井筒部件寿命监测系统技术领域
本公开涉及在井筒中使用的部件，例如，钻井部件。
背景
井筒钻探是在地面钻孔以用于提取一种或多种自然资源(例如，
石油、盐水、天然气、地下水或其组合)的过程。也可钻探井筒以将
流体从地面注入至地下储层或评价或监测地下地层。在井筒中使用的
部件(例如，井筒钻探工具)可因为(例如)重复的负荷或振动或其组合
而经受循环负荷。此类负荷可导致部件的疲劳、累积损伤，且最终导
致故障。在井筒中使用的部件的寿命可取决于若干因素，包括：施加
至部件的负荷、施加负荷的速率和持续时间、操作部件所在的地层的
物理性质，和其它因素。知道施加至部件的负荷可使得能够监测部件
上的疲劳和部件的寿命。
附图描述
图1说明连接至井筒部件寿命监测系统的井筒系统的实例。
图2说明用于监测图1的井筒中的部件的寿命的实例过程的流程
图。
图3说明用于周期性地提供施加至图1的井筒中的部件的负荷的
负荷值的实例过程的流程图。
图4说明图1的井筒部件寿命监测系统的实例计算机系统架构。
在各个附图中，相同的参考符号指示相同的元件。
详细描述
本公开涉及监测在井筒中操作(例如，用于钻探井筒)的部件的寿
命。此类部件(例如，钻井工具)在井下操作时遇到负荷，例如钻压、
扭矩、弯矩和其它负荷，且因此易具有由负荷引起的疲劳。知道部件
的寿命对于操作工具的钻机操作员可以是有用的。可(例如)通过在实
验室条件下执行耐久测试和将获得的数据与已知的现场数据进行比
较来预期部件的寿命。举例来说，可使钻井工具在实验室条件下经受
循环负荷。可基于针对过去已在其它井筒中使用的相同或基本上类似
的工具确定和存储的性能和预期寿命来校准在实验室条件下计算钻
井工具的疲劳的方法。
然而，部件经受负荷的条件与操作部件的现场条件(例如，井筒
条件)可能不匹配。即使可模拟实验室条件以与现场条件匹配，但部
件可能未必总是在模拟的现场条件下操作。举例来说，部件可在第一
组现场条件下(诸如施加的负荷和施加负荷的时间)在第一井筒中操
作，且稍后在第二组现场条件下在第二井筒中操作。第一井筒与第二
井筒可能不同，从而导致第二组条件与第一组不同。因此，在实验室
条件下的疲劳分析可能不是在不同井筒中使用的部件的寿命的准确
预测值。
此外，在实验室条件下，可能难以或可能不可能在正将负荷施加
至部件时确定部件的寿命的已因为施加至部件的负荷引起的疲劳而
消耗的一部分。举例来说，可分析施加至用以钻探井筒的钻头的负荷
以确定部件的寿命的在已钻探井筒且(举例来说)已将钻头从井筒移
除之后已消耗的一部分。如果正在钻探井筒时寿命的已被消耗的该部
分超过钻头的最大可用寿命，那么钻头可出现故障。而且，在钻井工
作中的中途移除钻头来分析钻头的寿命在经济上并不总是可行的。无
法或难以确定部件的寿命的已被消耗的和正在井筒中操作部件时剩
下的部分可在部件出现故障时导致非生产时间且使替换部件的昂贵
操作成为必要的。
本公开描述在实际现场条件(即，井筒条件)而不是模拟的实验室
条件下监测井筒中的部件的寿命的技术。本公开还描述在正施加负荷
时确定因为施加至部件的负荷引起的疲劳而消耗的部件的寿命的一
部分的技术。一般来说，可实现此处描述的技术来确定可能遭受疲劳
损伤的任何部件的疲劳。除了钻井工具之外，此类部件的实例可包括
驱动轴、泥浆马达、旋转导向系统、具有外插件(即，通过外部钻探
的端口)的地层评价(FE)环，和其它合适的部件。
如下文所描述，可周期性地记录施加至部件的实际负荷和施加负
荷的时间。为了执行疲劳分析，可提供负荷和时间作为疲劳模型的输
入，疲劳模型可提供部件的预测寿命作为输出。有时，部件在单个操
作中可能达不到其预测寿命，这意味着部件可再用于一个或多个额外
操作。通过记录和提供负荷历史作为与累积损伤模型耦合的疲劳模型
的输入，可预测部件寿命作为基于条件的维护系统的一部分，在基于
条件的维护系统中，可做出关于在井下故障之前引退危险部件(例如，
接近其预测寿命的部件)的决定。
举例来说，技术操作员可知道将在井筒中操作的部件具有10％
的剩余寿命。预期寿命可基于给定负荷情况。在此实例中，预期寿命
可以是最大指定操作负荷。如果用户知道预期负荷小于最大指定值，
那么可剩余寿命的10％以上。基于井筒条件和类似部件的过去的历
史，操作员可确定在井筒中操作部件将消耗部件的寿命的25％。基于
此确定，操作员可确定不使用该部件。或者，基于井筒条件和类似部
件的过去的历史，操作员可确定在井筒中操作部件将仅消耗部件的寿
命的5％。基于此确定，操作员可确定使用该部件，即使部件的寿命
仅剩余10％。
作为记录负荷的替代方案或除了记录负荷之外，可周期性地(例
如，实时地)报告负荷，从而使得能够像报告负荷一样经常地确定疲
劳。此疲劳分析可允许钻机操作员确定特定操作的负荷是否高于预
期。可使用比较来提供早期警告以防止井下故障。总地来说，此处描
述的技术可(例如)通过基于周期性地执行的部件的疲劳分析而执行
预定修理或更换(或两者)来防止井下故障而将非生产时间减到最小。
图1说明连接至井筒部件寿命监测系统102的井筒系统的实例。
实例井筒系统可包括井筒110，其从地面延伸至一个或多个地下区域
中。可将携带部件(例如，钻井工具)的工具串112插入至井筒110中。
井筒110可连接至井筒部件寿命监测系统102，井筒部件寿命监测系
统102可如图1所示在井上(例如，在地面)或在井下实现。
在一些实现方式中，监测系统102可以是计算机系统(例如，台
式计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能电话、服务器计算机系
统，或其它合适的计算机)。监测系统102可包括存储计算机指令的
计算机可读介质106，计算机指令可由数据处理装置104执行以执行
部件寿命监测操作，诸如此处描述的操作。在一些实现方式中，尽
管负荷正被施加至井筒中的部件，但监测系统102可周期性地接收负
荷的负荷值。尽管负荷正被施加至井筒中的部件，但监测系统102可
至少部分基于周期性地接收的负荷值来周期性地确定由负荷引起的
部件上的疲劳。
监测系统102可连接至连接至井筒110中的部件的负荷测量系统
114。负荷测量系统114可在负荷正被施加至部件时周期性地测量负
荷的负荷值，且向监测系统102提供负荷值。举例来说，负荷测量系
统114可包括：应变仪118，其感测部件上的应变；和计算机系统116，
其接收应变仪118感测的应变且将应变变换为正被施加至部件的负
荷的负荷值(例如，钻压、扭矩、弯矩)。负荷测量系统114可类似地
连接至设置在井筒112中任何地方的其它应变仪或传感器(或两者)。
计算机系统116可在井下(例如，在底部钻具组件处或附近)或在井上
(例如，在地面处或附近)实现。负荷测量系统114可测量和提供负荷，
使得监测系统102在部件正在井筒114中操作时周期性地接收负荷的
负荷值。实例负荷测量系统114是由哈里伯顿能源服务公司
(HalliburtonEnergyServices，Inc.)供应的![]()
工具(德克萨斯
州，休斯顿)。
监测系统102可连接至负荷存储系统120，其可存储施加至部件
的负荷的负荷值的过去的历史。负荷值的过去的历史可包括在与部件
的当前操作不同的(例如，离散的)部件的一个或多个先前操作期间测
量的负荷值。举例来说，正在井筒112中操作的部件先前可能已被操
作用来钻探不同的井筒。当部件被操作以钻探不同的井筒时，负荷测
量系统114可能已测量施加至部件的负荷的负荷值。或者或另外，负
荷值的过去的历史可包括针对每一操作测量的负荷值，在所述操作中
部件进出井筒112(例如)以用于维护。
负荷存储系统120可能已接收负荷测量系统114测量的负荷值且
将所述负荷值存储为负荷值的过去的历史。负荷值的过去的历史可另
外包括在一个或多个先前的离散操作期间或部件进出井筒112的一
趟或多趟期间(或其组合)使用部件钻探的井筒条件(例如，地层类型)。
监测系统102可接收施加至部件的负荷的负荷值的过去的历史，且基
于负荷的过去的历史来周期性地确定由负荷引起的疲劳。用这种方
式，监测系统102可不仅基于负荷正被施加至部件时负荷的负荷值，
而且基于先前已施加至部件的过去的负荷的负荷值来确定部件上的
疲劳。下文参看图2和图3描述用于进行此操作且用于实时地提供疲
劳的技术。
图2说明用于监测图1的井筒中的部件的寿命的实例过程200的
流程图。在一些实现方式中，过程200可实现为存储在计算机可读介
质上且可由数据处理装置执行的计算机指令。举例来说，过程200可
由图1的井筒部件寿命监测系统102实现。
在202处，可接收模型化部件上的疲劳的疲劳模型。举例来说，
监测系统102可从监测系统102的用户接收疲劳模型。疲劳模型(其
可是以数学方程式)可采用井筒部件的已知负荷配置，计算部件上的
应力状态，且部分地基于部件的机械性质来确定部件的疲劳极限。方
程式可以是线性的、非线性的、对数的，或其组合。
在一些实现方式中，监测系统102通过执行疲劳模型确定的部件
的寿命是给定负荷下的循环数目。如果部件上的应力保持低于疲劳极
限，那么理论上部件可具有无限寿命。然而，实际上，部件上的负荷
相当高，以致部件不能具有无限寿命。监测系统102可基于已施加至
部件的应力状态和负荷的循环数目来执行疲劳模型以确定部件的有
限寿命。举例来说，当将与疲劳极限相比的应力状态提供作为对数方
程式的输入时，方程式可提供部件可耐受的最大循环数目中的已消耗
的循环数目作为输出。可将输出作为循环数目与最大循环数目的比或
作为百分比(或两者)向操作员报告。
常见的疲劳模型是使用VonMises将应力组合成交变的和平均等
效的应力，接着应用疲劳准则，诸如Goodman。然而，当交变的和
平均应力是上述Goodman时，可应用Miner规则来确定部件应持续
的循环数目。
VonMises：
![]()
Goodman：
σ
vm
,
alternating
S
e
+
σ
vm
,
mean
S
u
≤
1
]]>
Miner规则(线性损伤累积)：
C
=
Σ
i
=
1
k
n
i
N
i
]]>
逆Weibull幂律(高级概率模型)
f
(
t
)
=
βKS
n
(
tKS
n
)
β
-
1
e
-
(
tKS
n
)
β
]]>
在204处，可提供负荷的负荷值的过去的历史作为疲劳模型的第
一输入。如果先前尚未使用部件，那么没有与部件相关联的负荷值的
过去的历史。如果先前已使用部件，那么负荷存储系统120可将施加
至部件的负荷的负荷值的过去的历史存储(例如)在计算机可读存储
介质中。响应于从监测系统102接收请求，负荷存储系统102可将部
件上的负荷的负荷值的过去的历史作为监测系统102的第一输入，例
如，作为通过有线或无线网络或泥浆遥测系统或其组合传输的数据。
如果部件不在井筒112中操作，那么监测系统102可通过向疲劳
模型提供当前累积损伤(即，由部件耐受的循环数目表示的负荷的负
荷值的过去的历史和循环耐受的负荷状态)并执行疲劳模型来确定部
件的寿命。通过这么做，监测系统102可确定部件的寿命的已消耗的
一部分。
在206处，可使用过去的负荷历史来确定更新的疲劳模型。因为
在正施加负荷时部件的应力状态经常改变，所以已消耗的寿命也经常
改变。举例来说，如果部件在10,000英尺磅下以200rpm操作10小
时，那么监测系统102可执行疲劳模型来确定部件寿命的50％已被消
耗。如果部件上的负荷减小至8,000英尺磅以150rpm再操作10小时，
那么监测系统102可执行疲劳模型来确定部件寿命的(例如)25％(或更
少)已被消耗。如果部件(例如)在两个离散的操作中在两种条件下操
作，那么监测系统102可确定部件寿命的累积的(例如)75％已被消耗。
此处提供的百分比是实例；关系无需为线性的。
在208处，可执行检查来确定部件是否仍为操作的。如果部件是
操作的(决定分支“是”)，那么在210处，可在负荷正被施加至部件时
接收施加至部件的负荷的负荷值。举例来说，监测系统102可在负荷
正被施加至部件时提供从负荷测量系统114接收的负荷的负荷值作
为疲劳模型的第二输入。
在212处，可使用负荷的负荷值和过去的历史来从疲劳模型确定
疲劳。举例来说，监测系统102可基于第一输入和第二输入来执行疲
劳模型，从而得到疲劳作为输出。换句话说，监测系统102可提供第
一输入和第二输入作为表示疲劳模型的数学方程式的输入。通过执行
疲劳模型，模型化系统102可获得部件上的疲劳作为施加至部件的负
荷的循环数目。
在214处，可执行已针对部件确定的疲劳与针对部件确定的阈值
疲劳的比较。可(例如)根据已在相同或类似的现场条件下操作的相同
或基本上类似的部件的先前使用来确定阈值疲劳。举例来说，阈值疲
劳可表示为相同或类似的部件可耐受的最大循环数目。最大循环数目
可以是相同或基本上类似的部件的预定数目的统计表示(例如，平均
值)。
在216处，可执行检查来确定疲劳是否已超过阈值疲劳。举例来
说，监测系统102可存储部件的最大循环数目，且将周期性地确定的
疲劳与阈值进行比较。如果疲劳已超过阈值疲劳(决定分支“是”)，那
么在218处，可发送通知。举例来说，监测系统102可将通知传输至
部件的操作员，从而通知操作员部件的已消耗的寿命已超过其预期寿
命。操作员可采取必要动作，例如终止操作来更换部件。
在一些实现方式中，监测系统102可在部件的已消耗的寿命等于
或超过预期寿命之前发送通知，而不是等到周期性地确定的疲劳已超
过阈值。举例来说，监测系统102可在施加至部件的负荷的循环数
目接近最大循环数目时提供通知。为了这么做，在一些实现方式中，
监测系统102可周期性地将最大循环数目与确定的循环数目之间的
差与阈值差进行比较。当差变得小于阈值差时，那么监测系统102可
提供上述通知。在一些实现方式中，监测系统102可基于循环数目接
近最大循环数目的速率来提供通知。
作为提供上述通知的替代方案或除了提供上述通知之外，监测系
统102可根据疲劳确定替代负荷，替代负荷可施加至部件以减小部件
的已使用的寿命接近部件的最大寿命的速率。举例来说，监测系统
102可将疲劳确定为部件耐受的循环数目。基于针对部件预测的最大
循环数目，监测系统102可确定部件耐受的循环数目将接近最大循环
数目的速率。监测系统102可确定可减小部件耐受的循环数目将接近
最大循环数目的速率的替代负荷条件，例如，施加减小的负荷持续更
长时间。监测系统102可向操作员提供减小的负荷、更长的时间和减
小的速率。
在一些实现方式中，监测系统102可实时地从负荷测量系统114
接收负荷的负荷值。举例来说，负荷测量系统114可被配置，使得在
负荷测量系统114测量负荷值的时间与负荷测量系统114将负荷值传
输至监测系统102的时间之间没有故意的或实质的延迟。换句话说，
通过负荷测量系统114将负荷值传输至监测系统102的任何延迟都不
是因为负荷测量系统114进行的任何操作。而是，延迟可能是(例如)
因为将负荷值从负荷测量系统114携载至监测系统102的网络的带
宽。
类似地，监测系统102可实时地确定部件上的疲劳。举例来说，
监测系统102可针对从负荷测量系统114接收的每一负荷值确定部件
上的疲劳，使得在监测系统102接收负荷值的时间与监测系统102针
对负荷值确定部件上的疲劳的时间之间没有故意的或实质的延迟。
然而，在一些实现方式中，负荷测量系统114测量负荷值的频率
可能相当高，以致针对每一负荷值确定疲劳可能使负荷监测系统102
进行密集操作成为必要的。举例来说，监测系统102可在50Hz的取
样速率下实时地测量轴向、弯曲和扭矩负荷。如果监测系统102在此
频率下从负荷测量系统114接收测量的数据，那么可消耗监测系统
102的处理器和存储器容量的显著部分来实时地确定和提供部件上的
疲劳。在此类情形中，监测系统102可被配置用来将从负荷测量系统
114接收的负荷值分仓且对其进行分析来确定负荷趋势，如下文参看
图3所描述。
如果在214处执行的检查揭示疲劳还没超过阈值疲劳(决定分支
“否”)，那么在218处，可将通过负荷测量系统114测量且从负荷测
量系统114接收的负荷添加至过去的历史，且将其存储(例如)在负荷
存储系统120中。可提供负荷以确定更新的疲劳模型，如上文在206
处所描述。如果在208处执行的检查揭示部件不再是操作的(决定分
支“否”)，那么在220处，可将负荷的所有负荷值存储(例如)在负荷存
储系统120中。即使在214处执行的检查揭示疲劳超过阈值疲劳，也
可将负荷的负荷值存储在负荷存储系统120中。另外，也可存储如上
文所描述而确定的疲劳。在部件(例如)在井筒112或在不同井筒中的
后续使用期间，可提供在220处存储的负荷值作为施加至部件的负荷
的过去的历史，可部分基于所述负荷的过去的历史来确定部件上的更
新的疲劳。
图3说明用于周期性地提供施加至图1的井筒中的部件的负荷的
负荷值的实例过程300的流程图。在一些实现方式中，过程300可实
现为存储在计算机可读介质上且可由数据处理装置执行的计算机指
令。举例来说，过程300可由图1的负荷测量系统114实现。
在302处，可在相应的多个顺序时刻接收负荷的多个负荷值。举
例来说，负荷测量系统114可在(例如)50Hz的频率下测量负荷。如
上文所描述，在测量负荷值的频率下向监测系统102提供负荷值可以
是处理器或存储器密集的(或两者)，这部分是因为将负荷值携载至监
测系统102的网络的带宽的限制。相对于实时地提供数据，在所述频
率下记录负荷值以用于稍后提供可以是较不处理器或存储器密集的。
如下文所描述，可取决于负荷值将被实时地提供还是被记录来对负荷
值分组。
在304处，可将负荷值清点至仓中。举例来说，负荷测量系统
114可将多个顺序时刻划分成多个时间段。每一时间段可包括多个顺
序时刻的子集。在306处，可执行检查来确定负荷值将被实时地提供
还是被记录。时间段的持续时间可部分取决于负荷值将被实时地提供
还是被记录以用于随后检索。
如果负荷值将被实时地提供(决定分支“实时的”)，那么在308处，
可产生15分钟的时间段。对于每一时间段，负荷测量系统114可识
别在时间段中所包括的顺序时刻接收的多个负荷值的子集。负荷测量
系统114可确定统计地表示子集中的负荷值的代表性负荷值。举例来
说，负荷测量系统114可确定子集中的负荷值的平均负荷值。
在310处，可将负荷值发送至地面。举例来说，负荷测量系统
114可向监测系统102提供子集的代表值。通过这么做，负荷测量系
统114可每15分钟提供一次代表性负荷值，进而相对于在测量负荷
值的频率下提供负荷值减少处理器和存储器资源。监测系统102可基
于针对多个时间段确定的多个代表性负荷值来确定部件上的疲劳，每
一代表性负荷值每15分钟从负荷测量系统114接收一次。上述15分
钟间隔是时间段的持续时间的一个实例。可部分基于可用的处理器或
存储器容量和网络带宽来选择其它持续时间。
如果负荷值将被记录以用于稍后提供(决定分支“记录的”)，那么
在312处，可产生1分钟的时间段。对于每一时间段，负荷测量系统
114可确定统计地表示子集中的负荷值的代表性负荷值，如上文所描
述。负荷测量系统114可存储代表性负荷值。这些值可随后，例如在
从井筒112移除部件时被检索。上述1分钟的间隔是时间段的持续时
间的一个实例。可选择其它持续时间，例如，小于上述实时传输的持
续时间的持续时间。在314处，可执行检查以确定是否可终止负荷的
测量。如果可终止测量(决定分支“是”)，那么过程300结束。如果不
可终止测量(决定分支“是”)，那么过程300可从302开始重复。总地
来说，通过实现上述技术，监测系统102可记录部件上的累积损伤，
将累积损伤添加至部件上的运行历史，且在运行期间更新累积损伤。
通过实现此类基于条件的维护，部件的操作员可(例如)在部件寿命的
90％已被消耗时更换部件。
图4说明图1的井筒部件寿命监测系统102的实例计算机系统架
构400。其它架构是可能的，包括具有更多或更少部件的架构。在一
些实现方式中，架构400包括一个或多个处理器402(例如，双核![]()
![]()
处理器)、一个或多个输出装置404(例如，LCD)、一个或多个
网络接口408、一个或多个输入装置406(例如，鼠标、键盘、触敏显
示器、接收音频输入的麦克风)以及一个或多个计算机可读介质
412(例如，RAM、ROM、SDRAM、硬盘、光盘、快闪存储器等)，
诸如计算机可读介质106。这些部件可经由一个或多个通信信道
410(例如，总线)交换通信和数据，通信信道410可利用各种硬件和
软件以用于促进部件之间的数据和控制信号的传送。
术语“计算机可读介质”指参与向处理器402(例如，数据处理装置
104)提供指令以用于执行的介质，包括(不限于)非易失性介质(例如，
光盘或磁盘)、易失性介质(例如，存储器)和传输介质。传输介质包括
(不限于)同轴电缆、铜线和光纤。
计算机可读介质412可进一步包括操作系统416(例如，![]()
操作系统)和网络通信模块414。操作系统416可以是多用户、多处理、
多任务、多线程、实时的等中的一个或一个以上，或其组合。操作系
统416执行基本任务，包括(但不限于)：辨识来自装置404、806的
输入和向装置404、806提供输出；保持信道和管理计算机可读介质
412(例如，存储器或存储装置)上的文件和目录；控制外围装置；以
及管理一个或多个通信信道410上的业务。网络通信模块414包括用
于建立和维护网络连接的各种部件(例如，用于实现通信协议，诸如
泥浆遥测等的软件)。
所描述的特征可有利地在一个或多个计算机程序中实现，所述计
算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行，可编
程处理器被耦合以从数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输
出装置接收数据和指令，且将数据和指令传输至数据存储系统、至少
一个输入装置和至少一个输出装置。计算机程序是可在计算机中直接
或间接地使用以执行某个活动或引起某个结果的指令集。
一个或多个计算机的系统可被配置用来依靠将软件、固件、硬件
或其组合安装在系统上来执行特定动作，所述软件、固件、硬件或其
组合在操作中时使所述系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配
置用来依靠包括指令来执行特定动作，所述指令在由数据处理装置执
行时使装置执行动作。
已描述一些实现方式。尽管如此，仍应理解，可在不脱离本公开
的精神和范围的情况下进行各种修改。在一些实现方式中，负荷测量
系统114可被配置用来确定部件上的疲劳。为了这么做，负荷测量系
统114可基于第一输入和第二输入来存储和执行疲劳模型，第一输入
表示目前正被施加至部件的负荷的负荷值，第二输入表示从负荷存储
系统120接收的过去的历史。负荷测量系统114可周期性地将确定的
疲劳传输至监测系统102。监测系统102可被配置用来从负荷测量系
统114接收疲劳，且向部件的操作员提供通知，如上文所描述。