冲击器井下监测系统研究

摘 要：目前旋冲钻井技术无法判别井下工具的工作状况，通过研制一种冲击器随钻监测系统，来对冲击器井下工作状况进行监测，该系统主要由井下仪器和地面处理平台两部分组成，将该系统安装在冲击器上方，通过对冲击器冲锤撞击钻头时产生的振动进行监测，从而实时测量冲击器的加速度、冲击力、冲击功、冲击频率、冲击时间等参数，并对测量结果进行实时存储。仪器出井后将数据回放到PC机上，通过PC机处理得出加速度-时间曲线，进而计算得出位移、速度和冲击功等参数与时间的关系曲线。这种方法能够获得冲击器在井下的真实工作状态，测量结果准确，使用方便、可靠。

关键词：加速度；监测系统；冲击器

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2013）14-0195-02

0 引言

随着我国油气资源勘探的不断深入，旋冲钻井技术的应用范围迅速扩大，而冲击器是实现旋冲钻井技术的关键工具，其性能优劣直接影响旋冲钻井的破岩效率，是旋冲钻井能否高效进行的最为关键因素之一。传统判断冲击器井下工况方法：（1）钻速变化；（2）工具出井测试与解体检查。 上述方法只能粗略判断冲击器在井下工作时间和工作状态，需要研制一套监测冲击器井下工作状况的方法。

目前监测冲击振动的普遍方法是采用测试加速度振动来实现的，结合冲击器，通过论证，利用传感器测量冲锤加速度可以实现井下监测的目的。

1 技术分析

1.1 冲击器监测系统结构

钻井冲击器工作状态随钻监测系统的示意图如图1、图2、图3所示，包括井下仪器4和地面处理平台6两部分，其中井下仪器4安装在冲击器3的上方，负责实时测量、存储冲击器工作状态。地面处理平台6是在井下仪器出井后，通过专用电缆与仪器对接，完成数据回放和后期处理，最终显示冲击器3在井下的工作性能曲线。

1.2 工作原理

冲击器监测系统主要是通过安装在冲击器上的加速度传感器，直接实时测量冲击器冲锤的加速度，对冲锤的加速度信号采用各种信号处理手段进行低通滤波，提取频率、振动强度等参数，再按牛顿第二定律计算从而获得冲击器的冲击功、冲击力随时间的变化情况，如图4所示。由于加速度信号中的高频干扰只分别与冲击器冲锤的几何尺寸和惯性质量有关，与岩石的材质及应力—应变关系无关，进而提高了冲击器的高应变锤击力波信号测试质量和准确度。

1.3 关键技术

井下仪器负责测量冲击器井下工作时加速度、冲击力等参数，并实时对测量结果进行存储，为了便于调试、安装和维护，系统采用模块化设计：处理电路分为测量模块（包括三轴加速度计和温度计）、实时时钟模块、存储模块、中央控制模块、电源及保护电路几部分。地面数据回放平台主要用于仪器出井后，通过RS485接口回收冲击器加速度计测量结果，并对结果曲线进行显示和分析。系统总体框图如图5所示。

（1）仪器本体。

仪器本体14负责测量冲击器的冲击频率、冲击加速度、工作时间等性能参数，并对测量结果进行实时存储。

将需要使用的集成电路安装在圆柱形线路骨架上，整个仪器本体呈圆柱形。仪器本体包括测量模块、中央控制模块、实时时钟模块和存储模块几部分。

仪器本体的系统框图如图5所示，测量模块主要是三轴加速度传感器及其调理电路。三轴加速度传感器通过测量仪器X/Y/Z轴受到的加速力来判定冲击器对钻头的冲击情况；然后测量到的结果通过信号放大、滤波、A/D转换等处理后传给中央处理模块。

实时时钟模块能够准确记录工作的日期和时间，该模块有两个作用：一个是为中央控制模块的中央处理器提供时钟信号，保证整套系统时钟统一，二是将当前时间数据发送给中央处理器，中央处理器能够将测量模块的测量结果和当前时间一一对应存储，以便用户进行后期数据分析和计算。

中央控制模块由中央处理器和其他电路组成，负责数据处理、系统工作状态控制等工作。中央处理器可以选择使用市售高温单片机、FPGA等嵌入式芯片。中央控制模块接收到测量模块和实时时钟模块传来的测量结果后，首先通过程序对加速度结果进行温度补偿和校正，然后将数据分类存储到存储模块中。为了不出现漏失数据等错误，可先将测量结果存到中央控制模块的缓存中，存储了一定数据（缓存全满或半满后），从缓存直接存入存储模块。

存储模块的主要作用是在井下对各测量结果进行实时存储，以便仪器出井后用户进行数据回收和处理。由于仪器在井下工作时间长，需要存储的数据量多，因此需要外置多片FLASH芯片实现数据存储功能。

（2）地面处理平台。

仪器出井后，将仪器本体使用专用电缆和PC机连接，能够将存储在仪器中的数据通过电缆回放到PC中，PC机使用专用软件对测量值进行处理和计算，即可在地面获取井下冲击器加速度-时间曲线、速度-时间曲线、位移-时间曲线和冲击功等性能参数测量值。

1.4 模块设计计算分析

1.4.1 监测系统加速度计选择计算

（1）腔体压力法。

根据冲击器缸体内腔压力测量值，计算冲锤冲击加速度：

（2）触点法

根据冲锤在缸体上、下死点的瞬间末速度，计算冲锤冲击加速度：

经过两种方法计算，得到加速度值为32g，考虑到冲击器最佳应用排量、沿程泥浆阻力和其他损耗，综合分析，冲击传感器量程选用50g是能够满足冲击器井下监测系统的要求。

1.4.2 抗压筒强度校核

对于仪器本身，需要放在抗压筒中，在钻井过程中整个抗压筒处于高压泥浆的环境中，因此为了保证抗压筒强度和壳体内钻井液过流面积足够，选择外径φ45mm，内径为φ35mm，根据拉梅公式和第四强度理论计算抗压筒强度为：

（1）流量传感器；（2）泥浆入口压力传感器；（3）冲击器；（4）泥浆出口压力传感器；（5）调节阀；（6）泥浆出口流量传感器；（7）数据采集卡；（8）计算机；（9）回水管；（10）冲击器固定盘；（11）信号传出口；（12）冲击力传感器；（13）测试支架。

通过测量传感器反馈的参数（冲击力、冲击功、冲击频率等），基于labview软件处理，得到如图7所示的测试曲线和图8所示的测试数据。

从地面试验可以看出，对于冲击加速度（冲击力）可以做到正确采集、存储、回放，这为井下监测冲击器加速度提供了可靠的研究依据。

3 结论

（1）形成了一种通过测量冲击加速度来监测冲击器工作状态的随钻监测方法。

（2）适合井下具有冲击性能工具的实时监测。

（3）通过实验应用，该系统能够用来监测冲击器在井下的工作状况和工作效率，为地面司钻人员提供可靠的信息，以便控制钻台、钻具工作参数，提高工作效率。

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