CN113530519A - 分布式钻井动态参数监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式钻井动态参数监测装置，其包含：多个设置在井下不同位置的动态监测短节，其中，动态监测短节包含：动态参数监测传感器，其用于采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据；微型电路板，其具备耐高温能力，用于基于传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价，并进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整；电源，其用于为动态参数监测传感器以及微型电路板供电。本发明对整个钻具组合进行多位置动态参数监测，为综合分析钻具组合的受力和运动情况进行全面“体检”，所获取的各项监测数据，是进行钻井参数优化、提高钻井速度的重要依据。

Description

分布式钻井动态参数监测装置及方法

技术领域

本发明涉及油气井工程井下随钻测量技术领域，具体地说，涉及一种分布式钻井动态参数监测装置及方法。

背景技术

目前，现有的井下钻井参数监测技术主要是存储式钻井参数监测短节，其中有些监测短节能够挂接MWD，实现实时传输。在实际使用中，单一监测短节接入钻具组合后，只能测量到短节所在位置的工程参数，如三轴冲击振动加速度、转速等。

现有技术存在的主要问题有两个方面，一是所测数据频率低，通常为几秒或几十秒，所测数据无法用于分析钻铤在钻井过程中的非线性动力学行为。二是测点位置单一，无法反映整个钻具组合甚至整个底部钻柱的受力变化情况。

贝克休斯公司研制了地面测量系统和近钻头测量系统两种测量工具，其中地面测量系统安装在方钻杆接头上方，可测量轴向力和扭矩、轴向和扭转加速度和转速，地面测量系统对扭转和粘滑运动的分析效果显著，其缺点是无法准确判断井下横向振动。近钻头测量工具测量轴向加速度、横向弯矩、扭转角速度以及轴向力和扭矩，可以分析轴向振动、横向振动、扭转振动及粘滑运动等振动形式。

哈里伯顿公司研制的钻柱动态参数测量工具DDS为存储式振动传感器，可同时记录加速度均值，峰值和瞬时值。通过测量横向、轴向、切向和径向加速度来判断横向振动、跳钻、粘滑运动及涡动等运动状态，根据该信息，可以通过钻头类型、BHA结构、井身结构和钻井参数的优化选择减弱钻柱有害振动，提高钻进效率。其优点是测量的瞬时加速度值采样频率高，可以进行频谱特性分析，有利于深入揭示井下钻柱振动的激励机制和固有特性。不足是缺少实时数据，井下振动情况反馈不及时。

斯伦贝谢公司研制了多轴振动监测工具MVC，是一个安装在钻柱轴心上四轴振动信号测量工具，采用泥浆脉冲实时上传井下振动数据，可以及时监测井下钻柱振动状态，从而提高钻进效率。MVC的不足是无法提取井下振动信号的频率成分。

APS公司研制的钻柱振动监控系统由监测和控制两部分组成，监测系统用于实时监测钻柱三轴振动，测量钻头钻压、扭矩和温度等参数，控制系统实际上是一个多轴振动减振器构成的减振系统。

RES公司研制的环境严重程度监测工具ESM结构紧凑，以偏心方式安装于钻铤短节内，可以接在钻柱或底部钻具组合的任意位置，采用存储式记录方式，通过数据回放判断横向振动、跳钻、粘滑及涡动等运动状态。

综上所述，现有所述的动态参数监测工具存在以下问题：

(1)国内现有工程参数测量系统测量的数据种类少、精度低、井下测量短节不耐高温，不能满足深井超深井使用。

(2)现有工程参数测量系统不能实现监测数据的实时上传，需要起钻后进行数据分析，无法随钻实时指导钻井参数调整。

(3)现有工程参数测量短节起钻后数据分析中，没有智能数据分析和诊断功能，缺少地面数据分析处理和井下风险提示功能。

因此，本发明提供了一种分布式钻井动态参数监测装置及方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种分布式钻井动态参数监测装置，所述装置包含：多个设置在井下不同位置的动态监测短节，其中，所述动态监测短节包含：

动态参数监测传感器，其用于采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据；

微型电路板，其具备耐高温能力，用于基于所述传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价，并进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整；

电源，其用于为所述动态参数监测传感器以及所述微型电路板供电。

根据本发明的一个实施例，所述动态参数监测传感器包含：应变片、三轴MEMS振动加速度计以及MEMS陀螺传感器。

根据本发明的一个实施例，表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数包含：钻压、扭矩、弯矩、管柱压力、环空压力、三轴振动、三轴冲击、转速以及温度。

根据本发明的一个实施例，所述微型电路板包含：

信号调理电路，其用于对所述传感器数据进行调理，转换成便于模数转换芯片采集的模拟信号；

数据采集电路，其用于对所述模拟信号进行模数转换处理，以得到数字信号；

微控制器，其用于控制数据采集以及数据存储过程，具备数据回放能力以及数据传送能力；

井下智能分析模块，其用于进行均值统计、方差统计，并进行基于转速的粘滑度分析、钻具涡动严重程度分析、卡钻预警分析、井下摩阻分析、基于扭矩的粘滑度分析；

大容量存储器，其用于存储数据供所述微控制器进行数据回放，并供所述井下智能分析模块进行数据分析。

根据本发明的一个实施例，所述动态监测短节设置在钻头上部、螺杆前后、钻铤位置以及钻柱位置。

根据本发明的一个实施例，所述动态监测短节设置在提速工具的前后位置，用于对所述提速工具的效果进行实时定量评价。

根据本发明的一个实施例，所述动态监测短节设置在钻头根部位置，用于对扭力冲击器的效果进行定量分析。

根据本发明的一个实施例，所述动态监测短节设置在井口至钻头之间，用于识别托压发生的位置。

根据本发明的一个实施例，在水力振荡器前后各布置一个所述动态监测短节，用于监视所述水力振荡器前后的压力变化，以评价所述水力振荡器的效果。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种分布式钻井动态参数监测方法，所述方法包含以下步骤：

采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据；

基于所述传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价；

进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整。

本发明提供的分布式钻井动态参数监测装置及方法对整个钻具组合进行多位置动态参数监测，为综合分析钻具组合的受力和运动情况进行全面“体检”，所获取的各项监测数据，是进行钻井参数优化、提高钻井速度的重要依据。此外，本发明对于提速工具的效果评价也提供了量化依据。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的分布式钻井动态参数监测装置结构框图；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的分布式钻井动态参数监测装置结构框图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的动态监测短节安装位置示意图；以及

图4显示了根据本发明的一个实施例的分布式钻井动态参数监测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的分布式钻井动态参数监测装置结构框图。分布式钻井动态参数监测装置100包含多个设置在井下不同位置的动态监测短节101-10n(n＝2，3，4…)，其中，动态监测短节101包含：动态参数监测传感器1011、微型电路板1012以及电源1013。

其中，动态参数监测传感器1011用于采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据。微型电路板1012具备耐高温能力，用于基于传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价，并进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整。电源1013用于为动态参数监测传感器1011以及微型电路板1012供电。

在一个实施例中，每一个动态监测短节的机械结构本体上都包含传感器槽、电路板槽以及电池槽。

具体来说，动态参数监测传感器包含应变片、三轴MEMS振动加速计以及MEMS陀螺传感器。

具体来说，将三轴MEMS振动加速计安装在微型电路板上，实现对井下三轴振动的监测，便于进行轴向振动和径向振动等级的监测和分析。

具体来说，选择三轴MEMS振动加速计量程为±200g，三轴MEMS振动加速计输出电压与振动加速度的对应关系为20mV/g,输出信号为±4000mV。为了提高信号驱动能力，减少信号干扰，需在三轴MEMS振动加速计输出端和数据采集电路之间加一个由OP27运放构成的跟随器，以提高信号稳定性。

具体来说，表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数包含：钻压、扭矩、弯矩、管柱压力、环空压力、三轴振动、三轴冲击、转速以及温度。

在一个实施例中，微型电路板1012包含：信号调理电路、数据采集电路、微控制器、井下智能分析模块以及大容量存储器。

其中，信号调理电路，其用于对传感器数据进行调理，转换成便于模数转换芯片采集的模拟信号。数据采集电路，其用于对模拟信号进行模数转换处理，以得到数字信号。微控制器，其用于控制数据采集以及数据存储过程，具备数据回放能力以及数据传送能力。井下智能分析模块，其用于进行均值统计、方差统计，并进行基于转速的粘滑度分析、钻具涡动严重程度分析、卡钻预警分析、井下摩阻分析、基于扭矩的粘滑度分析。大容量存储器，其用于存储数据供微控制器进行数据回放，并供井下智能分析模块进行数据分析。

具体地，信号调理电路的目的是将各种动态参数监测传感器输出的原始信号，转换成便于模数转换芯片采集的模拟信号。同时，考虑到井下环境恶劣，为提高信号的抗噪性，信号调理电路将前述一种或几种的传感器信号统一调整到一定范围内的双端共模信号，并送入高速高精度模/数转换专用芯片，为后续的数据采集电路提供信号。

在一个实施例中，井下智能分析模块能够进行粘滑严重度分析、钻具涡动严重程度，卡钻预警数据等数据。此外，如托压严重程度、还具有预警卡钻、岩屑床堆积风险提示、井径缩小风险数据由地面处理算法实现。以粘滑严重度分析计算为例：一般地，定义井下粘滑严重度为：

SS％＝(Max(RPM)-Min(RPM))/mean(RPM)*100％

其中，Max(RPM)为转速最大值，Min(RPM)为转速最小值，mean(RPM)为转速均值。

根据计算结果，对粘滑严重度进行分类，分类标准为：当0％<SS％<50％时，粘滑严重度很低，当50％<SS％<100％时，粘滑严重度低，当100％<SS％<150％时，粘滑严重度中，当SS％>150％，粘滑严重度高。粘滑严重度分为很低、低、中和高四类，在粘滑严重程度为高时，进行预警。

在一个实施例中，动态监测短节设置在钻头上部、螺杆前后、钻铤位置以及钻柱位置。多个动态检测短节之间以及动态监测短节与钻头、螺杆、钻铤、钻柱之间的间距可以根据实际评价目标灵活配置，本发明不对此作出限制。

具体来说，动态监测短节设置在提速工具的前后位置，用于对提速工具的效果进行实时定量评价；动态监测短节设置在钻头根部位置，用于对扭力冲击器的效果进行定量分析；动态监测短节设置在井口至钻头之间，用于识别托压发生的位置；在水力振荡器前后各布置一个动态监测短节，用于监视水力振荡器前后的压力变化，以评价水力振荡器的效果。

一般来说，动态监测短节长度在1000mm左右，进行高频数据采集，对整段钻具组合和底部钻柱的受力和运动状态进行分析。同时也可以通过实时上传数据结合地面钻井参数，进行井下动态参数实时分析和故障诊断。

本发明针对当前深井超深井钻井中，钻柱动力学规律非常复杂的情况下，利用多个动态测量短节对钻柱动力学变化规律进行监测和故障诊断，并提前对潜在的安全风险发出预警信号，从而指导地面钻井参数调整，避免钻头和钻柱的有害振动，提高钻井效率，延长钻头寿命、减少钻具失效、实现对井下提速工具和其他辅助工具的量化评价。同时本发明提取钻柱运动的非线性动力学表征指标，对钻柱非线性动力学行为进行量化评价，为完整刻画底部钻铤和钻柱的非线性动力学行为提供依据。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的分布式钻井动态参数监测装置结构框图。

如图2，动态监测短节200包含传感器模块201以及MCM数采中控模块202。其中，传感器模块201包含应变片及调理模块2011、MEMS加速度计模块2012以及MEMS陀螺模块2013；MCM数采中控模块202包含ADC(模数转换模块)2021、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)2022、通信口2023、RTC(时钟芯片)2024、大容量存储器2025以及电源转换2026。

在一个实施例中，信号调理电路、数据采集电路、微控制器等电路，可以采用厚膜混合电路或多芯片组件技术，优点是体积小，集成度高，布置灵活。

具体地，应变片及调理模块2011中的信号调理电路、数据采集电路、微控制器、存储器一起构成一个完整的功能电路板，采用多芯片组件技术，最大程度的减小体积。实现钻压、扭矩的测量。

具体地，MEMS加速度计模块2012以及MEMS陀螺模块2013中的信号调理电路、数据采集电路、微控制器、存储器模块一起构成一个完整的功能电路板，采用多芯片组件技术，最大程度的减小体积。实现冲击、振动和转速的测量。

具体地，数据采集电路采用具有8通道同步数据采集功能的24位同步采样ADC2021，最高采样频率达到144KSPS。

在一个实施例中，数据采集电路主要由模数转换芯片和微处理器构成，为满足整体耐高温175℃的电路需求，所有的电子元器件都必须耐温175℃以上，本实施例采用德州仪器公司MS320F2812-HT系列处理器为井下耐高温微处理器，其最高耐温210℃，定点型32位MCU，为了降低功耗，工作频率设置为40MHz，引脚灵活，内置12位ADC，SPI接口、SCI接口和CAN等通信接口丰富，还可以方便地采集转速等数字脉冲信号。

受井下数据传输通道带宽限制，采集的动态数据只有少量能够实时上传，大部分都要存储在井下，供回放和详细分析使用。大容量存储器2025选用HDA公司耐高温175℃的NAND型FLASH闪存，容量8Gb。

在一个实施例中，动态监测短节上敏感钻压、扭矩的传感器沿轴向间隔180°对称分布。钻压、扭矩传感器采用全桥电阻式应变片。全桥式电阻应变片粘贴在动态监测短节本体上。采用全桥式惠斯通电桥电路对应变片信号进行调理，使惠斯通电桥电路输出信号与所受到的钻压、扭矩成正比关系。惠斯通电桥电路输出信号送入信号调理电路进行信号放大和幅度调整。

信号调理电路由跟随放大电路和差分放大电路实现。电桥电路输出信号经过信号调理电路进行信号调理后，输入到数据采集电路的输入端。数据采集电路由模拟数字转换芯片和控制信号组成。

本发明可以由监测装置和地面数据分析处理两大部分。其中，每一个动态监测短节由长度1000mm以内的短节本体和动态参数监测传感器、微型电路板和电源构成。本发明充分利用大容量存储器进行高频数据采集和存储，为非线性动力学分析提供高频数据源，结合随钻实时数据统计分析和钻后地面数据回放分析处理模块对所测高频数据进行回放、统计、频谱分析和时频域分析，进一步提取钻柱运动的非线性动力学表征指标。

图3显示了根据本发明的一个实施例的动态监测短节安装位置示意图。MWD意为“随钻测量”(Measure While Drilling)，主要随钻测量井眼轨迹参数，包括：井斜角、方位角、工具面角及辅助参数如温度等。

本发明涉及钻井过程中钻压、扭矩、弯矩、管柱压力、环空压力、三轴振动、三轴冲击、转速和温度等13组井下动态参数的随钻监测。本发明通过分析多个位置同类参数的差异，可以获取有益的井下运动状态识别信息，动态监测短节能够准确确定井下工况发生的位置。

通常的提速工具都是纯机械结构，在钻井过程中，与地面不发生信息交互，其提速工具的实际效果只能通过最后的进尺速度体现，无法客观定量的实时评价。将动态监测短节安装在提速工具的前后位置，就可以很容易的获得提速工具的效果评价。

扭力冲击器常用于硬地层的提速提效，其工作原理是将一部分横向的扭转振动通过特定的机械结构转化为轴向的振动，这种振动力直接施加在PDC钻头上，从而提高机械钻速。将动态监测短节安装在钻头根部就能够监测所有施加到钻头的力的情况，就能为定量分析冲击器的效果提供量化依据。

此外，在深井定向井钻井中，托压现象经常发生，当托压情况发生时，井口的钻压无法有效传递到钻头，难以准确判断托压的集中发生位置。动态监测短节可以很容易的识别出托压发生的位置。从而为采取措施提供依据。

如评价水力振荡器的效果，就可以在水力振荡器的前后各布置一个动态监测短节，通过监视水力振荡器前后的压力变化，为客观评价水力振荡器的效果提供依据。

在一个实施例中，动态监测短节的数据采集频率从0.1～1024Hz可配置。

具体来说，通过动态监测短节进行转速RPM测量时，动态参数监测传感器采用MEMS陀螺传感器，MEMS陀螺传感器提供的信号是角速率信号w，单位为゜/s，通常钻铤或钻柱转速v的单位为r/min，换算关系为1r/min＝60゜/s。

在一个实施例中，MEMS陀螺传感器型号为ADXRS649。测量范围为±20000゜/s，相当于±333.3r/min。该测量范围可以覆盖包括粘滑在内的转速极限。也可以采用耐高温175℃的MEMS陀螺传感器ADXRS645，其测量范围可以调整到±5000゜/s，相当于±83.3r/min，可以覆盖钻铤的正常转速范围。

具体来说，通过动态监测短节进行钻压扭矩弯矩测量时，动态参数监测传感器采用全桥式电阻应变片，全桥式电阻应变片有ABCD共4个引脚，其中，AC为桥臂供电电源端，BD为桥臂差分信号输出端。为便于进行数据采集，差分信号经过低通滤波、差分放大后送入模数转换单元。

定义敏感于钻压的4组全桥式电阻应变片的输出分别为Vw1，Vw2，Vw3，Vw4，定义敏感于扭矩的2组应变传感器的输出为VT1和VT2。则钻压与全桥式电阻应变片输出信号的关系为：

Weight＝f(Vw1+Vw2+Vw3+Vw4)

Torque＝f(VT1+VT2)；

Bendx＝f(Vw1-Vw3)；

Bendy＝f(Vw2-Vw4)；

其中，f为比例系数，可以通过标定获得。

动态监测短节中全桥式电阻应变片输出信号幅度为mV级信号，需要首先调理为V级信号，送到模数转换模块，以便于数据采集。相应的调理电路有AMP04运算放大器和CA3493差分放大器构成两级放大。一般地，两级调理电路增益放大倍数为200倍。

本发明的监测装置由多个结构和功能一致的动态监测短节构成。可以灵活配置于近钻头，螺杆，钻铤和钻柱等井下钻具组合的多个位置，本发明聚焦于井下钻具组合的非线性动力学分析所需的多点数据源的获取，提出一种基于MCM工艺电路的微型多位置多参数随钻监测装置。该装置采集的主要参数包括钻压、扭矩、弯矩、转速和振动冲击信号。数据采集和存储频率为0.1-2kHz，为分析各个频段的非线性动力学行为和提速工具效果评价提供数据支撑。

图4显示了根据本发明的一个实施例的分布式钻井动态参数监测方法流程图。

如图4，在步骤S401中，采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据。

如图4，在步骤S402中，基于传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价。

如图4，在步骤S403中，进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整。

综上，本发明提供的分布式钻井动态参数监测装置及方法对整个钻具组合进行多位置动态参数监测，为综合分析钻具组合的受力和运动情况进行全面“体检”，所获取的各项监测数据，是进行钻井参数优化、提高钻井速度的重要依据。此外，本发明对于提速工具的效果评价也提供了量化依据。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种分布式钻井动态参数监测装置，其特征在于，所述装置包含：多个设置在井下不同位置的动态监测短节，其中，所述动态监测短节包含：

动态参数监测传感器，其用于采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据；

微型电路板，其具备耐高温能力，用于基于所述传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价，并进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整；

电源，其用于为所述动态参数监测传感器以及所述微型电路板供电。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态参数监测传感器包含：应变片、三轴MEMS振动加速度计以及MEMS陀螺传感器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数包含：钻压、扭矩、弯矩、管柱压力、环空压力、三轴振动、三轴冲击、转速以及温度。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微型电路板包含：

信号调理电路，其用于对所述传感器数据进行调理，转换成便于模数转换芯片采集的模拟信号；

数据采集电路，其用于对所述模拟信号进行模数转换处理，以得到数字信号；

微控制器，其用于控制数据采集以及数据存储过程，具备数据回放能力以及数据传送能力；

井下智能分析模块，其用于进行均值统计、方差统计，并进行基于转速的粘滑度分析、钻具涡动严重程度分析、卡钻预警分析、井下摩阻分析、基于扭矩的粘滑度分析；

大容量存储器，其用于存储数据供所述微控制器进行数据回放，并供所述井下智能分析模块进行数据分析。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态监测短节设置在钻头上部、螺杆前后、钻铤位置以及钻柱位置。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态监测短节设置在提速工具的前后位置，用于对所述提速工具的效果进行实时定量评价。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态监测短节设置在钻头根部位置，用于对扭力冲击器的效果进行定量分析。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态监测短节设置在井口至钻头之间，用于识别托压发生的位置。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在水力振荡器前后各布置一个所述动态监测短节，用于监视所述水力振荡器前后的压力变化，以评价所述水力振荡器的效果。

10.一种分布式钻井动态参数监测方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

采集表征钻柱非线性动力学指标的井下动态参数，得到传感器数据；

基于所述传感器数据对钻柱非线性动力学行为进行量化评价；

进行井下动态参数实时分析和故障诊断，提前对潜在的安全风险发出预警信号，指导地面钻井参数调整。

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