黑匣子、井下工具状态和钻井工况的监测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明关于油气勘探和开发技术领域，特别是关于钻井的监测技术，具体的讲是一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法及系统。
【背景技术】
[0002]在油气勘探与开发过程中，钻井是资金与技术密集型工程。钻井工具是钻井工程的执行机构。钻井过程中，钻井工具在充满钻井液的高温井眼中，承受着拉、压、弯、扭及钻井液压力等共同作用，工作环境复杂多变，工况十分恶劣。这样就造成钻井工具容易损坏，钻井工况异常时有发生，井下复杂事故频发，钻井开采周期长，钻井成本高。
[0003]随着钻井工具设计、制造技术的不断发展，钻井工具的价格也随之升调，而钻井工具的设计适用工况参数范围有限，且实际使用寿命与钻井时经历的工况密切相关，钻柱的高幅振动即是钻具损坏的主要原因之一。目前主要依靠人工录井的数据对钻井工具的工作时间进行粗略计算，很难及时全面了解钻井工具在井下的工作状态，这对掌握钻井工具的具体使用情况势必产生影响，还会造成不必要的钻井工具更替、报废，很难做到物尽其用。
[0004]钻井施工过程中，钻杆、钻井仪器、螺杆钻具等井下钻具组合连成钻柱，整个工具状态和钻井工况存在大量复杂且不确定的影响因素，不同的井下工具自身特性与所处井下位置均存在差异，如果遇到井下工况出现异常或钻井工具发生故障，以目前的记录方式所提供的数据信息很难对实际情况的准确判断给予充足的数据支持。
[0005]现有技术中，井下工具状态和钻井工况监测方面的研究大多局限在温度、压力两个参数的研究阶段。总体而言，现有井下工具状态及钻井工况监测主要存在以下问题:监测参数少，可供分析参考的数据源不足，难以实现对井下工具状态和钻井工况的全面评估，难以实现对异常或故障状态的及时预测，难以实现对故障原因的准确断定。
[0006]因此，如何研究和开发出一种新的方案，其能够实现对井下工具状态和钻井工况的全面评估、对异常或故障状态的及时预测、实现对故障原因的准确判断是本领域亟待解决的技术难题。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术中井下工具状态及钻井工况监测主要存在的监测参数少，可供分析参考的数据源不足的技术问题，本发明提供了一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法及系统，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装，钻井过程中监测并记录井下工具的包括温度、压力、扭矩、振动的参数信息，钻井结束时，通过从黑匣子中读取参数信息，建立数据库，进而监测井下工具的状态及钻井工况。
[0008]本发明的目的之一是，提供一种黑匣子，所述的黑匣子包括存储模块、传感器模块以及通信模块，其中，所述的传感器模块，与所述的存储模块相连接，用于采集参数信息，所述的参数信息包括温度、压力、扭矩以及振动;所述的存储模块，与所述的通信模块相连接，用于将所述的参数信息进行存储;所述的通信模块，用于发送所述的参数信息。
[0009]在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子还包括:供电模块，分别与所述的存储模块、传感器模块以及通信模块相连接，用于向所述的存储模块、传感器模块以及通信模块供电。
[0010]在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子还包括保护壳体，所述的保护壳体内设置有密封保护装置。
[0011]在本发明的优选实施方式中，所述的传感器模块包括温度传感器、压力传感器、MEMS三轴加速度传感器以及应变片扭矩传感器。
[0012]在本发明的优选实施方式中，所述的通信模块包括:RS485接口，用于与地面进行通信;通信接口，用于与井下随钻仪器进行通信。
[0013]在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子集成至井下随钻仪器中。
[0014]在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子单独作为一个工具短节，单点或多点安装于井下随钻仪器的任意节点。
[0015]本发明的目的之一是，提供一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法，所述方法包括:获取黑匣子在钻井过程中发送的参数信息，所述的参数信息包括温度、压力、扭矩以及振动;根据所述的参数信息建立参数-时间数据库;获取地面录井的井深-时间数据;根据所述的参数-时间数据库以及井深-时间数据库建立参数-井深数据库;根据所述的参数-井深数据库监测井下工具状态以及钻井工况。
[0016]在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括:获取预先建立的计算模型;获取井下工具类型以及黑匣子的节点位置;根据所述的工具类型以及节点位置选择对应的计算模型;根据所述的计算模型对所述的参数-时间数据库进行时域和频域的解析;获取预先设定的参数阈值;根据所述的参数阈值对解析后的参数-时间数据库进行定性分析、定量计算以及特征提取，以定位井下工具发生异常的时间段或钻井工况故障发生的时间段。
[0017]在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括:根据所述的参数-井深数据库以及井下工具发生异常的时间段诊断井下工具发生异常的原因；根据所述的参数-井深数据库以及钻井工况故障发生的时间段诊断钻井工况故障发生的原因。
[0018]在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括:获取井下工具规格参数;将所述的参数-井深数据库对照所述的井下工具规格参数，输出井下工具的状态评估报告。
[0019]在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括:根据所述的参数-井深数据库，将所述的参数信息通过列表或曲线形式进行显示。
[0020]本发明的目的之一是，提供了一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的系统，所述的系统包括监测装置、井下工具以及黑匣子，其中，所述的监测装置具体包括:参数信息获取模块，用于获取黑匣子在钻井过程中发送的参数信息，所述的参数信息包括温度、压力、扭矩以及振动;第一数据库建立模块，用于根据所述的参数信息建立参数-时间数据库;井深-时间数据获取模块，用于获取地面录井的井深-时间数据;数据库建立模块，用于根据所述的参数-时间数据库以及井深-时间数据库建立参数-井深数据库;监测模块，用于根据所述的参数-井深数据库监测所述井下工具的状态以及钻井工况。
[0021]在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括:计算模型获取模块，用于获取预先建立的计算模型；类型以及位置获取模块，用于获取井下工具类型以及黑匣子的节点位置;计算模型选择模块，用于根据所述的工具类型以及节点位置选择对应的计算模型；频域时域解析模块，用于根据所述的计算模型对所述的参数-时间数据库进行时域和频域的解析;参数阈值获取模块，用于获取预先设定的参数阈值;故障时间段定位模块，用于根据所述的参数阈值对解析后的参数-时间数据库进行定性分析、定量计算以及特征提取，以定位井下工具发生异常的时间段或钻井工况故障发生的时间段。
[0022]在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括:异常原因诊断模块，用于根据所述的参数-井深数据库以及井下工具发生异常的时间段诊断所述井下工具发生异常的原因；故障原因诊断模块，用于根据所述的参数-井深数据库以及钻井工况故障发生的时间段诊断钻井工况故障发生的原因。
[0023]在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括:规格参数获取模块，用于获取井下工具规格参数;评估报告输出模块，用于将所述的参数-井深数据库对照所述的井下工具规格参数，输出井下工具的状态评估报告。
[0024]在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括:显示模块，用于根据所述的参数-井深数据库，将所述的参数信息通过列表或曲线形式进行显示。
[0025]本发明的有益效果在于，提供了一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法及系统，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装，钻井过程中监测并记录井下工具的包括温度、压力、扭矩、振动的参数信息，钻井结束时，通过从黑匣子中读取参数信息，建立数据库，进而监测井下工具的状态及钻井工况，实现对井下工具状态及钻井工况的准确监测和精确评估。
[0026]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【附图说明】
[0027]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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式一的结构示意图；
[0029]图2为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式二的结构示意图；
[0030]图3为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式三的结构示意图；
[0031 ]图4为本发明实施例提供的一种黑匣子的传感器模块的结构示意图；
[0032]图5为本发明实施例提供的一种黑匣子的通信模块的结构示意图；
[0033]图6为将本发明实施例提供的黑匣子独立应用为井下黑匣子短节的示意图；
[0034]图7为将本发明实施例提供的黑匣子应用为多个黑匣子独立短节的示意图；
[0035]图8是将本发明实施例提供的黑匣子应用于螺杆钻具的示意图；
[0036]图9是将多个本发明实施例提供的黑匣子应用于井下工具组成井下钻具组合的应用不意图；
[0037]图10为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法的实施方式一的流程图；
[0038]图11为本发明实施