配到外部；以及用于监测钻孔流体压力的器件，其特征在于，钻头(10)还包括：至少一个通道(18)，用于内部基体(14)和位于距切削表面(12,12s,12n)预定距离(d)处的钻头的内部区域之间的流体连通，至少一个通道(18)构造为借助于由于切削表面的磨损大于或等于预定距离(d)引起其到外部的暴露而释放钻孔流体。
可选地，内部基体(14)与钻柱的基体流体连通。
可选地，至少一个通道(18)包括平行于切削表面(12,12s,12n)的至少一部分。
可选地，至少一个通道(18)包括至少一个分支。
可选地，用于监测钻孔流体压力的装置相对于钻头(10)远程地定位。
可选地，用于监测钻孔流体压力的装置包括用于自动检测压力变化的传感器。
根据第七方面，还公开了一种用于监测钻头磨损的方法，该方法应用于第六方面的任一变型中所限定的用于监测钻头磨损的系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：通过用于监测钻孔流体压力的装置监测钻孔流体的压力；以及在预定的时间间隔内检测流体的压力下降，其指示至少一个通道(18)到外部的暴露。
可选地，该方法包括额外的步骤：当检测到钻孔流体的压力下降时发出声音和/或视觉警报。
附图说明
下面呈现的详细描述参照了附图及其相应的参考标记。
图1示出了如现有技术中遇到的PDC钻头类型的钻头的示意性轮廓视图。
图2示出了如现有技术中遇到的包括环纹磨损的PDC钻头的示意性俯视图。
图3示出了包括如本文所公开的系统的钻头的示意性截面视图。
具体实施方式
首先，要强调的是，下面给出的描述是基于优选实施例的。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明不限于该特定实施例。
图3示出了钻头10的示意性截面视图。钻头10形成用于监测钻头磨损的系统的一部分。在该图中，钻头10设有切削表面12。切削表面12细分为肩部12s的切削部分和鼻部12n的切削部分。切削表面12具有多个刀具12c。钻头10可为PDC钻头。
钻头10可包括内部基体14。基体14可供应有加压的钻孔流体。钻孔流体可借助于至少一个钻孔流体出口16从内部基体14分配到钻头10的外部。通常，存在多个钻孔流体出口16。内部基体14可与钻柱的基体(未示出)流体连通。钻柱基体又可与钻孔流体的罐或源19(在图3中示意性地示出)流体连通。钻孔流体的这种罐或源19可位于钻柱上方，可选地位于钻机中。因此，钻孔流体可穿过钻柱从钻孔流体的罐或源19注入到钻头10。
本系统可进一步包括用于监测加压钻孔流体的监测器20(在图3中示意性地示出)。监测器20用于检测指示磨损的变化，如下面更详细地论述的那样。因而，监测器可为监测钻孔流体通过钻头的流量的流量计，或可为监测钻孔流体压力的压力监测器。钻孔流体的这些或其他特性的变化可指示钻头的变化(即，磨损)。为了便于理解，以下描述给出了使用压力监测器的示例，但是技术熟练的读者将认识到，可使用备选的监测器或传感器来达到相同的效果。
监测器20可相对于钻头10远程地定位。可选地，用于监测流体压力的监测器20是通常已经存在于钻机中的压力监测系统。因此，用于监测本系统的钻孔流体的压力的压力监测器20可为现有技术的任何压力监测或控制系统。
本系统可进一步包括至少一个通道18。通道18用于内部基体14和钻头的内部区域之间的流体连通。也就是说，通道18设在钻头10的内部区域中，在原始的未磨损的切削表面12下方。此区域可定位在距原始切削表面12预定距离d处。可选地，可存在多个这样的通道18。这些通道18中的每一个构造成当它们暴露时释放钻孔流体。在切削表面12磨损的情况下，可能发生到钻头10的外部的这种暴露。例如，大于或等于预定距离d的磨损将移除原本比通道18更外的钻头10材料，因此使通道18暴露于钻头10的外部。
换句话说，每个通道18在磨损之前是闭合的通道，从某种意义上说其不使流体连通到钻头10的外部(通道18通向内部基体14，以便于从那里接收钻孔流体)。因而，通道18封闭在钻头10内。在正常情况下，在磨损使通道18的壁破裂以将流体释放到钻头10的外部之前，通道内的流体将是静态的或接近静态的。例如，这与开放通道的流体出口16形成对比，在正常条件下，钻孔流体通过流体出口16流到钻头10的外部。
在任何情况下，当磨损足以达到使至少一个通道18暴露于外部的程度时，钻孔流体将借助于该通道18从内部基体14释放到外部。
一旦至少一个通道18暴露于外部，钻孔流体将开始泄漏。因此，将发生钻孔流体特性的变化，例如通过钻头的流体的流率的变化或流体压力的下降。考虑到压力的变化，可通过用于监测钻孔流体的压力的压力监测器20检测压力的变化。例如，压力监测器20可包括用于自动检测压力变化的传感器。
任何显著压力下降(即，比所确定的阈值大一定量或低于预定的绝对阈值的压力下降)的持续时间可由压力监测器20监测到。在一种实施方式中，一旦在预定时间间隔内检测到所述流体的显著压力下降，就可提示采取行动以考虑是否发生了过度磨损。例如，可向操作者发出警报(可选地声音和/或视觉警报)以指示钻头过度磨损的可能性。在这些情况下，优选停止操作以用于钻头的视觉检查，且如果确认磨损过度，则将其更换。在其他实施方式中，如果在预定量时间内检测到明显的压力下降，则可能希望自动停止钻孔。
至少一个通道18可包括至少一个分支点，如图3的右侧所示。这可允许切削表面12的较大区域由同一个通道18覆盖。
可选地，单个通道可相对于钻头10的旋转轴线围绕切削表面12的整个范围。在该实施例中，呈环的形式的通道18形成在切削表面12下方。该环可具有回到内部基体14的一个或多个流体连接。
可选地，通道18仅在钻头10的肩部和鼻部的区域中定位成靠近切削表面。换句话说，通道18可最靠近钻头10的肩部或鼻部下方的切削表面12，与量规和圆锥区段相反。肩部和鼻部是更容易出现环纹磨损的区域。
应当强调的是，尽管在图3中仅示出了通道18的形式的两个示例，但是本发明不限于其形式。因此，通道的任何形式或形状都落入本构想的范围内。
另外，提供了一种用于监测钻头的磨损的方法。此方法可应用于上述监测系统。该方法可包括以下一个或多个步骤：
(i)为钻头10提供通道，该通道构造成通过钻头10的磨损而暴露于钻头10的外部，此钻头10可为如上所述的一个；
(ii)监测加压钻孔流体；以及
(iii)在预定时间间隔内检测流体的变化，例如压力的变化，其指示至少一个通道18到外部的暴露。
可选地，该方法包括额外的步骤：当检测到钻孔流体的变化时，发出警报或提示，诸如声音和/或视觉警报。
因此，本公开提供了一种用于监测钻头磨损的系统和方法，其能够简单且有效地检测钻头的磨损而无需额外的电气系统。此外，在本监测系统中仅使用已经存在于钻孔系统中的辅助系统，即，钻头、钻柱、钻机和其他设备。这意味着实施成本低。
允许落入本申请的保护范围内的许多变型。这加强了本公开不限于上述特定构造/实施例的事实。
上述设备和方法的变型、可行的不同变型之间的组合以及对本领域技术人员显而易见的本发明的方面的变型旨在处于权利要求书的精神和范围内。

Claims (20)

1.用于监测钻头的磨损的系统，包括：
钻头，其设有：
切削表面；
内部基体；以及
在所述钻头的内部区域处的通道，所述通道在所述切削表面下方；
加压钻孔流体的源，所述钻头的内部基体连接到加压钻孔流体的所述源，并且构造成从所述内部基体接收钻孔流体；以及
用于监测所述加压钻孔流体的监测器；
其中所述通道构造成当所述内部区域上方的切削表面磨损以暴露所述通道时，将钻孔流体释放到所述钻头的外部。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括一个或多个钻孔流体出口以用于将钻孔流体从所述内部基体供应到所述钻头的外部。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述通道封闭在所述钻头内。
4.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述通道定位在距所述切削表面预定距离处，使得由于所述切削表面的磨损大于或等于所述预定距离而发生其到所述外部的暴露。
5.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述监测器是用于测量所述加压钻孔流体的压力的压力监测器。
6.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述通道在所述钻头的肩部或鼻部区段的下方最靠近所述切削表面延伸。
7.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述通道包括至少一个分支点。
8.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述监测器相对于所述钻头远程地定位。
9.根据任何前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述监测器包括用于自动检测压力变化的传感器。
10.一种钻头，包括：
切削表面；
可连接到加压钻孔流体的源的内部基体；以及
在所述钻头的内部区域处的通道，其在所述切削表面下方，构造成从所述内部基体接收钻孔流体，所述通道延伸到所述钻头的内部区域；
其中所述通道构造成当所述内部区域上方的切削表面磨损以暴露所述通道时，将钻孔流体释放到所述钻头的外部。
11.根据权利要求10所述的钻头，其特征在于，所述钻头进一步包括一个或多个钻孔流体出口以用于将钻孔流体从所述内部基体供应到所述钻头的外部。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的钻头，其特征在于，所述通道封闭在所述钻头内。
13.根据权利要求10至权利要求12中任一项所述的钻头，其特征在于，所述通道定位在距所述切削表面预定距离处，使得由于所述切削表面的磨损大于或等于预定距离而发生其到所述外部的暴露。
14.根据权利要求10至权利要求13中任一项所述的钻头，其特征在于，所述通道在所述钻头的肩部或鼻部区段的下方最靠近所述切削表面延伸。
15.根据权利要求10至权利要求14中任一项所述的系统，其特征在于，所述通道包括至少一个分支点。
16.监测钻头的磨损的方法，所述方法包括以下步骤：
为钻头提供通道，所述通道构造成通过所述钻头的磨损而暴露于所述钻头的外部；
监测所述加压钻孔流体；以及
检测所述加压钻孔流体的变化，其指示所述通道到所述外部的暴露。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至权利要求9中任一项所述的系统。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述钻头是权利要求10至权利要求15中任一项所述的钻头。
19.根据权利要求16至权利要求18中任一项所述的方法，其特征在于，检测变化的所述步骤包括：检测所述加压钻孔流体的压力的变化，并且可选地包括在预定的时间间隔内检测所述加压钻孔流体的压力下降。
20.根据权利要求16至权利要求19中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括额外的步骤：当检测到指示所述通道暴露于所述外部的所述加压钻孔流体的变化时，发出声音和/或视觉警报。
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