技术领域
[0001] 本
发明涉及石油钻井技术领域，特别是涉及一种钻头失效预测方法及装置。
背景技术
[0002] 为了高效并准确的获取钻头及井下工具的工作状态，国内外研发了多种井下振动测量工具，这些工具的主要功能是对井下
钻柱的三轴振动
加速度和转速进行测量，利用采集到的数据评价井下振动强度。但是，现有的井下振动评价、分级方法多是各大油服公司根据自己研发的井下振动测量工具的特定而制定的，这就使得工具的采集
频率差异较大，采用的评价方法不同，导致目前振动评价、分级标准混乱。另外，现有的井下振动评价，分级方法对钻头三轴振动、转速
波动剧烈程度单独评价，缺少综合性的评价方法，而且对
信号采用区间分级的方式，不能定量评价产生的振动对钻头造成的损伤，无法用来预测钻头失效
风险。
发明内容
[0003] 针对于上述问题，本发明提供一种钻头失效预测方法及装置，实现了对井下瞬时振动强度的量化，并能够有效预测钻头在振动工作状态下的失效风险。
[0004] 为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0005] 一种钻头失效预测方法，包括：
[0006] 通过井下振动测量工具，获得预测范围内的钻头处的振动信号，其中，所述振动信号包括振动加速度和钻头转速；
[0007] 对所述振动加速度进行降噪处理，获得处理后的加速度信号；
[0008] 根据所述处理后的加速度信号和所述钻头转速，计算获得井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度；
[0009] 对所述井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度分别进行归一化处理，获得瞬时振动强度指数；
[0010] 依据所述瞬时振动强度指数，计算获得累计振动强度指数，并依据所述累计振动强度指数对钻头失效风险进行预测。
[0011] 可选地，所述对振动加速度进行降噪处理，获得处理后的加速度信号，包括：
[0012] 对振动信号进行
盲源分离，确定降噪处理表达式；
[0013] 基于所述降噪处理表达式，对所述振动加速度进行降噪处理，获得处理后的三轴振动加速度，其中，所述振动加速度包括钻头处的三轴振动加速度。
[0014] 可选地，所述根据所述处理后的加速度信号和所述钻头转速，计算获得井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度，包括：
[0015] 依据所述处理后的三轴振动加速度中的第一加速度和所述钻头转速，计算获得轴向振动强度，其中，所述第一加速度表征Y轴方向的加速度；
[0016] 依据所述处理后的三轴振动加速度中的第二加速度、第三加速度和所述钻头转速，计算获得径向振动强度，其中，所述第二加速度表征X轴方向的加速度，所述第三加速度表征Z轴方向的加速度；
[0017] 根据所述钻头转速和地面驱动转速，计算获得钻头相同单位时长内的粘滑振动强度，其中，所述钻头转速为钻头的井下实测转速。
[0018] 可选地，所述对所述井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度分别进行归一化处理，获得瞬时振动强度指数，包括：
[0019] 根据所述井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度，分别确定轴向振动安全的上下
阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值；
[0020] 依据所述轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值，分别计算获得轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值；
[0021] 基于所述轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值，计算获得瞬时振动强度指数。
[0022] 可选地，所述依据所述瞬时振动强度指数，计算获得累计振动强度指数，并依据所述累计振动强度指数对钻头失效风险进行预测，包括：
[0023] 根据所述瞬时振动强度指数，确定各个时段的损伤系数；
[0024] 依据所述各个时段的损伤系数和所述瞬时振动强度指数，计算获得预设时间段内的累计振动强度指数；
[0025] 获取钻头的实际工作时间，并依据所述累计振动强度指数，计算获得钻头失效风险指数；
[0026] 依据所述钻头失效风险指数，对钻头失效风险进行预测。
[0027] 一种钻头失效预测装置，包括：
[0028] 获取单元，用于通过井下振动测量工具，获得预测范围内的钻头处的振动信号，其中，所述振动信号包括振动加速度和钻头转速；
[0029] 降噪单元，用于对所述振动加速度进行降噪处理，获得处理后的加速度信号；
[0030] 计算单元，用于根据所述处理后的加速度信号和所述钻头转速，计算获得井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度；
[0031] 归一化单元，用于对所述井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度分别进行归一化处理，获得瞬时振动强度指数；
[0032] 预测单元，用于依据所述瞬时振动强度指数，计算获得累计振动强度指数，并依据所述累计振动强度指数对钻头失效风险进行预测。
[0033] 可选地，所述降噪单元包括：
[0034] 表达式确
定子单元，用于对振动信号进行盲源分离，确定降噪处理表达式；
[0035] 降噪子单元，用于基于所述降噪处理表达式，对所述振动加速度进行降噪处理，获得处理后的三轴振动加速度，其中，所述振动加速度包括钻头处的三轴振动加速度。
[0036] 可选地，所述计算单元包括：
[0037] 第一计算子单元，用于依据所述处理后的三轴振动加速度中的第一加速度和所述钻头转速，计算获得轴向振动强度，其中，所述第一加速度表征Y轴方向的加速度；
[0038] 第二计算子单元，用于依据所述处理后的三轴振动加速度中的第二加速度、第三加速度和所述钻头转速，计算获得径向振动强度，其中，所述第二加速度表征X轴方向的加速度，所述第三加速度表征Z轴方向的加速度；
[0039] 第三计算子单元，用于根据所述钻头转速和地面驱动转速，计算获得钻头相同单位时长内的粘滑振动强度，其中，所述钻头转速为钻头的井下实测转速。
[0040] 可选地，所述归一化单元包括：
[0041] 阈值确定子单元，用于根据所述井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度，分别确定轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值；
[0042] 第四计算单元，用于依据所述轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值，分别计算获得轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值；
[0043] 第五计算单元，用于基于所述轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值，计算获得瞬时振动强度指数。
[0044] 可选地，所述预测单元包括：
[0045] 系数确定子单元，用于根据所述瞬时振动强度指数，确定各个时段的损伤系数；
[0046] 第六计算子单元，用于依据所述各个时段的损伤系数和所述瞬时振动强度指数，计算获得预设时间段内的累计振动强度指数；
[0047] 第七计算子单元，用于获取钻头的实际工作时间，并依据所述累计振动强度指数，计算获得钻头失效风险指数；
[0048] 预测子单元，用于依据所述钻头失效风险指数，对钻头失效风险进行预测。
[0049] 相较于
现有技术，本发明提供了一种钻头失效预测方法及装置，通过获得预测范围内的钻头处的振动加速度和钻头转速，并依据振动加速度和钻头转速进行降噪处理和计算，获得了瞬时振动强度指数，实现了对讲下瞬时振动强度的量化，使得适用范围更广，同时该指数综合考虑了钻头的三轴振动和转速波动，使得更能综合表征钻头的工作状态。然后基于瞬时振动强度指数，可以计算获得累计振动强度指数，使得能够更好地预测钻头在振动工作状态下的失效风险。
附图说明
[0050] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0051] 图1为本发明实施例提供的一种钻头失效预测方法的流程示意图；
[0052] 图2为本发明实施例提供的振动测量工具三轴振动和转速测量示意图；
[0053] 图3为本发明实施例提供的原始三轴振动加速度信号和反卷积处理后信号随时间变化曲线的示意图；
[0054] 图4为本发明实施例提供的轴向、径向和粘滑振动强度随时间变化曲线的示意图；
[0055] 图5为本发明实施例提供的振动强度随时间变化曲线的示意图；
[0056] 图6为本发明实施例提供的钻头2失效风险指数随时间变化曲线的示意图；
[0057] 图7为本发明实施例提供的一种钻头失效预测装置的结构示意图。
具体实施方式
[0058] 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。
[0059] 本发明的
说明书和
权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何
变形，意图在于
覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
[0060] 在本发明实施例中提供了一种钻头失效预测方法，参见图1，可以包括以下步骤：
[0061] S11、通过井下振动测量工具，获得预测范围内的钻头处的振动信号，其中，振动信号包括振动加速度和钻头转速。
[0062] 参见图2，图2为振动测量工具三轴振动和转速测量示意图，采用井下振动测量工具，实时采集钻井过程中近钻头处的三轴(x、y、z轴)振动加速度和转速，并将数据进行压缩存储，实时传输至地面。其中，近钻头处指的是预设范围内的钻头处的
位置，例如，离钻头的距离小于15米。Z轴方向与钻柱方向一致，x和y轴和钻柱方向垂直。
[0063] S12、对振动加速度进行降噪处理，获得处理后的加速度信号。
[0064] 由于采集的原始振动新信号中包含了冲击信号和噪声信号，需要对振动信号进行降噪处理。
[0065] 该降噪处理可以包括：
[0066] 对振动信号进行盲源分离，确定降噪处理表达式；
[0067] 基于降噪处理表达式，对振动加速度进行降噪处理，获得处理后的三轴振动加速度，其中，振动加速度包括钻头处的三轴振动加速度。
[0068] 举例说明，通过对振动信号进行盲源分离，来减少噪声信号对原始信号的影响，表达式为：
[0069]
[0070] 上式(1)f(k)为冲击信号，y(k)为原始采集信号，h(k-m)为
盲反卷积逆
滤波器处理函数。
[0071] 利用式(1)对采集的三轴振动加速度信号分别进行降噪处理，得到x，y， z三个方向的加速度信号ax，ay，az。
[0072] S13、根据处理后的加速度信号和钻头转速，计算获得井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度。
[0073] 在本发明实施例中还提供了一种计算方法，包括：
[0074] 依据处理后的三轴振动加速度中的第一加速度和钻头转速，计算获得轴向振动强度，其中，第一加速度表征Y轴方向的加速度；
[0075] 依据处理后的三轴振动加速度中的第二加速度、第三加速度和钻头转速，计算获得径向振动强度，其中，第二加速度表征X轴方向的加速度，第三加速度表征Z轴方向的加速度；
[0076] 根据钻头转速和地面驱动转速，计算获得钻头相同单位时长内的粘滑振动强度，其中，钻头转速为钻头的井下实测转速。
[0077] 在获得了x，y，z三个方向的加速度信号ax，ay，az后，分别根据公式 (2)和公式(3)计算砖头制定单位时长内的轴向振动强度和径向振动强度。
[0078] 轴向振动强度：
[0079]
[0080] 径向振动强度：
[0081]
[0082] 在公式(2)和公式(3)中，av为轴向振动强度，al为横向振动强度， Td为
指定单位时长，ω为工具加速度的
采样频率。
[0083] 利用采集的转速信号，计算钻头相同单位时长内的粘滑振动强度，其中，转速信号包括地面驱动转速和井下实测转速。
[0084] 粘滑振动强度：
[0085]
[0086] 在式(4)中，SSC为粘滑振动轻度，RPMtop为地面驱动转速；RPMi为井下实测转速；ω0为工具转速的
采样频率。
[0087] S14、对井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度分别进行归一化处理，获得瞬时振动强度指数。
[0088] 为实现对钻头振动强度的综合性定量评价，对钻头轴向、径向和粘滑振动强度进行归一化处理，进而得到瞬时振动强度指数。
[0089] 在本发明实施例中还提供了一种归一化方法，包括：
[0090] 根据井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度，分别确定轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值；
[0091] 依据轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值，分别计算获得轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值；
[0092] 基于轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值，计算获得瞬时振动强度指数。
[0093] 具体的：
[0094] 轴向振动特征值：
[0095]
[0096] 径向振动特征值：
[0097]
[0098] 粘滑振动特征值：
[0099]
[0100] 瞬时振动强度指数：
[0101]
[0102] 上式中：av_u，av_b分别为轴向振动安全的上下阈值；al_u，al_b分别为横向振动安全的上下阈值；SSC_u，SSC_b分别为粘滑振动安全的上下阈值； d(av)，d(al)，d(SSC)分别为轴向、径向和粘滑振动强度特征值；d(p)为瞬时振动强度指数。
[0103] 根据计算得到的d(p)值，可以定量评价钻头瞬时振动强度，其中d(p)≤1，认为钻头处于安全振动范围；d(p)值越大，则钻头的瞬时振动强度越高。
[0104] S15、依据瞬时振动强度指数，计算获得累计振动强度指数，并依据累计振动强度指数对钻头失效风险进行预测。
[0105] 振动会对钻头造成损伤，进而影响钻头的使用寿命，但瞬时振动强度指数d(p)处于不同区间时，其对钻头造成的损伤程度不同，因此采用损伤系数来计算1小时内振动对钻头造成的累计损伤，然后计算钻头失效风险指数来预测钻头的失效情况。
[0106] 具体的，可以计算1小时内振动强度指数的累计值：
[0107]
[0108] 其中，Wi为损伤系数，采用分段取值：
[0109]
[0110] 式中：DI为1小时振动强度累计值；Wi为损伤系数，α，β，γ，λ为系数，其大小表征了振动对钻头的损伤程度。
[0111] 计算钻头失效风险指数：
[0112]
[0113] 式中：TI为钻头失效风险指数；n为钻头实际工作时间。
[0114] 计算钻头失效时的风险指数标准值并预测新钻头的失效情况：
[0115] 对某一型号的新钻头进行井下三轴振动和转速测量，根据钻头失效时的工作时间，按照公式(11)可计算出钻头失效时的风险指数，将此风险指数作为该型号钻头的失效风险指数标准值TIstan。其他钻头在使用过程中通过现场实测三轴振动和转速，实时计算失效风险指数TI，对比TI和TIstan，可以预测该钻头的失效情况。
[0116] 本发明提供了一种钻头失效预测方法，通过获得预测范围内的钻头处的振动加速度和钻头转速，并依据振动加速度和钻头转速进行降噪处理和计算，获得了瞬时振动强度指数，实现了对讲下瞬时振动强度的量化，使得适用范围更广，同时该指数综合考虑了钻头的三轴振动和转速波动，使得更能综合表征钻头的工作状态。然后基于瞬时振动强度指数，可以计算获得累计振动强度指数，使得能够更好地预测钻头在振动工作状态下的失效风险。
[0117] 下面结合具体的应用场景，对本发明的提供的钻头失效预测方法进行说明。
[0118] 例如，采用某区矿井A二开Φ311.2mm井眼直井段下三轴振动和转速实测数据，进行井下振动评价，同时计算某型号三
牙轮钻头1的失效风险标准值，并根据此标准值预测型号牙轮钻头2的失效情况。其中，钻头1的钻进井段为2053m-2104m，实际使用时间为46h，出井钻头崩齿严重，已完全失效。钻头2钻进井段为2104-2258m，实际使用时间57.5h。
[0119] 采用井下振动测量工具，对目的井段进行井下振动实测，获取近钻头三轴加速度信号和转速信号。对钻头1第一个使用小时内采用的三轴振动加速度信号分别进行降噪处理，得到处理后的加速度信号ax，ay，az，结果如图3 所示。
[0120] 基于上述计算结果，分别计算轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度，设定单位时长Td＝2.0s，计算结果如图4所示。然后分别计算获得轴向振动特征值、径向振动特征值、粘滑振动特征值，进而计算获得瞬时强度指数，计算结果如图5所示。其中，av_u＝1g，av_b＝0g，al_u＝2g，al_b＝0g， SSC_u＝0.5，SSC_b＝0。
[0121] 按照公式(9)计算第1小时内振动强度的累计值DI＝3.83h，其中损伤系数Wi采用的参数：α＝1，β＝2，γ＝4，λ＝8。按照公式(13)计算出该钻头1失效时的风险指数TI＝169.4h，并将此值作为该钻头实效风险指数标准值TIstan。
[0122] 重复上述步骤计算钻头2实钻过程中的钻头失效风险指数TI，参见图6，钻头2使用57.5小时后，机械钻速明显变慢，同时失效风险指数达到161.5 小时，接近该型号钻头失效风险指数标准值TIstan，因此判断钻头2已经失效，起钻后发现钻头2崩齿严重，已无法进行正常钻进破岩。
[0123] 依照本发明提供的方案，建立了井下瞬时振动强度指数，相对于传统的振动分级表，实现了对井下瞬时振动强度的量化，适应范围更广；同时该指数综合考虑了钻头的三轴振动和转速波动，相对于三轴振动和转速波动的单独评价，更能综合表征钻头的工作状态。利用累计振动强度建立了一种钻头失效风险预测方法，通过计算某一型号钻头的失效时的风险指数标准值，能够更好的预测钻头在振动工作状态下的失效风险。
[0124] 在本发明实施例中还提供了一种钻头失效预测装置，参见图7，包括：
[0125] 获取单元10，用于通过井下振动测量工具，获得预测范围内的钻头处的振动信号，其中，振动信号包括振动加速度和钻头转速；
[0126] 降噪单元20，用于对振动加速度进行降噪处理，获得处理后的加速度信号；
[0127] 计算单元30，用于根据处理后的加速度信号和钻头转速，计算获得井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度；
[0128] 归一化单元40，用于对井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度分别进行归一化处理，获得瞬时振动强度指数；
[0129] 预测单元50，用于依据瞬时振动强度指数，计算获得累计振动强度指数，并依据累计振动强度指数对钻头失效风险进行预测。
[0130] 本发明提供了一种钻头失效预测装置，通过获取单元获得预测范围内的钻头处的振动加速度和钻头转速，并在降噪单元和计算单元中依据振动加速度和钻头转速进行降噪处理和计算，获得了瞬时振动强度指数，实现了对讲下瞬时振动强度的量化，使得适用范围更广，同时该指数综合考虑了钻头的三轴振动和转速波动，使得更能综合表征钻头的工作状态。然后在预测单元中基于瞬时振动强度指数，可以计算获得累计振动强度指数，使得能够更好地预测钻头在振动工作状态下的失效风险。
[0131] 在上述实施例的
基础上可选地，降噪单元包括：
[0132] 表达式确定子单元，用于对振动信号进行盲源分离，确定降噪处理表达式；
[0133] 降噪子单元，用于基于降噪处理表达式，对振动加速度进行降噪处理，获得处理后的三轴振动加速度，其中，振动加速度包括钻头处的三轴振动加速度。
[0134] 可选地，计算单元包括：
[0135] 第一计算子单元，用于依据处理后的三轴振动加速度中的第一加速度和钻头转速，计算获得轴向振动强度，其中，第一加速度表征Y轴方向的加速度；
[0136] 第二计算子单元，用于依据处理后的三轴振动加速度中的第二加速度、第三加速度和钻头转速，计算获得径向振动强度，其中，第二加速度表征X 轴方向的加速度，第三加速度表征Z轴方向的加速度；
[0137] 第三计算子单元，用于根据钻头转速和地面驱动转速，计算获得钻头相同单位时长内的粘滑振动强度，其中，钻头转速为钻头的井下实测转速。
[0138] 可选地，归一化单元包括：
[0139] 阈值确定子单元，用于根据井下轴向振动强度、径向振动强度和粘滑振动强度，分别确定轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值；
[0140] 第四计算单元，用于依据轴向振动安全的上下阈值、横向振动安全的上下阈值和粘滑振动安全的上下阈值，分别计算获得轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值；
[0141] 第五计算单元，用于基于轴向振动特征值、径向振动特征值和粘滑振动特征值，计算获得瞬时振动强度指数。
[0142] 可选地，预测单元包括：
[0143] 系数确定子单元，用于根据瞬时振动强度指数，确定各个时段的损伤系数；
[0144] 第六计算子单元，用于依据各个时段的损伤系数和瞬时振动强度指数，计算获得预设时间段内的累计振动强度指数；
[0145] 第七计算子单元，用于获取钻头的实际工作时间，并依据累计振动强度指数，计算获得钻头失效风险指数；
[0146] 预测子单元，用于依据钻头失效风险指数，对钻头失效风险进行预测。
[0147] 相较于现有技术，本发明提供了一种钻头失效预测方法及装置，通过获得预测范围内的钻头处的振动加速度和钻头转速，并依据振动加速度和钻头转速进行降噪处理和计算，获得了瞬时振动强度指数，实现了对讲下瞬时振动强度的量化，使得适用范围更广，同时该指数综合考虑了钻头的三轴振动和转速波动，使得更能综合表征钻头的工作状态。然后基于瞬时振动强度指数，可以计算获得累计振动强度指数，使得能够更好地预测钻头在振动工作状态下的失效风险。
[0148] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0149] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
