CN203257406U - 一种井下钻柱故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种井下钻柱故障诊断系统，具有声压传感器、井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器、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，声压传感器固定在钻台上，井口处三向加速度传感器固定在套管上，压力传感器设置在立管上，钻柱顶部三向加速度传感器设置在水龙头上，多通道信号采集与发送装置安置于钻机二层台上，多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置无线连接。本实用新型可以实现井下故障的定位与定量化诊断，极大地提高故障诊断的准确率与识别效果，实现钻柱运行状态的识别，钻柱、井下动力钻具和钻头故障的早期诊断；并且成本低，安装方便，且安装位置合理，安全系数高。

Description

一种井下钻柱故障诊断系统

技术领域

本实用新型涉及石油钻井设备技术领域，特别涉及一种井下钻柱故障诊断系统。

背景技术

钻柱是实现安全高速钻井的重要工具，使用工况十分恶劣，除承受拉、压、弯和扭转载荷外，还承受各种形式的强烈振动，是所有油井管柱中受力最复杂的管柱。钻井过程中发生早期刺穿、断裂等失效事故，轻则打捞，损失钻柱，重则导致全井报废，往往造成更大的经济损失。据统计，国外14％的油气井都不同程度地发生过钻柱失效事故，而每起事故的直接经济损失高达106000美元。在我国由于钻具质量问题和使用不当造成的事故在全部事故中约占70％，这些事故中10％与钻柱振动直接相关。我国各油田每年发生钻杆事故约五六百起，经济损失巨大。

正因钻柱的重要性、钻柱事故的多发性和严重性，从上世纪50年代开始就已经开展了大量的理论和实验探索，形成了用于钻井安全、地质和井下钻具工况预测预报的钻柱故障检测与分析技术。由于钻柱振动问题十分复杂，现有的钻柱振动检测与分析技术都存在不同程度的误差。这主要是因为钻柱振动在传递过程中不仅存在着很强的衰减与频散特性，而且由于钻井操作及机械设备运转等原因也会产生很多强烈的干扰。这些干扰信号主要有：（1）转盘旋转引起的附加钻柱振动（转盘是距离钻柱顶端最近的振动源，因此会带来较强的干扰。这种干扰具有周期性特征，并与转速有关）；（2）泥浆泵的振动（泥浆泵驱动泥浆的压力波动直接影响到水龙带、钻柱内外及钻头喷嘴处压力的变化，直接影响钻头振动，从而产生很强的干扰，这些干扰以泥浆泵一倍冲程频率为基频，包含各阶谐波的振动信号成分）；（3）柴油动力机、柴油发电机等机械设备运转产生的振动（这些振动通过地面传递至井架，进而对钻柱振动产生影响）；（4）井架本身的振动（钻头破岩产生的振动传入钻柱和井眼周围的地层后，会引起井架的振动，这样井架就相当于一个二次震源）；（5）井架与吊悬系统产生的振动（井架与吊悬系统的摇摆、跳动等都会对钻柱顶端测得的信号产生直接的影响）。由此可见，钻柱振动干扰信号的来源广泛，能量很强，如何有效地检测钻柱振动信号是钻柱故障检测诊断技术必须解决的任务之一。

现有的井下信号采集传输方式一般有以下几种：1、MWD（随钻测量，MeasureWhile Drilling）：通过安装在井下靠近钻头附近的测量元件完成井下地层和工程参数的采集，通过泥浆脉冲将井下数据传输到地面。这种方式的特点是将测量工具安装在钻柱的底部，能够直接采集钻柱底部的信号，但传输效率很低，不能满足振动采样的需要；2、无线传输：测量元件安装在井下靠近钻头附近，完成井下地层和工程参数的收集，通过无线发射的方式将井下数据传输到地面，但这种方式使用成本高，技术要求严格，目前只有少数几家有实力的公司能够提供此项服务，而且现有的无线传输技术只能接收到垂深3000米以内的信号，这使得钻井深度超过该距离时无法开展监测工作；3、记录存储方式：钻进时记录钻柱的各种参数，等起钻取出钻柱后才能读取这些参数，这种方法不能起到实时监测和诊断的作用，所以对井下故障诊断而言意义不大；4、有缆钻杆（或智能钻杆）：在每两节钻杆相接处安装电磁感应线圈，其电缆随钻柱延伸并连接入计算机系统，这种方法的传输速率可以达到57600Byte/s，传输速率是MWD的2000倍，传输效率高，可以实现双向传输。它已获得了哈里伯顿、贝克休斯、斯仑贝谢和威德福等油田技术服务公司的认可和支持。由此可见，想从井下获得钻柱真实的工况信息是非常困难的；。

针对现有技术的这些情况，人们也尝试采用钻柱顶部振动信号来识别井下工况、检测钻头磨损，并对地层岩性作出解释。钻柱振动信号采集卡箍就是其中的典型代表，它将钻柱振动信号采集单元、无线数传发送器、电池等安装在一个环状卡箍内，卡箍固定在方钻杆上，由此来采集钻柱顶部振动信号。但出于安全考虑，类似这样的装置在一般的钻机上是不允许安放的，因为它重量较大，且潜在着在强烈的振动下发生坠落的危险性，严重时甚至出现伤人事件。另外，单靠钻柱顶部振动信号也很难进行井下工况的识别与诊断，因此，该装置并不适合用于井下钻柱故障的诊断。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了克服现有技术中，井下钻柱故障诊断装置造价昂贵、安装使用成本高、风险大等不足，本实用新型提供一种井下钻柱故障诊断系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：钻柱由钻台和井架支撑，所述钻台包括位于底部的钻台和位于中部的钻机二层台，所述钻柱包括方钻杆和钻杆，所述方钻杆的一端在套管内通过并与钻杆连接，另一端与水龙头连接，所述水龙头连接有水龙带，所述井架上分布有立管，本实用新型的一种井下钻柱故障诊断系统具有声压传感器、井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器、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，所述声压传感器固定在钻台上，这样可以实现各种声音的检测，为工况识别提供方便；所述井口处三向加速度传感器固定在套管上，所述压力传感器设置在立管上，所述钻柱顶部三向加速度传感器设置在水龙头上，所述多通道信号采集与发送装置设置在钻机二层台上，所述声压传感器、井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器和压力传感器均与多通道信号采集与发送装置连接，所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置为无线连接。多通道信号采集与发送装置设置在钻机二层台上，这个位置可以使得各传感器与多通道信号采集与发送装置之间的连接线缆得到最合理的分配。声压传感器用来测量钻台处的声信号；井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器用来测量这两个测点在水平面内（X与Y方向）及垂直方向（Z方向）的三向共6个通道的振动信号；压力传感器用来测量立管内部钻井液的压力；多通道信号采集与发送装置对所述测点的声振与压力信号进行采集、放大、过滤等调理处理，并对所述的声振与压力信号进行较远距离的无线传输和变送；多通道信号接收装置以无线的方式接收来自所述多通道信号采集与发送装置的声振与压力信号。本申请的发明人对所需传感器的种类以及传感器的放置位置做出了探索，采用设置在钻台上的声压传感器、井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器和压力传感器，用来测量不同位置的声振和压力信号，结合无线收发装置将数据参数传送到计算机系统，由计算机系统进行信号的分析与处理。本实用新型的井下钻柱故障诊断系统可以采用信号处理的模式滤波法将钻头、钻柱和井下动力钻具的低频振动信号，钻柱、钻头和井下动力钻具与井底、井壁之间的接触碰磨、流固作用、摩擦等中高频信号，以及立管压力信号进行合理、完整的分离，然后分别利用分离信号各自的特征来开展钻头、钻柱和井下动力钻具故障的诊断。例如，对于低频的钻柱振动信号，可以实现钻柱振动形式和振动工况的分析；而中高频碰撞、冲击和摩擦信号可以实现故障源识别与定位；高、低频信号之间的关联性分析与信息融合，可用来确定钻柱振动的形式与状态，进而进行钻柱故障与钻头破岩状态的诊断；而立管压力信号可以实现钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空流动状况等工况的预报，动力钻具状态分析，以及钻头工作状态的检测。

为了方便安装和固定，所述井口处三向加速度传感器固定在套管的最上端的法兰上，并且安装在套管的最上端的法兰上，可以测量到最强的所需信号。

所述压力传感器设置在立管上，用以测量立管内部的泥浆压力。声压传感器主要检测井口周围、钻台上下的声信号，为了测量到最佳的所述声信号，所述声压传感器固定在钻台上靠近井架的大腿的位置。

所述声压传感器、井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器和压力传感器均通过线缆与多通道信号采集与发送装置连接。

为了防止钻柱顶部三向加速度传感器的线缆与水龙带互相干扰，所述钻柱顶部三向加速度传感器与多通道信号采集与发送装置连接的线缆，与水龙带间隔一定的距离。

所述钻柱顶部三向加速度传感器与多通道信号采集与发送装置连接的线缆，其外部包覆有保护套。一方面，保护套增加了线缆的自重，克服了线缆随风易摆动的不足；另一方面，增强了线缆的强度，并且使线缆不易被拉断。

所述多通道信号接收装置与计算机系统有线连接。多通道信号接收装置与计算机系统可以采用有线连接或者无线连接，但是，由于多通道信号接收装置与计算机系统之间距离不长，为了减少信号丢失，保证信号强度，采用有线连接方式较好。

现有的井下钻柱信号采集装置仅仅采集高频信号，而忽略了低频信号；由于低频信号中能够反映很多高频信号所不能反映的信息，例如钻头和钻柱的横向振动、井下动力钻具的低频振动信号，为了能够采集到这些信号，所述多通道信号采集与发送装置为信号采样率不低于3000Hz且能够采集全频段通道信号的多通道信号采集与发送装置。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的井下钻柱故障诊断系统，对声压传感器、井口处三向加速度传感器、钻柱顶部三向加速度传感器和压力传感器进行了合理的布局，测量得到不同位置的声振和压力信号，结合无线收发装置将数据参数传送到计算机系统，由计算机系统进行信号的分析与处理，可以实现故障的定位与定量化诊断，极大地提高了故障诊断的准确率与识别效果，实现钻头、钻柱和井下动力钻具故障的早期诊断；并且只采用几个市面上常用的传感器，成本低，安装方便，且安装位置合理，安全系数高。

本实用新型中，钻台作业，以及周围设备运转过程中的各种声音都可以被所述的声压传感器接收，通过音频测试就可以识别声信号的来源、判定工况，给信号处理工作提供各种有用的信息。由于井场存在极为强烈的地面干扰，如何排除这些干扰，实现干扰信号与井下信号成分的合理分离，是进行井下工况检测与故障诊断必须解决的第一个问题。可以利用信号的模式滤波法实现各种信号成分的有效分离与识别处理，结合三向加速度传感器各通道信号之间的相关性，以及传感器之间的空间位置关系，可以实现各种振动信号成分的来源识别与定位处理，钻头、钻柱运动形式的判定，并进而实现井下钻柱工况检测和故障的诊断，这些均是本领域技术人员能够预见到的效果，因此这里不作赘述。而立管压力信号可以灵敏地记录、显示钻井循环系统内部出现的各种故障，对钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空流动状况等工况进行准确的预测预报。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的井下钻柱故障诊断系统最佳实施例的结构示意图。

图中1、声压传感器，2、井口处三向加速度传感器，3、钻台，4、井架，5、水龙头，6、钻柱顶部三向加速度传感器，7、多通道信号采集与发送装置，8、多通道信号接收装置，9、钻机二层台，10、计算机系统，11、钻头，12、井下动力钻具，13、钻杆，14、压力传感器，15、立管，16、方钻杆，17、套管，18、水龙带，19、钻柱顶部三向加速度传感器与多通道信号采集与发送装置连接的线缆。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

井下钻柱由钻台和井架4支撑，钻台包括位于底部的钻台3和位于中部的钻机二层台9，钻柱包括方钻杆16和钻杆13，方钻杆16的一端在套管17内通过并与钻杆13连接，另一端与水龙头5连接，水龙头5连接有水龙带18，井架4上分布有立管15，如图1所示，本实用新型的井下钻柱故障诊断系统最佳实施例，其具有声压传感器1、井口处三向加速度传感器2、钻柱顶部三向加速度传感器6、压力传感器14、多通道信号采集与发送装置7、多通道信号接收装置8和计算机系统10，声压传感器1固定在钻台3上靠近井架4的大腿的位置，井口处三向加速度传感器2固定在套管17的最上端的法兰上，压力传感器14设置在立管15上，钻柱顶部三向加速度传感器6设置在水龙头5上，多通道信号采集与发送装置7设置在钻机二层台9上，声压传感器1、井口处三向加速度传感器2、钻柱顶部三向加速度传感器6和压力传感器14均通过线缆与多通道信号采集与发送装置7连接，多通道信号采集与发送装置7与多通道信号接收装置8为无线连接，多通道信号接收装置8与计算机系统10为有线连接。

钻柱顶部三向加速度传感器6与多通道信号采集与发送装置7连接的线缆19，与水龙带18相对设置；钻柱顶部三向加速度传感器6与多通道信号采集与发送装置7连接的线缆19，其外部包覆有保护套。

多通道信号采集与发送装置7的信号采样率不低于3000Hz，且能够采集全频段通道信号。

2个三向加速度传感器、1个声压传感器和1个压力传感器分别测量各测点的振动信号、声信号和压力信号。在不同的工况下，声振与压力信号具有不同的表现形式，蕴含着丰富的钻头、钻柱和井下动力钻具运动和故障状态信息。本实用新型的井下钻柱故障诊断系统最佳实施例实现井下钻柱故障检测、识别、诊断的方式可以有很多种，以下结合本实施例的具体结构详细描述其中一种方式的步骤流程：

步骤S1：2个三向加速度传感器（2，6）检测得到钻头、钻柱、井下动力钻具与井底、井壁岩石相互作用引起的三向加速度振动信号，1个压力传感器14检测得到的立管压力信号，以及由1个声压传感器1检测得到的井口声信号。

步骤S2：多通道信号采集与发送装置7将所述的多通道加速度振动信号、立管压力信号和声压信号进行采集、放大与滤波处理。

步骤S3：多通道信号采集与发送装置7以无线的方式发送采集得到的声振与压力信号。

步骤S4：多通道信号接收装置8接收来自多通道信号采集与发送装置7发送的数据。

步骤S5：计算机系统10接收到来自多通道信号接收装置8的多通道振动信号、压力信号和声信号。

步骤S6：通过采用数字化音频测试对声信号进行初步的识别处理，以确定钻台作业，地面设备运转等情况，并且为区辨、排除地面干扰提供有用的信息。

步骤S7：对振动信号与压力信号进行信号的模式滤波法分解。

模式滤波法对每一个振动与压力信号进行信号的最优分解计算处理，由此获得一系列时频子波。

振动信号与压力信号最优分解算法采用如下时频子波计算公式：

$y\left(t\right)=f(A,\mathrm{\α},t)\×g(\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i\×t^{i-1})---\left(a\right)$

在信号最优分解算法中，模式滤波计算模块采用如下计算公式：

$y=F\left(t\right)\≈\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}f(A_i,{\mathrm{\α}}_i,t)\×g\left(\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{t}^{j-1}\right)---\left(b\right)$

式（a）和式（b）中f是调幅函数，g是调频函数；A是振幅；α是衰减因子，s^-2；β_i为系数（i=1、2）；β₁为初始相位，rad；β₂为角速度ω，rad/s；t为时间，s；m为最优分解时频子波数量。

步骤S8：调用“钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断系统知识库”中的“模式滤波参数空间分类信息子数据库”信息，据此对步骤S7获得的最优时频原子进行自动的归类，对归类后的时频原子进行信号重构，结合数字化音频测试技术来辅助识别各种信号。

所述“钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断系统知识库”，是一个通用化的钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断知识数据库，具体由模式滤波参数空间分类信息子数据库、典型信号特征结构知识子库、钻柱结构信息子库，以及钻头、钻柱和井下动力钻具状态知识子库4个部分组成。这一知识库可以通过两个途径获得，一是对已钻井声振和压力信号处理过程中建立；二是对正钻井上部井段钻进过程中声振与压力信号的处理来建立；本领域技术人员通过有限次的实验即可获得。

步骤S9：对分离后的多通道各种特征信号进行归类整理，然后对不同通道的同类信号进行对比，利用振动信号传播过程中的衰减与频散特性，分析确定分离信号的时间并发特性、信号的强度、频谱等信息，判别这些信号成分的来源与传播方向。然后结合“钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断系统知识库”的“钻柱结构信息子库”，调出所述钻头、钻柱和井下动力钻具的实体结构信息，来进一步确定故障的形式、来源及位置。例如，管柱在不同测点的撞击所形成的钻柱顶部振动时域信号具有独特的结构特征，不同的撞击位置所形成的顶部振动信号波形各不相同，而同一位置的不同次撞击具有相似的时域波形曲线。

步骤S10：根据步骤S8提供的最优时频原子聚类结果，以及步骤S9所述的分类重构信号的来源、位置等特征信息，结合“钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断系统知识库”中的“典型信号特征结构知识子库”，进行井下故障初步的定性诊断。

步骤S11：对检测到钻头、钻柱和井下动力钻具的一些特殊故障进行详细分析，事后提取其信号特征与信号结构新知识，更新充实“钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断系统知识库”。

步骤S12：从步骤S8、步骤S9和步骤S10中取得相应的处理结果，形成反映钻头、钻柱和井下动力钻具当前运行状况的状态向量。

步骤S13：打开“钻头、钻柱和井下动力钻具故障诊断系统知识库”中的“钻头、钻柱和井下动力钻具状态知识子库”，调出钻头、钻柱和井下动力钻具故障状态信息矩阵。

步骤S14：将步骤S13获得的当前机组状态向量与所述的钻头、钻柱和井下动力钻具故障状态信息矩阵中的状态向量进行优化匹配，结合步骤S10的定性诊断结果和故障源所做的分析，判定井下故障的类型，以及整个钻柱的工作状态。

步骤S15：钻柱井下故障诊断结果的显示与报警。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种井下钻柱故障诊断系统，所述钻柱由钻台和井架（4）支撑，所述钻台包括位于底部的钻台（3）和位于中部的钻机二层台（9），所述钻柱包括方钻杆（16）和钻杆（13），所述方钻杆（16）的一端在套管（17）内通过并与钻杆（13）连接，另一端与水龙头（5）连接，所述水龙头（5）连接有水龙带（18），所述井架（4）上分布有立管（15），其特征在于：具有声压传感器（1）、井口处三向加速度传感器（2）、钻柱顶部三向加速度传感器（6）、压力传感器（14）、多通道信号采集与发送装置（7）、多通道信号接收装置（8）和计算机系统（10），所述声压传感器（1）固定在钻台（3）上，所述井口处三向加速度传感器（2）固定在套管（17）上，所述压力传感器（14）设置在立管（15）上，所述钻柱顶部三向加速度传感器（6）设置在水龙头（5）上，所述多通道信号采集与发送装置（7）设置在钻机二层台（9）上，所述声压传感器（1）、井口处三向加速度传感器（2）、钻柱顶部三向加速度传感器（6）和压力传感器（14）均与多通道信号采集与发送装置（7）连接，所述多通道信号采集与发送装置（7）与多通道信号接收装置（8）为无线连接。

2.如权利要求1所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述井口处三向加速度传感器（2）固定在套管（17）的最上端的法兰上。

3.如权利要求1所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述声压传感器（1）固定在钻台（3）上靠近井架（4）的大腿的位置。

4.如权利要求1所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述声压传感器（1）、井口处三向加速度传感器（2）、钻柱顶部三向加速度传感器（6）和压力传感器（14）均通过线缆与多通道信号采集与发送装置（7）连接。

5.如权利要求4所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述钻柱顶部三向加速度传感器（6）与多通道信号采集与发送装置（7）连接的线缆（19），与水龙带（18）间隔一定的距离。

6.如权利要求4或5所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述钻柱顶部三向加速度传感器（6）与多通道信号采集与发送装置（7）连接的线缆（19），其外部包覆有保护套。

7.如权利要求1所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述多通道信号接收装置（8）与计算机系统（10）有线连接。

8.如权利要求1所述的井下钻柱故障诊断系统，其特征在于：所述多通道信号采集与发送装置（7）为信号采样率不低于3000Hz且能够采集全频段通道信号的多通道信号采集与发送装置。

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