CN101782459B - 石油钻头故障诊断试验装置 - Google Patents

Abstract

本试验装置主要用于对石油钻井用三牙轮钻头的故障诊断。装置利用变频器控制减速电机1调节钻头4的转速，在电机轴旁配置位置传感器测量转速；钻头工作台5由螺旋千斤顶11推动可在立柱8上上下移动，上行后将给钻头工作台5提供一定的压力以给钻头4加载，压力的变化由位于螺旋千斤顶11上方的拉压力传感器测试反映(见摘要附图)；钻头状态信息通过安装在中心轴套上的三向加速度计测得，系统配置有自行开发的钻头故障诊断软硬件系统。本发明的特点是建立了一套小型、功能齐全、使用方便的石油钻头故障诊断试验装置，可诊断钻头是否正常，钻头牙轮是否脱落或因轴承故障而引起的牙轮卡死等故障。

Description

石油钻头故障诊断试验装置

技术领域

本发明提供一套新颖、小型、实用的用于在实验室进行石油钻井用三牙轮钻头的故障诊断试验装置，装置可以驱动钻头以不同的速度旋转，可以施加一定的模拟钻压，可用于试验诊断石油钻头主要部件(牙轮、轴承)是否正常，装置可使钻头方便紧扣、卸扣(无须使用其它专用工具)，配有拉压传感器、速度传感器、三向加速度计的安装接口，并配备有自行开发的专用的钻头故障诊断软件系统。

背景技术

石油钻井中井下钻头的是否损坏，通常是凭经验来判断的，在深井钻井中，一次起下钻往往需要很长的时间，其消耗的能源、动用的设备、钻杆的频繁松拧、工人的劳动强度都是很大的。由于情况不明，如果钻头尚能正常工作而被起出，上述的人力物力就被白白浪费了，甚至还会对钻井生产带来安全隐患。为了做到能对井下钻头的损坏情况有科学的确定方法并做到心中有数，研制开发一种钻头故障诊断系统是十分必要的。它对于正确确定井下钻头的好坏、提高石油钻井的科学水平、保证钻井质量和安全生产、节约大量的人力物力、节能降耗，都具有积极的意义，具有巨大的社会和经济效益。由于石油钻井工况恶劣、现场条件差，用什么方法能测量到井下钻头的状况信息？井下情况经过数千米的传输如何保证不衰减？传感器如何安装在旋转着的钻杆上？用电缆输送信号既不方便又很容易损坏，这一系列的问题制约了井下钻头故障诊断系统研制开发，到目前为止，尚没有发现有成功的井下钻头故障诊断系统。

为了解决石油钻头的故障诊断问题，设想先在实验室对常用的三牙轮钻头(以下简称钻头)的各种故障状态进行诊断识别，通过在试验台上模拟钻头的受压加载、不同转速下运转等状态，将各种不同状态的钻头(正常、牙轮故障、轴承故障等)放在试验台上进行试验诊断，研究其状态特征，其分析结果和诊断知识(经验)可以为进行井下钻头故障诊断提供依据和积累经验，为进一步研制开发井下钻头故障诊断系统提供依据，这种试验装置必须既具备转速可调、可以加钻压，又结构简单、小型、应用方便，能实现钻头的故障诊断，这就是本发明所提供的石油钻头故障诊断试验装置的背景和意义所在。

发明内容

本发明目的是提供一套在实验室对油田钻井用三牙轮石油钻头(以下简称钻头)故障诊断装置，该系统具有功能齐全、结构简单、小型、应用方便的特点，既能较好地模拟钻头加载运转，又可以用于对钻头进行故障诊断。

本发明所提供的试验装置(见附图1)利用变频器控制电机可调节钻头的转速，配置位置传感器测量转速，配置三向加速度计测量钻头的振动状况，钻头工作台可通过千斤顶实现上下移动以对钻头进行加载，压力的变化由拉压力传感器测试反映。装置体型小(长∶宽∶高为1200∶1200∶2800(mm))，适用于实验室使用。装置配备有专门方便钻头上卸扣的专用短接和钻头盒，专用短接联结转轴和钻头，钻头盒用于钻头上卸扣时放置钻头用，当钻头放入钻头盒时，钻头盒固定不动，通过变频器控制电机带动专用短接正反向旋转以使得钻头上、卸扣(无须其它专用工具)。钻头工作台上装有可以让钻头在其上进行模拟旋转钻井切削的模拟地层，工作台下部装有四个弹簧支撑以减少装置振动。

装置有别于其它钻头试验架的显著特点是：①小型实用，功能齐全。试验装置主体——试验台体型小、占地省(仅长1.2m，宽1.2m，高2.8m)，耗能省，启动、操作、加钻压、运转、参数测试都十分方便，拧扣、松扣能自动进行，配有特殊的减振系统，适合实验室研究；②配置有专门的状态测试故障诊断软硬件系统。软件部分的特征在于利用NI公司提供的I/O接口设备，使用Labwindows/CVI语言自行开发的一套对钻头振动信号进行测试分析和故障诊断的软件系统。试验中钻头的转速由位移传感器测得，XYZ三个方向的振动信号经加速度计测得并通过电荷放大器放大，再通过接线盒及数据采集卡输入计算机由自行开发的故障诊断软件处理诊断，从而确定钻头是否正常，以及能诊断出牙轮脱落或因轴承故障而引起的牙轮卡死等钻头故障。

附图说明

图1本发明所提出的石油钻头故障诊断试验装置及测点布置简图。其中：1减速电机；2定位轴；3上底板；4钻头；5工作台；6中间底板；7拉压力传感器；8立柱；9底座；10碟簧组件；11螺旋千斤顶；12深沟球轴承；13推力球轴承；14深沟球轴承。

图2本发明所提出的测点布置及信号采集系统原理简图。

图3本发明所提出的石油钻头信号分析及故障诊断原理。

具体实施方式

下面将结合附图进一步对这套装置进行描述。

1.试验台结构

由附图1可见，试验台由1减速电机、2定位轴、3上底板、4钻头、5工作台、6中间底板、7拉压力传感器、8立柱、9底座、10碟簧组件、11螺旋千斤顶、12深沟球轴承、13推力球轴承、14深沟球轴承等部件所构成，其中减速电机由于驱动转轴带动专用短接联结钻头4旋转，工作台5用于安放模拟地层供钻头钻进，中间底板6用于安放工作台5，立柱8用于工作台5上下导向，碟簧组件10用于减小系统振动，拉压力传感器7用于测量加载压力，螺旋千斤顶11用于加载。

2.加载系统

由螺旋千斤顶11推动工作台5在立柱8上上下移动，上行后将给工作台5提供一定的压力。螺旋千斤顶11的位置如附图1所示。

3.数据采集系统

由采集卡，接线盒，计算机及各传感器等组成如附图2，其中拉压力传感器用于测量加载的压力，由人工读取；位置传感器用于测量钻头的转动周期；三向压电加速度传感器从X、Y、Z三个方向测量钻头轴承的振动信号，通过电荷放大器放大，经接线盒由数据采集卡进行A/D变换由专用计算机钻头故障软件进行故障诊断。

钻头试验的信号采集系统原理如附图2所示，附图2显示了测取钻头转速、钻头承受压力及振动信号的相应传感器的安装位置，传感器与二次仪表(电荷放大器)的联结路径，以及计算机数据采集的联结路径。

附图3提供了石油钻头信号分析及故障诊断的原理。

4.工作原理

将钻头安装在试验台立柱下的专用短接上后，通过变频器控制减速电机1驱动钻头4的旋转，通过螺旋千斤顶11推动工作台5在立柱8上上下移动，上行后钻头4将给工作台5施加一定的压力，钻头4在工作台5上装设的模拟地层上进行带负载钻进(见附图1)。所加压力通过拉压力传感器7读得，钻头4的转速和XYZ三个方向的振动加速度分别通过位置传感器和三向加速度计测得并通过接线盒几数据采集卡送给计算机由故障诊断软件处理诊断(见附图2)。研制开发的钻头故障诊断系统通过对测得的三向振动信号进行信号处理(见附图3)，在测试信号频谱分析的基础上，通过将自功率谱数据作为诊断特征向量，在大量实验研究的基础上，借助于人工神经网络中的多层前馈神经网络(BP网络)，实现信号处理中的频谱分析技术与状态识别中的人工神经网络的结合。所开发的软件可准确判断出钻头是处于正常状况或牙轮掉齿故障或牙轮轴承故障状况。

5、其它特点

可使用变频器控制主轴自动装卸钻头而无须任何其它专用工具，正转安装钻头，反转卸下钻头。

安装钻头：将钻头放入钻头盒，放置在工作台上；提升千斤顶使钻头的丝扣与短接对中并相接触；固定好钻头盒；打开变频器(正转)缓慢调节转速(不超过30Hz)，将钻头扣上。

卸下钻头：将钻头盒放置在工作台上，利用千斤顶顶升工作台使钻头对准并将钻头下部放置在钻头盒内；将钻头盒固定在工作台上，反转变频器(频率50Hz，不超过20秒)，钻头松动后将频率调至较小值直至钻头落入钻头盒中。

双重减振系统：装置底部的碟簧组件用于减小系统振动，工作台下装有弹簧系统以减少台面振动，由此保证钻头正常转动，系统平稳工作。

Claims (2)

1.一种用于石油钻头故障诊断的装置，其特征在于利用变频器控制电机(1)可调节钻头(4)的转速，钻头工作台(5)可通过螺旋千斤顶(11)实现上下移动以对钻头(4)进行加载，压力的变化由拉压力传感器测试反映；装置配备有用于钻头(4)上卸扣的专用短接和钻头盒，专用短接联结转轴和钻头(4)，钻头盒用于钻头上卸扣时放置钻头用，当钻头(4)放入钻头盒时，钻头盒固定不动，通过变频器控制电机(1)带动专用短接正反向旋转以使得钻头(4)上、卸扣，钻头工作台(5)上装有可以让钻头(4)在其上进行模拟旋转钻井切削的模拟地层，工作台下部装有四个弹簧支撑以减少振动，油田钻井用三牙轮钻头可在试验装置上进行旋转、加载、模拟钻进并通过故障诊断系统进行振动信号采集处理和故障诊断，从而确定钻头是否正常，以及能诊断出牙轮脱落或因轴承故障而引起的牙轮卡死等钻头故障。

2.根据权利要求1所述的试验装置长1.2米，宽1.2米，高2.8米并配有故障诊断测试分析系统，试验中钻头的转速由安装在上底板的位移传感器测得，XYZ三个方向的振动信号经安装在轴承套外的三向加速度计测得并通过电荷放大器放大，再通过接线盒及数据采集卡输入计算机由故障诊断软件处理诊断。 

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