牙轮钻头磨损状况实时监测方法及系统 技术领域：
本发明公开了一种牙轮钻头磨损状况实时监测方法及系统，通过对钻柱振动信号的分析来实时监测和判断牙轮钻头轴承磨损状况，属于石油钻采设备领域。
背景技术：
牙轮钻头是目前石油钻井使用最广泛的破岩工具，能否合理使用牙轮钻头对钻井速度和钻井成本影响较大。由于牙轮钻头质量和使用条件具有很多不确定因素，导致钻头使用寿命具有较大的离散性和随机性。即使同一厂家生产的相同型号的牙轮钻头，在相同的钻井条件下，其使用寿命的离散性也较大，这给钻井施工中判断钻头寿命、合理使用钻头造成了很大的困难。
目前现场判断牙轮钻头磨损状况主要借助于下列依据：(1)钻头平均寿命；(2)机械钻速的变化；(3)使用经验；(4)操作者对钻头运转情况的感觉。
由于井下情况的复杂多变性、钻头使用指标的离散性、以及操作者个人感觉的不确定性，要依据上述判断方法做出正确的判断是非常困难的，特别是对于深井、定向井和复杂结构井，钻头使用判断地准确性很低。起钻过早，钻头新度较高造成浪费，多起下钻影响钻井效率和钻井成本；起钻过晚，又容易造成严重的钻井事故。造成上述两种状况的根本原因，是目前的钻井过程实时监测环节还十分薄弱，缺少适合现场监测的可靠手段，使操作者无法对井下钻头当时的磨损状况有更多的了解，信息不足就会造成判断偏差。
牙轮钻头的磨损主要体现在牙轮钻头的失效形式，根据现场使用情况分析，牙轮钻头的失效主要有三种形式：
(1)轴承密封失效导致轴承严重磨损(约占失效钻头的70％)
(2)牙齿严重磨损或折断(约占失效钻头的30％)；
(3)钻头直径磨小(比例很小，取决于地层研磨性)。
在牙轮钻头的实际使用过程中，三种失效形式的外在表现不一样，判断的难度也不一样。当牙齿严重磨损或断齿较多时，机械钻速或牙轮运动明显变化，在地质情况清楚时容易做出正确判断；当钻头直径磨小时，机械钻速和牙轮运动没有明显变化，不易判断，但可以根据地层研磨性和已使用钻头磨损情况做出正确的判断；当轴承密封失效导致轴承严重磨损时，机械钻速不会明显变化，但牙轮运动不稳定，操作者一般很难做出正确判断，而且由于密封失效后轴承磨损很快，容易过度磨损造成掉牙轮事故。
已有研究结果表明，牙轮钻头以一定转速正常运转时，牙轮旋转带动牙齿不断冲击破碎井底岩石，钻头受力和钻头纵向位置呈现一定频率范围内的波动性变化，引起钻柱轴向振动，通过钻柱振动信号的频谱分析可以得出牙轮钻头的振动频谱图。在钻头断齿较多和轴承密封失效后，牙轮运动出现蹩卡，变得不稳定、不均匀，牙轮钻头的振动频谱图会出现明显的变化。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种根据钻柱振动信号的分析对牙轮钻头的磨损状况实时监测的系统和方法，实时监测牙轮钻头的运动状态和磨损程度，并及时发出报警信号，为合理使用牙轮钻头提供可靠的技术手段和测量仪器。
本发明通过以下技术方案实现：
一种牙轮钻头磨损状况实时监测的方法，至少包括如下步骤：
步骤1：钻柱振动信号采集单元采集钻柱振动信号，由计算机经快速富里叶(FFT)分析得到钻头振动的实时频谱图；
步骤2：计算机将实时频谱图与标准频谱图对比，分析其相关性或差异性，根据两者相关性或差异性数值的大小及变化趋势，判断该钻头当时的磨损状况；
步骤3：自动报警器分级显示出钻头磨损状况。
在执行步骤1前，要先获取钻头处于正常状态下的标准频谱图，其方法是：在新钻头正常钻井时，钻柱振动信号采集单元采集钻柱的轴向振动信号，经快速富里叶(FFT)分析得到频谱图，选取其中钻头振动频率区段对应的频谱图，由计算机保存起来。
所述的钻头振动频率区段确定在钻头转速与钻头总齿数乘积的(0.013～0.03)倍的范围内。
钻柱振动信号的采样时间为5～30秒，定时采样的时间间隔为5～30分钟。
在所述步骤2中与标准频谱图对比之前，将实时频谱图根据实际转速与标准转速的差异作等效处理，其方法为：由于转速与频率为线性关系，根据所测得的实际转速，按如下公式
ni/n0＝fI/f0i
可得到等效处理后的实时频谱图上的频率f0i：
f0i＝n0/ni*fI
其中，
n0：为标准转速；
nI：为实际转速；
f0i：为等效处理后的实时频谱图上的频率；
fI：为实际转速所对应的实际频率。
根据此f0i做等效处理后的实时频谱图。
一种牙轮钻头磨损状况实时监测系统，至少包括：钻柱振动信号采集单元、无线数据发送器、无线数据接收器、计算机和自动报警器；其中，
钻柱振动信号采集单元采集钻柱振动信号，并进行A/D转换，将钻柱振动信号变成数字信号输出给无线数据发送器；无线数据发送器将钻柱振动信号发送到空间去；与计算机连接的无线数据接收器接收到该信号后，传输到计算机中，进行数据记录、分析、处理，得出钻头磨损状况的判断结果，根据该判断结果，计算机输出控制信号，控制自动报警器分级显示。
所述钻柱振动信号采集单元至少包括：加速度传感器、转速传感器、A/D转换器、时间控制器；其中，加速度传感器与转速传感器与A/D转换器连接，将所检测到的信号A/D转换，A/D转换器将转换后的信号输出到无线发送器；时间控制器用于定时采集和发送数据。
所述的钻柱振动信号采集单元和无线数据传输发送器集成在振动测量装置里，该装置固定在方钻杆上部或水龙头中心管下部或水龙头顶部。
本发明提供的牙轮钻头磨损状况实时监测系统和方法，能够提供更丰富、更可靠的钻头运动状态和磨损状况的实时信息，提高钻头使用判断的科学性和准确性，有助于提高钻井效率，防止钻井事故，降低钻井成本。
附图说明：
图1为本发明的牙轮钻头磨损状况实时监测系统组成示意图；
图2为本发明牙轮钻头磨损状况实时监测系统的工作原理示意图；
图3为本发明一实施例的振动测量装置的示意图；
图4为本发明一实施例的振动测量装置的电路连接示意图；
图5为本发明的牙轮钻头磨损状况实时监测方法的流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
一种牙轮钻头磨损状况实时监测的方法，参见图1，
步骤1：新钻头入井，正常钻井，采集钻柱的轴向振动信号，经快速富里叶(FFT)分析得到频谱图，选取其中钻头振动频率区段对应的频谱图，由计算机保存起来作为该钻头处于正常状态下的标准频谱图；
步骤2：在钻头工作过程中，每隔一段时间采集一次钻柱振动信号，经快速富里叶(FFT)分析处理得到该钻头振动的实时频谱图，其中，定时采样的时间间隔推荐值为5-30分钟，每次采样时间推荐值为5-30秒；
步骤3：分析对比实时频谱图与标准频谱图的相关性或差异性，根据两者相关性或差异性数值的大小及变化趋势，判断该钻头当时的磨损状况；
步骤4：根据判断结果，计算机控制自动报警器，分级显示出钻头磨损状况，供操作者实时参考；
步骤5：保存钻头磨损到后期的振动频谱图，作为钻头处于严重磨损状况的故障频谱图，供以后的分析判断参考。
在上述方法中，需要确定钻头振动的频率区段，可以根据下列方法确定：根据牙轮钻头运动分析，设牙轮转速与钻头转速之比为k(一般k＝1.10～1.40)钻头总齿数为Nc，钻头转速为n(转/分)，理论计算钻头振动的主频率fb为：
fb＝k*n*Nc/60 (Hz)考虑到实际钻井过程中，钻头和牙轮瞬时转速的不均匀性，实际钻头振动的频率区段确定在(0.7～1.3)*fb，即(0.013～0.03)*n*Nc(Hz)的范围内。
如果在钻井过程中钻头转速发生了明显的变化，应考虑钻头转速对钻头振动频率的影响，重新选取标准频谱图，作为分析对比的参考基准。取得标准频谱图时的钻头转速，称为标准转速。
通过振动测量装置中内设置钻柱振动信号采集单元的转速传感器，测出实际转速，考虑实际转速与标准转速的差异，将实时频谱图作等效化处理后，再与标准频谱图进行对比。其方法为：由于转速与频率为线性关系，根据所测得的实际转速按如下公式
ni/n0＝fI/f0i
可得到等效处理后的实时频谱图上的频率f0i：
f0i＝n0/ni*fI
其中，
n0：为标准转速；
nI：为实际转速；
f0i：为等效处理后的实时频谱图上的频率；
fI：为实际转速所对应的实际频率。
根据此f0i做等效处理后的实时频谱图。
如图2所示，牙轮钻头磨损状况实时监测系统组成示意图，其至少包括：钻柱振动信号采集单元1、无线数传发送器2、无线数传接收器3、计算机4和自动报警器5。钻柱振动信号采集单元1、无线数传发送器2集成在振动测量装置(1，2)。该振动测量装置固定在钻台上的方钻杆8上部或水龙头中心管7或水龙头接头上。无线数传接收器3和计算机4放置在井场上的工作房内，自动报警器5固定在钻台上的适当位置。
固定在方钻杆8上方的振动测量装置(1、2)内的钻柱振动信号采集单元1的输出与无线数传发送器2的输入连接，无线数传接收器3的输出与计算机连接。计算机的输出控制信号与钻台上的自动报警器连接。随着钻柱9旋转，牙轮钻头10在井底运动的过程中产生纵向振动，钻头振动信号通过钻柱9传到方钻杆8，由振动信号采集单元1检测出钻柱振动信号，经由无线数传发送器2发送出去，无线数传接收器3接收到钻柱振动信号后，传送到计算机中，经计算机分析处理，从钻柱振动信号中提取出钻头振动信号，就可得出钻头10的运动状态，其运动状态即可反映出磨损状况。
牙轮钻头磨损状况实时监测系统的工作原理如图3所示：钻柱振动信号采集单元1的加速度传感器获取钻柱振动信号，并进行放大后，A/D转换，再由无线数传发送器2发送出去，无线数传接收器3接收到振动信号后输入到计算机4，由计算机4进行数据记录、分析、处理，并给出钻头磨损状况的判断结果，计算机4控制自动报警器5进行分级显示。
在实时测量当中，钻柱振动信号的采集对于牙轮钻头磨损状况的分析判断尤为重要，本发明一实施例中的振动测量装置的示意图如图4所示：振动测量装置由加速度传感器11、放大器和A/D转换器12、无线数传发送器2、转速传感器13、时间控制器14、电源控制器15、电池16、壳体17、紧固件18等组成，用来定时采集、发送钻柱轴向振动信号。该振动测量装置采用卡箍的形式夹持、固定在方钻杆上部或水龙头中心管或水龙头接头上，也可固定在水龙头6的顶部。
其电路组成如图5所示，加速度传感器11、转速传感器13的输出与放大器的输入端连接，经过放大了的钻柱振动信号传送到A/D转换器12，经过A/D转换器12的转换，将模拟信号转换为数字信号，经无线数传发送器2发送出去，时间控制器连接于两传感器和无线数传发送器之间，用于定时采集钻柱振动信号，电池16和电源控制器15串联为该装置提供电源及其电源的控制。
无线数传接收器接收到钻柱振动信号后输入计算机，由计算机进行波形显示、频谱分析和频谱图显示，然后根据本发明提出的实时监测方法得出牙轮钻头的磨损状况。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。