基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】在鉆井、鉆探和鉆孔中，鉆頭會(huì)有磨損，對(duì)鉆速和軸壓、軸的支撐和密封都會(huì)有影響，設(shè)計(jì)基于慣性測(cè)量參數(shù)的多維時(shí)間序列相似性度量的磨損預(yù)測(cè)方法：把采集的信號(hào)處理后取平均，采用多參數(shù)ARMA模型把多維時(shí)間序列轉(zhuǎn)為一維時(shí)間序列；新鉆頭信號(hào)經(jīng)過處理后作為第1數(shù)據(jù)段，計(jì)算第i數(shù)據(jù)段與第1段數(shù)據(jù)的歐氏距離，判斷磨損的程度；遞推計(jì)算第i+1數(shù)據(jù)段與第i數(shù)據(jù)段的歐氏距離，進(jìn)行度量磨損的相似性，采用指數(shù)函數(shù)擬合磨損程度變化，推導(dǎo)磨損規(guī)律；結(jié)合位置和磨損變化，預(yù)測(cè)那些地方磨損鉆頭嚴(yán)重；根據(jù)進(jìn)動(dòng)角速度計(jì)算磨損的角位置。本發(fā)明在于簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，預(yù)測(cè)精度高，并可以預(yù)測(cè)磨損的位置，不用附加其他傳感器。
【專利說明】基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及慣性隨鉆測(cè)量領(lǐng)域，特別是在鉆井、鉆探和鉆孔中的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法。
技術(shù)背景
[0002]在鉆井、鉆探和鉆孔中，鉆頭在鉆進(jìn)過程中會(huì)磨損，如果鉆頭均勻磨損，對(duì)鉆進(jìn)速度和軸壓會(huì)有影響，如果不均勻磨損，鉆頭在轉(zhuǎn)動(dòng)中有擺動(dòng)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加速度和側(cè)向振動(dòng)加速度，甚至回旋振動(dòng)加速度，對(duì)軸的支撐和密封都會(huì)有影響，甚至損壞切削機(jī)構(gòu)，還會(huì)導(dǎo)致鉆頭不平衡和外力矩不平衡，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)角速度，加速損壞，直至發(fā)生鉆井事故，因此要實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)鉆頭磨損情況，來決定是否更換鉆頭。
[0003]鉆頭在磨損的時(shí)候自身力不平衡和不規(guī)則外力作用下，導(dǎo)致其鉆頭振動(dòng)加速度，其振動(dòng)信號(hào)中包括磨損產(chǎn)生的振動(dòng)加速度、外界激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度和不同地質(zhì)因素產(chǎn)生的振動(dòng)加速度等，信號(hào)頻率范圍寬，持續(xù)時(shí)間短，具有一定的混沌性和隨機(jī)性，信號(hào)特征沒有那么明顯，并且屬于弱信號(hào)，由于每種濾波或分解方法都是有一定使用條件的，很難真實(shí)提取由磨損產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，因此完全靠振動(dòng)信號(hào)來預(yù)測(cè)磨損有可能是不準(zhǔn)確的。
[0004]還有國(guó)外提出的采用鉆速方程和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算機(jī)械比能、巖石抗壓強(qiáng)度及鉆頭磨損等級(jí)和基于可控性鉆井參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、鉆頭工作時(shí)間等)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)；還有人提出磨損與鉆壓、轉(zhuǎn)速和軸載之間的關(guān)系來確定，這些鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法有個(gè)問題是很多參數(shù)無法準(zhǔn)確測(cè)量，或者無法測(cè)量。
[0005]隨著慣性技術(shù)在隨鉆測(cè)量中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)基于加速度、角速度、速度和進(jìn)動(dòng)的多維時(shí)間序列相似性度量的磨損預(yù)測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，把慣性導(dǎo)航技術(shù)與鉆頭測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)鉆頭的磨損程度及位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)慣性隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)陀螺儀輸出的角速度和加速度計(jì)輸出加速度的進(jìn)行信號(hào)處理和解算，得到加速度、角速度、速度信息。鉆頭磨損時(shí)會(huì)引起鉆進(jìn)速度、加速度、角速度等一系列的變化，還會(huì)導(dǎo)致自身力矩和外力矩會(huì)不平衡，造成鉆頭進(jìn)動(dòng)，在充分利用慣性測(cè)量單元提供的測(cè)量參數(shù)，設(shè)計(jì)基于鉆速、加速度、角速度和進(jìn)動(dòng)的多維時(shí)間序列相似性度量的磨損預(yù)測(cè)方法。
[0008]慣性隨鉆測(cè)量系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理與預(yù)測(cè)模塊和傳輸模塊三部分部分。
[0009]信號(hào)采集模塊包括三軸加速計(jì)、三軸陀螺儀、溫度傳感器和放大部分。考慮鉆頭所處的環(huán)境特別惡劣，需提高抗沖擊能力和減小體積，傳感器均采用MEMS固態(tài)傳感器。
[0010]三軸加速度計(jì)用以測(cè)量鉆頭的三個(gè)軸向上的加速度信號(hào)，三軸陀螺儀用以測(cè)量鉆頭的三個(gè)軸向上的角速度，溫度計(jì)用于陀螺儀和加速度計(jì)的溫度補(bǔ)償。[0011]信號(hào)處理與預(yù)測(cè)模塊的功能包括信號(hào)處理和磨損預(yù)測(cè)。
[0012]信號(hào)處理:鉆頭的加速度和角速度信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)行小波濾波處理，然后通過加速度的積分得到速度信號(hào)7和位置信號(hào)P。
[0013]所述的磨損預(yù)測(cè)一基于加速度、角速度、速度和進(jìn)動(dòng)的多維時(shí)間序列相似性度量的磨損預(yù)測(cè)方法:把采集到的加速度信號(hào)、角速度信號(hào)和速度信號(hào)，每采集M長(zhǎng)度數(shù)據(jù)為一段，取平均，來消除偶然誤差。
[0014]對(duì)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)后，考慮加速度、角速度和速度時(shí)間序列之間的關(guān)聯(lián)性，建立滑動(dòng)自回歸模型，進(jìn)行模型參數(shù)估計(jì)和誤差檢驗(yàn)，把多維的時(shí)間序列轉(zhuǎn)為一維時(shí)間序列。
[0015]把鉆頭磨損分為四個(gè)程度一新鉆頭、初期磨損、一般磨損和嚴(yán)重磨損，在鉆探開始時(shí)采集的信號(hào)，即新鉆頭信號(hào)，逐漸可能會(huì)出現(xiàn)初期磨損信號(hào)，一般磨損信號(hào)和嚴(yán)重磨損信號(hào)。
[0016]把新鉆頭信號(hào)經(jīng)過平均和AMA模型處理后，作為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)段ym.，即第I數(shù)據(jù)
段，后期采集的數(shù)據(jù)也經(jīng)過平均和AEMA模型處理后，分成不同數(shù)據(jù)段ym,計(jì)算第i數(shù)據(jù)
段ym與第I段數(shù)據(jù)ym的歐氏距離
【權(quán)利要求】
1.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于把采集的加速度信號(hào)、角速度信號(hào)、速度信號(hào)，每采集長(zhǎng)度數(shù)據(jù)為一段，取平均
2.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于對(duì)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)后，考慮加速度、角速度和速度時(shí)間序列的之間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)滑動(dòng)自回歸模型建立戶皿VlA(MjW),進(jìn)行模型參數(shù)估計(jì)和誤差檢驗(yàn)，把多維的時(shí)間序列轉(zhuǎn)為一維時(shí)間序列? 0?.)h >….?),其中！為不同的數(shù)據(jù)段。
3.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于把鉆頭磨損分為四個(gè)程度:新鉆頭、初期磨損、一般磨損和嚴(yán)重磨損，在鉆探開始時(shí)采集到的信號(hào)，即新鉆頭信號(hào)，逐漸可能會(huì)出現(xiàn)初期磨損信號(hào)，一般磨損信號(hào)和嚴(yán)重磨損信號(hào)。
4.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于新鉆頭信號(hào)經(jīng)過平均和AEMA模型處理后，作為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)段Λμ ,即第I數(shù)據(jù)段，后期采集的數(shù)據(jù)也經(jīng)過平均和AlMA模型處理后，分成不同數(shù)據(jù)段,計(jì)算第i數(shù)據(jù)段.?*與第I段數(shù)據(jù)的歐氏距離
5.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于把4進(jìn)行歸一化處理，名e(0.1，0.3)為初期磨損，式e(0.4,0.6)為一般磨損，4 e(0.7,0.9)為嚴(yán)重磨損。
6.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于磨損規(guī)律的預(yù)測(cè):遞推計(jì)算第 數(shù)據(jù)段與第數(shù)據(jù)段的歐氏距離
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于如果^ i變化很微小，自動(dòng)加大兩數(shù)據(jù)段的間距，即:+ J ,遞推計(jì)算第? + j數(shù)據(jù)段與第:數(shù)據(jù)段的歐氏距離
8.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于結(jié)合位置P和磨損變化，可預(yù)測(cè)那些地方磨損鉆頭厲害。
9.基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于鉆頭不均勻磨損，自身力矩和外力矩都是不平衡的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的鉆頭具有陀螺的特性——進(jìn)動(dòng)性，鉆頭產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，根據(jù)進(jìn)動(dòng)角速度計(jì)算磨損的角位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于慣性測(cè)量參數(shù)的鉆頭磨損預(yù)測(cè)方法，其特征在于設(shè)置慣性隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)與鉆頭坐標(biāo)系一致，在不發(fā)生進(jìn)動(dòng)的時(shí)候，鉆頭轉(zhuǎn)速即為繞X軸的角速度；在不均勻磨損時(shí)，磨損的地方質(zhì)量減少，雖然造成自身平衡不大，但會(huì)引起外力矩不平衡，產(chǎn)生繞Y軸和Z軸的角速度?^和％,根據(jù)進(jìn)度角速度計(jì)算磨損的角位置，設(shè)與Y軸的角度即
【文檔編號(hào)】G01N3/56GK103792155SQ201410066817
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】楊金顯, 張穎, 陶慧, 陳超, 李志鵬 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)