CN107605467A - 一种井下振动实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种井下振动实时测量系统，包括供电单元、扶正器单元、振动测量单元，锥形密封帽及定向托盘，其中，振动测量单元包括单片机，保护壳体，铜接头组件及振动参数测量器；定向托盘固定连接钻铤，用于固定井下振动实时测量系统；锥形密封帽固定连接定向托盘，用于降低钻井液流速；振动参数测量器设置在保护壳体内，电连接单片机，用于测量钻具振动相关数据，并将测量的数据发送至单片机，以由单片机处理钻具振动相关数据并存储处理后的数据；扶正器单元固定连接在供电单元与保护壳体之间，用于平衡井下振动实时测量系统；供电单元电连接单片机及振动参数测量器，用于提供电能。本申请能够实时测量并存储井下钻具振动相关数据。

Description

一种井下振动实时测量系统

技术领域

本申请属于井下振动测量领域，尤其涉及一种井下振动实时测量系统。

背景技术

随着油气需求量日益增大，加之钻探目标向更深更复杂的油气藏及非常规储层迈进，钻井提速难度日益增大，当机械钻速变低时，一般认为是由于地层强度增大、钻头磨损、井眼净化不足、泥浆性能差等因素引起，忽略了钻具振动诱发破岩效率等因素。钻井过程中钻柱是地面设备与井底钻头之间的连接纽带，钻柱与井壁的接触碰撞及地层不均质性导致钻头上载荷的不定常性，使动载以振动的方式传递给钻具自身和地面动力系统，最终使整套钻具组合发生震动，将严重降低钻头使用寿命并诱发钻具损坏风险。

井下钻具振动主要分为三种形式，轴向振动、横向振动及扭摆振动，其主要表现特征为跳钻、涡动及粘滑现象。其中跳钻使钻头与地层瞬间脱离瞬间接触，这种跳动对钻头切削齿、井下动力钻具产生严重破坏。在地层强度增大、井眼轨迹不规则、钻井参数及钻具结构不合理等共同因素作用下，钻具发生屈曲变形，横向位移导致钻具与井壁发生碰撞，严重时钻具在自转的同时沿着井壁公转，使钻具损坏。随钻过程中当井下钻具与井壁间摩阻过大时，出现“粘-卡”现象，旋转过程中积累的扭矩足够克服井壁与钻具间的摩阻时，钻具与井壁分离，扭矩瞬间释放，此时钻头和井底钻具组合(Bottom Hole Assembly,BHA)以高速方式旋转，此时极易诱发钻具断裂。根据斯伦贝谢公司2014年的全球复杂时效统计分析，75％的井下复杂事故归咎于井下钻具震动，全球每年由井下震动产生的经济损失达3亿美元。因此，若能在随钻过程中准确测量并存储井下振动相关的工程参数，对井下钻具振动强度评价建模及帮助技术人员识别井下钻具工作状态具有重要意义，是提高钻头破岩效率降低钻具损坏风险的有效途径。现有技术中，一般都是通过经验和观察识别井下振动，并未对井下钻具振动相关参数进行测量。

发明内容

本申请提供一种井下振动实时测量系统，用于解决现有技术中一般都是通过经验和观察识别井下振动，并未对井下钻具振动相关参数进行测量。

为了解决上述技术问题，本申请一技术方案为井下振动实时测量系统包括：供电单元、扶正器单元、振动测量单元，锥形密封帽及定向托盘，其中，振动测量单元包括单片机，保护壳体，铜接头组件及振动参数测量器；

定向托盘固定连接钻铤，用于固定井下振动实时测量系统；

锥形密封帽固定连接定向托盘，用于降低钻井液流速；

单片机设置在所述保护壳体内；保护壳体通过所述铜接头组件固定连接锥形密封帽；铜接头组件内固定有插头，该插头通过信号线电连接单片机；振动参数测量器设置在保护壳体内，电连接单片机，用于测量钻具振动相关数据，并将测得的数据发送至单片机，以由单片机处理钻具振动相关数据并存储处理后的数据；

扶正器单元固定连接在供电单元与保护壳体之间，用于平衡井下振动实时测量系统；

供电单元电连接单片机及振动参数测量器，用于提供电能。

本申请提供的井下振动实时测量系统打破了利用经验和观察识别井下振动的传统模式，随钻过程中实时存储井下钻具振动相关数据，为钻具振动预测建模及井下钻具振动强度量化评价提供数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的井下振动实时测量系统的剖面图；

图2为本申请实施例的振动测量单元的剖面图；

图3为本申请实施例的锥形密封帽的剖面图；

图4为本申请实施例的工作模式切换流程图。

具体实施方式

为了使本申请的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本申请的技术方案做进一步说明，本申请也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本申请的保护范畴。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

如图1、图2所示，图1为本申请实施例的井下振动实时测量系统的剖面图，图2为本申请实施例的振动参数测量器的剖面图。本申请提供的井下振动实时测量系统打破了利用经验和观察识别井下振动的传统模式，随钻过程中实时存储井下钻具振动相关数据，为钻具振动预测建模及井下钻具振动强度量化评价提供数据支撑。

具体的，包括：供电单元101、扶正器单元102、振动测量单元103，锥形密封帽104及定向托盘105，其中，所述振动测量单元102包括单片机，保护壳体201，铜接头组件203、204及振动参数测量器；

定向托盘105固定连接钻铤，用于固定井下振动实时测量系统，避免随钻过程中定向托盘与钻铤之间发生相对位移；

锥形密封帽104固定连接定向托盘105，用于降低钻井液流速，有效缓解钻井液对定向托盘的冲蚀效应，提供了工具工作的稳定性，并降低了工作压耗，提高了系统的测量精度及安全性，对提高破岩效率及降低钻具疲劳受损具有重要意义；

单片机设置在保护壳体201内；保护壳体201通过铜接头组件203、204固定连接锥形密封帽104；铜接头组件203、204内固定有插头，该插头通过信号线电连接单片机；振动参数测量器设置在保护壳体内，电连接单片机，用于测量钻具振动相关数据，并将测得的数据发送至单片机，以由单片机处理钻具振动相关数据并存储处理后的数据；

扶正器单元102固定连接在供电单元101与保护壳体201之间，用于平衡井下振动实时测量系统，防止井下钻具倾斜；

供电单元101电连接单片机及振动参数测量器，用于提供电能。

详细的说，定向托盘通过限位螺钉与钻铤连接。锥形密封帽通过紧定螺钉固定连接定向托盘，防止密封帽在托盘中旋转。扶正器单元通过螺纹固定连接保护壳体。供电单元具有一壳体，该壳体通过螺纹固定连接扶正器单元，供电单元内部除了电池还有减震部分。扶正器内部空腔用于走线，该线用于将供电单元的电能提供给单片机及振动参数测量器。

本申请一实施例中，振动参数测量器103包括：三轴加速度传感器、温度传感器及转速传感器。加速度传感器用于测量钻具X、Y、Z三轴的加速度，温度传感器用于测量温度，转速传感器用于测量转速。

本申请一实施例中，单片机处理加速度传感器所测数据的过程包括：

步骤301，设置测量周期，对一测量周期内测得的X、Y、Z轴的测量数据分别进行排序；

步骤302，对于每轴的排序结果，截取中间第一预定个数的测量数据，根据截取出的测量数据计算该轴的第一中间变量值，以消除噪声干扰；

步骤303，将各轴的第一中间变量值代入公式一中，经过第二预定个数个测量周期之后，得到第二中间变量，

其中，A、B、C分别表示X、Y、Z轴的第二中间变量，n表示第二预定个数，A_i、B_i、C_i表示第i个第一中间变量；

步骤304，通过如下公式二计算X、Y、Z三轴的加速度：

其中，a_X、a_Y、a_Z分别表示X、Y、Z轴的加速度，f为三轴加速度传感器的频率，σ为转换系数。

由于温度和转速变化较小，所以单片机仅需将转速传感器测量的数据转换为转速、温度传感器测量的数据转换为温度即可。

下面以ADIS16223三轴加速度传感器为例详细说明单片机处理加速度传感器所测数据的过程。ADIS16223三轴加速度传感器每秒中采集40次数据，即频率f＝40Hz，采样周期T为25ms。设定每200ms作为一次测量周期，每一测量周期内采样个数为8。详细处理过程包括：

步骤一，对于第i(i＝1,2,…,n)个测量周期测得的X、Y、Z轴的测量数据进行升序排序(排序后的结果如公式三所示)，同时通过公式四进行方程组运算，接着通过公式五进行平方加和计算：

步骤二，对于第n个测量周期，完成步骤一的计算后，通过如下公式六计算三轴加速度：

本实施例中，可采用分散的计算方式减少功耗，每个存储周期只需要3*2字节存放原始数据，显著减轻了单片机的资源利用(存储空间)和运算负担。

一具体实施例中，如图2所示，铜接头组件包括铜接头203及母铜接头204。铜接头203一端连接保护壳体201，铜接头203另一端连接母铜接头204一端，母铜接头204另一端连接锥形密封帽104。插头设置在母铜接头204内，并通过插头固定件205固定连接铜接头203(实施时，插头固定件与铜接头通过十字槽盘头螺钉连接)。

进一步的，振动测量单元还包括电路板，通过电路板支架202固定在保护壳体201内。电路板支架202通过不锈钢螺钉连接在铜接头上，以防止电路板支架旋转。

电路板上设置有单片机、转速传感器及温度传感器。加速度传感器设置在保护壳体201内的其他区域，如图2所示，设置在电路板支架左侧，为了防止加速度传感器从电路板支架滑出，在加速度传感器上方设置有一传感器盖板207。

进一步的，振动测量单元还包括减震橡胶圈206，用于保护电路板，防止钻井过程中振动而损坏电路板。

进一步的，振动测量单元还包括电压变换器，设置在电路板上，用于将供电单元输出的电压转换为单片机及振动参数测量器所需电压。实施时，电路板上的元器件及振动参数测量器输入电压仅2种类型，5V和3.3V，第一级降压课采用高转换效率开关电源LM2671-ADJ供电，第二级电压由5V降至3.3V采用线性(LDO)TPS76333DBV电源。

一具体实施例中，如图3所示，所述锥形密封帽圆台部分设置有一倾角(相对水平线角度)为20°的斜坡面，斜坡面延伸至定位接头，定位接头固定连接定向托盘，锥形密封帽圆另一接头固定连接铜接头组件。图3所示锥形密封帽结构能够使钻井液过流面积增大17.6％，同时流速降低17.6％。

本申请一实施例中，为了适时使元器件匹配最优工作模式，减少耗电，延长振动测量系统征集工作时间，单片机还用于控制井下振动实时测量系统的工作模式，如图4所示。

1.待机模式：当井下振动实时测量系统在没有下入指定井深时，单片机处于待机模式，控制所述振动参数测量器处于休眠状态。

待机模式可节约80％的电能，除电源、单片机主控电路及实时时钟正常工作外，其它部分元件进入低功耗或直接断电。待机模式以分钟作为最小计量单元，每减1分钟，更新并存储新的待机时间，直至待机时间归零跳出待机模式，直接进入采集存储模式。

2.命令模式：当单片机接收到上位机发出的启动指令时，根据上位机发出的指令调整工作模式，使单片机从待机模式转为命令模式。

3.采集不存储模式：当单片机接收到上位机发出的采集不存储指令时，单片机从命令模式转为采集不存储模式，控制振动参数测量器处于工作状态，上传振动参数测量器测得的数据，但不存储数据。

采集不存储模式维持时间一般不能大于预定时间，如1小时，超过预定时间自动跳转到采集存储模式。

4.采集存储模：当单片机接收到上位机发出的采集存储指令或维持采集不存储模式超过预定时间或待机模式时间倒计时归零时，单片机转为采集存储模式，控制振动参数测量器处于工作状态，处理振动参数测量器测得的数据并存储处理后的数据。

进一步的，单片机处于命令模式时，若单片机接收到上位机发出的待机指令，则单片机从命令模式转为待机模式。

本申请的有益效果是解决随钻过程中通过经验对井下振动无法进行实时、准确判断的局限性。最主要的优势在于它能够对井下钻具振动相关参数高频测量并存储，能够为技术人员对井筒内钻具振动状态识别控制提供准确的数据支撑，同时为井下钻具振动建模提供依据。

以上所述仅用于说明本申请的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本申请的权利保护范围应视权利要求范围为准。

Claims (9)

1.一种井下振动实时测量系统，其特征在于，包括供电单元、扶正器单元、振动测量单元，锥形密封帽及定向托盘，其中，所述振动测量单元包括单片机，保护壳体，铜接头组件及振动参数测量器；

所述定向托盘固定连接钻铤，用于固定所述井下振动实时测量系统；

所述锥形密封帽固定连接所述定向托盘，用于降低钻井液流速；

所述单片机设置在所述保护壳体内；所述保护壳体通过所述铜接头组件固定连接所述锥形密封帽；所述铜接头组件内固定有插头，该插头通过信号线电连接所述单片机；所述振动参数测量器设置在所述保护壳体内，电连接所述单片机，用于测量钻具振动相关数据，并将测得的数据发送至所述单片机，以由所述单片机处理钻具振动相关数据并存储处理后的数据；

所述扶正器单元固定连接在所述供电单元与所述保护壳体之间，用于平衡井下振动实时测量系统；

所述供电单元电连接所述单片机及所述振动参数测量器，用于提供电能。

2.如权利要求1所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述振动参数测量器包括：三轴加速度传感器、温度传感器及转速传感器；

所述加速度传感器用于测量钻具X、Y、Z三轴的加速度；

所述温度传感器用于测量温度；

所述转速传感器用于测量转速。

3.如权利要求2所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述单片机处理加速度传感器所测数据的过程包括：

设置测量周期，对所述测量周期内测得的X、Y、Z轴的测量数据分别进行排序；

对于每轴的排序结果，截取中间第一预定个数的测量数据，根据截取出的测量数据计算该轴的第一中间变量值；

将各轴的第一中间变量值代入公式一中，经过第二预定个数个测量周期之后，得到第二中间变量，

其中，A、B、C分别表示X、Y、Z轴的第二中间变量，n表示第二预定个数，A_i、B_i、C_i表示第i个第一中间变量；

通过如下公式二计算X、Y、Z三轴的加速度：

其中，a_X、a_Y、a_Z分别表示X、Y、Z轴的加速度，f为三轴加速度传感器的频率，σ为转换系数。

4.如权利要求2所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述振动测量单元还包括电路板，通过电路板支架固定在所述保护壳体内；

所述电路板上设置有所述单片机、转速传感器及温度传感器。

5.如权利要求4所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述振动测量单元还包括电压变换器，设置在所述电路板上，用于将所述供电单元输出的电压转换为单片机及所述振动参数测量器所需电压。

6.如权利要求4所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述振动测量单元还包括减震橡胶圈，设置在所述保护壳体内，用于保护所述电路板。

7.如权利要求1所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述铜接头组件包括铜接头及母铜接头；

所述铜接头一端连接所述保护壳体，所述铜接头另一端连接所述母铜接头一端，所述母铜接头另一端连接所述锥形密封帽；

所述插头设置在所述母铜接头内，并通过插头固定件固定连接所述铜接头。

8.如权利要求1所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述锥形密封帽圆台部分设置有一倾角为20°的斜坡面，斜坡面延伸至定位接头。

9.如权利要求1所述的井下振动实时测量系统，其特征在于，所述单片机还控制井下振动实时测量系统的工作模式：

当井下振动实时测量系统在没有下入指定井深时，所述单片机处于待机模式，控制所述振动参数测量器处于休眠状态；

当所述单片机接收到上位机发出的启动指令时，所述单片机从所述待机模式转为命令模式；

当所述单片机接收到上位机发出的采集不存储指令时，所述单片机从所述命令模式转为采集不存储模式，控制所述振动参数测量器处于工作状态，上传所述振动参数测量器测得的数据，但不存储数据；

当所述单片机接收到上位机发出的采集存储指令或维持采集不存储模式超过预定时间或待机模式时间倒计时归零时，所述单片机转为采集存储模式，控制所述振动参数测量器处于工作状态，处理所述振动参数测量器测得的数据并存储处理后的数据；

当所述单片机接收到上位机发出的待机指令时，所述单片机从命令模式转为待机模式。