一种井下工具综合参数闭环检测与评价系统及方法与流程

本发明属于石油、天然气钻井技术领域，特别是涉及一种井下工具综合参数闭环检测与评价系统及方法。

背景技术

在石油工业生产中，需用到大量井下工具来完成钻井施工作业过程，使其保持良好的工作性能是生产作业有效实施的根本保证。然而，在井下高温、振动等恶劣条件下，井下工具的工作状态始终不断变化，一旦发生故障，很难找出故障点，不但影响施工作业的正常进行，而且给后期的工具维护带来困难。因此，有必要在工具入井前，对工具的性能参数进行检测，确保其符合设计及施工要求，工具入井后，实时跟踪、记录其工作状态，工具出井后，将工具入井前后的检测数据相结合，作为判定其故障原因、及时发现和控制钻井事故的依据，达到安全、高效、低成本钻井的目的。

目前井下工具综合参数的地面检测主要通过模拟井下工况来验证工具整体工作性能，如大庆油田研制的全尺寸井下采油工具综合参数检测与试验系统可用于检测包括组合工具在内的多种采油工具，胜利油田钻采院研制的井下工具整机性能测试装置能够实时测量压力、拉压载荷、扭转载荷、位移、旋转角等参数，大港油田钻采院研制的井下工具试验系统在试验钻采工具拉、压、扭等力学性能的同时可进行高压液循环试验；对工具入井后工作状态的研究主要集中于井下工具动力学参数的监测，如美国halliburton公司研制的drilldoc工具可实时测量钻压、扭矩、弯矩等参数并对其进行优化以发挥井下钻具组合的最大工作性能，securitydbs公司研制的仪器化钻头，可检测钻头钻压、扭矩、加速度、钻头中心轨迹、井眼偏心率等，国内中海油研究中心和西南石油大学联合研制的工程参数测量仪器能够同时测量近钻头处的钻压和扭矩，中国石油大学耿艳峰等基于电阻式应变片的近钻头工程参数测量，可实现钻压、扭矩、环空压力、钻铤内外压力、振动和温度的测量。

综上，井下工具性能参数的地面检测和井下监测技术已日趋成熟，具有测量参数多、精度高、稳定性及安全性好的优点，但是只能做到对工具入井前和入井后的单独测试。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种井下工具综合参数闭环检测与评价系统及方法。

为了达到上述目的，本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价系统及方法包括：

井下钻具组合、地面综合参数检测单元、井下综合参数监测单元、地面接口箱和上位机；其中，所述井下钻具组合分别与所述地面综合参数检测单元和所述井下综合参数监测单元连接，所述地面综合参数检测单元和所述井下综合参数监测单元均与所述地面接口箱连接，所述地面接口箱与所述上位机连接。

所述地面综合参数检测单元为设置在地面测试台架上的地面检测装置，包括压力检测器、流量检测器、位移检测器、振动检测器、温度检测器；其中，上述压力检测器、流量检测器、位移检测器和振动检测器均采用相对应的检测传感器，所述温度检测器5采用恒温箱。

所述井下综合参数监测单元安装在井下钻具组合的近钻头位置，包括井下综合参数测量单元、井下综合参数处理单元、井下综合参数存储单元、井下双向通信单元和井下电源管理单元；其中：井下综合参数处理单元分别与井下综合参数测量单元、井下综合参数存储单元、井下双向通信单元连接，井下电源管理单元与井下综合参数测量单元、井下综合参数处理单元、井下综合参数存储单元和井下双向通信单元连接，井下双向通信单元与地面接口箱连接。

所述井下综合参数测量单元包括钻压监测器、扭矩监测器、弯矩监测器、转速监测器、井底压力监测器、三轴振动监测器和井下温度监测器；其中，钻压监测器和扭矩监测器采用应变片，其余监测器均采用相应的传感器。

所述地面接口箱包括地面综合参数采集单元、地面解码单元、地面通信接口单元和地面电源管理单元；其中，地面通信接口单元分别与地面综合参数采集单元和地面解码单元连接，地面电源管理单元分别与地面综合参数采集单元、地面解码单元和地面通信接口单元连接；地面综合参数采集单元与地面综合参数检测单元连接，地面解码单元与井下综合参数监测单元连接，地面通信接口单元分别与井下综合参数监测单元和上位机连接，地面电源管理单元与地面综合参数检测单元连接。

所述的地面综合参数检测单元的采样频率为1～1000hz，测量精度为5％fs。

所述的井下综合参数监测单元的采样频率为1～500hz，测量精度为5％fs，最高工作温度150℃，最高工作压力100mpa。

本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价方法包括按顺序进行的下列步骤：

a100：开始工作：井下钻具组合组装完毕，固定于测试台架，设置地面综合参数检测单元和井下综合参数监测单元的采样、存储频率，确定是否需要井下综合参数监测单元上传测量数据及上传参数类型、数目；

a101：确定测量参数：地面综合参数检测单元各组成单元可单独工作，针对井下钻具组合中包含的工具类型从地面综合参数检测单元中选取适当的检测手段；

a102：地面整体性能监测：将地面综合参数检测单元固定在井下钻具组合待测位置处，开始进行压力检测、流量检测、位移检测、振动检测和温度检测中的一项或多项；

a103：信号采集：上位机通过地面接口箱中的地面综合参数采集单元实时接收地面综合参数检测单元中的测量数据；

a104：地面数据解释评价：上位机对接收的地面综合参数检测单元的测量数据进行分析、处理和存储，对处理后的数据进行解释，并据此对井下钻具组合进行整体性能评价；

a105：确定整体性能：上位机根据上述评价结果判断井下钻具组合是否达到入井工作条件；

a106：工具维护：若井下钻具组合未达到入井工作条件，则需对其进行工具维护、性能优化或重新进行钻具组合，然后转步骤a101；

a107：入井工作：若经地面综合参数检测单元检测后，井下钻具组合达到入井工作条件，则将井下综合参数监测单元安装于井下钻具组合的近钻头位置，并与井下钻具组合一起随管柱入井，开始井下工作；

a108：井下动力学参数监测：利用井下综合参数监测单元对井下工程参数进行实时测量、处理、存储，若步骤a101中确定需要将数据上传，则将数据上传给地面接口箱；

a109：工具出井：井下钻具组合完成全部施工作业过程，从井底起出；

a110：井下测量数据提取：上位机通过地面接口箱中的地面通信接口单元读取并存储井下综合参数监测单元中存储或上传的测量数据；

a111：数据分析、解释：上位机对井下综合参数监测单元经地面接口箱上传的测量数据进行分析、解释，验证地面综合参数检测单元检测结果的有效性，上位机对地面综合参数检测单元和井下综合参数监测单元上传的数据进行综合解释与评价，用于优化地面综合参数监测单元的结构、性能，使其检测环境、过程、参数更符合井下钻具组合的井下实际工作情况，用于井下钻具组合入井工作过程中工况分析、故障诊断、性能评价；

a112：性能优化：根据上位机输出的井下钻具组合的解释、评价结果，对井下钻具组合入井过程中出现的故障进行维护和预防，对井下钻具组合的组合结构、性能参数进行优化；

a113：判断是否继续入井：判断维护、优化后的井下钻具组合100是否需再次入井工作，如判断结果为是，返回步骤a101，否则进行下一步骤；

a114：结束工作：若维护、优化后的井下钻具组合暂无入井工作需求，则整个检测与评价过程结束。

本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价系统及方法的有益效果：将井下工具综合参数的地面检测与井下监测相结合，由地面检测部分完成其整体性能参数的测量，作为其是否具备入井条件的依据，由井下监测部分实时记录其入井工作过程中的动力学参数信息，将井下工具入井前后的检测数据相结合，作为工具出井后工况分析、性能评价、故障诊断及维护的依据，对维护、优化组合后的工具入井前再次用地面检测部分评价其工作性能，从而形成一套集机械、电子、计算机、测控等技术为一体的井下工具综合参数闭环检测与评价系统，可实现不同井下工具的全尺寸、多参数、高精度、实时动态检测与评价，对于提高井下工具的稳定性、延长其工作寿命、优化钻具组合、指导钻进具有重要的意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价系统结构框图。

图2为本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价系统及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的井下工具综合参数闭环检测与评价系统包括：

井下钻具组合100、地面综合参数检测单元200、井下综合参数监测单元300、地面接口箱400和上位机500；其中，所述井下钻具组合100分别与所述地面综合参数检测单元200和所述井下综合参数监测单元300连接，所述地面综合参数检测单元200和所述井下综合参数监测单元300均与所述地面接口箱400连接，所述地面接口箱400与所述上位机500连接。

所述地面综合参数检测单元200和所述井下综合参数监测单元300分别从井下钻具组合100上获取入井前和入井后的整体性能参数；所述地面综合参数检测单元200和所述井下综合参数监测单元300分别通过所述地面接口箱400将得到的数据上传给所述上位机500。

所述井下钻具组合100为完成整个石油钻井施工作业过程所需的各类钻具组合，包括钻头、钻铤、钻杆、油管和随钻测量仪器。

所述地面综合参数检测单元200为设置在地面测试台架上的地面检测装置，用于所述井下钻具组合100入井前整体性能参数的检测，确定其是否达到入井工作条件，包括压力检测器201、流量检测器202、位移检测器203、振动检测器204、温度检测器205；其中，上述压力检测器201、流量检测器202、位移检测器203和振动检测器204均采用相对应的检测传感器，所述温度检测器205采用恒温箱，所述压力检测器201用于所述井下钻具组合100所能承受的拉、压、扭力以及进出口处的钻井液压力的检测，所述流量检测器202用于所述井下钻具组合100进出口处钻井液流量的检测，所述位移检测器203用于所述井下钻具组合100待测位置在地面模拟井下工况工作时相对静止时位置的位移偏移量的检测，所述振动检测器204用于所述井下钻具组合100在地面模拟井下工况工作时多轴振动情况的检测，所述温度检测器205用于所述井下钻具组合100耐温性能的检测。

所述井下综合参数监测单元300安装在井下钻具组合100的近钻头位置，是随井下钻具组合100一同下井的检测装置，待所述井下钻具组合100入井后实时记录其动力学参数信息，作为所述井下钻具组合100出井后进行性能评价、故障诊断、维护及判断井下工况的依据，包括井下综合参数测量单元301、井下综合参数处理单元302、井下综合参数存储单元303、井下双向通信单元304、井下电源管理单元305；其中：井下综合参数处理单元302分别与井下综合参数测量单元301、井下综合参数存储单元303、井下双向通信单元304连接，井下电源管理单元305与井下综合参数测量单元301、井下综合参数处理单元302、井下综合参数存储单元303和井下双向通信单元304连接，井下双向通信单元304与地面接口箱400连接；

所述井下综合参数测量单元301包括钻压监测器3011、扭矩监测器3012、弯矩监测器3013、转速监测器3014、井底压力监测器3015、三轴振动监测器3016和井下温度监测器3017；其中，钻压监测器3011和扭矩监测器3012采用应变片，其余监测器均采用相应的传感器，所述钻压监测器3011用于钻进时对施加于钻头的压力进行监测，所述扭矩监测器3012用于钻井过程中所述井下钻具组合100近钻头处由钻柱摩擦井壁和钻头切割井底岩石所产生的扭转力矩的监测，所述弯矩监测器3013用于钻井过程中所述井下钻具组合100近钻头处由钻柱运动和井底反作用力产生的弯曲力矩的监测，所述转速监测器3014用于所述井下钻具组合100中钻头每分钟旋转圈数的监测，所述压力监测器3015用于所述井下钻具组合100近钻头处钻柱/钻铤内压力和环空压力监测，所述三轴振动监测器3016用于所述井下钻具组合100井下工作过程中近钻头处轴向振动、横向振动和扭转振动的监测，所述井下温度监测器3017用于所述井下钻具组合100井下工作时井底环境温度的监测，所述井下综合参数处理单元302接收所述井下综合参数测量单元301输出的多参数测量数据，对其进行滤波、隔离、放大、转换、压缩等处理，所述井下综合参数存储单元303用于对所述井下综合参数处理单元302处理后的多参数测量数据进行存储，所述井下双向通信单元304用于接收所述上位机500发送的控制指令并将测量、存储的数据通过地面接口箱400上传给所述上位机500，所述井下电源管理单元305用于为所述井下综合参数监测单元300中各单元模块提供所需的稳压直流电源。

所述地面接口箱400用于所述地面综合参数检测单元200、所述井下综合参数监测单元300与所述上位机500间的双向通信，并为所述地面综合参数检测单元200提供所需稳压直流电能，包括地面综合参数采集单元401、地面解码单元402、地面通信接口单元403和地面电源管理单元404；其中，地面通信接口单元403分别与地面综合参数采集单元401和地面解码单元402连接，地面电源管理单元404分别与地面综合参数采集单元401、地面解码单元402和地面通信接口单元403连接；地面综合参数采集单元401与地面综合参数检测单元200连接，地面解码单元402与井下综合参数监测单元300连接，地面通信接口单元403分别与井下综合参数监测单元300和上位机500连接，地面电源管理单元404与地面综合参数检测单元200连接；

所述的地面解码单元402用于实现井下综合参数监测单元300位于井下时与井下双向通信单元304之间的无线通信(泥浆脉冲、电磁波、声波等)，所述的地面通信接口单元403用于实现井下综合参数监测单元300出井后位于地面时与井下双向通信单元304之间的串口通信。

所述地面综合参数采集单元401用于对所述地面综合参数检测单元200的测量信号进行采样，通过所述地面通信接口单元403送入所述上位机500中进行处理，所述地面解码单元402用于对所述井下综合参数监测单元300上传的编码数据进行解码，通过所述地面通信接口单元403送入所述上位机500中进行处理，所述地面通信接口单元403用于所述地面综合参数检测单元200与所述井下综合参数监测单元300与所述上位机500之间指令、数据的双向通信，所述地面电源管理单元404用于为所述地面综合参数检测单元200和所述地面接口箱400的组成部件提供所需的稳定直流电能。

所述上位机500用于：

(1)确定所述地面综合参数检测单元200和所述井下综合参数监测单元300需要测量的参数类型和数目；

(2)通过所述地面接口箱400中的所述地面综合参数采集单元401设置所述地面综合参数检测单元200的采样、存储频率；

(3)设置所述井下综合参数监测单元300中所述井下综合参数测量单元301的采样、存储频率、确定是否需要实时上传数据及上传参数的类型、数目；

(4)接收、存储所述地面综合参数检测单元200和所述井下综合参数监测单元300上传的测量数据；

(5)对接收到的数据进行分析、解释，根据所述地面综合参数检测单元200上传的测量数据判定所述井下钻具组合100是否达到入井工作条件，根据所述井下综合参数监测单元300上传的测量数据验证所述地面综合参数检测单元200上传测量数据的有效性，综合地面综合参数检测单元200和井下综合参数监测单元300上传的测量数据，优化所述地面综合参数检测单元200结构使其检测过程符合所述井下钻具组合100的井下实际工作环境，进行井下工况分析、对所述井下钻具组合100进行故障诊断并提出性能优化方案。

所述的地面综合参数检测单元200的采样频率为1～1000hz，测量精度为5％fs。

所述的井下综合参数监测单元300的采样频率为1～500hz，测量精度为5％fs，最高工作温度150℃，最高工作压力100mpa。

如图2所示，采用上述井下工具综合参数闭环检测与评价系统的井下工具综合参数闭环检测与评价方法包括按顺序进行的下列步骤：

a100：开始工作：井下钻具组合100组装完毕，固定于测试台架，设置地面综合参数检测单元200和井下综合参数监测单元300的采样、存储频率，确定是否需要井下综合参数监测单元300上传测量数据及上传参数类型、数目；

a101：确定测量参数：地面综合参数检测单元200各组成单元可单独工作，针对井下钻具组合100中包含的工具类型从地面综合参数检测单元200中选取适当的检测手段；

a102：地面整体性能监测：将地面综合参数检测单元200固定在井下钻具组合100待测位置处，开始进行压力检测、流量检测、位移检测、振动检测和温度检测中的一项或多项；

a103：信号采集：上位机500通过地面接口箱400中的地面综合参数采集单元401实时接收地面综合参数检测单元200中的测量数据；

a104：地面数据解释评价：上位机500对接收的地面综合参数检测单元200的测量数据进行分析、处理和存储，对处理后的数据进行解释，并据此对井下钻具组合100进行整体性能评价；

a105：确定整体性能：上位机500根据上述评价结果判断井下钻具组合100是否达到入井工作条件；

a106：工具维护：若井下钻具组合100未达到入井工作条件，则需对其进行工具维护、性能优化或重新进行钻具组合，然后转步骤a101；

a107：入井工作：若经地面综合参数检测单元200检测后，井下钻具组合100达到入井工作条件，则将井下综合参数监测单元300安装于井下钻具组合100的近钻头位置，并与井下钻具组合100一起随管柱入井，开始井下工作；

a108：井下动力学参数监测：利用井下综合参数监测单元300对井下工程参数进行实时测量、处理、存储，若步骤a101中确定需要将数据上传，则将数据上传给地面接口箱400；

a109：工具出井：井下钻具组合100完成全部施工作业过程，从井底起出；

a110：井下测量数据提取：上位机500通过地面接口箱400中的地面通信接口单元403读取并存储井下综合参数监测单元300中存储或上传的测量数据；

a111：数据分析、解释：上位机500对井下综合参数监测单元300经地面接口箱400上传的测量数据进行分析、解释，验证地面综合参数检测单元200检测结果的有效性，上位机500对地面综合参数检测单元200和井下综合参数监测单元300上传的数据进行综合解释与评价，用于优化地面综合参数监测单元200的结构、性能，使其检测环境、过程、参数更符合井下钻具组合100的井下实际工作情况，用于井下钻具组合100入井工作过程中工况分析、故障诊断、性能评价；

a112：性能优化：根据上位机500输出的井下钻具组合100的解释、评价结果，对井下钻具组合100入井过程中出现的故障进行维护和预防，对井下钻具组合100的组合结构、性能参数进行优化；

a113：判断是否继续入井：判断维护、优化后的井下钻具组合100是否需再次入井工作，如判断结果为是，返回步骤a101，否则进行下一步骤；

a114：结束工作：若维护、优化后的井下钻具组合100暂无入井工作需求，则整个检测与评价过程结束。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

本发明通过将井下工具综合参数的地面检测与井下监测相结合，由地面检测部分完成其整体性能参数的测量，作为其是否具备入井条件的依据，工具入井后由井下监测部分实时记录其动力学参数信息，将工具入井前后的检测数据相结合，作为工具出井后工况分析、性能评价、故障诊断及维护的依据，对维护、优化组合后的工具入井前再次用地面检测部分评价其工作性能。