一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置及方法，属于石油钻井技术领域。本发明专利技术通过在钻头上布设多组光纤传感器，以采集并分析钻头工作时的温度分布、应变分布以及振动分布数据，根据应变分布得到钻头的钻压分布，实时监测钻头的状态，并进行钻头工作状态提示以及实现报警功能。监测过程中的应变测量可以但不限于利用基于游标效应的光纤应变传感机理，将游标增敏效应与光纤干涉仪传光特性相结合，不仅能更灵敏地感知到应变的变化，提高了传感器灵敏度，同时也可以避免环境温度对钻压测量结果的影响，实现钻井设备的钻头钻压分布曲线以及由于切削齿磨损导致钻压分布不正常等报警功能。压分布不正常等报警功能。压分布不正常等报警功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置及方法


[0001]本专利技术属于石油钻井
，用于监测钻头在工作时的实时数据及预警提示，尤其是涉及一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置及方法。

技术介绍

[0002]油井是以若干梯级钻出的，梯级可具有不同的直径，这些梯级中的每一个都称为阶段；钻机经由钻柱传输重量(WOB
‑
钻头重量)、旋转(RPM
‑
每分钟转数)和转矩以促进井眼钻孔，钻头分为两个主要组：牙轮钻头(或圆锥钻头，最常见的是三锥钻头)和固定铣刀钻头，这两个主要组之间的主要区别在于牙轮钻头是通过破碎机制来切削岩石的，而固定铣刀钻头是通过剪切机制来切削岩石的。油气田开发过程中，石油钻井是一个非常重要的环节，而影响石油钻井效率的一个重要因素就是石油钻井钻头设备的使用；在日常的钻井工作中，钻井难免会出现不同程度地钻头受损或损坏，钻头发生故障会严重影响施工进度，降低施工效率和质量；可见确保钻井过程中，钻头设备正常使用状态十分重要。在日常施工作业中，不断关注钻井钻头设备状态，及时监测钻头设备状态采取合理有效地措施，可避免钻头设备过度性损坏，对钻头的正常工作使用起到积极的促进作用。
[0003]现有的一种监测钻头的磨损的系统，专利号为（CN112272728A），包括钻头，其设有切削表面、内部基体和在切削表面下方在钻头的内部区域处的通道；加压钻孔流体的源，钻头的内部基体连接到加压钻孔流体的源，并构造成从内部基体接收钻孔流体；以及用于监测加压钻孔流体的监测器；其中通道构造成当内部区域上方的切削表面磨损而暴露通道时，将钻孔流体释放到钻头的外部；实现检测其磨损的手段。在实际使用的过程中，钻进过程中井下工作环境具有瞬态性、复杂性，现有的钻头状态监测装置不够完善，无法对钻头进行全方位的监测，使得钻头在出现损伤时不能及时发现；并且钻井工作条件恶劣，对于传感器要求高，要具有耐高温、抗震动等特性，井下钻头进行传感器布设稀少，对近钻头信号的获取也存在瓶颈，存在着钻头检测效果差的问题。
[0004]因此，在现有技术中需要一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置及方法，该状态监测装置及方法包括用于通过利用已经存在于钻头或钻柱中的系统和构件结合光纤传感器来以低成本检测其磨损状况和工作状态异常的手段。如将在下面更详细地描述的那样，本专利技术旨在以实用和有效的方式至少部分地解决上述现有技术的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置及方法，采用光纤传感器布设，光纤传感器具有抗干扰能力强、无电传输等优点外，光纤传感器相对于传统传感器具有抗干扰性强、灵敏度高、反应迅速、安装方便、便于分布式布设以及性能可靠等特点来提高钻头的监测效果。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置，包括钻具和布设在钻具上的钻头，钻头上布设有多组光纤传感器，其
中多个光纤传感器布设在钻头的刀翼切削齿底部，钻头的刀翼中设有用于布设光纤的布线槽，光纤与光纤传感器连接后通过布线槽连接到钻头的空腔体内部的光纤滑环，光纤和光纤传感器经过耐高温高压封装，钻具内布设有供电仓，供电仓内布设有检测模块，光纤传感器与检测模块通过光纤连接。
[0007]在一种可能的实现方式中，光纤传感器包括光纤多参量传感器、光纤振动传感器和光纤压力传感器，多参量传感器用于对刀翼上多个切削齿底部进行温度和应变的测量，光纤振动传感器用于对刀翼进行振动的测量，光纤压力传感器用于不同流道内压力的测量。
[0008]在一种可能的实现方式中，检测模块包括光信号传输模块、环形器、时分复用器及波分复用器、光信号调节模块和数据处理模块，光纤多参量传感器、光纤振动传感器和光纤压力传感器分别通过光纤与光信号传输模块连接。
[0009]在一种可能的实现方式中，光纤多参量传感器包含参考臂和传感臂，且光纤多参量传感器布设多个，每个分别用于测量得到当前位置的温度和钻压；光纤振动传感器布设在每个刀翼上，且每个刀翼上布设一个或多个光纤振动传感器；光纤压力传感器布设在钻头的流道内靠近喷嘴部位，光纤压力传感器布设一个或多个，用于测量钻井液压力以及钻头清洗是否正常。
[0010]钻头上布设有多个孔位放置光纤传感器，多个光纤传感器布设在钻头的刀翼切削齿底部，使用耐高温胶对传感器进行固定，钻头刀翼中设有用于布设光纤的通道，作为引导光纤的布线槽，布线槽包括两部分，一部分是连接传感器和流道的圆柱形空腔的槽，另一部分为在流道壁留的凹槽，整体的布线槽一端连接到喷嘴内部的钻头腔体内，一端连接到光纤传感器，光纤沿紧贴钻头腔体内侧面布设，并在钻头内部的光纤表面套上保护管；在布线槽内设有铺设的光纤，光纤从光纤传感器通过布线槽连接到钻头空腔体内部的光纤滑环，多跟光纤通过光纤滑环之后组成单根多芯光纤进行传输。
[0011]在钻头切削齿的底部布设光纤多参量传感器，距离切削齿的焊接点有1mm的厚度距离，方便布设光纤多参量传感器时保证切削齿焊接正常，同时也要保证传感器测量信号的准确性，使用耐高温胶固定光纤多参量传感器，切向放置于切削齿底部用于测量钻头切削齿垂直下压的应变，均匀选择需要布设传感器的切削齿，并S型排列选取切削齿，因刀翼上的两端以及L型拐弯处接触点容易出现受力不均等情况，在两端以及拐弯处多布设一个光纤多参量传感器，有助于后续更加全面地检测钻头状态，其余切削齿底部放置一组传感器。每个光纤多参量传感器包括参考臂和传感臂，通过解耦得到当前切削齿位置的温度和应变，从而得到钻头的温度和钻压分布情况。一个刀翼使用一根光纤连接一组光纤传感器，包括：一个刀翼上的多个光纤多参量传感器、光纤振动传感器和光纤压力传感器，每组传感器利用波分复用器选择不同的工作波段，并结合时分复用器利用传感器回应数据时间的时分特性分析数据，根据钻头刀翼数选择光纤滑环的通道数量，例如5刀翼选择5通道光纤滑环。同时传输的光纤需要套上保护管。
[0012]钻具为多段，相邻布设的螺纹连接，其光纤通过光纤端子连接。
[0013]钻井设备状态提示以及报警，通过阈值判断设备状态是否正常，超过阈值会进行报警。钻头设备温度单位时间内变化过快、应变单位时间内变化过快以及振动单位时间内变化过快，也会对设备状态进行提示。根据流道内布设的光纤压力传感器，测得流道压力，
若压力超过阈值，设备进行报警。在温度、钻压、振动超过钻头所承受温度、钻压、振动的阈值时，系统设备会进行超限报警。根据钻头温度、钻压和振动的分布曲线，可查看是否钻头有受力、温度、振动不均等情况，以此判断钻头的磨损情况；在钻头刀翼与刀翼之间温度、受力、振动信号相差较大时，系统进行异常报警，可以同时根据分布曲线判断钻头的工作状态。
[0014]另一方面，本专利技术实施例还提供了一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测方法，该方法包括如下步骤：步骤一、布设光纤传感器：在钻头的每个刀翼多个切削齿处分别布设光纤多参量传感器，所述光纤多参量传感器用于采集当前切削齿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置，包括钻具和布设在所述钻具上的钻头，其特征在于，所述钻头上布设有多组光纤传感器，多组所述光纤传感器布设在所述钻头的刀翼切削齿底部，所述钻头的刀翼中设有用于布设光纤的布线槽，所述光纤与光纤传感器连接后通过所述布线槽连接到所述钻头的空腔体内部的光纤滑环，所述光纤和光纤传感器经过耐高温高压封装，所述钻具内布设有供电仓，所述供电仓内布设有检测模块，所述光纤传感器与所述检测模块通过所述光纤连接。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置，其特征在于：所述光纤传感器包括光纤多参量传感器、光纤振动传感器和光纤压力传感器；所述光纤多参量传感器用于对刀翼上多个切削齿底部进行温度和应变的测量，再根据应变得到当前位置的钻压；所述光纤振动传感器用于对刀翼进行振动的测量；所述光纤压力传感器用于不同流道内压力的测量。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置，其特征在于：所述检测模块包括光信号传输模块、环形器、时分复用器、波分复用器、光信号调节模块和数据处理模块，所述光纤多参量传感器、光纤振动传感器和光纤压力传感器分别通过光纤与所述光信号传输模块连接。4.根据权利要求2所述的一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置，其特征在于：每个所述光纤多参量传感器均包含参考臂和传感臂，各个光纤多参量传感器用于测量当前位置的温度和钻压；所述光纤振动传感器布设在每个刀翼上，且每个刀翼上布设一个或多个所述光纤振动传感器；所述光纤压力传感器布设在所述钻头的流道内靠近喷嘴部位，所述光纤压力传感器布设一个或多个，用于测量钻井液压力以及钻头清洗是否正常。5.应用于权利要求1
‑
4任一项所述的一种基于光纤分布式传感器的钻头状态监测装置的监测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一、布设光纤传感器：在钻头的每个刀翼多个切削齿处分别布设光纤多参量传感器，所述光纤多参量传感器用于采集当前切削齿位置的温度和应变；在钻头的刀翼上布设光纤振动传感器，所述光纤振动传感器用于采集各个刀翼的振动；在钻头的流道内布设光纤压力传感器，所述光纤压力传感器用于采集流道内的压力；步骤二、数据采集：利用所述光纤多参量传感器、光纤振动传感器和光纤压力传感器分别采集不同切削齿处的温度和应变分布信号、每个刀翼的振动信号以及流道压力信号；步骤三、数据处理：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕方兴，刘晶晶，李飞，
申请(专利权)人：陕西智钻新能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：