一种模块化井下钻柱多点振动测量系统及测量方法与流程

本发明属于石油天然气钻井技术领域，特别是涉及一种模块化井下钻柱多点振动测量系统及测量方法。

背景技术：

在钻井过程中，钻头与地层的冲击、钻头的偏心钻进、钻柱与井壁之间的摩擦碰撞，都会产生强烈的振动。钻柱振动信号包含了大量的钻井工况信息，通过采集这些振动数据，分析钻柱振动机理并做出合理的故障诊断，对于减少钻井事故、优化钻井参数、提高钻进速度都具有非常重要的意义。国外早在20世纪60年代就开始了振动信号测量技术的研究并取得了丰硕的技术成果，国内对井下振动测量的研究始于20世纪80年代，取得的成果主要是通过建立理想的模型和理论计算得到的，还没有实用的井下振动测量工具，相对国外还有相当的差距。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种模块化井下钻柱多点振动测量系统及测量方法，实现井下钻柱多轴振动数据的获取与分析。

为了达到上述目的，本发明提供的模块化井下钻柱多点振动测量系统由安装在井下钻具组合不同位置上的1～n个钻柱振动测量短节构成，所述井下钻具组合作为振动源，在钻井过程中产生轴向、径向和扭转振动，所述钻柱振动测量短节用于测量、采集、存储所述井下钻具组合产生的振动信息，n由所需测量位置数目决定。

所述钻柱振动测量短节包括钻柱振动测量壳体、钻柱振动测量电路封装壳体、钻柱振动测量电路，所述钻柱振动测量壳体为内通径外壳，其外壁设有带盖板的电路仓；钻柱振动测量壳体用于安装所述钻柱振动测量电路封装壳体，同时提供与所述井下钻具组合的机械连接端口，所述钻柱振动测量电路封装壳体用于固定安装所述钻柱振动测量电路，所述钻柱振动测量电路封装壳体放入所述钻柱振动测量壳体上的电路仓中，由盖板压紧固定，所述钻柱振动测量电路用于测量、采集、存储所述井下钻具组合产生的振动信号，其密闭封装于所述钻柱振动测量电路封装壳体中，上述结构使得所述钻柱振动测量电路独立于所述钻柱振动测量壳体，钻柱振动测量壳体独立于所述井下钻具组合，实现分离式模块化设计。

所述钻柱振动测量电路包括钻柱振动测量单元、振动信号调理单元、井下控制单元、振动信号存储单元、数据通信单元、井下电源管理单元，其中：钻柱振动测量单元和振动信号调理单元连接，井下控制单元分别与振动信号调理单元、振动信号存储单元和数据通信单元连接，井下电源管理单元分别与钻柱振动测量单元、振动信号调理单元、井下控制单元、振动信号存储单元和数据通信单元连接，数据通信单元与地面设备连接。

所述钻柱振动测量电路中的井下控制单元包括微处理器u1及其外围电路，微处理器u1选用pic18f系列单片机，外围电路中的第一电阻r1的一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端连接微处理器u1的可编程控制引脚mclr，第一电容c1的一端与第一电阻r1和第二电阻r2的连接点连接，第一电容c1另一端接地，第二电容c2的一端连接微处理器u1的vcpp引脚，另一端接地，第一晶振y1的第一端连接微处理器u1的osc1引脚，第一晶振y1的第二端连接微处理器u1的osc2引脚，第三电容c3的一端连接微处理器u1的osc1引脚，另一端接地，第四电容c4的一端连接微处理器u1的osc2引脚，另一端接地，第五电容c5的一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，微处理器u1的电源引脚vdd连接直流3.3v电源vdd3.3，微处理器的vss引脚接地。

所述钻柱振动测量电路中的振动信号存储单元包括存储芯片u2及其外围电路，所述存储芯片选用m25p32芯片，通过spi总线与所述微处理器u1通信，存储芯片u2的片选引脚s连接微处理器u1的片选控制引脚rc2，存储芯片u2的vcc引脚连接直流3.3v电源vdd3.3，外围电路中的第三电阻r3一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接存储芯片u2的保持引脚hold，第六电容c6一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，存储芯片u2的vss引脚接地；

存储芯片u2通过spi总线与微处理器u1的spi总线接口相连接，其中：存储芯片u2的引脚q为spi总线数据输出端，连接微处理器u1的spi总线的数据输入引脚sdi；存储芯片u2的d引脚为spi总线的数据输入端，连接微处理器u1的spi总线的数据输出引脚sdo；存储芯片u2的引脚c为spi总线的时钟输入端，连接微处理器u1的spi总线的时钟输出引脚sck；存储芯片u2的写保护引脚w悬空。

所述钻柱振动测量电路中的振动信号调理单元包括振动芯片u3及其外围电路，所述振动芯片u3选用mma8652芯片，通过i²c总线与微处理器u1通信，外围电路中的第四电阻r4为上拉电阻，一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接振动芯片u3的sda引脚，第五电阻r5为上拉电阻，一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接振动芯片u3的scl引脚，第七电容c7的一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，第八电容c8的一端连接振动芯片u3的byp引脚，另一端接地，第九电容c9一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，振动芯片u3的电源引脚vdd连接直流3.3v电源vdd3.3，振动芯片u3的i²c总线时钟引脚scl连接微处理器u1的rc0引脚，振动芯片u3的i²c总线数据引脚sda连接微处理器u1的rc1引脚，振动芯片u3的中断输出引脚int1连接微处理器u1的rb1引脚，振动芯片u3的中断输出引脚int2连接微处理器u1的rb2引脚，振动芯片u3的数字电源引脚vddio连接直流3.3v电源vdd3.3，振动芯片u3的三个gnd引脚接地。

所述钻柱振动测量电路中的钻柱振动测量单元包括x轴加速度传感器、y轴加速度传感器和z轴加速度传感器，x轴加速度传感器和y轴加速度传感器沿井下钻具组合100的径向正交放置，z轴加速度传感器沿所述井下钻具组合100的轴向放置，以井下钻具组合100钻头的方向为z轴正方向，x轴和y轴方向与z轴方向符合右手定则。

本发明提供的模块化井下钻柱多点振动测量方法包括按顺序进行的下列步骤：

a001、所述井下钻具组合入井前，确定井下钻柱振动测量短节的安装数目和安装位置；

a002、由井下控制单元设置振动信息的采样频率；

a003、所述井下钻具组合入井后，井下钻柱振动测量单元实时测量所述井下钻具组合沿轴向和径向的振动信息，振动信号调理单元完成对信号的转换、滤波、放大后，送入所述井下控制单元中进行处理并保存于井下振动信号存储单元中；

a004、所述井下钻具组合出井后，由地面设备通过数据通信单元读取井下振动信号存储单元中存储的三轴振动信息，进行三轴振动信息的显示、分析、解释和存储。

本发明提供的模块化井下钻柱多点振动测量系统及测量方法的效果：

将振动测量电路集成到独立短节上，可根据井下钻柱不同位置测量的需要，安装在某一或多个位置上进行多点测量，同时振动电路采用独立电源供电、独立芯片进行数据处理，随钻测量，钻后分析，与国外技术中仅进行单点测量、集成功能复杂、需外接mwd上传数据相比，本发明提出的方法步骤简单、无需改变钻柱结构尺寸和当前工艺流程，稳定性、操控性好，具有创新性和较好的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的模块化井下钻柱多点振动测量系统结构示意图。

图2为本发明实施例所述钻柱振动测量电路结构框图；

图3为本发明实施例所述实施例所述井下控制单元电路结构图。

图4为本发明实施例所述振动信号存储单元电路结构图。

图5为本发明实施例所述钻柱振动测量单元和振动信号调理单元电路结构图。

图6为本发明所述模块化井下钻柱多点振动测量系统及测量方法工作流程图。

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模块化井下钻柱多点振动测量系统及测量方法进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的模块化井下钻柱多点振动测量系统由安装在井下钻具组合100不同位置上的1～n个钻柱振动测量短节200构成，所述井下钻具组合100作为振动源，在钻井过程中产生轴向、径向和扭转振动，所述钻柱振动测量短节200用于测量、采集、存储所述井下钻具组合100产生的振动信息，根据测量位置需要，可安装于所述井下钻具组合100的任意位置，安装数量为1～n，n由所需测量位置数目决定，从而在不改变钻井工艺流程和所述井下钻具组合100机械结构的情况下实现多点振动信息测量。

所述钻柱振动测量短节200包括钻柱振动测量壳体210、钻柱振动测量电路封装壳体211、钻柱振动测量电路212，所述钻柱振动测量壳体210为内通径外壳，其外壁设有带盖板的电路仓；钻柱振动测量壳体210用于安装所述钻柱振动测量电路封装壳体211，同时提供与所述井下钻具组合100的机械连接端口，所述钻柱振动测量电路封装壳体211用于固定安装所述钻柱振动测量电路212，所述钻柱振动测量电路封装壳体211放入所述钻柱振动测量壳体210上的电路仓中，由盖板压紧固定，所述钻柱振动测量电路212用于测量、采集、存储所述井下钻具组合100产生的振动信号，其密闭封装于所述钻柱振动测量电路封装壳体211中，上述结构使得所述钻柱振动测量电路212独立于所述钻柱振动测量壳体210，钻柱振动测量壳体210独立于所述井下钻具组合100，实现分离式模块化设计。

如图2所示，所述钻柱振动测量电路212包括钻柱振动测量单元2121、振动信号调理单元2122、井下控制单元2123、振动信号存储单元2124、数据通信单元2125、井下电源管理单元2126，其中：钻柱振动测量单元2121和振动信号调理单元2122连接，井下控制单元2123分别与振动信号调理单元2122、振动信号存储单元2124和数据通信单元2125连接，井下电源管理单元2126分别与钻柱振动测量单元2121、振动信号调理单元2122、井下控制单元2123、振动信号存储单元2124和数据通信单元2125连接，数据通信单元2125与地面设备300连接。

所述的地面设备300为计算机，用于当所述振动测量短节200随所述井下钻具组合100出井后，通过所述钻柱振动测量电路212中的数据通信单元2125与井下控制单元2123进行通信，读取振动信号存储单元2124中保存的振动数据，进行振动数据的分析、解释。

所述井下钻具组合100在工作过程中产生轴向、径向和扭转振动，所述钻柱振动测量单元2121采用三个正交加速度传感器组成三轴正交加速度计，用于实时测量、采集所述井下钻柱组合100产生的振动信息，所述振动信号调理单元2122用于对所述钻柱振动测量单元2121输出的振动信号进行滤波、放大、转换等前期处理，所述井下控制单元2123用于设置所述振动信号调理单元2122的采样频率、对所述振动信号调理单元2122输出的振动信息进行处理，所述井下振动信号存储单元2124用于存储所述井下控制单元2123输出的数据信息，所述数据通信单元2125用于在井下钻具组合100出井后所述井下控制单元2123与地面设备300进行数据通信，所述井下电源管理单元2126用于为所述钻柱振动测量单元2121、所述振动信号调理单元2122、所述井下控制单元2123、所述井下振动信号存储单元2124和所述数据通信单元2125提供稳定的直流电能，所述井下电源管理单元2126独立设计，与钻柱振动测量电路212中其余部件通过连接器连接，降低信号干扰，便于维护更换。

如图3所示，所述钻柱振动测量电路212中的井下控制单元2123包括微处理器u1及其外围电路，微处理器u1选用pic18f系列单片机，外围电路中的第一电阻r1的一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端连接微处理器u1的可编程控制引脚mclr，第一电容c1的一端与第一电阻r1和第二电阻r2的连接点连接，第一电容c1另一端接地，第二电容c2的一端连接微处理器u1的vcpp引脚，另一端接地，第一晶振y1的第一端连接微处理器u1的osc1引脚，第一晶振y1的第二端连接微处理器u1的osc2引脚，第三电容c3的一端连接微处理器u1的osc1引脚，另一端接地，第四电容c4的一端连接微处理器u1的osc2引脚，另一端接地，第五电容c5的一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，微处理器u1的电源引脚vdd连接直流3.3v电源vdd3.3，微处理器的vss引脚接地。

如图4所示，所述钻柱振动测量电路212中的振动信号存储单元2124包括存储芯片u2及其外围电路，所述存储芯片选用m25p32芯片，通过spi总线与所述微处理器u1通信，存储芯片u2的片选引脚s连接微处理器u1的rc2引脚，存储芯片u2的vcc引脚连接直流3.3v电源vdd3.3，外围电路中的第三电阻r3一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接存储芯片u2的保持引脚hold，第六电容c6一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，存储芯片u2的vss引脚接地；

存储芯片u2通过spi总线与微处理器u1的spi总线接口相连接，其中：存储芯片u2的引脚q为spi总线数据输出端，连接微处理器u1的spi总线的数据输入端；存储芯片u2的d引脚为spi总线的数据输入端，连接微处理器u1的spi总线的数据输入端；存储芯片u2的引脚c为spi总线的时钟输入端，连接微处理器u1的spi总线的时钟输出端；存储芯片u2的写保护引脚w悬空。

如图5所示，所述钻柱振动测量电路212中的振动信号调理单元2122包括振动芯片u3及其外围电路，所述振动芯片u3选用飞思卡尔公司的mma8652芯片，通过i²c总线与微处理器u1通信，外围电路中的第四电阻r4为上拉电阻，一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接振动芯片u3的sda引脚，第五电阻r5为上拉电阻，一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接振动芯片u3的scl引脚，第七电容c7的一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，第八电容c8的一端连接振动芯片u3的byp引脚，另一端接地，第九电容c9一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，振动芯片u3的电源引脚vdd连接直流3.3v电源vdd3.3，振动芯片u3的i²c总线时钟引脚scl连接微处理器u1的rc0引脚，振动芯片u3的i²c总线数据引脚sda连接微处理器u1的rc1引脚，振动芯片u3的中断输出引脚int1连接微处理器u1的rb1引脚，振动芯片u3的中断输出引脚int2连接微处理器u1的rb2引脚，振动芯片u3的数字电源引脚vddio连接直流3.3v电源vdd3.3，振动芯片u3的三个gnd引脚接地。

进一步的，所述钻柱振动测量电路212中的钻柱振动测量单元2121包括x轴加速度传感器、y轴加速度传感器和z轴加速度传感器，x轴加速度传感器和y轴加速度传感器沿径向正交放置，z轴加速度传感器沿所述井下钻具组合100轴向放置，以井下钻具组合100钻头的方向为z轴正方向，x轴和y轴方向与z轴方向符合右手定则。

如图6所示，本发明提供的模块化井下钻柱多点振动测量方法，采用随钻多点测量、实时数据存储、钻后数据分析的方法实现井下钻柱振动的测量与分析，包括按顺序进行的下列步骤：

a001、所述井下钻具组合100入井前，确定井下钻柱振动测量短节200的安装数目和安装位置；

a002、由井下控制单元2123设置振动信息的采样频率；

a003、所述井下钻具组合100入井后，井下钻柱振动测量单元2121实时测量所述井下钻具组合100沿轴向和径向的振动信息，振动信号调理单元2122完成对信号的转换、滤波、放大后，送入所述井下控制单元2123中进行处理并保存于井下振动信号存储单元2124中；

a004、所述井下钻具组合100出井后，由地面设备300通过数据通信单元2125读取井下振动信号存储单元2124中存储的三轴振动信息，进行三轴振动信息的显示、分析、解释和存储。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。