一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法 |
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| 申请号 | CN201610421407.0 | 申请日 | 2016-06-14 | 公开(公告)号 | CN107503745A | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 中国石油化工股份有限公司; 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院; | 发明人 | 陈晓晖; 王立双; 刘鹏; 刘晓丹; 王磊; 高炳堂; 宋朝晖; 杨春国; 胡越发; 孙连环; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种井底 钻头 磨损状态随钻监测的方法，其特征在于，包括步骤：S1、通过第一 传感器 与第二传感器分别测量钻头受到的 扭矩 与轴向 力 ；S2、将第一传感器、第二传感器测量到的钻头受到的扭矩、轴向力转变成数字 信号 ；S3、根据所述 数字信号 计算扭矩和轴向力的相对变化量并据此判断是否发出示警信号。本发明能够实时监 测井 底钻头磨损状态，并分析判断钻头工作状态，当钻头所受的扭矩和轴向力的相对变化量超过事先设定的 阈值 后，将发出示警信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法，其特征在于，包括步骤： |
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| 说明书全文 | 一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法技术领域[0001] 本发明涉及油、矿山、地质勘探等行业钻井的钻头磨损实时监测的技术领域，尤其涉及一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法。 背景技术[0002] 降低钻井成本一直是油气勘探中最关键的课题，其中如何有效控制钻头成本是钻井成本控制的一个重要因素。PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)是石油钻井行业常用的一种钻井工具，其价格昂贵，如果使用不充分会造成很大的成本浪费，而PDC钻头磨损后没及时发现仍然过度使用，那么不仅会降低钻时，更严重的是会发生钻头事故，造成财产甚至人员伤亡，因此如何及时检测钻头状态，提高钻头利用率，成为节约钻井成本的关键因素。 [0003] PDC钻头磨损的根本在于钻头上切削齿发生损坏，导致切削力不足，当损坏的切削齿数量增加到一定程度时，钻头就需要报废。因此，目前针对PDC钻头磨损的都是以单一切削齿进行力学分析研究的，且基本都是建立在实验室实验和理论分析的基础上，单纯从力学计算的角度预测地层对钻头可能造成的磨损。该种分析研究无法实际监测现场真实的钻头状态，所以，现场现在仍然需要司钻依靠井口扭矩、钻时、泵压等测量结果，依靠经验判断钻头是否发生了磨损以及磨损到达了什么程度，对司钻人员的技术水平要求高，误判率较大。而众所周知，由于钻井过程中钻杆在高温高压环境下，在井下旋转时实际会扭曲成麻花状，因此井口对扭矩的测量值和钻头处实际的扭矩值存在较大误差，增加了误判几率。 [0004] 因此急需一种能够在钻井作业时，准确收集井下钻头真实工作参数、并科学准确的判断钻头在井下实时工作状态的井下。 发明内容[0005] 本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。 [0006] 为克服现有技术的问题，本发明提供一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法，其特征在于，包括步骤：S1、通过第一传感器与第二传感器分别测量钻头受到的扭矩与轴向力；S2、将第一传感器、第二传感器测量到的钻头受到的扭矩、轴向力转变成数字信号；S3、根据所述数字信号计算扭矩和轴向力的相对变化量并据此判断是否发出示警信号。 [0007] 可选地，在步骤S1中，钻头所受到的扭矩 其中，Fti为切削齿i受到的切向力，Ri为切削齿i与钻头中心之间的距离。钻头受到的轴向受力： 其中，Fai为切削齿i受到的轴向力，θi为钻头的中心轴线与切削齿i的中心轴线之间的夹角。 [0008] 可选地，所述步骤S1中，所述第一传感器由多个第一应变片组成的第一电桥，通过测量到的电压值反应所述钻头受到的扭矩；所述第二传感器由多个第二应变片组成的第二电桥，通过测量到的电压值反应所述钻头受到的轴向力。 [0009] 可选地，所述多个第一应变片沿所述本体的周向均匀间隔设置，且处于同一轴向高度；或所述多个第一应变片分成至少两组，每组第一应变片均沿所述本体的周向均匀间隔设置，且处于同一轴向高度；所述多个第二应变片分成至少两组，每组第二应变片均沿所述本体的周向均匀间隔设置，且处于同一轴向高度。 [0010] 可选地，所述第一应变片为4个，处于同一轴向高度，且沿所述本体的周向均匀间隔设置，相邻的两个第一应变片组成正八字型或倒八字形。 [0011] 可选地，所述第二应变片为8个，分成两组，其中：第一组第二应变片为4个，处于同一轴向高度，沿所述本体的周向均匀间隔设置，位于中间的两个第二应变片组成八字型，位于两侧的两个第二应变片分别与其相邻的用于组成八字型的第二应变片平行；第二组第二应变片为4个，处于同一轴向高度，沿所述本体的周向均匀间隔设置。 [0012] 可选地，所述第一应变片或第二应变片为电阻式应变片。 [0013] 可选地，所述步骤S3中，具体包括：A1、将所述数字信号转换成对应的所述第一传感器、第二传感器测量到的测量值；A2、将当前测量值与历史测量值进行对照，计算扭矩和轴向力的相对变化量；当扭矩和轴向力的相对变化量同时超过预设的阈值时，就发出示警信号；所述扭矩的相对变化量为ΔT/T，其中，ΔT表示扭矩的变化量，为瞬时扭矩值与平均扭矩值值之差，T为平均扭矩值；轴向力的相对变化量为ΔFz/Fz，其中，ΔFz表示钻头所受轴向力的变化量，为瞬时轴向力值与平均轴向力值之差，Fz为平均轴向力值。 [0014] 可选地，在所述步骤S3中，还包括步骤：将所述步骤A1中获得的测量值就行存储。 [0015] 可选地，还括步骤S4：所述示警信号发出后传给预设的通信工具；所述预设的通信工具接收到所述示警信号后，获取所述钻头的当前钻时，若所述当前钻时超过预设的阈值，则提示更换钻头。 [0016] 本发明提供了一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法，能够实时监测井底PDC钻头磨损状态，并分析判断钻头工作状态，当钻头磨损超过事先设定的阈值后，将发出示警信号。 [0018] 下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中： [0019] 图1为本发明实施例的井底钻头磨损状态随钻监测的装置的结构示意图。 [0020] 图2为本发明实施例的钻头及其上的切削齿的受力示意图。 [0021] 图3为图2所示的钻头及其上的切削齿的在X-Y方向上的受力示意图 [0022] 图4为本发明实施例的第一传感器中的多个第一应变片的粘贴位置示意图。 [0023] 图5为本发明实施例的第二传感器中的多个第二应变片的粘贴位置示意图。 [0024] 图6为本发明实施例的井底钻头磨损状态随钻监测的原理示意图。 [0025] 图7为本发明实施例的井底钻头磨损状态随钻监测的方法的流程示意图。 具体实施方式[0026] 如图1所示，本发明提供一种井底钻头磨损状态随钻监测的装置，包括：本体10，一端用于与钻头1相连，另一端用于与钻铤相连；第一传感器11，包括设置在本体10外周表面的多个第一应变片，用于测量钻头1受到的扭矩；第二传感器12，包括设置在所述本体外周表面的多个第二应变片，用于测量钻头1受到的轴向力；信号处理模块13，与第一传感器11、第二传感器12相连，用于将第一传感器、第二传感器测量到的钻头受到的扭矩、轴向力转变成数字信号；中央控制模块14，与信号处理模块13相连，用于根据数字信号判断是否发出示警信号。 [0027] 其中，本体10为中空圆柱形，其两端可以通过螺纹直接与钻头1和钻铤连接，其内部为钻井液通道18，以保证正常钻井。在具体实施时，本体10的材质可使用4145H等加工钻铤常用的原材料，内外径和配套使用的普通钻铤相同，例如配合6寸2钻铤使用的装置，仪器本体外径即为165mm，内径78mm。本实施例中，本体10使用材质、内外径都可以与普通钻铤相同，以方便加工，同时能保证本体强度和抗腐蚀性满足实际应用要求。 [0028] 上述第一传感器11与第二传感器12测量的钻头1受到的扭矩及轴向力而非单个切削齿的受力情况；因为分别安装传感器测量每个切削齿状态是不现实的，所以下面通过具体的理论分析进一步说明将单个切削齿损坏时发生的力学变化拟合成为整个钻头上发生的力学变化，并以此来决定需要监测的关键力学参数。 [0029] 钻头上每个切削齿的安装位置和角度都不同，以单一切削齿为例，其受力如图2、图3所示，以O点为中心，X、Y、Z轴组成的直角坐标系是钻头受力直角坐标系，以井眼中心线向下方向为Z轴，垂直于Z轴且过钻头保径顶点的平面为XY轴平面，在该坐标系中，切削齿主要会收到来自岩石的切向力Ft和轴向力Fa(其中平面2为与切削齿轴向垂直的平面)，其中将切削齿i受力向钻头中心合成，则切向力Fti可以分解成沿X轴的力Ftxi和沿Y轴的力Ftyi，这些XY平面上的力将在钻头上产生扭矩Ti；而轴向力Fai会在钻头上产生沿Z轴的力Fazi、沿钻头半径方向的力Fari，众所周知，在钻头设计时，为了使钻头工作稳定，所有切削齿沿钻头半径方向的力最终是互相抵消的，因此切削齿轴向力Fai最终在钻头上产生的是轴向压力Fari，轴向压力Fari可以分解成沿X轴的力Faxi和沿Y轴的力Ftyi。将钻头上n个切削的齿受力进行叠加后，得出整个钻头的有效受力模型： [0030] 钻头受到的扭矩： [0031] 钻头受到的轴向受力： [0032] 其中，Fti为切削齿i受到的切向力，Ri为切削齿i与钻头中心之间的距离。Fai为切削齿i受到的轴向力，θi为钻头的中心轴线与切削齿i的中心轴线之间的夹角。 [0033] 从公式可以看出，当钻头切削齿受到磨损时，钻头切削时所受阻力将增大，此时Ft、Fa增大，对应的钻头扭矩T和轴向受力Fz也增大，当钻头磨损到一定程度时，T和Fz将会增大到一定程度，此时由于切削齿受损，钻时反而上升，因此通过在钻井过程中实时监测钻头扭矩和轴向受力情况，同时配合钻时和钻头使用时间这两个参数，就能准确判断出钻头的磨损状态。 [0034] 请再参照图1，本实施例中，还包括第一凹槽21，设置在本体10的外表面，用于安装第一传感器11中的多个第一应变片及第二传感器12中的多个第二应变片。第一应变片与第二应变片可以设置在同一个第一凹槽中也可以分设到两个第一凹槽内。由于第一传感器11中的多个第一应变片及第二传感器12中的多个第二应变片是环绕本体的周向设置的，因此，第一凹槽21为环向浅凹槽，一般地，凹槽深度足够浅的话，是不会对本体强度产生影响的。第一应变片或第二应变片沿第一凹槽内部的本体壁粘贴。在钻井时，钻头受力会导致连接在钻头上方的本体产生微弱形变，应变片可以准确测量到这种微弱形变并转换为电信号即电压值。通过监测分析这些电信号，从而判断钻头的工作状态。 [0035] 此外，还包括第二凹槽22，设置在本体10的外表面，用于安装信号处理模块13以及中央控制模块14。一般地，信号处理模块13以及中央控制模块14可以表现为集成电路。本实施例中，第二凹槽22可以是沿本体10轴向设置的纵向浅凹槽，在第二凹槽22内除信号处理模块13以及中央控制模块14外，还可以放置与中央控制模块14的相连用于供电的电池组，例如是高温锂电池。在本发明的另一实施例中，第二凹槽22可以为多个，彼此间可相互平行，用于分别放置电池组及信号处理模块13或中央控制模块14，以防电路和电池放置不开。此外，在第二凹槽22与第一凹槽21之间还设有导通孔18，用于安装电缆，以便将第一传感器与第二传感器采集到的电信号及时传输给信号处理模块及中央控制模块进行处理和分析。 [0036] 在具体实施时，可以使用灌封胶对位于第一凹槽内的第一传感器、第二传感器一级位于第二凹槽内的信号处理模块13、中央控制模块14、电池组进行固定和保护。为进一步隔绝外部高温高压环境对装置影响，防止钻井液对装置侵蚀，还可以在第一凹槽21上安装保护壳体23以盖住第一凹槽21；在第二凹槽22上也可以安装保护壳体24以盖住第二凹槽22；保护壳体23、24固定在本体10上，例如通过螺钉18固定本体10的外表面。 [0037] 本发明使用的第一应变片或第二应变片为电阻式应变片，当本体10因为钻头受力改变而发生微弱形变的时候，电阻应变片的形状也会随之改变，其阻值也会发生改变，从而可以通过电压变化情况监测到钻头收到的扭矩和轴向力。由于这种电阻式应变片灵敏度较低，为了测量准确，可以采用多个第一应变片或第二应变片以不同排列方式粘贴组成桥式电路，并对桥式电炉的电压改变进行检测，这样可以成倍提高应变片的测量灵敏度，还具有输入和输出呈线性关系、通过电流极低、应变片自身发热低等优点。 [0038] 请参照图4，本实施例中，第一传感器11多个第一应变片例如是4个第一应变片沿本体的周向均匀间隔设置，且处于同一轴向高度；相邻的两个第一应变片组成正八字型或倒八字形。图4中将圆柱形的本体表面的任意一条轴向线作为0°母线，沿逆时针方向将钢管表面展开，则钢管表面会存在0°、90°、180°、270°四根轴向线，基于材料力学的基本原理，这些方向处本体扭转时产生的剪应力、轴向力和压缩应力将分别达到极限值。图4中四个第一应变片Ra1、Ra2、Ra3、Ra4为一组，组成第一电桥。第一电桥对扭矩变化敏感，用于测量钻头受到的扭矩T，当钻头受到扭矩作用时，Ra1、Ra3阻值减小，Ra2、Ra4阻值增加，通过测量桥路的输出(Ra1-Ra2连接点和Ra3-Ra4连接点之间的输出电压)即可计算得到相应的扭矩值；而当钻头受到轴向力时,四个电阻Ra1、Ra2、Ra3、Ra4阻值均增加，且增加量相等，互相抵消不影响桥路电压的输出值。在本发明的另一实施例中，还可以将第一传感器11中的多个第一应变片分成至少两组，每组第一应变片均沿所述本体的周向均匀间隔设置，且处于同一轴向高度。 [0039] 请参照图5，本实施例中，将第二传感器12中的多个第二应变片例如是8个第二应变片分成两组，其中：第一组第二应变片为4个，分别是Rb1、Rb2、Rb3、Rb4，该4个第二应变片处于同一轴向高度，沿本体10的周向均匀间隔设置，位于中间的两个第二应变片组成八字型，位于两侧的两个第二应变片分别与其相邻的用于组成八字型的第二应变片平行；第二组第二应变片为4个，分别是Rb5、Rb6、Rb7、Rb8，该4个第二应变片处于同一轴向高度，沿所述本体的周向均匀间隔设置，且其长边垂直于本体10的轴向线。 [0040] 上述8个第二个应变片组成第二电桥，第二电桥对轴向力变化敏感，用于测量钻头受到的轴向力FZ。将Rb1和Rb3串联，Rb2和Rb4串联，当受到扭矩作用时，Rb1和Rb3、Rb2和Rb4变化量大小相等，方向相反，两者相加即可抵消扭矩对转换桥路输出的影响，此外Rb5、Rb6、Rb7、Rb8的摆放方向使其对扭矩变化不敏感，只对轴向力敏感。因此，求取Rb1-Rb4和Ra5-Ra8的变化量均值即能够实现钻头所受轴向力的精确测量。 [0041] 上述第一应变片或第二应变片可以使用目前市面常见的Omega、Gems等公司的电阻式应变片传感器。虽然应变片灵敏度较低，但利用本发明中提出的应变片粘贴方式组成桥式电路进行检测后，可以成倍提高其测量灵敏度，能够满足装置检测需要。 [0042] 中央控制模块14可使用高温单片机、FPGA、DSP等嵌入式芯片作为控制模块的CPU芯片，本实施例以高温FPGA：Xilinx公司的Spartan6芯片举例说明。Spartan6为低功耗FPGA，最高工作温度125℃，数据处理能力和工作性能满足应用需求，支持SPI、串口、USB等多种总线结构，可以根据需要能够分别与存储模块和上方的近钻头MWD(Measure While Drilling，随钻测量)等仪器进行通讯。 [0043] 本发明提供的井底钻头磨损状态随钻监测的装置的工作原理如图6所示：第一传感器11与第二传感器12中的应变片组感应到钻头受力导致本体产生的微弱形变后，将其转化为扭矩和轴向力对应的电信号，然后经过信号处理模块13进行放大、滤波、A/D转换等处理后变成数字信号传给中央控制模块14，中央控制模块14由电池组16对其进行供电；中央控制模块14一边将扭矩、轴向力测量结果进行存储，例如存储在存储模块15中，一边将当前测量结果与历史测量结果进行对照，当扭矩和轴向力值突然同时增大到一定程度时，证明钻头磨损到了一定程度。为了防止偶尔一次监测失误或者毛刺造成对结果的干扰和误判，提高判断精度，并不是单纯使用扭矩T或者轴向力Fz进行判断，而是计算扭矩和轴向力的相对变化量ΔT/T和ΔFz/Fz进行判定，其中ΔT表示扭矩的变化量，为瞬时扭矩值与平均扭矩值值之差，T为平均扭矩值，是在本体未发生微弱形变时多次测量的平均值；ΔFz表示钻头所受轴向力的变化量，为瞬时轴向力值与平均轴向力值之差，Fz为平均轴向力值，是在本体未发生微弱形变时多次测量的平均值。当ΔT/T和ΔFz/Fz的值同时超过设定的阈值时，中央处理模块发出示警信号，并将示警信号传给上方连接的近钻头MWD(此处可用但不限于近钻头MWD，一切能与地面实时通信的工具均能使用)，当地面工作人员接收到示警信号时，如果当前钻时(该值等于钻进时间/钻井进尺，为钻井作业时的常规监测数据)同步上升并超过设定阈值后，证明此时钻头产生了磨损，无法正常工作，需要更换，从而方便准确的实现井底钻头磨损状态的随钻监测。 [0044] 如图7所示，本发明进一步提供一种井底钻头磨损状态随钻监测的方法，包括步骤： [0045] S1、通过第一传感器与第二传感器分别测量钻头受到的扭矩与轴向力； [0046] S2、将第一传感器、第二传感器测量到的钻头受到的扭矩、轴向力转变成数字信号； [0047] S3、根据所述数字信号计算扭矩和轴向力的相对变化量并据此判断是否发出示警信号。 [0048] 其中，在步骤S1中，钻头所受到的扭矩 其中，Fti为切削齿i受到的切向力，Ri为切削齿i与钻头中心之间的距离。钻头受到的轴向受力： 其中，Fai为切削齿i受到的轴向力，θi为钻头的中心轴线与切削齿i的中心轴线之间的夹角。其具体的力学理论分析请参照图2、图3及其说明，在此不再赘述。 [0049] 上述步骤S1中的第一传感器与第二传感器设置在位于钻头上方且与钻头相连的本体上，本体的结构如上述井底钻头磨损状态随钻监测的装置中的本体10，在此不再赘述。 [0050] 第一传感器包括由多个第一应变片组成的第一电桥，通过测量到的电压值反应钻头受到的扭矩；第二传感器包括由多个第二应变片组成的第二电桥，通过测量到的电压值反应钻头受到的轴向力。由于钻头受到的扭矩及轴向力是与测量到的电压值成正比的，因此，本发明中以测量到的电压值来表示钻头受到的扭矩及轴向力。请参照图1、图4、图5，本实施例中第一传感器与第二传感器的具体结构及其与本体的固定方法亦如上述井底钻头磨损状态随钻监测的装置中的第一传感器11与第二传感器12及其与本体10的固定方法一致，在此不再赘述。 [0051] 在步骤S2中，由于第一传感器、第二传感器是由多个电阻应变片组成的桥式电路，因此采用第一传感器、第二传感器测量到的钻头受到的扭矩、轴向力是以电压值表示的，经过放大、滤波、A/D转换等处理后变成数字信号。 [0052] 在步骤S3中，具体包括： [0053] A1、将数字信号转换成对应的第一传感器、第二传感器测量到的测量值； [0054] A2、将当前测量值与历史测量值进行对照，计算扭矩和轴向力的相对变化量；当扭矩和轴向力的相对变化量同时超过预设的阈值时，就发出示警信号； [0055] 此外，在步骤S3中，还包括步骤：将测量值进行存储。 [0056] 具体地，在步骤A2中，扭矩的相对变化量为ΔT/T，其中ΔT表示扭矩的变化量，为瞬时扭矩值与平均扭矩值值之差，T为平均扭矩值，是在本体未发生微弱形变时多次测量的平均值。轴向力的相对变化量为ΔFz/Fz，其中，ΔFz表示钻头所受轴向力的变化量，为瞬时轴向力值与平均轴向力值之差，Fz为平均轴向力值，是在本体未发生微弱形变时多次测量的平均值。 [0057] 在步骤S3中，示警信号发出后可以传给预设的通信工具，例如近钻头MWD。虽然图中没显示，但在实际操作中，还可以包括步骤S4、预设的通信工具接收到示警信号后，获取钻头的当前钻时，若所述当前钻时超过预设的阈值，则提示更换钻头。在实际操作时，更换钻头的提示也可以由地面工作人员来发出，地面工作人员读取到在预设的通信工具上的示警信号时，同时观察获取钻头当前钻时，若当前钻同步上升并超过设定阈值后，则证明此时钻头产生了磨损，无法正常工作，需要更换。 [0058] 本发明提供一种在钻井作业过程中对井底钻头磨损状态进行随钻实时监测的装置及方法，能够准确、实时检测钻头在井下的真实磨损状态，而不是通过井口钻压、扭矩得出的估测工作状态，测量准确，对提高钻头利用率、降低钻井成本有很重要的参考价值。 [0059] 本发明提供的井底钻头磨损状态随钻监测的装置是一个整体短节，两端使用螺纹直接和钻头与钻铤连接，其结构简单，生产成本低，在国内现有加工工艺下非常容易实现，能够实时监测井底PDC钻头磨损状态的判断方法和井下仪器，它采用短节式结构安装在钻头上方，具有测量准确、长度短、体积小、强度大、容易装卸等特点，能够在井下高压、高振动的恶劣环境下长时间连续工作。 [0060] 本发明提供的井底钻头磨损状态随钻监测的装置及其方法能够实时、准确地监测钻头各项参数，并分析判断钻头工作状态，当钻头磨损超过事先设定的阈值后，将通过MWD向地面技术人员发出警报。和现有根据经验数据推测钻头状态的技术相比，能直接对钻头关键参数进行测量和定性分析。需要说明的是，本发明提供的井底钻头磨损状态随钻监测的装置及其方法不仅适用于PDC钻头，也适用于其他钻头。 [0061] 以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。 |
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