[实用新型]一种井下钻柱故障诊断系统

说明书

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，Measure While 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。