CN116069570A - 一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其包含：井下传感器，其用于采集得到表征井下仪器状态的原始测量信号；微控制器，其上设置实时操作系统，实时操作系统具备故障监控任务创建功能，并依据故障监控任务的要求，基于原始测量信号实时监控井下仪器的状态；存储器，其采用冗余设计方式，与微控制器通信，用于存储井下仪器的故障信息。本发明提供的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法包含以下有益效果：可降低仪器开发难度和成本，系统所具备的故障分析功能为电子元器件和仪器整体的风险排查和故障分析提供了支撑，可提高仪器的工作稳定性和可靠性，有效降低故障率。

Description

一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法

技术领域

本发明涉及钻井仪器技术领域，具体地说，涉及一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法。

背景技术

随钻测量(MWD)仪器可以提供定向参数，便于进行井眼轨迹调整。随钻测井(LWD)仪器可以提供电阻率、伽马等地质参数的测量，有效提高钻遇率。

随钻测量仪器和随钻测井仪器均为各厂商设计独立的硬件系统，再基于各自的硬件系统进行参数测量、信号传输等功能的开发调试，由于缺乏可通用的井下仪器基础平台，仪器开发的难度和时间成本大为增加。

由于井下工况复杂，仪器入井后长时间处于高温、高振动、高冲击等恶劣工作环境，会极大降低电子元器件及仪器整体的工作稳定性和可靠性，因此仪器出井后的保养、维护、检测是极为必要的。为提高仪器的抗振、抗干扰和电气安全性能，需对仪器进行灌封，对仪器的保养、维护、检测工作带来诸多不便，加之难以定位仪器在入井工作过程中出现故障问题，因此无法有效解决钻井仪器的风险排查、故障分析等问题。

针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法。

发明内容

为解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，所述系统包含：

井下传感器，其用于采集得到表征井下仪器状态的原始测量信号；

微控制器，其上设置实时操作系统，所述实时操作系统具备故障监控任务创建功能，并依据所述故障监控任务的要求，基于所述原始测量信号实时监控井下仪器的状态；

存储器，其采用冗余设计方式，与所述微控制器通信，用于存储井下仪器的故障信息。

根据本发明的一个实施例，所述井下传感器包含以下一项或任意项的组合：加速度传感器、磁阻芯片、陀螺仪、温度传感器。

根据本发明的一个实施例，所述实时操作系统支持以预设的方式创建所述故障监控任务，还支持后续开发的方式创建所述故障监控任务。

根据本发明的一个实施例，所述系统包含：通信总线，其与所述微控制器通信，包含满足不同功能的多种通信总线，以扩展所述微控制器在功能开发时的通信能力。

根据本发明的一个实施例，所述系统包含：微控制器监控芯片，其与所述微控制器通信，用于监控所述微控制器的状态，确保在所述微控制器出现故障时重启所述微控制器。

根据本发明的一个实施例，所述系统包含：记录芯片，其与所述微控制器通信，用于记录井下仪器的当次工作时间、电子元器件电气表征量突变时间、仪器故障发生时间。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于井下仪器的故障分析方法，通过如上任一项所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统执行，所述方法包含以下步骤：

S1、所述系统下井后，记录所述系统起始工作时间；

S2、周期性测量与判定井下仪器是否出现故障，记录井下仪器的使用信息以及所述故障信息；

S3、所述系统出井后，读取所述使用信息，对井下仪器的消耗情况进行评估，并对所述故障信息中指向的仪器进行性能检测；

S4、基于所述使用信息以及所述故障信息，结合工况信息，对出现的故障类型进行定位、分析、仪器性能改进，提高仪器的工作稳定性和可靠性。

根据本发明的一个实施例，步骤S2包含：

周期性测量易出故障的电子元器件电气表征量，若高于或低于元器件规定的正常范围，则将该电子元器件的对应表征代码、电气测量值及相应的测量时间写入所述存储器。

根据本发明的一个实施例，步骤S2包含：

周期性判定与故障相关的预定义全局变量，若所述预定义全局变量为预设值，则判定发生相应故障，将故障类型和发生时间写入所述存储器。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行如上任一项所述的方法步骤的一系列指令。

本发明提供的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法包含以下有益效果：可降低仪器开发难度和成本，系统所具备的故障分析功能为电子元器件和仪器整体的风险排查和故障分析提供了支撑，可提高仪器的工作稳定性和可靠性，有效降低故障率。

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一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统结构框图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种用于井下仪器的故障分析方法流程图；以及

图3显示了根据本发明的另一个实施例的一种用于井下仪器的故障分析方法流程图。

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。

现有技术(CN104453842A)提供了一种油气井井下故障诊断系统及其诊断方法，诊断系统具有钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装置、多通道信号接收装置和计算机系统，钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上，钻井液出口流量传感器固定在油气井井口处的钻井液回流管或泥浆槽上，压力传感器设置在立管上，多通道信号采集与发送装置设置在井架的钻台上。但是，现有技术(CN104453842A)属于确定性质的故障诊断系统，仅能诊断有限的井下故障，不具备后续开发性。

现有技术(CN106647581A)涉及一种压裂施工过程井下故障诊断方法及装置，所述方法包括：获取压裂施工过程中发生故障时的多个监控参数；根据多个所述监控参数，生成对应的多个压裂施工曲线；将每一个所述压裂施工曲线划分为多个单峰片段；采用二次多项式拟合多个所述单峰片段，得到对应的多个二次多项式；根据多个所述二次多项式，建立包括多个基元序列的故障规则库；其中，每一个所述基元序列包括多种基元，多个所述基元序列中的一个或几个的组合对应一种标准故障趋势；将待诊断故障趋势在所述故障规则库中进行匹配，确定所述待诊断故障趋势的类型。但是，现有技术(CN106647581A)属于确定性质的故障诊断系统，仅能诊断有限的井下故障，不具备后续开发性。

现有技术(CN111982764A)提供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。但是，现有技术(CN111982764A)属于确定性质的故障诊断系统，仅能诊断有限的井下故障，不具备后续开发性。

现有技术(LWD随钻测井系统井下仪器故障分析及解决当代化工研究，2016.05)介绍了LWD随钻测井系统井下仪器，然后从电路接触不良、密封圈失效以及电磁波发射及接收天线障碍三种故障类型出发，介绍其常见的故障现象、分析故障成因，解析故障监测过程，最后提出了解决故障的手段，以期抛砖引玉，对于同行有所帮助。但是，现有技术(LWD随钻测井系统井下仪器故障分析及解决当代化工研究，2016.05)属于确定性质的故障诊断系统，仅能诊断有限的井下故障，不具备后续开发性。

图1显示了根据本发明的一个实施例的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统结构框图。

如图1所示，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100适用于随钻测量仪器、随钻测井仪器领域的井下平台，其包含井下传感器101、微控制器104以及存储器108。

具体来说，井下传感器101用于采集得到表征井下仪器状态的原始测量信号。在一个实施例中，井下传感器101包含以下一项或任意项的组合：加速度传感器1011、磁阻芯片1012、陀螺仪1013、温度传感器1014。井下传感器101采集到的原始测量信号，经信号处理和计算，可实时获取井下参数。

具体来说，微控制器104上设置实时操作系统，实时操作系统具备故障监控任务创建功能，并依据故障监控任务的要求，基于原始测量信号实时监控井下仪器的状态。在一个实施例中，微控制器104采用MCU(Micro Control Unit；微控制单元)，微控制器104为整个系统的控制、处理和计算核心，其上移植有实时操作系统。进一步地，微控制器104上移植的实时操作系统支持以预设的方式创建故障监控任务，还支持后续开发的方式创建故障监控任务。

具体来说，存储器108采用冗余设计方式，与微控制器104通信，用于存储井下仪器的故障信息。在一个实施例中，存储器108采用Flash存储芯片，系统集成两片Flash存储芯片，可确保在一片发生故障时仍有备份数据用于分析。进一步地，存储器108用于存储易出故障的电子元器件电气表征量(电压、电流、电容、电感等)、仪器入井工作出现故障(井下通信故障、井下参数采集故障、地面参数配置故障、平台硬件系统重启等)的类型和时间等，在仪器出井后，由PC端上位机软件对存储数据进行读取，用于电子元器件和仪器整体的电气性能分析、潜在风险排查、井下故障定位及分析、功能改进等。

在一个实施例中，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100包含通信总线102，其与微控制器104通信，包含满足不同功能的多种通信总线，以扩展微控制器104在功能开发时的通信能力。进一步地，通信总线102包含以下一项或任意项的组合：RS-485总线1021、RS-232总线1022、CAN总线1023、QBUS总线1024。多种通信总线可以满足不同的功能需求，在对系统功能开发时具备通信扩展能力。

在一个实施例中，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100包含模数转换芯片103，其与井下传感器101通信，由微控制器104控制实现井下传感器101的有序采集，对原始测量信号进行模拟/数字转换，用于后续的数据处理和计算。在一个实施例中，模数转换芯片103采用ADC(analog to digital converter，模拟数字转换器)。

在一个实施例中，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100包含直流转换器105，其与微控制器104通信，用于将电池提供的动态电压转换为供基础平台模拟和数字电路稳定工作的特定电压值，为硬件电路的驱动和运行提供能量。在一个实施例中，直流转换器105采用DC-DC转换器(Direct Current，直流变换器)。

在一个实施例中，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100包含微控制器监控芯片106，其与微控制器104通信，用于监控微控制器104的状态，确保在微控制器104出现故障时重启微控制器104。进一步地，微控制器监控芯片106可以在程序跑飞时重启硬件系统，从而确保系统的稳定运行。

在一个实施例中，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100包含晶振107，其与微控制器104通信，用于为微控制器104的运行提供时钟节拍。

在一个实施例中，一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100包含记录芯片109，其与微控制器104通信，用于记录井下仪器的当次工作时间、电子元器件电气表征量突变时间、仪器故障发生时间。在一个实施例中，记录芯片109采用RTC(Real_Time Clock，实时时钟)。进一步地，记录芯片109用于记录仪器的当次工作时间、电子元器件电气表征量突变时间、仪器故障发生时间等，出井后，通过上位机软件读取相应时间，可对仪器整体和各电子元件器的寿命和消耗情况进行评估，也可结合工况对仪器在井下发生的故障进行定位和分析。

在一个实施例中，井下传感器101、通信总线102、模数转换芯片103、微控制器104、直流转换器105、微控制器监控芯片106、晶振107、存储器108、记录芯片109组成了一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100的井下仪器基础平台硬件架构，该硬件架构为以平台为基础的功能开发提供了硬件支撑。

另外，上述硬件架构作为系统的硬件支撑，仍需进一步创建软件架构，作为系统功能开发和扩展的基础。本发明提出的软件架构以实时操作系统为基础，通过在微控制器104上移植实时操作系统，并创建任务用于电子元器件电气表征量、仪器井下工作故障类型和时间的存储，经过开发、调试、功能验证后，即可以此作为系统的软件基础，用于后续特定功能的扩展。其他功能的开发通过实时操作系统下任务的创建、编码实现和嵌入式调试来完成，多个任务的运行在实时操作系统的调度下不会对彼此产生影响。进一步地，微控制器104上移植的实时操作系统支持以预设的方式创建故障监控任务，还支持后续开发的方式创建故障监控任务，拓展了整个系统的可开发性。

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种用于井下仪器的故障分析方法流程图，其通过本发明提供的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统100执行。

如图2所示，在步骤S1中，系统下井后，记录系统起始工作时间。具体来说，系统于入井前上电，上电后将系统当次起始工作时间写入存储器108。

如图2所示，在步骤S2中，周期性测量与判定井下仪器是否出现故障，记录井下仪器的使用信息以及故障信息。

如图2所示，在步骤S3中，系统出井后，读取使用信息，对井下仪器的消耗情况进行评估，并对故障信息中指向的仪器进行性能检测。具体来说，系统出井后，通过PC端上位机软件读取存储器108中所存储的数据；通过上位机软件计算当次入井工作时间、总工作时长，评估仪器消耗情况；根据读取的数据，对可能出现故障的电子元器件进行性能检测，必要时予以替换。

如图2所示，在步骤S4中，基于使用信息以及故障信息，结合工况信息，对出现的故障类型进行定位、分析、仪器性能改进，提高仪器的工作稳定性和可靠性。

图3显示了根据本发明的另一个实施例的一种用于井下仪器的故障分析方法流程图。

如图3所示，在步骤S31中，系统于入井前上电，上电后将系统当次起始工作时间写入存储器108。

如图3所示，在步骤S32中，周期性测量易出故障的电子元器件电气表征量；在步骤S33中，判断电子元器件电气表征量是否超过正常范围；在步骤S34中，若电子元器件电气表征量高于或低于元器件规定的正常范围，则将该电子元器件的对应表征代码、电气测量值及相应的测量时间写入存储器108。

如图3所示，在步骤S35中，周期性判定与故障(例如井下通信故障、井下参数采集故障、地面参数配置故障、平台硬件系统重启等)相关的预定义全局变量，判断与故障相关的预定义全局变量是否为预设值。在一个实施例中，预设值取值为1。在步骤S36中，若预定义全局变量为预设值，则判定发生相应故障，将故障类型和发生时间写入存储器108。

如图3所示，在步骤S37中，判断系统是否出井；若系统已出井，则在步骤S38中，通过PC端上位机软件读取存储器108中所存储的数据，根据读取的数据，通过故障发生时间结合实时工况，对出现的故障类型进行定位、分析、仪器性能改进，提高仪器的工作稳定性和可靠性。

本发明提供具备故障分析功能的井下仪器基础平台的硬件架构、软件架构和故障分析功能实现流程。基于此，系统可开展多种功能的开发调试，降低仪器的开发难度和成本；本发明系统所具备的故障分析功能为电子元器件和仪器整体的风险排查和故障分析提供了支撑，可提高仪器的工作稳定性和可靠性，有效降低故障率。

本发明可开展特定功能(定向或地质参数的测量、电磁或脉冲信号的编码传输等)的开发调试，降低仪器开发难度和成本；同时，系统所具备的故障分析功能为电子元器件和仪器整体的风险排查和故障分析提供了支撑，通过提前置换可能出故障的电子元器件、定位并分析仪器入井工作过程中所存在的故障问题，提高仪器的工作稳定性和可靠性，有效降低故障率。

本发明提供的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法还可以配合一种计算机可读取的存储介质，存储介质上存储有计算机程序，执行计算机程序以运行一种用于井下仪器的故障分析方法。计算机程序能够运行计算机指令，计算机指令包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。

计算机可读取的存储介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需要说明的是，计算机可读取的存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读取的存储介质不包括电载波信号和电信信号。

综上，本发明提供一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统及分析方法包含以下有益效果：可降低仪器开发难度和成本，系统所具备的故障分析功能为电子元器件和仪器整体的风险排查和故障分析提供了支撑，可提高仪器的工作稳定性和可靠性，有效降低故障率。

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。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

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)

1.一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其特征在于，所述系统包含：

井下传感器，其用于采集得到表征井下仪器状态的原始测量信号；

微控制器，其上设置实时操作系统，所述实时操作系统具备故障监控任务创建功能，并依据所述故障监控任务的要求，基于所述原始测量信号实时监控井下仪器的状态；

存储器，其采用冗余设计方式，与所述微控制器通信，用于存储井下仪器的故障信息。

2.如权利要求1所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其特征在于，所述井下传感器包含以下一项或任意项的组合：加速度传感器、磁阻芯片、陀螺仪、温度传感器。

3.如权利要求1所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其特征在于，所述实时操作系统支持以预设的方式创建所述故障监控任务，还支持后续开发的方式创建所述故障监控任务。

4.如权利要求1所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其特征在于，所述系统包含：通信总线，其与所述微控制器通信，包含满足不同功能的多种通信总线，以扩展所述微控制器在功能开发时的通信能力。

5.如权利要求1所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其特征在于，所述系统包含：微控制器监控芯片，其与所述微控制器通信，用于监控所述微控制器的状态，确保在所述微控制器出现故障时重启所述微控制器。

6.如权利要求1所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统，其特征在于，所述系统包含：记录芯片，其与所述微控制器通信，用于记录井下仪器的当次工作时间、电子元器件电气表征量突变时间、仪器故障发生时间。

7.一种用于井下仪器的故障分析方法，其特征在于，通过如权利要求1-6中任一项所述的一种具备故障分析功能的井下仪器基础系统执行，所述方法包含以下步骤：

S1、所述系统下井后，记录所述系统起始工作时间；

S2、周期性测量与判定井下仪器是否出现故障，记录井下仪器的使用信息以及所述故障信息；

S3、所述系统出井后，读取所述使用信息，对井下仪器的消耗情况进行评估，并对所述故障信息中指向的仪器进行性能检测；

S4、基于所述使用信息以及所述故障信息，结合工况信息，对出现的故障类型进行定位、分析、仪器性能改进，提高仪器的工作稳定性和可靠性。

8.如权利要求7所述的一种用于井下仪器的故障分析方法，其特征在于，步骤S2包含：

周期性测量易出故障的电子元器件电气表征量，若高于或低于元器件规定的正常范围，则将该电子元器件的对应表征代码、电气测量值及相应的测量时间写入所述存储器。

9.如权利要求7所述的一种用于井下仪器的故障分析方法，其特征在于，步骤S2包含：

周期性判定与故障相关的预定义全局变量，若所述预定义全局变量为预设值，则判定发生相应故障，将故障类型和发生时间写入所述存储器。

10.一种存储介质，其特征在于，其包含用于执行如权利要求7-9中任一项所述的方法步骤的一系列指令。

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