使用光纤传感器测量泥浆电动机中的微失速和粘着滑动制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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。专利技术背景针对定向钻井，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】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和粘着滑动中的至少一个的频率。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和粘着滑动中的所述至少一个的所述频率。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。4.如权利要求2所述的方法，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。5.如权利要求2所述的方法，其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。6.如权利要求2所述的方法，其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。7.如权利要求6所述的方法，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。8.如权利要求2所述的方法，其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。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所述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所述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...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·帕克，A·普罗希特，B·加吉，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US