CN111982764A - 一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法及装置，该装置包括机架、筛分组件、进料系统、称量机构、驱动机构、控制系统，能够按岩屑粒径大小实现自动分级筛分并称量各级岩屑重量；该方法采用岩屑筛分装置测量钻井岩屑粒径分布，建立标准岩屑粒径分布数据库，并与实时岩屑粒径分布作对比，判断井下故障，进而从井下故障数据中选择使用对应故障处理方法解除井下故障。本发明的多级粒径岩屑筛分称量装置及录井方法，能够按级筛分岩屑，得到岩屑粒径分布，并根据岩屑粒径分布快速判断井下故障，采用合适的故障处理方法解除井下故障。

Description

一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法及装置，属于钻井、录井技术领域。
背景技术
岩屑是指在钻进过程中钻头破碎岩体后被循环介质携带出地表的岩石碎屑，是反应地层资料、钻头破岩机理、井壁坍塌量、钻井液携岩情况的重要依据。不同性质的地层、井壁坍塌状况以及不同的钻进工艺产生岩屑的粒径大小数量都不相同，研究岩屑的粒径分布规律，可以探索相应地层的岩石可钻性，相应钻进工艺的岩石破碎机理，为研究岩石破碎工艺，提高钻进效率提供理论依据和技术参考。
岩屑录井技术主要是指在钻井过程中，按照一定时间顺序，取样间距将返出井口的岩屑收集并进行分析，进而实现认识井下剖面的录井技术。常规岩屑录井技术主要是对岩屑岩性进行分析，少有对岩屑粒径分布进行测量及分析。然而，岩屑粒径分布规律能反应钻进过程中多种井下状况，对钻井分析具有很高的参考价值。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法及装置，本发明将钻井过程中返出井眼的岩屑按岩屑粒度大小进行分级筛分并称重，获得岩屑粒径分布，根据岩屑粒径分布识别井下故障，并采用合适的故障处理方法解除井下故障。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种多级粒径岩屑筛分称量装置，包括：
机架，所述机架上设有导轨、与导轨平行的导杆和位于导轨下方的收集盘；
筛分组件，所述筛分组件包括箱架和从上到下依次安装在箱架内的若干个筛分箱，所述筛分箱的底部设有若干个孔径相同的筛孔，其中从上到下各个筛分箱的筛孔的孔径依次减小，所述箱架的上下两端分别滑动连接在所述杆、导轨上；
进料系统，所述进料系统安装于所述机架上部，能够向所述筛分箱输送物料；
称量机构，所述称量机构位于收集盘的下方；和
驱动机构，所述驱动机构与所述箱架连接，驱动箱架在导轨做水平往复运动。
进一步的实施方式是，所述箱架包括：
底板，所述底板下部设有滑槽、挡料板，所述滑槽滑动连接在所述导轨上，所述挡料板为两端开口的筒形；
顶板，所述顶板位于所述底板正上方，所述顶板设有紧固盖孔、岩屑管口、水管口、导向环，所述导向环与所述机架上的导杆滑动配合；
固定板，所述固定板上下两端分别可拆卸连接在顶板、底板的左端面上；
拉板，所述拉板上下两端分别可拆卸连接在顶板、底板的右端面上，所述拉板的侧面上设有铰链座，所述铰链座与所述驱动机构以铰接；和
紧固杆，所述紧固杆一端固定在所述底板上，所述紧固杆的另一端穿过筛分箱、顶板的紧固盖孔。
进一步的实施方式是，所述筛分箱包括：
筛分箱体，所述筛分箱体四角处设有紧固孔，所述紧固孔被所述紧固杆穿过；
筛板组件，所述筛板组件安装在所述筛分箱体的内腔底部；所述筛板组件包括固定筛板、翻转轴、翻转筛板，所述翻转筛板固定在所述翻转轴的外圆周面上，所述翻转轴两端转动连接在所述筛分箱体内；和
筛板舵机，所述筛板舵机固定在所述筛分箱体的侧面上，所述筛板舵机驱动所述翻转轴旋转。
进一步的实施方式是，所述称量机构包括：
称重轴，所述称重轴两端转动连接在所述机架的下部；
称重台，所述称重台固定安装于所述称重轴上，所述称重台中部设置有第二通孔；
称重称，所述称重称固定安装于所述称重台上，所述称重称中部设置有第一通孔；
称重盘，所述称重盘固定安装于称重称上，所述称重盘位于所述收集盘正下方，所述称重盘为漏斗状，底部设置有过滤网，所述过滤网与所述第一通孔、第二通孔对齐；和
称重轴舵机，所述称重轴舵机驱动所述称重轴连接。
进一步的实施方式是，所述驱动机构包括皮带、铰链销和固定安装于所述机架上的曲柄滑块组件、电动机，所述曲柄滑块组件通过所述铰链销与所述铰链座以转动副连接，所述电动机通过皮带带动曲柄滑块组件运动。
进一步的实施方式是，所述进料系统包括：
岩屑管接头，所述岩屑管接头安装于机架上部；
水管接头，所述水管接头安装于机架上部；
岩屑管，所述岩屑管两端分别与岩屑管口、岩屑管接头连通；和
水管，所述水管两端分别与水管口、水管接头连通。
进一步的实施方式是，该装置还包括控制系统，所述控制系统包括控制器、传输线，所述岩屑管接头上设有岩屑进料阀门，所述水管接头上设有进水阀门，所述控制器通过传输线分别与屑进料阀门、进水阀门、筛板舵机、称重称、称重轴舵机电性连接。
一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法，包括以下步骤：
S1、建立正常钻井和不同类型井下故障的标准岩屑粒径分布数据库；
S2、建立不同类型井下故障的处理方案数据库；
S3、将返出井口的岩屑收集并通过权利要求1的筛分称量装置按岩屑粒径大小进行分级筛分和称量来获取实时的岩屑粒径分布，再判定实时的岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致；
S4、根据实时的岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致做出实时决策：
若实时的岩屑粒径分布与正常钻井的标准岩屑粒径分布是一致，则继续钻进；
若实时的岩屑粒径分布与不同类型井下故障的标准岩屑粒径分布是一致，则立即从故障处理方案数据库中查找该故障对应的标准井下故障处理方案，处理井下故障后，故障解除后，继续钻进；
若实时的岩屑粒径分布在标准岩屑粒径分布数据库中不能找到一致的标准岩屑粒径分布时，说明井下出现了以前从未出现过的新故障，应该立即停钻，并开展井下故障分析，制定有效的故障处理方案，直至故障处理后继续钻进；并向标准岩屑粒径分布数据库和处理方案数据库更新数据。
进一步的实施方式是，所述岩屑粒径分布的获取方式如下：
a、以时间Δt为取样区间，对该Δt区间内返出的岩屑采用权利要求1所述的筛分称量装置按岩屑粒径大小进行分级筛分并称量；
b、记录取样岩屑总重量W以及各级粒径岩屑重量Wk；
c、根据如下公式计算区间Δt内岩屑粒径分布fk，
Figure BDA0002642550630000051
式中：fk为岩屑粒径分布；W为取样岩屑总重量；Wk为各级粒径岩屑重量。
进一步的实施方式是，所述判定实时的岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致的具体步骤如下：
A、根据以下公式计算实时岩屑粒径分布相对于标准岩屑粒径分布的单级偏差gk；
Figure BDA0002642550630000052
式中：pk为标准岩屑粒径分布的各级粒径的岩屑质量百分比；qk为实时岩屑粒径分布的各级粒径的岩屑质量百分比；
B、将各个单级偏差gk求和得到实时岩屑粒径分布相对于标准岩屑粒径分布的；
C、再根据单级偏差gk和单偏差Gp获得单级相似度dk以及Ds；
dk＝1-gk
Ds＝n-Gp
式中：n为岩屑粒径级数；
D、根据设定的单级一致判定值dd和总体一致相似度判定值Dd进行判断；当dk≥dd，k＝1,2,..k；且Ds≥Dd时，判定实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布一致，否则不一致。
本发明具有以下有益效果：
1、该岩屑粒径分布录井方法，在钻井过程中，获取井下返出的岩屑，并根据岩屑粒径大小按级筛分岩屑，得到岩屑粒径分布，为钻井录井提供了一种新手段；
2、该多级粒径岩屑筛分称量装置，通过筛分组件2将多级筛分箱22集于一体，能够一次性将多级粒径岩屑筛分开，并且设置有称量机构4，能够实现在分级筛分后进行及时称重，提高了工作效率；
3、利用钻井返出的岩屑测试实时岩屑粒径分布，成本低且能真实反映井下情况，利用数据库能使井下故障识别和故障处理及时而高效。
附图说明
图1为筛分称量装置的结构示意图；
图2为机架的结构示意图；
图3为收集盘的结构示意图；
图4为箱架的结构示意图；
图5为筛分箱组的示意图；
图6为筛分箱的结构示意图；
图7为进料系统的结构示意图；
图8为称量机构的结构示意图；
图9为驱动机构的结构示意图；
图10为控制系统组成示意图；
图11本发明流程框图；
图12井下故障分析处理方法的数据关系图；
图13正常钻进标准岩屑粒径分布图；
图14井壁大量坍塌标准岩屑粒径分布图；
图15井壁一般坍塌标准岩屑粒径分布图；
图16井壁微量坍塌标准岩屑粒径分布图；
图17返出困难标准岩屑粒径分布图。
图中所示：1-机架，11-导轨，12-收集盘，13-导杆，14-第一平台，15-第二平台，16-横梁，141-岩屑通孔，142-进水通孔，161-轴承座，121-大口，122-小口，123-斜面，124-出水管；
2-筛分组件，21-箱架，22-筛分箱，211-底板，212-紧固杆，213-顶板，214-固定板，215-拉板，221-第一级筛分箱，222-第二级筛分箱，223-第三级筛分箱，224-第四级筛分箱，2111-滑槽，2112-挡料板，2131-导向环，2132-岩屑管口，2133-水管口，2134-紧固盖孔，2151-铰链座，2211-翻转筛板，2212-固定筛板，2213-翻转轴，2214-筛孔，2215-紧固孔，2216-箱体，2217-筛板舵机，2218-缺口；
3-进料系统，31-岩屑管接头，32-水管接头，33-岩屑管，34-水管，311-岩屑进料阀门，321-进水阀门；
4-称量机构，41-称量盘，42-称重称，43-称重台，44-称重轴，45-称重轴舵机，411-过滤网，421-称通孔，431-第二通孔；
5-驱动机构，51-连杆，52-曲柄，53-飞轮，54-支座，55-皮带，56-电动机，57-带轮，58-铰链销；
6-控制系统，61-控制器，62-传输线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种多级粒径岩屑筛分称量装置包括：机架1、筛分组件2、进料系统3、称量机构4、驱动机构5、控制系统；
如图2所示，机架1上设置有导轨11、收集盘12、导杆13、第一平台14、第二平台15、横梁16；
第一平台14位于机架1的最上部，设置有岩屑通孔141、进水通孔142，用于安装岩屑管接头31以及水管接头32。
导轨11的个数为两个，导轨11位于机架1中部，水平设置，两根导轨11相互平行。筛分组件2的底部滑动连接在导轨11上，处于两根导轨11之间，筛分组件2能在导轨11上做往复运动。
导杆13的个数也为两个，导杆13位于导轨11的正上方，水平设置，并与导轨11平行。筛分组件2上部安装于导杆13上，导杆13起到对筛分组件2往复运动导向的作用。
收集盘12位于导轨11下方，与机架1采用可拆卸连接。如图3所示，收集盘12的内腔上端具有大口121，下端具有小口122，中部具有斜面。收集盘12大口位于筛分组件2下方，能够承接筛分组件2在运动过程中所掉落下的岩屑和水。收集盘12小口对准称量机构4，能够将岩屑和水送入称量机构4内进行称重。大口121内侧设置有环绕大口一圈的出水管124，出水管124与水管接头32连接。出水管124上设置有多个均匀分布的出水小孔，由出水小孔排除的水能够清洁收集盘12。
如图2所示，第二平台15位于机架1的中部，用于安装驱动机构5。
如图2所示，机架共设置有2根横梁16，横梁15位于机架1下部，横梁15上设置有轴承座161，轴承座161用于安装称量机构4。
筛分组件2，所述筛分组件2包括箱架21和从上到下依次安装在箱架21内的四个筛分箱22。
如图4所示，箱架21包括底板211、紧固杆212、顶板213、固定板214、拉板215。箱架21的主要作用为固定筛分箱22，并与驱动机构5连接以及机架1的导轨11、导杆13连接，使筛分组件2在驱动机构5驱动下沿机架1导轨11做往复运动。
底板211位于箱架21下部，底板211下部设置有4个滑槽2111，滑槽2111滑动连接于机架1导轨11上；滑槽2111与导轨11配合能够降低筛分组件2做往复运动的阻力。底板211中部开口，四周安装有挡料板2112。挡料板2112为两端开口的筒形。挡料板2112开口的一端对准筛分箱22底部，承接筛分箱22掉落下的岩屑和水；开口的另一端对准收集盘12，将承接的岩屑和水排向收集盘12。4根紧固杆212一端安装在所述底板211的上部，另一端设置有螺纹并穿过筛分箱22及顶板213后用螺母紧固，从而锁紧筛分箱22。
顶板213位于所述底板211上方。顶板213设置有紧固孔2215，紧固杆212可穿过紧固孔2215，紧固杆212与所述紧固孔2215为间隙配合，用螺母与紧固杆212配合锁紧筛分箱22时，顶板213能沿紧固杆212方向移动，方便松开或锁紧筛分箱22。顶板213上部设置有4个导向环2131，导向环2131与机架1上的导杆13滑动配合，起到对筛分组件2做往复运动导向的作用。顶板213上部设置有岩屑管口2132、水管口2133，岩屑管口2132、水管口2133均为两端开口的圆筒。通过岩屑管口2132和水管口2133，岩屑和水分别有顶板213进入筛分箱22。所述固定板214上下两端分别可拆卸连接在顶板213、底板211的左端面上，起到加固箱架21的作用；所述拉板215上下两端分别可拆卸连接在顶板213、底板211的右端面上，拉板215上设置有铰链座2151，铰链座2151与驱动机构5采用铰链连接。铰链座2151是驱动机构5向筛分组件2输入驱动力的连接点。
如图6所示，所述筛分箱22包括筛分箱体2216、筛板组件、筛板舵机2217；筛分箱体2216为上部开口，下部固定筛板组件的方盒。其中筛分箱22的主要作用是通过筛孔2214筛分得到比筛孔2214孔径大的岩屑，筛分箱体2216四角处设置有紧固孔2215，紧固孔2215为通孔，紧固杆212穿过紧固孔2215，为间隙配合，紧固杆212通过紧固孔2215能将筛分箱22固定并锁紧；
所述筛板组件包括固定筛板2212、翻转轴2213、翻转筛板2211，固定筛板2212和翻转筛板2211上均设有若干个筛孔2214，筛孔2214为通孔，固定筛板2212在筛分组件2水平运动方向上的一端留有不封闭的缺口2218，缺口2218能够通过各种粒径大小的岩屑，缺口2218处安装翻转筛板2211。设置缺口2218是为了将筛分箱22中的所有岩屑排出，用于称重。固定筛板2212在筛分组件2水平运动方向上成一定斜度，有缺口2218一端低于无缺口2218一端。固定筛板2212的斜度利于筛分箱22中的岩屑，通过较低的缺口2218处全部排出。翻转筛板2211安装于所述缺口2218处，翻转筛板2211刚好完全填充缺口2218。翻转筛板2211与筛分箱体2216通过翻转轴2213转动连接，能够相对于筛分箱体2216产生旋转。翻转轴2213安装于筛分箱体2216上固定筛板2212带缺口2218一端，翻转轴2213能够相对于所述筛分箱体2216旋转，翻转轴2213与翻转筛板2211为固定连接。筛板舵机2217固定安装于筛分箱体2216上，能够产生1～180°旋转，筛板舵机2217与翻转轴2213连接，能够驱动翻转轴2213及翻转筛板2211旋转。
在筛分阶段，翻转筛板2211挡住固定板214缺口2218，翻转筛板2211起到筛分的作用。在排出岩屑进行称量阶段，翻转筛板2211由翻转轴2213带动旋转一定角度，打开固定筛板2212缺口2218，岩屑排出筛分箱22。
筛分箱22在水平往复运动过程中，当翻转筛板2211未打开时，大于筛筛孔2214孔径的岩屑留在筛分箱22中，小于筛孔2214孔径的岩屑通过筛孔2214掉落出筛分箱22；当翻转筛板2211打开时，筛分箱22中的岩屑全部掉落出筛分箱22。
如图5所示，筛分箱22按筛孔2214孔径大小不同分为不同级数，筛分箱22总级数以及各级筛分箱22的筛孔2214孔径由分析项目的需要确定。不同级数的筛分箱22按筛孔2214孔径由大到小的顺序从上往下安装于箱架21上，组成筛分箱组件，用紧固杆212通过螺纹连接锁紧。
本实例中筛分箱22共有4级，从上往下依次为：第一级筛分箱221、第二级筛分箱222、第三级筛分箱223、第四级筛分箱224。各级筛分箱的筛孔2214孔径由上往下逐级减小。通过筛分组件2的往复运动，第一级粒径的岩屑留在第一级筛分箱221中，其余粒径的岩屑掉落进第二级筛分箱222、第三级筛分箱223、第四级筛分箱224，粒径稍小的第二级粒径的岩屑留在第二级筛分箱222中，其余粒径的岩屑掉落进第三级筛分箱221、第四级筛分箱224，粒径更小的第三级粒径的岩屑留在第三级筛分箱223中，其余粒径的岩屑掉落进第四级筛分箱224，第四级粒径的岩屑留在第四级筛分箱224中，粒径小于第四级粒径的岩屑不被纳入分析中，因此这些岩屑掉落出第四级筛分箱224。
筛分结束后，第四级筛分箱224的翻转筛板2211首先打开，第四级筛分箱224内的岩屑在筛分组件2往复运动中逐步由缺口2218掉落入收集盘12，并进入称量机构4称量。第四级粒径岩屑称量完成后，依次为第三级筛分箱223、第二级筛分箱222、第一级筛分箱221打开，并称量岩屑。
如图1所示，进料系统3安装于机架1上部，能够向筛分箱22输送物料。如图7所示，进料系统3包括岩屑管接头31、水管接头32、岩屑管33、水管32、岩屑管口2132、水管口2133。
岩屑管接头31设置岩屑进料阀门311，岩屑管接头31安装于机架1上部，位于筛分组件2上方。
水管接头32设置进水阀门321，水管接头32安装于机架1上部，位于筛分组件2上方。
岩屑管33由软性可伸缩材料制成，岩屑管33一端与岩屑管接头31连接，另一端连接于筛分组件2上部，使岩屑能够由岩屑管接头31流入筛分组件2上部。
水管32由软性可伸缩材料制成，水管32一端与水管接头32连接，另一端连接于筛分组件2上部，使水能够由水管接头32流入筛分组件2上部。
岩屑管接头31和水管接头32安装于机架1的第一平台上的通孔中。岩屑管接头31和水管接头32的入端分别与井下返排岩屑管道、清洗水管道连接，出端分别与软材料制作的岩屑管33、水管32连接。井下返排岩屑通过振动筛筛出后，经由管道运送至岩屑管接头31，当岩屑管接头31中的岩屑进料阀门311打开时，岩屑通过岩屑管33输送至分筛组件中的分筛箱中。清洗水为自来水，接入水管接头32，当进水阀门321打开时，通过水管32输送至分筛组件中的分筛箱中，对分筛箱中的残余岩屑进行清洗。
如图8所示，称量机构4包括称称重轴舵机45、重轴44、称重台43、称重盘41、称重称42，称重盘41为凹形容器安装于称重称42上。称重轴44安装于机架1下部的轴承座161上，称重轴44由称重轴舵机45驱动，能够相对于机架1旋转。称重台43固定安装于称重轴44上，称重台43中部设置有通孔。称重称42固定安装于称重台43上，称重称42中部设置有通孔。称重盘41固定安装于称重称42上，称重盘41位于筛分箱22下部，称重盘41为漏斗状，底部设置有过滤网411，过滤网411网孔孔径小于需测试岩屑的最小粒径，过滤网411与所述称重称42、所述称重台43的通孔对齐。
当筛分好的岩屑由筛分箱22掉落入收集盘12，并通过收集盘12出口掉落入收集盘12出口下方的称重盘41后，称量称42称量出称量盘41中该级岩屑的重量。得到称量结果后，称量轴44在称重舵机45的驱动下旋转，称量盘41也随之旋转，当旋转180°后，称量盘41中已称量的岩屑掉落出称量盘41，之后转轴反向旋转复原，为下次称量准备。
如图9所示，驱动机构5包括电动机56、皮带55、带轮57、曲柄52、飞轮53、连杆51、铰链销58。连杆51通过铰链销58与筛分组件2以转动副连接。驱动机构5、筛分组件2、及机架1导轨11组成曲柄滑块机构。电动机56产生旋转运动通过皮带55带动带轮57及曲柄52旋转，飞轮53存储部分动能，增强系统平稳性，曲柄滑块机构将曲柄52的旋转运动转化为筛分组件2的水平往复运动。
如图10所示，控制系统6包括控制器61、传输线62。控制器61能够通过传输线62对进料系统3、筛分组件2、称量机构4发出动作指令，控制器61能够接收并存储称量机构4传回的岩屑重量信息，控制器61能够协调控制系统6中各执行器的动作时机。
其中执行器具体为岩屑进料阀门311、进水阀门321、筛分舵机组2217、称重轴舵机45、称重称42，岩屑进料阀门311、进水阀门321分别用于控制岩屑及水从进料系统3进入筛分组件2；筛分舵机组2217用于控制各级筛分箱22的开闭，控制岩屑是否流入收集盘12；称重轴舵机45控制称量机构4旋转，以接纳收集盘12流入的岩屑或倒出称量机构4中的岩屑；称重称42能够称出的岩屑的重量，并返回重量信息。
传输线62连接控制器61及执行器，实现控制器61及执行器之间的信息传递。
当要开始一次岩屑筛分称量工作时，控制器61通过传输线62向岩屑进料阀门311发出打开指令，岩屑进料阀门311打开设定时间，设定量的岩屑通过岩屑管33进入筛分组件2，之后岩屑进料阀门311关闭。同时，控制器61通过传输线62向进水阀门321发出打开指令，清洗水进入筛分组件2，在非称量阶段进水阀门321均打开，利于岩屑在筛分称量装置从上往下流动。岩屑进入筛分组件2后，所有筛分箱22的翻转筛分板均处于关闭状态，筛分组件2做水平往复的筛分运动，设定时间后，筛分结束。
筛分结束后，各级粒径的岩屑分别停留于对应级的筛分箱22中。之后，控制器61向第四级筛分箱224的筛分舵机发出打开指令，筛分舵机旋转，带动第四级筛分箱224的翻转筛板2211翻转，打开第四级筛分箱224的缺口2218。第四级粒径的岩屑由缺口2218掉落入收集盘12，并由收集盘12落入称量盘，第四级岩屑停留于称量盘中。
此过程中，筛分组件2继续做水平往复运动，促进岩屑沿固定板214斜面由缺口2218掉落；清洗水将残留于筛分箱22以及收集箱中的岩屑清洗至称量盘，并由称量盘的过滤网411流出。设定时间后或称量称的重量值趋于稳定后，控制器61向进水阀门321发出关闭命令，清洗水停止流入筛分组件2及称量盘，减少水流对称量过程的影响。之后，称量称将第四级粒径的岩屑称重结果传输给控制器61，控制器61存储该重量数据。之后，控制器61向称重轴舵机45发出倒料指令，舵机带动称量轴旋转，称量盘中的第四级岩屑倒出称量盘。
之后，控制器61向称重轴舵机45发出复位指令，为称量第三级粒径岩屑准备。之后，控制器61向进水阀门321及第三级筛分箱223的筛分舵机发出打开指令，筛分舵机旋转，带动第三级筛分箱223的翻转筛板2211翻转，打开第三级筛分箱223的缺口2218，第三级粒径岩屑进入称量盘称量。重复上述步骤，依次完成第四、三、二、一级粒径岩屑的称重。最后控制器61根据称重结果，计算出岩屑粒径分布，并向第一、二、三、四级筛分箱的筛分舵机2217发出关闭指令，为下一次筛分称量工作准备。
如图11所示，一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法，包括以下步骤：
S1、建立正常钻井和不同类型井下故障的标准岩屑粒径分布数据库，包括以下子步骤：
a1.将某区内能代表该区块地质特征、钻井设计及钻井施工工艺的第一口钻井施工井作为参考井；
b1.将参考井的钻进总时间T均分为以时间间隔ΔT的取样周期，在ΔT的取样周期内，选取该周期内最初一个Δt时间段内反排出的岩屑，并测量其岩屑粒径分布，该Δt时间段内反排出的岩屑的粒径分布测量工作需在ΔT的取样周期内完成；
c1.将参考井按地层构成相似、钻井工艺相似的井段划分为不同井段，如图12所示，采用多种其他井下故障监测方法，识别各井段出现的不同类型的井下故障；
d1.筛选出参考井各井段内正常钻进以及出现不同类型的井下故障期间，具有代表性的岩屑粒径分布作为标准岩屑粒径分布，并将筛选出的具有代表性的岩屑粒径分布标识为：正常钻进标准岩屑粒径分布以及多种井下故障标准岩屑粒径分布；比如：
图13为某井段在正常钻进过程中筛选出的标准标准岩屑粒径分布；
图14-16为某井段分别在发生井下故障过程中山选出的井壁大量坍塌、井壁一般坍塌、井壁微量坍塌、返排困难的标准岩屑粒径分布；
e1.建立由包含井段信息、正常钻进或井下故障信息、标准岩屑粒径分布记录条组成的标准岩屑粒径分布数据库，如果缺少某些井下故障标准岩屑粒径分布，记录留空，等待以后钻井过程中遇到时添加；
S2、建立不同类型井下故障的处理方案数据库，包括以下子步骤：
a1.采用多种其他井下故障监测方法，发现参考井的某一井段钻进中遇到井下故障时，针对该井下故障产生分析产生原因并提出多种解决方案；
b1.按照解决方案的预期有效性，依次选用不同解决方案处理该井下故障，直至解除该井下故障；
c1.将完全成功解除该井下故障的方案，作为标准井下故障处理方案记录进井下故障处理方案数据库中，如果该井下故障未能解决或者解决效果不理想时，选择相对较优的井下故障处理方案作为参考井下故障处理方案记录进井下故障处理方案数据库中，用以后钻井过程成功解决该井下故障的方案作为标准井下故障处理方案来替换参考井下故障处理方案。
S3、记录非参考井钻进过程中的实时岩屑粒径分布，具体操作方法为：
在建立某区块标准岩屑粒径分布数据库以及井下故障处理方案数据库的基础上，同区块的非参考井在钻井时，以时间间隔ΔT为取样周期，以该时间间隔ΔT内的第一个Δt为取样区间，对Δt区间内返出的岩屑按标准岩屑粒径分布相同的测试方法，测试该Δt区间内实时岩屑粒径分布；
S4、判定实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致，具体方法为：
得到某取样周期内的实时岩屑粒径分布后，立即对照分析实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布数据库中的相同井段内所有标准岩屑粒径分布的相似度，根据相似度判定实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致；
S5、根据实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致做出实时决策：继续钻进或故障处理，并向标准岩屑粒径分布数据库和故障处理方案数据库更新数据，包括以下情况：
当实时岩屑粒径分布与正常钻进标准岩屑粒径分布一致时，钻井按当前作业参数继续钻进；
当实时岩屑粒径分布与该井段某种井下故障的标准岩屑粒径分布一致时，应立即从故障处理方案数据库中查找该故障对应的标准井下故障处理方案，处理井下故障后，故障解除后，继续钻进；如果故障处理方案数据库中存在该故障的参考故障处理方案，可按参考故障处理方案处理井下故障，也可以重新根据故障原因制定新的故障处理方案，当新的故障处理方案能够完全解除井下故障时，将新方案作为标准井下故障处理方案记录进故障处理方案数据库，当新的故障处理方案不能够完全解除井下故障，但效果优于参考井下故障处理方案时，用新方案替换原参考井下故障处理方案，记录进故障处理方案数据库中；
当实时岩屑粒径分布在同井段的标准岩屑粒径分布数据库中不能找到一致的标准岩屑粒径分布时，说明井下出现了以前从未出现过的新故障，应该立即停钻，并开展井下故障分析，制定有效的故障处理方案，直至故障处理后继续钻进；此过程中，当井下故障分析明确后，需要向标准岩屑粒径分布数据库添加该故障所对应的标准岩屑粒径分布；当制定的故障处理方案实施有效后，需要向井下故障处理方案数据库添加该故障处理方案作为标准故障处理方案或参考故障处理方案。
其中所述岩屑粒径分布测试方法为：
a1.以时间Δt为取样区间，对该Δt区间内返出的岩屑采用上述实施例的一种多级粒径岩屑筛分称量装置按岩屑粒径大小进行分级筛分并称量；
b1.记录取样岩屑总重量为W，记录各级粒径岩屑重量分别为：W1、W2…、Wk…、Wn；
c1.区间Δt内岩屑粒径分布为Ftk＝(f1、f2…、fk…、fn)，其中
Figure BDA0002642550630000181
d1.分析某井段正常钻进时段内所有区间Δt内的岩屑粒径分布，选出具有代表性的一种作为该井段标准正常钻进岩屑粒径分布Fz；
e1.分析某井段发生某种井下故障时段内所有区间Δt内的岩屑粒径分布，选出具有代表性的一种作为该井段的某种标准井下故障岩屑粒径分布Fg；
本发明中根据相似度判定实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致，具体为：
a1.记标准岩屑粒径分布的各级粒径的岩屑质量百分比为p＝(p1、p2…、pk…、pn)；
记实时岩屑粒径分布的各级粒径的岩屑质量百分比为q＝(q1、q2、…、qk…、qn)；
b1.记实时岩屑粒径分布相对于标准岩屑粒径分布的偏差为g＝(g1、g2、…、gk…、gn)；
其中，gk为单级偏差，
Figure BDA0002642550630000182
Gp为总偏差，Gp＝g1+g2+…、+gk…、+gn
c1.记dk为单级相似度，dk＝1-gk；记Ds为总相似度，Ds＝n-Gp，n为岩屑粒径级数；
d1.根据实际钻井经验设定单级一致判定值dd；总体一致相似度判定值Dd；
e1.当dk≥dd，k＝1,2,..k,..,n；且Ds≥Dd时，判定实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布一致，否则不一致。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，包括：
机架(1)，所述机架(1)上设有导轨(11)、与导轨(11)平行的导杆(13)和位于导轨(11)下方的收集盘(12)；
筛分组件(2)，所述筛分组件(2)包括箱架(21)和从上到下依次安装在箱架(21)内的若干个筛分箱(22)，所述筛分箱(22)的底部设有若干个孔径相同的筛孔(2214)，其中从上到下各个筛分箱(22)的筛孔(2214)的孔径依次减小，所述箱架(21)的上下两端分别滑动连接在所述杆(13)、导轨(11)上；
进料系统(3)，所述进料系统(3)安装于所述机架(1)上部，能够向所述筛分箱(22)输送物料；
称量机构(4)，所述称量机构(4)位于收集盘(12)的下方；和
驱动机构(5)，所述驱动机构(5)与所述箱架(21)连接，驱动箱架(21)在导轨(11)做水平往复运动。
2.根据权利要求1所述的一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，所述箱架(21)包括：
底板(211)，所述底板(211)下部设有滑槽(2111)、挡料板(2112)，所述滑槽(2111)滑动连接在所述导轨(11)上，所述挡料板(2112)为两端开口的筒形；
顶板(213)，所述顶板(213)位于所述底板(211)正上方，所述顶板(213)设有紧固盖孔(2134)、岩屑管口(2132)、水管口(2133)、导向环(2131)，所述导向环(2131)与所述机架(1)上的导杆(13)滑动配合；
固定板(214)，所述固定板(214)上下两端分别可拆卸连接在顶板(213)、底板(211)的左端面上；
拉板(215)，所述拉板(215)上下两端分别可拆卸连接在顶板(213)、底板(211)的右端面上，所述拉板(215)的侧面上设有铰链座(2151)，所述铰链座(2151)与所述驱动机构(5)以铰接；和
紧固杆(212)，所述紧固杆(212)一端固定在所述底板(211)上，所述紧固杆(212)的另一端穿过筛分箱(22)、顶板(213)的紧固盖孔(2134)。
3.根据权利要求2所述的一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，所述筛分箱(22)包括：
筛分箱体(2216)，所述筛分箱体(2216)四角处设有紧固孔(2215)，所述紧固孔(2215)被所述紧固杆(212)穿过；
筛板组件，所述筛板组件安装在所述筛分箱体(2216)的内腔底部；所述筛板组件包括固定筛板(2212)、翻转轴(2213)、翻转筛板(2211)，所述翻转筛板(2211)固定在所述翻转轴(2213)的外圆周面上，所述翻转轴(2213)两端转动连接在所述筛分箱体(2216)内；和
筛板舵机(2217)，所述筛板舵机(2217)固定在所述筛分箱体(2216)的侧面上，所述筛板舵机(2217)驱动所述翻转轴(2213)旋转。
4.根据权利要求1所述的一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，所述称量机构(4)包括：
称重轴(44)，所述称重轴(44)两端转动连接在所述机架(1)的下部；
称重台(43)，所述称重台(43)固定安装于所述称重轴(44)上，所述称重台(43)中部设置有第二通孔(431)；
称重称(42)，所述称重称(42)固定安装于所述称重台(43)上，所述称重称(42)中部设置有第一通孔(421)；
称重盘(41)，所述称重盘(41)固定安装于称重称(42)上，所述称重盘(41)位于所述收集盘(12)正下方，所述称重盘(41)为漏斗状，底部设置有过滤网(411)，所述过滤网(411)与所述第一通孔(421)、第二通孔(431)对齐；和
称重轴舵机(45)，所述称重轴舵机(45)驱动所述称重轴(44)连接。
5.根据权利要求2所述的一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，所述驱动机构(5)包括皮带(55)、铰链销(58)和固定安装于所述机架(1)上的曲柄滑块组件、电动机(56)，所述曲柄滑块组件通过所述铰链销(58)与所述铰链座(2151)以转动副连接，所述电动机(56)通过皮带(55)带动曲柄滑块组件运动。
6.根据权利要求2所述的一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，所述进料系统(3)包括：
岩屑管接头(31)，所述岩屑管接头(31)安装于机架(1)上部；
水管接头(32)，所述水管接头(32)安装于机架(1)上部；
岩屑管(33)，所述岩屑管(33)两端分别与岩屑管口(2132)、岩屑管接头(31)连通；和
水管(32)，所述水管(32)两端分别与水管口(2133)、水管接头(32)连通。
7.根据权利要求6所述的一种多级粒径岩屑筛分称量装置，其特征在于，该装置还包括控制系统(6)，所述控制系统(6)包括控制器(61)、传输线(62)，所述岩屑管接头(31)上设有岩屑进料阀门(311)，所述水管接头(32)上设有进水阀门(321)，所述控制器(61)通过传输线(62)分别与屑进料阀门(311)、进水阀门(321)、筛板舵机(2217)、称重称(42)、称重轴舵机(45)电性连接。
8.一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立正常钻井和不同类型井下故障的标准岩屑粒径分布数据库；
S2、建立不同类型井下故障的处理方案数据库；
S3、将返出井口的岩屑收集并通过权利要求1的筛分称量装置按岩屑粒径大小进行分级筛分和称量来获取实时的岩屑粒径分布，再判定实时的岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致；
S4、根据实时的岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致做出实时决策：
若实时的岩屑粒径分布与正常钻井的标准岩屑粒径分布是一致，则继续钻进；
若实时的岩屑粒径分布与不同类型井下故障的标准岩屑粒径分布是一致，则立即从故障处理方案数据库中查找该故障对应的标准井下故障处理方案，处理井下故障后，故障解除后，继续钻进；
若实时的岩屑粒径分布在标准岩屑粒径分布数据库中不能找到一致的标准岩屑粒径分布时，说明井下出现了以前从未出现过的新故障，应该立即停钻，并开展井下故障分析，制定有效的故障处理方案，直至故障处理后继续钻进；并向标准岩屑粒径分布数据库和处理方案数据库更新数据。
9.根据权利要求8所述的一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法，其特征在于：所述岩屑粒径分布的获取方式如下：
a、以时间Δt为取样区间，对该Δt区间内返出的岩屑采用权利要求1所述的筛分称量装置按岩屑粒径大小进行分级筛分并称量；
b、记录取样岩屑总重量W以及各级粒径岩屑重量Wk；
c、根据如下公式计算区间Δt内岩屑粒径分布fk，
Figure FDA0002642550620000051
式中：fk为岩屑粒径分布；W为取样岩屑总重量；Wk为各级粒径岩屑重量。
10.根据权利要求8所述的一种基于岩屑粒径分布的井下故障分析处理方法，其特征在于：所述判定实时的岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布是否一致的具体步骤如下：
A、根据以下公式计算实时岩屑粒径分布相对于标准岩屑粒径分布的单级偏差gk；
Figure FDA0002642550620000052
式中：pk为标准岩屑粒径分布的各级粒径的岩屑质量百分比；qk为实时岩屑粒径分布的各级粒径的岩屑质量百分比；
B、将各个单级偏差gk求和得到实时岩屑粒径分布相对于标准岩屑粒径分布的；
C、再根据单级偏差gk和单偏差Gp获得单级相似度dk以及Ds；
dk＝1-gk
Ds＝n-Gp
式中：n为岩屑粒径级数；
D、根据设定的单级一致判定值dd和总体一致相似度判定值Dd进行判断；当dk≥dd，k＝1,2,..k；且Ds≥Dd时，判定实时岩屑粒径分布与标准岩屑粒径分布一致，否则不一致。
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