(57)【要約】    少なくとも２００°Ｆの周囲温度を有するボアホール内で使用するための熱老化推定器。推定器は、少なくとも２００°Ｆの周囲温度にある間、感熱性部品に隣接して位置決めされた熱老化要素を含み得る。熱老化要素は、熱曝露に応じて電気的特性の恒久的変化を有し、これは、熱曝露からの累積熱損傷に相関する。変化推定回路は、熱老化要素に電気信号を印加する。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２００°Ｆの周囲温度を有するボアホール内で使用するための熱老化推定器（１００）であって、感熱性部品（１０２）を備え、前記熱老化推定器（１００）は、
少なくとも２００°Ｆの周囲温度にある間、前記感熱性部品（１０２）に隣接して位置決めされた熱老化要素（１０４）であって、前記熱老化要素（１０４）は、熱曝露に応じて電気的特性の恒久的変化を有するように構成されており、前記恒久的変化は、前記熱曝露からの累積熱損傷に相関する、熱老化要素（１０４）と、
前記熱老化要素（１０４）に接続され、前記熱老化要素（１０４）に電気信号を印加するように構成された変化推定回路（１０６）と、によって特徴付けられる、熱老化推定器（１００）。
【請求項２】
前記熱曝露が複数のサブ曝露で構成されることを更に特徴とし、各サブ曝露が、持続時間及び温度の大きさによって定義され、前記恒久的変化が、前記サブ曝露の全てからの熱損傷の累積に相関する、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項３】
前記感熱性部品（１０２）が、通電された部品であることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項４】
前記回路（１０６）が、前記熱曝露に応じて抵抗の恒久的変化を有しない部材で形成されることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項５】
前記相関が、アレニウス方程式によって定義されることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項６】
前記変化推定回路（１０６）が、前記電気特性の前記恒久的変化を推定するように更に構成されていることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項７】
前記熱老化要素（１０４）が、前記熱曝露に応じて劣化する材料で少なくとも部分的に形成されていることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項８】
前記熱老化要素（１０４）が、薄膜抵抗器であることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項９】
前記回路（１０６）がホイートストンブリッジであることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項１０】
前記感熱性部品（１０２）、前記熱老化要素（１０４）、及び前記変化推定回路（１０６）が、共通プラットフォーム上に位置決めされていることを更に特徴とする、請求項１に記載の熱老化推定器（１００）。
【請求項１１】
感熱性部品（１０２）を運用する方法であって、
−熱老化要素（１０４）を、前記感熱性部品（１０２）に隣接して位置決めすることと、
−前記熱老化要素（１０４）及び前記感熱性部品（１０２）を、少なくとも２００°Ｆの周囲温度を有するボアホール内に搬送することと、
−所定の機能を行うために運用中のダウンホールツール（６０）に通電することと、
−熱曝露による前記熱老化要素（１０４）の電気的特性の恒久的変化を推定することによって、前記感熱性部品（１０２）の熱老化を推定することであって、前記恒久的変化は、前記熱曝露からの累積熱損傷に相関する、推定することと、を含む、方法。
【請求項１２】
前記熱曝露が、複数のサブ曝露で構成されることを更に特徴とし、各サブ曝露が、持続時間及び温度の大きさによって定義され、前記恒久的変化が、前記サブ曝露の全てからの熱損傷の累積に相関する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱老化要素（１０４）が依然として前記ボアホール内にある間に、前記感熱性部品（１０２）の前記熱老化が推定されることを更に特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱老化要素（１０４）及び前記感熱性部品（１０２）を前記ボアホールから回収した後に、前記感熱性部品（１０２）の前記熱老化を推定することによって更に特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記判定された推定変化が所定の値を下回る場合、前記ダウンホールツール（６０）を再び配備することによって更に特徴付けられる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、熱エネルギーへの曝露から累積損傷を推定するための装置及び方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素の探査及び生産は、概して、ワイヤラインアセンブリ、掘削アセンブリ、測定ツール及び製造装置（例えば、フラクチャリングツール）などのボアホール内に下げられる様々なツールの使用を必要とする。感熱性部品は、１つ以上の対象パラメータの測定、ダウンホールツールの制御、データの処理、地表との通信、並びにデータの保存及び分析といった様々な目的でダウンホールに配設され得る。いくつかの感熱性部品は、比較的高温の周囲のダウンホール環境、例えば、２００°Ｆ以上への長期にわたる繰り返し曝露から経時劣化する。信頼性を確保するには、予測される残りの寿命を計算するために、そのような部品の温度履歴を記録することが望ましい。所与のダウンホール動作に影響を及ぼすことを回避するために、予測される故障の前に、感熱性部品を置き換えることが好ましい。しかしながら、不必要なコストを招くために頻繁に機器を交換することは望ましくない。
【０００３】
一態様では、本開示は、ボアホール内で使用される感熱性部品の温度履歴を費用効果的かつ簡単に得る必要性に対処する。
【発明の概要】
【０００４】
態様において、本開示は、少なくとも２００°Ｆの周囲温度を有するボアホール内で使用するための熱老化推定器を提供する。推定器は、感熱性部品、熱老化要素、及び変化推定回路を含み得る。熱老化要素は、少なくとも２００°Ｆの周囲温度にある間、感熱性部品に隣接して位置決めされる。熱老化要素は、熱曝露に応じて電気特性に恒久的変化を有する。恒久的変化は、熱曝露からの累積熱損傷に相関する。変化推定回路は、熱老化要素に接続され、熱老化要素に電気信号を印加する。
【０００５】
態様において、本開示は、感熱性部品を運用する方法を提供する。本方法は、熱老化要素を感熱性部品に隣接して位置決めするステップ、熱老化要素及び感熱性部品を、少なくとも２００°Ｆの周囲温度を有するボアホール内に搬送するステップ、所定の機能を行うために運用中のダウンホールツールに通電するステップ、熱老化要素及び感熱性部品をボアホールから回収するステップ、熱曝露による熱老化要素の電気的特性の恒久的変化を推定することによって、感熱性部品の熱老化を推定することであって、恒久的変化は、熱曝露からの累積熱損傷に相関する、推定するステップと、判定された推定変化が所定の値を下回る場合には、ダウンホールツールを再び配備するステップを含む。あるいは、依然としてダウンホールにある間、かつ地表に戻される前に、リアルタイムで熱老化要素を監視することができる。
【０００６】
本開示によって提供される別の方法は、感熱性部品に隣接して熱老化要素を位置決めすることと、熱老化要素及び感熱性部品を、少なくとも２００°Ｆの周囲温度を有するボアホール内に搬送することと、熱老化要素及び感熱性部品をボアホールから回収することと、熱老化要素の電気特性の恒久的変化を推定することによって、感熱性部品の熱老化を推定することと、を含み、恒久的変化は、熱曝露からの累積熱損傷に相関する。
【０００７】
本開示の特定の特徴の例が、以下の詳細な説明がより良く理解され得るように、かつ当該技術分野へ表す貢献が理解され得るように、かなり広く要約されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の詳細な理解のために、添付図面と併せてなされた、以下の実施形態の詳細な説明を参照するべきであり、同様の要素には同様の数字が付されている。
【図１】本開示の一実施形態による熱老化推定器を使用する坑井ツールの概略図を示す。
【図２】本開示による熱老化推定器の一実施形態を図示する。
【図３】本開示による１つ以上の熱老化推定器を使用し得る坑井システムの概略図を示す。
【図４】本開示による熱老化推定器で参照として使用され得るグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態では、本開示は、熱老化、すなわち、熱エネルギーへの曝露からの累積損傷、を推定するための装置及び関連する方法を提供する。本開示による装置は、ダウンホールで使用される任意の機器に固定されるのに十分に堅牢、単純、及び安価であり得る。例えば、回路基板、電子機器用のエンクロージャ、油圧流体を有するチャンバ、など。温度及び時間情報を記録及び記憶する通電機器である従来の機器とは対照的に、本開示は、装置の１つ以上の部分への物理的かつ恒久的変化の形態で情報を記憶する受動的な非通電装置を使用する。
【００１０】
図１は、ボアホール搬送装置６２のセクションに位置決めされた坑井ツール６０を図示する。ボアホール内の周囲温度は２００°Ｆを超える場合があり、本開示の目的に対して「高温」と見なされる。高温環境では、坑井ツール６０の感熱性部品１０２は、性能、挙動を損なう、及び／又は故障を引き起こす損傷である熱老化をこうむる。この熱老化は、使用中に、坑井ツール６０が高温に繰り返し曝されるにつれて累積する。老化は、特定の温度閾値又は到達した曝露時間に依存しない。例えば、２００°Ｆの温度への１０時間の曝露が、３００°Ｆの温度への２時間の曝露と同程度の老化を引き起こす場合がある。
【００１１】
実施形態では、熱老化推定器１００を使用して、長期の熱曝露からの感熱性部品１０２への累積損傷を特徴付けることができる。推定器１００は、熱老化要素１０４及び変化推定回路１０６を含む。熱老化要素１０４は、抵抗などの、センサの電気的特性に恒久的な物理的変化を呈するボディ又は構造体であってもよい。物理的変化量は、曝露の持続時間及び大きさと相関する。本明細書で使用するとき、用語「恒久的」は、物理的変化が不可逆であることを意味する。「相関する」とは、変化が、熱曝露があったことを単純に示しているのではなく、変化量が、何らかの形で、熱曝露を特徴付けていることを意味し、例えば、曝露からの損傷の程度を定量化し、それによって、残りの部品の寿命を定量化する。
【００１２】
一実施形態では、熱老化推定器１００は、熱エネルギーに曝露されたときに、抵抗の変化を呈する１つ以上の電気部品を組み込む。一構成では、熱老化要素１０４は、熱曝露に相関する抵抗の識別可能な変化を呈する任意の構造であってもよい。１つの非限定的な熱老化要素は、金属、合金、炭素、又は他のフィルムから作製され、基板上に堆積された抵抗要素である薄膜抵抗器である。フィルムの厚さは、約０．０００００１インチ（２５ナノメートル）の値域であり得る。あるいは、コンデンサの熱老化を使用することもできる。腐敗しやすい冷蔵製品用の鮮度インジケータとして意図されている様々な比色分析又は他のインジケータは、ダウンホールで見出される高温では機能せず、薄膜抵抗器ほどの広い温度範囲にわたっても動作しない。
【００１３】
また、薄膜抵抗器は概して、化学反応速度（ｋ）を絶対温度（Ｔ）に関連付ける方程式として表されるアレニウスの法則に従うことも一般的に理解されている。
薄膜抵抗器については、式は、概して、以下のように受け入れられる。
（ΔＲ／Ｒ）Ｒ，ｔ０＝持続時間ｔ０にわたる、ケルビン単位のある基準温度ＴＲでの抵抗の測定された分数変化率であるとする。
（ΔＲ／Ｒ）Ｅ，ｔ＝持続時間ｔにわたる、ケルビン単位のある上昇した温度ＴＥでの抵抗の推定された分数変化率であるとする。
その時、ある上昇した温度での分数変化率は、ある基準温度（室温など）での分数変化率と関連付けることができ、次式のようになる（ΔＲ／Ｒ）Ｅ、ｔ＝２（ＴＥ−ＴＲ）／３０（ｔ／ｔ０）１／３（ΔＲ／Ｒ）Ｒ，ｔ０。（１）式１によれば、薄膜抵抗器のドリフトは、温度で３０Ｋ増加ごとに２倍となり、また、高温持続時間を基準持続時間で割った立方根に従って増加する。
【００１４】
この式は、熱曝露からの累積熱損傷に対する抵抗の恒久的変化と相関している。累積的には、熱エネルギーへの複数のサブ曝露の合計を意味し、各サブ曝露は、持続時間及び温度の大きさによって定義され、恒久的変化は、全てのサブ曝露からの熱損傷の累積に相関する。累積熱損傷は、アレニウスの損傷速度の時間積分であり、これは温度の上昇と共に指数関数的に増加する。損傷は、薄膜抵抗器の環境における湿度、酸素、又は他の物質の存在による化学反応から生じ得る。
【００１５】
熱老化を推定するために、変化推定回路１０６は、熱老化要素１０４に電気信号を印加する。次いで、抵抗などの電気特性を判定するために、電気信号に対する熱老化要素１０４の応答が測定され得る。変化推定回路１０６は、測定された抵抗が熱老化要素１０４に完全に起因し得るように、熱曝露に応じて抵抗の恒久的変化を有しない部品を含む。
【００１６】
図２を参照して、非限定的な一実施形態では、変化推定回路１０６は、感熱性部品１０２と共有される回路基板１３０上に位置決めされ得る。変化推定回路１０６は、高温環境への曝露に鈍感な第１及び第２の抵抗器１１４、１１６を有する第１の脚部１１２を含むホイートストンブリッジとして構成されてもよい。例えば、第１及び第２の抵抗器１１４、１１６は、高温環境に曝露されたときに、抵抗の変化を呈さない材料で形成されてもよい。第２の脚部１１８は、高温環境への曝露に鈍感な第３の抵抗器１２０と、そのような環境に対して抵抗の物理的変化を呈する第４の抵抗器１２２とを有する。第４の抵抗器１２０は、熱老化要素として作用する薄膜抵抗器であってもよい。第４の抵抗器１２０の抵抗の変化は、例えば、第３の抵抗器１１８の抵抗を調整し、ガルバノメータを使用して、又は電圧差若しくは電流を推定することによって、ブリッジ１１０を平衡化することによって決定され得る。
【００１７】
いくつかの構成では、変化推定回路１０６は電源１２４を含んでもよい。他の構成では、変化推定回路１０６は、脚部１１２、１１８だけを含んでもよい。このため、変化推定回路１０６は、「完全」又は部分的であってもよい。更に他の構成では、熱老化要素１０４及び回路の残りの部分を接続するための適切なリードのみが、ダウンホールツール構造上に位置決めされてもよい。他の変形は、当業者には既知であろう。
【００１８】
ここで図３を参照して、本開示による熱老化推定器を組み込むことができる掘削システム１０が示されている。掘削システム１０は、ボアホール１６を掘削するためのボトムホールアセンブリ（bottomhole assembly、ＢＨＡ）１４を含み得るボアホールストリング１２を利用する。陸上リグが示されているが、これらの概念及び方法は、海洋掘削システムに等しく適用可能である。ボアホールストリング１２は、リグ２０から吊るされてもよく、ジョイントチューブら又はコイルチューブを含んでもよい。一構成では、ＢＨＡ１４は、ドリルビット１５、センササブ３２、双方向通信及び電力モジュール（bidirectional communication and power module、ＢＣＰＭ）３４、地層評価（formation evaluation、ＦＥ）サブ３６、及び掘削モータ３８などの回転動力装置を含み得る。センササブ３２は、近ビット方向（例えば、ＢＨＡ方位及び傾斜、ＢＨＡ座標、など）を測定するためのセンサ、並びに回転方向調査を行うためのセンサ及びツールを含み得る。システムはまた、地表コントローラ５０及び／又はダウンホールコントローラ４２などの情報処理装置を含み得る。熱老化の影響を受けやすい部品、すなわち感熱性部品は、掘削システム１０全体に存在し得る。
【００１９】
図１〜図３を参照して、一使用モードでは、熱老化推定器を含む掘削システム１０内の装置は、例えば、ツールを実行するたびに、定期的に試験される。地表における作業員は、抵抗の恒久的変化を推定し、基準を使用して、感熱性部品の累積熱老化を判定することができる。抵抗の変化は、様々な方法、例えば、（測定された抵抗−元の抵抗）／（元の抵抗）を使用して容易に判定することができる。例示として、図４は、グラフ形式の例示的な参照を示す。残りの耐用寿命時間９０は「Ｘ」軸に沿っており、抵抗の推定変化９２は「Ｙ」軸に沿っている。傾向９４は、抵抗の推定変化に対する残りの耐用寿命を表す。９４は、下向きの傾向を表すために便宜上直線として示されているが、その実際の形状は、実験による決定及び較正を必要とする場合がある。ライン９６は、所望の坑井動作を実行するために利用可能である耐用寿命が十分に残されていないユーザ定義のポイントを表す。職員は、抵抗の推定変化に対応する残りの耐用寿命を同定することによって、推定された残りの耐用寿命を確かめることができる。残りの耐用寿命が不十分な部品は廃棄することができ、一方で、十分な耐用寿命を有する部品は再利用することができる。
【００２０】
熱老化要素及び感熱性部品をボアホールから回収した後に、感熱性部品の熱老化を推定することは、１つの例示的な動作モードにすぎないことに留意されたい。他の実施形態では、熱老化要素が依然としてボアホール内にある間に、感熱性部品の熱老化が推定されてもよい。このような実施形態では、プログラムされたプロセッサが、機器がボアホール内にある間に、診断又は他の試験を行うプログラム、コード、アルゴリズム、などを実行してもよい。熱老化による累積損傷のこのような試験又は監視は、その場で、「リアルタイム」又は「ほぼリアルタイム」で行われ得る。
【００２１】
本開示の教示が、残りの耐用寿命を推定する単純で受動的かつ効率的な方法を提供することを理解されたい。推定は、人間又は機械で記録されたデータに依存しない。このため、エントリ時のエラー及び破損データが排除される。更に、いくつかの実施形態では、熱老化推定器は、感熱性部品から動作的に分離される。換言すれば、感熱性部品は、熱老化推定器が取り外された場合に、意図されるように機能することができる。実際、熱老化推定器は、最小量の空間を使用する以外に、電気などの任意のシステムリソースを必要とする。
【００２２】
前述の開示は、本開示の１つのモードの実施形態に向けられているが、当業者には様々な修正が明らかとなるであろう。全ての変形は、前述の開示によって包含されることが意図されている。また、ドリルストリング以外の任意の搬送装置を使用して、本開示に従って保護された動き感知装置をボアホールに沿って搬送し得る。例示的な非限定的な搬送装置には、ケーシングパイプ、ワイヤライン、ワイヤラインゾンデ、スリックラインゾンデ、ドロップショット、ダウンホールサブ、ＢＨＡ、ドリルストリングインサート、モジュール、内部ハウジング及びその基材部分、自走式トラクタが含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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