用于确定井下工具的铣削寿命的识别发射器和使用该发射器的方法

摘要

井下研磨工具，其具有设置在所述工具的切削端中或切削端上的一个或多个识别标签、以及具有检测器和中继模块的外壳。识别标签发射一个或多个信号，所述信号由紧挨着切削端设置的检测器检测。中继模块在操作上与检测器相联。在工具操作期间，切削端被磨损，导致一个或多个识别标签释放或毁坏。一个或多个识别标签的释放或毁坏引起检测器所检测的一个或多个信号发生变化。该信号变化通过中继模块传达给操作者，使得操作者可以实时识别切削端的磨损量，在有些实施例中，可以实时识别切削端的磨损部位。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月27日提交的美国临时专利申请序列号61/616,161的优先权。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及在油气井中使用的用以研磨井内物体的井下研磨工具，尤其是涉及用来研磨设置在井内的被卡工具、桥塞、井管和井筒等物体的工具，其中，工具工作型面的磨损通过检测由设置在工作型面上或工作型面内的识别标签或发射器发射的信号监测。

2.相关技术的描述

在油气井的钻井、完井和修井中，通常用工具在井眼中进行井下作业，所述工具具有与井下结构相接的某种耐磨工作型面。例如，利用铣刀铣削井下金属物体，利用铣鞋执行冲溢，利用切削或铣削工具切开管状物体，或利用钻头钻穿地层。在执行这些作业期间，对工具的工作型面来说，例如对安装在工具的下表面或外表面的切削元件来说，通常会受到磨损。随着该磨损的发展，工具的效率降低。

一般来说，当工作型面已经经受一给定量的磨损时，要将工具从井中拉出并更换。更换工具所需要的磨损程度取决于工具和执行的操作的种类。通常，决定什么时候拉出工具基本上取决于操作者的经验。也就是说，操作者必须根据所知道的操作已经进行的时间、工具上的重量、正在作业的井下结构的类型、在钻井流体中出现的切屑或作业管柱扭矩的逐渐变化，来估计工具的磨损量。但是，这些参数没有一个能够提供明确的工作型面上的磨损已经发展到操作者需要从井中拉出工具的特定程度的指示。过早拉出工具，增加了不必要的井停机，增加了钻井时间并增加了成本。拉出工具过迟，会逐渐降低井下作业的效率，这也增加了钻井时间，增加了作业成本。

发明内容

广泛地，本发明涉及在切削或研磨井内设置的物体时使用的井下研磨工具。术语“物体”涵盖可以设置在井内的任何物理结构，例如卡在井内的另一工具、桥塞、井管、井筒或地层本身。

在此公开的井下研磨工具包括工作型面、检测器和中继模块。工作型面包括设置在工作型面内的一个或多个识别标签。例如，设置在工具的切削端上或设置在工作型面的外表面上的基体。检测器感测或检测由一个或多个识别标签发射的一个或多个信号，并通知中继模块所述一个或多个信号的状态。中继模块继而向位于井眼的地表上的工具操作者传送所述一个或多个信号的状态。

检测器被校准，以接收由一个或多个识别标签发射的一个或多个信号，并将该信息传送给中继模块。中继模块继而将该信息传送给操作者。根据所述一个或多个信号的状态，操作者能够监测工作型面上磨损的发展。

在一个特定实施例中，一个或多个识别标签发射单个信号，使得所述单个信号的强度或密度下降指示操作者工作型面正在磨损。一般而言，单个信号出现强度或密度下降是由于所述一个或多个识别标签在切削工艺期间被毁坏，识别标签在切削工艺期间被从工作型面移除并被带走远离检测器，或者这两种方案的组合。

在其它的实施例中，一个或多个识别标签发射不同的信号，这些信号由检测器检测。第一信号的缺失指示工作型面的第一状态，第二信号的缺失指示工作型面的第二状态。因而，在这些实施例中，操作者可以监测工作型面磨损的具体区域。

附图说明

图1是油井或气井的剖视图，显示了设置在井内的在此公开的井下研磨工具。

图2是图1所示的井下研磨工具的铣刀的局部剖视图。

图3是图1所示的井下研磨工具的铣刀的一特定实施例的局部剖视图。

图4是图1所示的井下研磨工具的铣刀的另一特定实施例的剖视图。

图5是图1所示的井下研磨工具的铣刀的又一特定实施例的局部剖视图。

图6是在此公开的井下研磨工具的另一特定实施例的局部剖视图。

虽然本发明结合优选实施例进行了描述，但是应当明白，这不意味着本发明局限于这些实施例。相反，本发明想要覆盖包括在由所附权利要求书所限定的本发明精神和范围之内的所有替换、改进和等同物。

具体实施方式

参照图1，油气井10具有地表部位11和井下部位12。物体13设置在井10内。井下研磨工具20连接于旋转部件(未显示)，所述旋转部件与井下研磨工具20一起属于钻柱16的一部分。旋转部件可以是井下钻探马达或本领域已知的任何其它装置。可选地，整个钻柱16都可以旋转。井下研磨工具20放置成与物体13接触，然后利用本领域技术人员已知的设备旋转，以研磨物体13。

工具20包括铣刀19、检测器15和中继模块17。识别发射器检测器15紧挨着铣刀19。如图1所示，检测器15毗邻铣刀19。检测器15感测或检测由一个或多个识别标签30(下文将详细论述)传送的一个或多个信号，并将来自识别标签30的一个或多个信号的状态通过中继模块17转送给地表部位11处的操作者。中继模块17可以包括诸如美国专利No.7,591,314所公开的“随钻测量”或MWD模块，该专利的内容整体在此引入作为参考，改变之处是MWD模块包括一信号检测器。如图1所示，中继模块17设置在检测器15的正上方。检测器15可以被校准以接收任何类型的信号，例如射频信号、辐射信号等等。

中继模块17可以是本领域已知的任何中继模块。例如，中继模块17可以是美国专利No.7,591,314中所公开的模块中的一个或多个，该专利的内容整体在此引入作为参考。

检测器15和中继模块17可以由本领域已知的任何动力源提供动力，包括但不限于可从位于得克萨斯州休斯顿的贝克休斯公司(BakerHughes Incorporated)买到的双向通讯电源模块，其例如公开在了美国专利No.7,708,086中，该专利的内容整体在此引入作为参考。

如图2-图3所示，在一个特定实施例中，铣刀19包括本体21，所述本体具有第一端22、工作型面或切削端23、外表面24、通道26和头部27。第一端22适合于连接检测器15或其它钻柱部件，以便于井下研磨工具20旋转。第一端22优选包括螺纹25，以便于附接于检测器15或其它钻柱部件。

通道26纵向设置在本体20内，以容许钻井流体流过井下研磨工具20。因此，钻井流体(未显示)从位于地表11的设备(未显示)流出，经过钻柱16、通道26和钻井流体喷嘴28(用虚线显示)，流入井环境(图1)，然后向上回到地表部位11。钻井流体有助于通过井下研磨工具20切削。

切削端23包括由研磨材料、例如表面堆焊硬合金或本领域已知的其它切削材料形成的研磨基体29，所述研磨基体具有设置或嵌入在该研磨基体中的一个或多个识别标签30。作为替代，或者另外，一个或多个识别标签30可以设置在切削端23的外表面上，例如，直接放置在切削端23的外表面上，或者通过将所述一个或多个识别标签30引入到粘附于切削端的切削元件上的或者使所述一个或多个识别标签30作为该切削元件的一部分。每个识别标签30可以是，例如射频标签、放射性材料、或发射可由检测器15检测的信号的其它装置或材料。因而，这样的信号的例子包括但不限于射频或放射性。当研磨基体29因井下研磨工具20的切削端23上的过度磨损而被磨损掉时，一个或多个识别标签30从研磨基体29上被释放到井环境18中，从而进入钻井流体，在此其被带走远离检测器15。做为替代，或者另外，一个或多个识别标签30被毁坏，使得不再发射之前由识别标签30发射的一个或多个信号，因而不再被检测器15检测到。

一个或多个识别标签30的移除和/或毁坏导致由所述一个或多个识别标签30发射并因而被检测器15检测到的信号发生变化。所述一个或多个识别标签30的移除和/或毁坏能由于由每个识别标签30发射的相同信号的组合的强度减弱、或者通过不再检测到由特定识别标签30发射的特定信号、或两者的组合、或者通过其中之前发射的识别标签30的移除或毁坏导致信号状态发生变化(例如距离检测器15感测的一个或多个基准信号的变化)的任何其它方法，而使一个或多个信号改变。

在检测器15感测到由一个或多个识别标签30发射的一个或多个信号变化时，检测器15将该一个或多个信号的变化传送或转送给中继模块17，中继模块通过本领域已知的方法，将信号状态的变化传送或通讯给地表部位11处的操作者。因而，检测器15与中继模块17在操作上相联，所述中继模块17进而又与位于地表部位11处的设备在操作上相联。因此，一个或多个识别标签30的移除和/或毁坏的检测(其向操作者指示切削端23磨损的某些特性)可以“实时”地、即在移除或毁坏所述一个或多个识别标签30的几分钟内并且早在被释放的识别标签30可以流到地表部位11之前转送给操作者。因而，对由一个或多个识别标签30发射的一个或多个信号的变化的检测提供了井下研磨工具20已经受磨损的指示。所以，操作者可以决定是否要从井10中移除井下研磨工具20，以用新的井下研磨工具20更换它，或者用新的铣刀更换铣刀19，或者决定是否可以进行铣削作业。

在一特定实施例中，识别标签30可以与形成研磨基体29的研磨材料一体形成。换句话说，在这个实施例中，识别标签30在形成研磨基体29期间嵌入或设置在研磨基体29内。

如图3所示，不同的识别标签30设置在研磨基体29内的不同部位上，从而提供有关切削端23上的磨损程度的不同指示。例如，通常，当切削端23在向上的方向上被磨损掉时，如图3所示，识别标签31先于识别标签32被释放或毁坏，识别标签32先于识别标签33被释放或毁坏。因此，向操作者提供了有关切削端23上的磨损的增加的指示。作为选择，识别标签31、32和33可以设置在研磨基体29的特定区域上，例如，识别标签31设置在侧面，识别标签32设置在底部，识别标签33设置在中间，使得可以产生有关遭受磨损的切削端23的具体区域或范围的指示。

不同类型的识别标签30的不同组合可用于较好教导操作者有关切削端23上的磨损部位以及在切削端23的不同部位上出现的磨损程度。例如，如果研磨基体29的外部分上出现磨损，包括发射第一信号的RFID标签的识别标签30可以被释放，如果研磨基体29的中心部分上出现磨损，包括发射第二信号的RFID标签的识别标签30可以被释放。同样，每个RFID标签可以发射对应于研磨基体29内或切削端23上的特定部位的不同信号。在该特定实施例中，由特定RFID标签发射的特定信号由于其移除或毁坏而导致的缺失将向操作者指示研磨基体29中或切削端23上已被磨损的精确部位。

在替换实施例中，识别标签30可以包括发射一个或多个放射性信号的一个或多个放射性材料，所述放射性信号被检测器15感测。在一个特定实施例中，所有放射性信号都是相同的，使得一个或多个识别标签30的移除或毁坏导致组合的放射性信号减少。正如本领域技术人员应当认识到的那样，在该特定实施例中，没有通知操作者切削端23的哪部分被磨损掉。所以，在其它实施例中，可以在研磨基体29内或在切削端23上设置很多种放射性材料，每种放射性材料发射不同的放射性信号，使得由于识别标签30被移除或毁坏引起的特定放射性信号的缺失将使操作者识别切削端23的已被磨损的一个或多个部分。

在所述一个或多个识别标签30包括放射性材料的实施例中，检测器15感测或检测放射性程度，并将该放射性程度传送给中继模块，中继模块继而又将所述放射性程度传送给位于地表部位11处的操作者。适合的用于井下环境中的放射性材料的检测器15在本领域是已知的。

在又其它实施例中，为更好地监测沿着切削端23或切削端23内的特定部位上的磨损，识别标签30可以包括RFID标签和放射性标签的组合，因而，检测器15能够检测射频信号和放射性信号两者。

现在参考图4，在另一特定实施例中，研磨基体29包括孔40，所述孔40具有设置在该孔中的一个或多个识别标签30。每个孔40通过钻进研磨基体29中而形成。然后将一个或多个识别标签30设置在每个孔40内并用形成研磨基体29的研磨材料覆盖。当研磨基体29出现过度磨损时，孔40暴露于井环境18，识别标签30被从研磨基体29上释放、进入井环境18中、并被钻井流体带走远离检测器15。做为替代，或者另外，识别标签30由于切削端23对物体13的研磨而被毁坏。

正如本领域技术人员应当明白的那样，井下研磨工具20可以利用很多结构上不同设计的头部27和研磨基体29以很多不同的方式研磨物体。例如，如图5所示，井下研磨工具20包括刮刀60，所述刮刀60具有设置在其中的识别标签30。和上述参照图3论述的识别标签30一样，识别标签30可以沿着刮刀60布置，以允许识别哪个刮刀60正被磨损和/或刮刀60的哪个部分正被磨损。在替换实施例中，如图6所示，井下研磨工具120包括具有通道126的管状部件，刮刀160设置在管状部件的外壁表面上。刮刀160包括设置在形成刮刀160的研磨基体上或研磨基体内的识别标签130。和上述参照图3和图5论述的识别标签130一样，识别标签130可以沿着刮刀160布置，以允许识别哪个刮刀160正被磨损和/或刮刀160的哪个部分正被磨损。所以，应当明白，本发明不局限于构造、操作、精确材料的精确细节或已显示和描述的实施例，因为改变和等同对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所以，本发明仅仅由附带的权利要求书的范围限定。