CN112946084A - 一种钻具应力分布检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻具应力分布检测装置，包括声发射检测模块、磁记忆检测模块、信号处理模块以及电机驱动模块，所述声发射检测模块包括多个声发射检测探头，呈环状设置在钻具上；所述磁记忆检测模块包括多个磁记忆主动式探头，且多个磁记忆主动式探头活动设置在钻具外围，所述多个磁记忆主动式探头能够测量钻具不同方向上的磁记忆信号；所述信号处理模块接收声发射检测模块获得的不同声发射检测探头获得的声发射信息并定位声发射区域，控制电机驱动模块驱动所述磁记忆检测模块运动到声发射区域并记录磁记忆信号，能够实现对钻具损伤和应力分布情况整体的评估。

Description

一种钻具应力分布检测装置

技术领域

本发明涉及钻具应力分析技术领域，具体涉及一种钻具应力分布检测装 置。

背景技术

在钻井过程中，钻具在井下的受力情况复杂，对油田的钻具失效统计分 析表明，钻具失效主要表现为钻具外螺纹部位断裂破坏以及扶正器、配合接 头相关的失效。钻具包括钻杆和螺纹。根据工程力学知识，工件在受外力作 用时，应力集中在工件表面形状突变的部位，如尖角、台阶等。为尽量避免 这种情况的发生，在螺栓连接中,螺纹收尾处改为退刀槽，在API标准钻铤 螺纹上加工API应力减轻槽，为了确定在给定的工况下，提供应力最小的应 力减轻槽结构是有效的减少钻具失效的手段，因此，钻具应力分布的检测与 分析的研究具有重要意义。

申请号为CN201320011971.7的现有技术1公开了一种钻具外螺纹应力状 况检测装置，结合附图1，钻具外螺纹应力信号是通过强磁记忆传感器来检测 的，为保护传感器机构和灵敏度，实现非接触式检测，强磁记忆传感器封装 于传感器壳13中，传感器壳13通过轴销12固定于传感器安装环上11上， 同时在小滑杆上套入小弹簧10，通过调节小滑杆内螺纹端螺钉7来改变弹簧 的压缩量，从而对传感器安装环11施加径向力，使传感器壳13与不同尺寸 钻具外螺纹接头的紧密接触，从而实现传感检测装置对不同钻具接头的自适 应性，调整圆盘5下端通过紧定螺钉6与步进电机4输出轴连接，上端通过 螺钉30与限位盘31连接，限位盘31的作用是利用其外径使调整圆盘预张开 一定的范围，不同的限位盘有不同的外径，在检测不同类型的钻具接头时， 换上相应尺寸的限位盘即可，步进电机4转动时，带动调整圆盘5转动，从 而使整个检测机构实现外螺纹周向检测。为达到全面检测的目的，采用对称 分布的方式来安装传感器。传感检测机构通过立杆22和电机支撑换2与驱动 系统和定位夹紧系统连接在一起。电机驱动系统主要有电机护套1，步进电机 4，电机支撑换2和紧定螺钉3组成，作用是驱动传感检测机构沿圆周方向运 动，完成对钻杆外螺纹的信号采集。

申请号为CN201510825193.9的现有技术2公开了一种钻具载荷压弯扭分 离的测试方法,参见附图2，首先在与钻具同尺寸的圆柱杆横截面上等间距选 取三点，并分别放置应变传感器测量轴向应变，在任一点处的其它方向放置 一个应变传感器测量该方向应变，然后通过在有限元仿真软件中建立螺纹杆 模型、圆柱杆模型，得到钻具轴向应力值与圆柱杆轴向应力值的差值、钻具 与圆柱杆在同一个斜面上的切应力比值，最后计算得到钻具的轴力、弯矩、 扭矩。本发明与现有技术相比将钻具作为与钻具同尺寸的圆柱杆叠加螺纹后的产物，通过测量三点处的轴应变和任一点处其它方向上的应变，实现了复 合载荷的轴力、弯矩和扭矩的分离测试，具有方法简单、准确可靠的优点。

以上两篇现有技术分别通过强磁记忆传感器和应力传感器对钻具螺纹上 的应力进行检测，并未针对可能存在应力集中的钻具内螺纹以及钻杆进行检 测。其中现有技术1并未对如何实现钻具螺纹上的应力分布情况以及如何判 定钻具损伤进行研究；现有技术2中虽然采用有限元仿真软件建立了螺纹杆 模型、圆柱杆模型，最后计算得到钻具的轴力、弯矩、扭矩。但是由于钻具 材料以及工艺的不同，钻具的损伤程度与钻具的性能有关，现有技术存在无 法根据钻具的受到的轴力、弯矩、扭矩来判定钻具的损伤程度的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻具应力分布检测装置，具备在分析钻具应 力分布的同时还能进行钻具损伤程度评价等优点；并且本发明能够根据损伤 位置进一步完善针对钻杆和钻具内外螺纹的应力分布情况。

为实现上述目的，本发明提供其中一个技术方案为：

一种钻具应力分布检测装置，包括声发射检测模块、磁记忆检测模块、 信号处理模块以及电机驱动模块；

所述声发射检测模块包括多个声发射检测探头，呈环状设置在钻具上；

所述磁记忆检测模块包括多个磁记忆主动式探头，且多个磁记忆主动式 探头活动设置在钻具外围，所述多个磁记忆主动式探头能够测量钻具不同方 向上的磁记忆信号；

所述信号处理模块接收声发射检测模块获得的不同声发射检测探头获得 的声发射信息并定位声发射区域，控制电机驱动模块驱动所述磁记忆检测模 块运动到声发射区域并记录磁记忆信号；

所述多个声发射检测探头由环形箍固定，所述环形箍可拆卸的设置在钻 具上。

所述多个磁记忆主动式探头设置在环形箍二上，所述环形箍二固定在滑 块上，所述环形箍二环绕所述钻具，所述电机驱动模块包括步进电机、丝杆、 滑轨和滑块；所述丝杆由步进电机驱动，所述丝杠驱动所述滑块在滑轨上滑 动。所述步进电机与信号处理模块电性连接，受控于信号处理模块。

优选的，所述声发射检测模块包括与声发射检测探头连接的前置放大模 块，所述前置放大模块与声发射检测探头一一匹配，多路前置放大模块均与 信号采集模块连接；所述信号采集模块能够采集多路信号并进行AD转换，并 行接收AD转换后的数字信号；

所述信号处理模块并行处理所述数字信号得到能量分布、振铃计数以及 相应的振铃幅值；根据多路数字信号的能量分布、振铃计数的频率匹配声发 射事件，进而根据不同位置的声发射检测探头接收到的各个声发射事件的传 播时间确定声发射区域。

优选的，所述信号处理模块还用于实现基于优先级的PID模糊控制方法， 所述基于优先级的PID模糊控制方法综合声发射区域中振铃计数和能量分布 来确定定位优先级，根据定位优先级采用模糊PID算法计算出运动控制信号； 采用模糊方法根据偏差和偏差的变化率，对常规PID控制器进行修正，通过 模糊推理来调整模糊PID参数以输出运动量。

优选的，多个磁记忆主动式探头可以为霍尔元件和/或磁敏电阻，可以检 测到钻具在钻进过程中拾取地磁场作用条件下的钻具漏磁场信息，钻具的应 力分布情况可以通过磁场分布清晰地显现出来。

优选的，所述磁记忆检测模块还包括与多路并行的放大调理电路，所述 放大调理电路将多个磁记忆主动式探头检测的多路信号进行放大、AD转换后 电连接到信号处理模块。

所述信号处理模块并行处理所述磁记忆检测信号，并将所述声发射事件 参数如振铃计数、振铃幅值、能量计数等与磁记忆检测信号进行位置、时间 对应，以得出钻具的应力分布情况以及损伤情况。

所述信号处理模块可由带有软核或者ARM内核的FPGA实现，亦可由FPGA 和DSP综合硬件电路实现。

本发明还提供了一种钻具应力分布检测方法，包括如下步骤：

S1、获取呈环状设置在钻具上的多个声发射检测探头测量得到的声发射 信息；

S2、根据多个位置的所述声发射信息定位声发射区域；

S3、采用基于优先级的PID模糊控制方法将多个磁记忆主动式探头移动 至声发射区域；

S4、得到钻具的磁记忆信号结合声发射事件参数得到钻具的应力分布和 损伤情况。

优选的，S1步骤中的所述多个声发射检测探头依次连接前置放大模块以 及信号采集模块，所述前置放大模块与声发射检测探头一一匹配，多路前置 放大模块均与信号采集模块接口连接；所述信号采集模块能够采集多路信号 并进行AD转换，并行接收AD转换后的数字信号。

优选的，S2步骤中定位声发射区域具体方法为：并行处理所述数字信号 得到能量分布、振铃计数以及相应的振铃幅值；根据多路数字信号的能量分 布、振铃计数的频率匹配声发射事件，进而根据不同位置的声发射检测探头 接收到的各个声发射事件的传播时间确定声发射区域。

优选的，S3步骤中的所述基于优先级的PID模糊控制方法综合声发射区 域中振铃计数和能量分布来确定定位优先级，根据定位优先级采用模糊PID 算法计算出运动控制信号；采用模糊方法根据偏差和偏差的变化率，对常规 PID控制器进行修正，通过模糊推理来调整模糊PID参数以输出运动量。

优选的，S3步骤中的所述多个磁记忆主动式探头设置在环形箍二上，所 述环形箍二固定在丝杆上，所述环形箍二环绕所述钻具，所述丝杆由步进电 机驱动。

优选的，S4步骤中的声发射事件参数包括振铃计数、振铃幅值、能量计 数等。

优选的，S4中的钻具的应力分布和损伤情况可同步显示以供分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：具有声发射检测模块，能够 在钻具实际钻进的过程中得到钻具的损伤情况并定位，得到声发射区域后按 照声发射事件严重程度优先级驱动磁记忆检测模块到达声发射区域以实现钻 具应力分布的动态检测，能够实现对钻具损伤和应力分布情况整体的评估。

附图说明

图1为现有技术1公开的一种钻具外螺纹应力状况检测装置示意图。

图2为现有技术2公开的一种钻具载荷压弯扭分离的测试装置安装示意 图。

图3为钻具应力分布检测系统框图。

图4为钻具应力分布检测电路实施框图。

图5为电机驱动模块机构图。

图6为钻具应力分布检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图3其中一个实施例为：一种钻具应力分布检测装置，包括声发 射检测模块2、磁记忆检测模块3、信号处理模块1以及电机驱动模块4；

所述声发射检测模块2包括多个声发射检测探头2-1，呈环状设置在钻具 上(图未示出)；

所述磁记忆检测模块3包括多个磁记忆主动式探头3-1，且多个磁记忆主 动式探头3-1活动设置在钻具外围，所述多个磁记忆主动式探头3-1能够测 量钻具不同方向上的磁记忆信号；

所述信号处理模块1接收声发射检测模块2获得的不同声发射检测探头 2-1获得的声发射信息并定位声发射区域，控制电机驱动模块4驱动所述磁记 忆检测模块3运动到声发射区域并记录磁记忆信号；

所述多个声发射检测探头2-1由环形箍固定，所述环形箍可拆卸的设置 在钻具上。

如图5所示，多个磁记忆主动式探头3-1设置在环形箍二4-4上，所述 环形箍二4-4固定在滑块4-3上，所述环形箍二4-4环绕所述钻具，所述电 机驱动模块4包括步进电机4-1、丝杆4-2、滑轨4-5和滑块4-3；所述丝杆 由步进电机驱动，所述丝杠4-2转动驱动所述滑块4-3在滑轨4-5上滑动。 所述步进电机4-1与信号处理模块1电性连接，受控于信号处理模块1。

作为优选的实施方式，如图4所示，所述声发射检测模块2包括与声发 射检测探头2-1连接的前置放大模块2-2，所述前置放大模块2-2与声发射检 测探头2-1一一匹配，多路前置放大模块2-2均与信号采集模块6接口连接； 所述信号采集模块6能够采集多路信号并进行AD转换，并行接收AD转换后 的数字信号；

所述信号处理模块1并行处理所述数字信号得到能量分布、振铃计数以 及相应的振铃幅值；根据多路数字信号的能量分布、振铃计数的频率匹配声 发射事件，进而根据不同位置的声发射检测探头2-1接收到的各个声发射事 件的传播时间确定声发射区域。

作为优选的实施方式，所述信号处理模块1还用于实现基于优先级的PID 模糊控制方法，所述基于优先级的PID模糊控制方法综合声发射区域中振铃 计数和能量分布来确定定位优先级，根据定位优先级采用模糊PID算法计算 出运动控制信号；采用模糊方法根据偏差和偏差的变化率，对常规PID控制 器进行修正，通过模糊推理来调整模糊PID参数以输出运动量。

作为优选的实施方式，多个磁记忆主动式探头3-1可以为霍尔元件和/或 磁敏电阻，可以检测到钻具在钻进过程中拾取地磁场作用条件下的钻具漏磁 场信息，钻具的应力分布情况可以通过磁场分布清晰地显现出来。

作为优选的实施方式，所述磁记忆检测模块3还包括与多路并行的放大 调理电路3-2，所述放大调理电路3-2将多个磁记忆主动式探头检测的多路信 号进行放大、AD转换后电连接到信号处理模块1。

作为优选的实施方式，所述信号处理模块1并行处理所述磁记忆检测信 号，并将所述声发射事件参数如振铃计数、振铃幅值、能量计数等与磁记忆 检测信号进行位置、时间对应，以得出钻具的应力分布情况以及损伤情况。

作为优选的实施方式，所述信号处理模块1可由带有软核或者ARM内核 的FPGA实现，亦可由FPGA和DSP综合硬件电路实现。

实施例2

如图6所示，本实施例公开了一种钻具应力分布检测方法，包括如下步 骤：

S1、获取呈环状设置在钻具上的多个声发射检测探头测量得到的声发射 信息；

S2、根据多个位置的所述声发射信息定位声发射区域；

S3、采用基于优先级的PID模糊控制方法将多个磁记忆主动式探头移动 至声发射区域；

S4、得到钻具的磁记忆信号，结合声发射事件参数得到钻具的应力分布 和损伤情况。

作为优选的实施方式，S1步骤中的所述多个声发射检测探头依次连接前 置放大模块以及信号采集模块，所述前置放大模块与声发射检测探头一一匹 配，多路前置放大模块均与信号采集模块接口连接；所述信号采集模块能够 采集多路信号并进行AD转换，并行接收AD转换后的数字信号。

作为优选的实施方式，S2步骤中定位声发射区域具体方法为：并行处理 所述数字信号得到能量分布、振铃计数以及相应的振铃幅值；根据多路数字 信号的能量分布、振铃计数的频率匹配声发射事件，进而根据不同位置的声 发射检测探头接收到的各个声发射事件的传播时间确定声发射区域。

作为优选的实施方式，S3步骤中的所述基于优先级的PID模糊控制方法 综合声发射区域中振铃计数和能量分布来确定定位优先级，根据定位优先级 采用模糊PID算法计算出运动控制信号；采用模糊方法根据偏差和偏差的变 化率，对常规PID控制器进行修正，通过模糊推理来调整模糊PID参数以输 出运动量。

作为优选的实施方式，S3步骤中的所述多个磁记忆主动式探头设置在环 形箍二上，所述环形箍二固定在丝杆上，所述环形箍二环绕所述钻具，所述 丝杆由步进电机驱动。

作为优选的实施方式，S4步骤中的声发射事件参数包括振铃计数、振铃 幅值、能量计数等。

作为优选的实施方式，S4中的钻具的应力分布和损伤情况可同步显示以 供分析。

上述实施方式中能够对声发射事件定位，能够在钻具实际钻进的过程中 得到钻具的损伤情况，得到声发射区域后按照声发射事件严重程度优先级驱 动磁记忆检测模块到达声发射区域以实现钻具应力分布的动态检测，能够实 现对钻具损伤和应力分布情况整体的评估。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (6)

1.一种钻具应力分布检测装置，包括声发射检测模块、磁记忆检测模块、信号处理模块以及电机驱动模块，其特征在于：

所述声发射检测模块包括多个声发射检测探头，呈环状设置在钻具上；

所述磁记忆检测模块包括多个磁记忆主动式探头，且多个磁记忆主动式探头活动设置在钻具外围，所述多个磁记忆主动式探头能够测量钻具不同方向上的磁记忆信号；

所述信号处理模块接收声发射检测模块获得的不同声发射检测探头获得的声发射信息并定位声发射区域，控制电机驱动模块驱动所述磁记忆检测模块运动到声发射区域并记录磁记忆信号。

2.根据权利要求1所述的一种钻具应力分布检测装置，其特征在于：所述多个声发射检测探头由环形箍固定，所述环形箍可拆卸的设置在钻具上。

3.根据权利要求1所述的一种钻具应力分布检测装置，其特征在于：所述多个磁记忆主动式探头设置在环形箍二上，所述环形箍二固定在滑块上，所述环形箍二环绕所述钻具，所述电机驱动模块包括步进电机、丝杆、滑轨和滑块；所述丝杆由步进电机驱动，所述丝杠驱动所述滑块在滑轨上滑动，所述步进电机与信号处理模块电性连接，受控于信号处理模块。

4.根据权利要求1所述的一种钻具应力分布检测装置，其特征在于：所述声发射检测模块包括与声发射检测探头连接的前置放大模块，所述前置放大模块与声发射检测探头一一匹配，多路前置放大模块均与信号采集模块连接；所述信号采集模块能够采集多路信号并进行AD转换，并行接收AD转换后的数字信号。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种钻具应力分布检测装置，其特征在于：所述信号处理模块并行处理所述数字信号得到能量分布、振铃计数以及相应的振铃幅值；根据多路数字信号的能量分布、振铃计数的频率匹配声发射事件，进而根据不同位置的声发射检测探头接收到的各个声发射事件的传播时间确定声发射区域。

6.根据权利要求3所述的一种钻具应力分布检测装置，其特征在于：所述磁记忆检测模块还包括与多路并行的放大调理电路，所述放大调理电路将多个磁记忆主动式探头检测的多路信号进行放大、AD转换后电连接到信号处理模块。

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