用于井下工具的腐蚀保护的设备和方法 |
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| 申请号 | CN201180031413.0 | 申请日 | 2011-06-14 | 公开(公告)号 | CN102959179A | 公开(公告)日 | 2013-03-06 |
| 申请人 | 贝克休斯公司; | 发明人 | T·T·郑; E·沙利文; | ||||
| 摘要 | 在一个方面中，提供一种用于井眼中的设备，在一个 实施例 中，该设备包括： 钻头 ，所述钻头具有当钻头在井眼中使用时易于 腐蚀 的钻头本体； 阳极 ，所述阳极设置在钻头本体上的 选定 位置 ； 阴极 ，所述阴极与钻头本体关联；和电源，所述电源被构造成对所述阳极提供电 力 以使所述阳极和所述阴极之间的 电路 完整，其中，当钻头处于井眼中时，对所述阳极的电力供应抑制钻头本体的腐蚀。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于井眼中的设备，包括： |
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| 说明书全文 | 用于井下工具的腐蚀保护的设备和方法[0001] 相关申请的交叉参考 技术领域[0003] 本发明大体上涉及一种用于井眼中的设备，包括具有用于保护井下工具不受腐蚀的装置的设备。 背景技术[0004] 用钻柱钻出油井（也称为“井筒”或“井眼”），该钻柱包括管状构件，在管状构件的端部具有钻进组件（也称为“井底钻具组合”或“BHA”）。BHA典型地包括提供关于以下各种参数的信息的装置和传感器：（i）钻进操作（“钻进参数”）；（ii）BHA的性能（“BHA”参数）；和（iii）关于井眼周围地层的参数（“地层参数”）。连接到BHA底端的钻头通过旋转钻柱和/或通过BHA中的钻进电机（也称为“泥浆电机”）旋转，以碎裂岩层从而钻出井眼。钻柱的井下工具的部件可能经受能缩短工具寿命的腐蚀。特别地，在钻进操作期间承受巨大应力的区域可能破裂或破碎。特别在某些环境下——例如具有高盐含量的地层和/或流体，井下工具的破裂区域可产生诱发腐蚀的不同电势的区域。因而，井下工具的预期寿命在某些环境下由于破裂和腐蚀可能大大减少。理想的是提供与至少一些当前可获得的井下工具相比具有增加的腐蚀防护的井下工具和/或组件。 发明内容[0005] 在一个方面中，本发明提供一种用于井眼中的设备，在一个实施例中，该设备可包括：钻头，所述钻头具有当钻头用在井眼中时易受腐蚀影响的钻头本体；阳极，所述阳极设置在钻头本体上的选定位置；阴极，所述阴极与钻头本体关联；和电源，所述电源被构造成对所述阳极提供电力以使所述阳极和所述钻头本体之间的电路完整，其中当钻头处于井眼中时，对所述阳极的电力供应抑制所述钻头本体的腐蚀。 [0007] 为了详细理解本发明，将对与附图结合的以下详细描述作出参考，其中对相同的元件赋予相同的附图标记，并且其中： [0008] 图1是根据本发明实施例的包括井下工具的钻进系统的正视图； [0009] 图2是根据本发明实施例的具有保护设备的示例性钻头的一部分的透视图； [0010] 图3是根据本发明实施例的具有将结合到图2中示出的钻头的保护设备的钻头的牙轮的透视图； [0011] 图4是具有图2所示的保护设备的钻头的侧视图；和 [0012] 图5是具有图2所示的保护设备的钻头的后视图。 具体实施方式[0013] 图1是根据本发明一个实施例的示范性钻进系统100的示意图，该系统包括钻柱，该钻柱具有连接到其底端的钻进组件，其包括操纵单元。图1示出包括在井眼126中输送的钻进组件或井底钻具组合（“BHA”）190的钻柱120。钻进系统100包括竖立在平台或地板112上的传统钻塔111，该平台或地板112支撑通过例如电动机（未示出）的原动机以期望旋转速度旋转的旋转工作台114。具有连接在其底端的钻进组件190的管线（例如连接在一起的钻管）122从地面延伸到井眼126的底部151。连接到钻进组件190的钻头150在它旋转时使地质地层解体以钻进井眼126。钻柱120经由方钻杆接头121、旋轴128和线缆129穿过滑轮连接到绞车130上。绞车130被操作以控制钻压（“WOB”）。钻柱120可通过顶部驱动装置（未示出）来代替原动机和旋转工作台114而旋转。在本领域中铰车130的操作是公知的，因而此处不再进行详细描述。 [0014] 在一个方面中，来自其源132例如泥浆坑的适当钻进流体131（也称为“泥浆”）通过泥浆泵134在压力下经由钻柱120流动。钻进流体131从泥浆泵134经由波动消除器136和流体管线138通入钻柱120。来自钻管的钻进流体131a在井眼底部151经由钻头150中的开口排出。返回的钻进流体131b经由钻柱120和井眼126之间的环形空间127向上流动且经由返回管线135和岩屑筛管185返回到泥浆坑132，该岩屑筛管去除返回的钻进流体131b中的岩屑186。管线138中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱120关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3提供关于钻柱120的扭矩的信息和旋转速度的信息。可以从传感器S5确定钻柱120的钻速，而传感器S6可提供钻柱120的悬重。 [0015] 在一些应用中，钻头150通过仅旋转钻管122而旋转。然而，在其它应用中，设置在钻进组件190中的井下电机155（泥浆电机）还使钻头150旋转。对于给定钻头和BHA的钻速（“ROP”）很大程度上取决于钻头150上的WOB或推力和其旋转速度。 [0016] 地面控制单元或控制器140经由设置在流体管线138中的传感器143从井下传感器和装置接收信号和从用于系统100中的传感器S1-S6和其它传感器接收信号，且根据从程序提供至地面控制单元140的程序化指令处理这些信号。地面控制单元140在显示器/监视器142上显示希望的钻进参数和其它信息，显示器/监视器由操作者使用以控制钻进操作。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，其可包括处理器142（例如微处理器）、例如固态存储器、磁带或硬盘的储存装置144和储存装置144中的一个或更多计算机程序146，处理器142可访问所述程序以执行这些程序中包含的指令。地面控制单元140可进一步与远程控制单元148通讯。地面控制单元140可处理关于钻进操作的数据、来自地面上的传感器和装置的数据、从井下接收的数据，且可控制井下和地面装置的一个或更多操作。 [0017] 钻进组件190还包含确定阻力、密度、孔隙率、渗透性、声学性能、核磁共振特性、井下流体或地层的腐蚀性、盐或含盐量和钻进组件190周围的地层195的其它选择特性的地层评估传感器或装置（也称为钻进时测量（“MWD”）或钻进时记录（“LWD”）传感器）。这些传感器通常是本领域公知的，且为了方便这里总体由附图标记165表示。钻进系统190可进一步包括用于确定钻进组件的一个或更多特性（例如振动、弯矩、加速度、振荡、旋转、滑粘运动等）和钻进操作参数（例如钻压、流体流率、压力、温度、钻速、方位角、工具面、钻头旋转等）的多种其它传感器和装置159。为了方便，所有这些传感器用附图标记159表示。 [0018] 仍参考图1，钻进系统100进一步包括被构造成保护井下的BHA190和/或钻头150的部分或全部的保护装置或设备158。在一个方面中，保护设备158可利用自适应外加电流阴极保护（自适应ICCP）。自适应ICCP工艺或方法利用设置在待保护结构的一个或更多选定位置内或该位置上的阳极。在一些方面中，被保护的结构是在钻进期间经受疲劳的井下工具，包括但不限于BHA90、钻头150、管件、取心工具、泥浆电机和/或扩眼器。一个或更多阳极电连接到同样位于钻进系统100中的电源。在另一方面中，保护设备158可包括由比钻头材料易腐蚀的材料组成的牺牲阳极。下面参考以下的附图2-5描述保护装置或设备158的某些示范性实施例。 [0019] 图2是具有根据本发明一个实施例制造的腐蚀保护（或保护）设备214的示范性钻头200的部分的透视图。如图示的，钻头部分200是牙轮钻头的三分之一，其中三个这样的部分构成了在每个钻头部上各具有牙轮的钻头。钻头部200包括钻头接头部分202和肩部204，其中钻头接头部分202包括连接至BHA、管件或其它钻柱部件的阳接头，从而将钻头固定到钻柱的端部。储存部206位于本体208中，其中储存部包含油脂或其它润滑油以使得牙轮旋转。牙轮（图3中示出）被构造成在位于钻头200的内部上的支承组件210上旋转。在将牙轮布置在支承组件上之后，球轴承放入其中且插塞被设置在插塞孔212中，其中球轴承和插塞将牙轮保持在支承组件210上。在一个方面中，保护设备214包括位于插塞孔212附近的阳极216。阳极216防止或抑制靠近钻头应力集中区域（包括插塞孔202）的腐蚀以延长钻头200的寿命。电源218通过适当的电连接器件例如屏蔽的铜线对阳极216供电。电源218可位于钻头200内和/或在钻头上方的结构例如BHA或管件中。尽管这里示出的钻头实施例是牙轮钻头，但是本发明的概念和各方面同样适用于任何钻头，包括但不限于PDC钻头、三牙轮钻头和包含钢铁的钻头。 [0020] 除了用于自适应外加电流阴极保护的部件，保护系统214还包括牺牲阳极220，在一个实施例中，该阳极是与钻头200的材料相比易腐蚀（less noble）的材料层。易腐蚀的牺牲阳极材料通过由牺牲阳极220代替要保护的钢质钻头200提供化学反应而“牺牲”自身。牺牲阳极220不需要电力来抑制腐蚀，且可作为代替方案或与电源218和阳极216组合使用来抑制钻头200的腐蚀。牺牲阳极220可作为由自适应ICCP工艺使用的阳极216和电源218的代替方案或附加方案来使用，以保护井下的钻头200。 [0021] 在实施例中，保护设备214可包括一个或更多位于钻头的选定区域中的阳极216，该区域是在钻进操作中产生大量应力的区域。在一个方面中，阳极216位于插塞孔212附近——因为该区域在钻进期间经受应力。保护设备214使用具有阳极216和电源218的自适应ICCP工艺以保护钻头200。在一些方面中，钻头200由合金钢组成，例如AISI4715钢，阳极216由较不易腐蚀的材料组成，例如陶瓷、石墨或高硅铸铁。该较不易腐蚀的材料可被定义为相对于参考材料例如被保护的结构具有较低的能级或电势。 [0022] 在钻进地层时，钢质钻头200可能曝露于井下腐蚀性化学物且处于深水应用中。例如，对于具有高盐含量的地层，盐对工具中使用的合金钢是高腐蚀性的。在钻进操作期间，钢质钻头200通常在某些区域——例如插塞孔212附近——受到应力且疲劳，使这些区域具有与无应力集中区域不同的电势或能级。疲劳的区域可被称为阳极化区域，在此，来自周围大地（或盐水）的腐蚀性电子被吸引到阳极化区域。在该示例中，土壤（或流体）作为电解质，允许电子移动到该应力集中区域。为了保护钢钻头200，电源218（例如钻头中的整流器或电池或能量产生单元）提供DC电力，使阳极216充以正电荷，从而使被保护的钢钻头 200的电势变成更负的。钢钻头200的负电势使电子移至阳极216而不是阳极化区域，从而抑制或阻止钻头200的腐蚀。 [0023] 在一个方面中，自适应ICCP工艺为阳极216提供选定的和可变级别的电力，以使阳极和钻头之间的电势产生变化，以用于抑制腐蚀。例如，钻头200可在钻进地层的第一部分（例如井眼深度的最开始的4000英尺）期间遇到低盐水平，而在钻进地层的第二部分（例如从4000到10000英尺深）期间遇到高盐水平。在这种情况下，保护设备214可被构造成使用自适应ICCP工艺以在钻进第一部分（从0到4000英尺）时对阳极216提供低电力以及相应地减少的钻头保护，而在钻第二部分（从4000到10000英尺）时对阳极提供增加的电力水平和相应的钻头保护。传感器（图1中示出）可被包括在保护设备214中且由保护设备214使用，以确定钻进环境中的腐蚀水平，使用腐蚀水平来确定用于阳极214的相应电力水平。例如，BHA和/或钻头200中的传感器可检测与盐、酸度和/或其它井下腐蚀特性对应的参数，从而指示腐蚀水平。相应地，保护设备214对电源218提供指令以对阳极214提供相应水平的电力，从而适应性地保护钻头200。保护设备214可包括在井下和/或在地面上的软件、硬件、固件、处理器和存储器，以监视且确定每个区域的腐蚀特性和用于阳极216的相应电力水平以保护钻头200。因此，阳极216提供大于钻头结构的阳极化和疲劳区域的正电荷，从而吸引通常将传递到疲劳区域的腐蚀性电子。在示出的实施例中，阳极216在钻进期间经受高水平应力的插塞孔212附近和支承组件的密封压盖附近（图5中示出）提供选定量的正电荷。 [0024] 保护设备214通过基于环境的腐蚀特性调整供应到阳极216的电力来节省能量，从而保护钻头和其应力集中区域。在一个实施例中，电源218包括连接到泥浆电机的整流器以将来自电机的AC电力转换为用于阳极的DC电力。在另一方面中，电源218包括电池和/或来自地面的输电线路。如上所述，保护系统214还包括牺牲阳极220的层。牺牲阳极220由比组成钻头的合金钢易腐蚀的材料组成，例如锌或镁。阳极220的层的易腐蚀材料还可以被描述为相对于钻头220的合金钢具有负电化学势能（electrochemical potential）或比钻头220的合金钢高的能级（energy level）。在一些方面中，阳极层220可通过任何适当手段、例如硬钎焊或其它涂覆工艺被应用于钻头200的表面。在其它方面中，牺牲阳极 220可以是连接或接合到待保护的钻头200结构的一个或更多构件。在一个实施例中，锌牺牲阳极220失去电子给合金钢钻头200的被保护的表面——在此，通过获得由锌释放的电子，溶解氧减少并变为氢氧化物阴离子。因而，通过锌电子的减少产生了氧化锌——其代替了由于被保护的合金钢钻头200氧化而产生的腐蚀。在阳极220材料被氧化时，它被“牺牲”，从而引起阳极随着时间恶化。在一个方面中，钻头200的一个或更多区域可被涂覆有或连接有牺牲阳极220，其保护钻头200的选定的高应力区域。 [0025] 在一些方面中，钻头部200可包括带有自适应ICCP组件-阳极216和电源218——以及牺牲阴极220的组合的保护设备214。在其它实施例中，保护设备214可仅包括自适应ICCP组件或仅包括牺牲阳极220。包括在保护设备中的部件的材料、数量和类型可根据井下条件、部件成本、预期寿命和其它应用特定参数而改变。钻头200的图示部分示出用于三分之一钻头的保护设备，而其它的钻头部分包括同样的元件和部件。此外，某些钻头部件、例如牙轮和球塞已被去除以更好地示出保护设备214和钻头200。另外，保护设备214可被用在任何类型的井下工具上，包括扩眼器、固定切削元件式钻头、BHA、管件、泥浆电机或MWD设备体。在一些方面中，阴极与钻头本体相关联，其中阴极被连接到本体和/或钻头本体本身相对于阳极和井下其它部件作为阴极。 [0026] 图3是具有将要连接到钻头例如图2中示出的钻头200的保护设备306的牙轮300的实施例的透视图。牙轮300包括用于接收用于破碎地层以产生井眼的切削结构或切削元件的腔302。在一些方面中，腔302围绕牙轮300的本体304间隔开。保护设备306可包括被供电的阳极308、电源310和/或以如上结合图2的钻头所述的方式保护牙轮结构的牺牲阳极层。在一个方面中，腔302附近的区域经受大量的应力，且因此由腔302附近的牺牲阳极涂层或构件保护。此外，自适应ICCP工艺可对位于一个或更多腔302附近的阳极供电以保护该应力集中区域不受腐蚀。在一个实施例中，一个或更多被供电的阳极308可被设置在钻头的牙轮300上且电连接到位于钻头或BHA中的电源310，其中供应到阳极的电力级别根据检测的钻进环境的腐蚀特性来调整。在一个方面中，牙轮300在应力集中或疲劳的腔区域附近还可以具有牺牲阳极层或结构以进一步抑制牙轮的腐蚀。 [0027] 图4是带有如图2所示的保护设备414的钻头400的实施例的侧视图。该钻头400部分是牙轮钻头的三分之一，包括钻头接头部分402、肩部404和储存部406的。储存部406位于本体408中，其中储存部容纳利于牙轮运动的油脂。牙轮被构造成在位于钻头 400内部上的支承组件410上旋转。插塞孔412位于钻头的外部上，而在牙轮被设置到支承组件410上之后放置球轴承和插塞以固定牙轮。钻头400进一步包括保护设备414，其使用阳极416、电源418和牺牲阳极来保护钻头400不受腐蚀。在一些方面中，电源418可位于BHA和/或钻柱管中，其中电连接装置对阳极416提供来自电源418的选定量的电力。 保护设备414包括在钻头400的表面上的如上结合图2所述的牺牲阳极层。牺牲阳极、电源418和阳极416可抑制钻头400的高应力和疲劳区域附近例如插塞孔412附近的腐蚀。 如上所述，电源418和阳极416使用自适应ICCP保护钻头400。自适应ICCP工艺基于由相应井下传感器检测的环境的腐蚀特性来调整供应到阳极416的电力水平。 [0028] 图5是带有如图2所示的保护设备512的钻头500的实施例的后侧视图。钻头500包括钻头接头部分502、钻进流体腔504、本体506和支承组件508。密封压盖区域510位于支承组件508附近。密封压盖将牙轮的内部密封以与牙轮的外部隔开，以防止润滑剂泄漏和外部流体污染润滑剂。在一个实施例中，密封压盖区域510在钻进期间可经受增加的疲劳和应力。因此，保护设备512位于密封压盖区域510附近以保护该区域在钻进期间不被腐蚀。保护设备512包括阳极514和电源516，其中，如上所述，基于检测的环境腐蚀特性以选定电力级别给阳极514供电。另外，保护设备512还可以包括牺牲阳极层或结构以进一步保护井下的钻头500。 [0029] 因而，在一个方面中，本发明提供一种用于井眼中的设备，在一个实施例中，该设备可包括具有当钻头在井下使用时易受腐蚀的钻头本体的钻头、设置在钻头本体上选定位置的阳极、与钻头本体相关联的阴极和被构造成对阳极提供电力以使阳极和钻头本体之间的电路完整的电源，其中向阳极的电力供应抑制当钻头处于井眼中时钻头本体的腐蚀。在另一方面中，设备可进一步包括被构造成当钻头处于井眼中时提供与钻头的腐蚀相关的测量结果的传感器。可提供被构造成响应传感器的测量结果来控制对阳极的电力供应的处理器。任何适当的电源可被用于对阳极供电，包括但不限于：钻头中的电池、钻头外部的经由电导体对阳极供电的电源、在钻进操作期间利用流体的流动产生电力的电源、和在钻头在井下使用期间利用通过钻头的流体流动产生电力的电源。 [0030] 在另一方面中，提供了用于井眼中的工具，其在一个实施例中包括工具本体、设置在工具本体上的选定位置的阳极、与钻头本体关联的阴极、和连接到阳极以对阳极提供电力的电源，其中对阳极的电力供应抑制当工具处于井眼中时工具本体的腐蚀。 [0031] 在又另一方面中，提供了一种钻头，其在一个实施例中包括由第一材料制成的本体，和附接到钻头本体的选定区域的第二材料，第二材料相对于第一材料具有负的电化学势，其中选定区域上的第二材料被构造成当钻头处于井眼中时腐蚀（dissolve）以保护钻头本体不受腐蚀。 [0032] 在又另一方面中，提供用于抑制井下工具的腐蚀的方法，根据一个实施例，该方法可包括：提供具有钻头本体的钻头，当钻头用于井眼中时，所述钻头本体易受腐蚀；在钻头本体上的选定位置设置阳极；提供与钻头本体关联的阴极；和当工具处于井眼中时对阳极供电以使阳极和阴极之间的电路完整，从而当钻头本体处于井眼中时抑制钻头本体的腐蚀。 [0033] 在又另一方面中，用于抑制钻头的腐蚀方法的另一实施例可包括：提供具有由第一材料制成的钻头本体的钻头，和将第二材料附接到钻头本体的选定区域，第二材料相对于第一材料具有负电化学势，其中选定区域上的第二材料被构造成当钻头处于井眼中时腐蚀以保护钻头本体不受腐蚀。 [0034] 前述描述涉及本发明的具体实施例用于说明和解释的目的。然而对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明和所附权利要求的范围的情况下，对上述实施例进行很多变型和变化是显而易见的。 |
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