黑匣子、井下工具状态和钻井工况的监测方法及系统技术领域
本发明关于油气勘探和开发技术领域，特别是关于钻井的监测技术，具体的讲是
一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法及系统。
背景技术
在油气勘探与开发过程中，钻井是资金与技术密集型工程。钻井工具是钻井工程
的执行机构。钻井过程中，钻井工具在充满钻井液的高温井眼中，承受着拉、压、弯、扭及钻
井液压力等共同作用，工作环境复杂多变，工况十分恶劣。这样就造成钻井工具容易损坏，
钻井工况异常时有发生，井下复杂事故频发，钻井开采周期长，钻井成本高。
随着钻井工具设计、制造技术的不断发展，钻井工具的价格也随之升调，而钻井工
具的设计适用工况参数范围有限，且实际使用寿命与钻井时经历的工况密切相关，钻柱的
高幅振动即是钻具损坏的主要原因之一。目前主要依靠人工录井的数据对钻井工具的工作
时间进行粗略计算，很难及时全面了解钻井工具在井下的工作状态，这对掌握钻井工具的
具体使用情况势必产生影响，还会造成不必要的钻井工具更替、报废，很难做到物尽其用。
钻井施工过程中，钻杆、钻井仪器、螺杆钻具等井下钻具组合连成钻柱，整个工具
状态和钻井工况存在大量复杂且不确定的影响因素，不同的井下工具自身特性与所处井下
位置均存在差异，如果遇到井下工况出现异常或钻井工具发生故障，以目前的记录方式所
提供的数据信息很难对实际情况的准确判断给予充足的数据支持。
现有技术中，井下工具状态和钻井工况监测方面的研究大多局限在温度、压力两
个参数的研究阶段。总体而言，现有井下工具状态及钻井工况监测主要存在以下问题：监测
参数少，可供分析参考的数据源不足，难以实现对井下工具状态和钻井工况的全面评估，难
以实现对异常或故障状态的及时预测，难以实现对故障原因的准确断定。
因此，如何研究和开发出一种新的方案，其能够实现对井下工具状态和钻井工况
的全面评估、对异常或故障状态的及时预测、实现对故障原因的准确判断是本领域亟待解
决的技术难题。
发明内容
为了克服现有技术中井下工具状态及钻井工况监测主要存在的监测参数少，可供
分析参考的数据源不足的技术问题，本发明提供了一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具状
态和钻井工况监测的方法及系统，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装，钻
井过程中监测并记录井下工具的包括温度、压力、扭矩、振动的参数信息，钻井结束时，通过
从黑匣子中读取参数信息，建立数据库，进而监测井下工具的状态及钻井工况。
本发明的目的之一是，提供一种黑匣子，所述的黑匣子包括存储模块、传感器模块
以及通信模块，其中，所述的传感器模块，与所述的存储模块相连接，用于采集参数信息，所
述的参数信息包括温度、压力、扭矩以及振动；所述的存储模块，与所述的通信模块相连接，
用于将所述的参数信息进行存储；所述的通信模块，用于发送所述的参数信息。
在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子还包括：供电模块，分别与所述的存储
模块、传感器模块以及通信模块相连接，用于向所述的存储模块、传感器模块以及通信模块
供电。
在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子还包括保护壳体，所述的保护壳体内
设置有密封保护装置。
在本发明的优选实施方式中，所述的传感器模块包括温度传感器、压力传感器、
MEMS三轴加速度传感器以及应变片扭矩传感器。
在本发明的优选实施方式中，所述的通信模块包括：RS485接口，用于与地面进行
通信；通信接口，用于与井下随钻仪器进行通信。
在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子集成至井下随钻仪器中。
在本发明的优选实施方式中，所述的黑匣子单独作为一个工具短节，单点或多点
安装于井下随钻仪器的任意节点。
本发明的目的之一是，提供一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方
法，所述方法包括：获取黑匣子在钻井过程中发送的参数信息，所述的参数信息包括温度、
压力、扭矩以及振动；根据所述的参数信息建立参数-时间数据库；获取地面录井的井深-时
间数据；根据所述的参数-时间数据库以及井深-时间数据库建立参数-井深数据库；根据所
述的参数-井深数据库监测井下工具状态以及钻井工况。
在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括：获取预先建立的计算模型；获取
井下工具类型以及黑匣子的节点位置；根据所述的工具类型以及节点位置选择对应的计算
模型；根据所述的计算模型对所述的参数-时间数据库进行时域和频域的解析；获取预先设
定的参数阈值；根据所述的参数阈值对解析后的参数-时间数据库进行定性分析、定量计算
以及特征提取，以定位井下工具发生异常的时间段或钻井工况故障发生的时间段。
在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括：根据所述的参数-井深数据库以
及井下工具发生异常的时间段诊断井下工具发生异常的原因；根据所述的参数-井深数据
库以及钻井工况故障发生的时间段诊断钻井工况故障发生的原因。
在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括：获取井下工具规格参数；将所述
的参数-井深数据库对照所述的井下工具规格参数，输出井下工具的状态评估报告。
在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括：根据所述的参数-井深数据库，
将所述的参数信息通过列表或曲线形式进行显示。
本发明的目的之一是，提供了一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统，所述的系统包括监测装置、井下工具以及黑匣子，其中，所述的监测装置具体包括：参
数信息获取模块，用于获取黑匣子在钻井过程中发送的参数信息，所述的参数信息包括温
度、压力、扭矩以及振动；第一数据库建立模块，用于根据所述的参数信息建立参数-时间数
据库；井深-时间数据获取模块，用于获取地面录井的井深-时间数据；数据库建立模块，用
于根据所述的参数-时间数据库以及井深-时间数据库建立参数-井深数据库；监测模块，用
于根据所述的参数-井深数据库监测所述井下工具的状态以及钻井工况。
在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括：计算模型获取模块，用于获
取预先建立的计算模型；类型以及位置获取模块，用于获取井下工具类型以及黑匣子的节
点位置；计算模型选择模块，用于根据所述的工具类型以及节点位置选择对应的计算模型；
频域时域解析模块，用于根据所述的计算模型对所述的参数-时间数据库进行时域和频域
的解析；参数阈值获取模块，用于获取预先设定的参数阈值；故障时间段定位模块，用于根
据所述的参数阈值对解析后的参数-时间数据库进行定性分析、定量计算以及特征提取，以
定位井下工具发生异常的时间段或钻井工况故障发生的时间段。
在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括：异常原因诊断模块，用于根
据所述的参数-井深数据库以及井下工具发生异常的时间段诊断所述井下工具发生异常的
原因；故障原因诊断模块，用于根据所述的参数-井深数据库以及钻井工况故障发生的时间
段诊断钻井工况故障发生的原因。
在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括：规格参数获取模块，用于获
取井下工具规格参数；评估报告输出模块，用于将所述的参数-井深数据库对照所述的井下
工具规格参数，输出井下工具的状态评估报告。
在本发明的优选实施方式中，所述的监测装置还包括：显示模块，用于根据所述的
参数-井深数据库，将所述的参数信息通过列表或曲线形式进行显示。
本发明的有益效果在于，提供了一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具状态和钻井
工况监测的方法及系统，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装，钻井过程中
监测并记录井下工具的包括温度、压力、扭矩、振动的参数信息，钻井结束时，通过从黑匣子
中读取参数信息，建立数据库，进而监测井下工具的状态及钻井工况，实现对井下工具状态
及钻井工况的准确监测和精确评估。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，
并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式一的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式二的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式三的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种黑匣子的传感器模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种黑匣子的通信模块的结构示意图；
图6为将本发明实施例提供的黑匣子独立应用为井下黑匣子短节的示意图；
图7为将本发明实施例提供的黑匣子应用为多个黑匣子独立短节的示意图；
图8是将本发明实施例提供的黑匣子应用于螺杆钻具的示意图；
图9是将多个本发明实施例提供的黑匣子应用于井下工具组成井下钻具组合的应
用示意图；
图10为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式一的流程图；
图11为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式二的流程图；
图12为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式三的流程图；
图13为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式四的流程图；
图14为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式五的流程图；
图15为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统的结构框图；
图16为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式一的结构框图；
图17为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式二的结构框图；
图18为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式三的结构框图；
图19为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式四的结构框图；
图20为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式五的结构框图；
图21是曲线显示界面；
图22是压力原始数据与滤波处理后的数据对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对现有技术中井下工具状态及钻井工况监测主要存在的监测参数少，可
供分析参考的数据源不足的技术问题，本发明提供了一种黑匣子、基于黑匣子的井下工具
状态和钻井工况监测的方法及系统，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装，
钻井过程中监测并记录井下工具的包括温度、压力、扭矩、振动的参数信息，钻井结束时，通
过从黑匣子中读取参数信息，建立数据库，进而监测井下工具的状态及钻井工况。
本发明的目的在于利用基于黑匣子的井下工具状态及钻井工况监测方法解决井
下工具状态及钻井工况参数的采集、存储、分析、诊断和评估问题。
图1为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式一的结构示意图，由图1可知，
在实施方式一中，所述的黑匣子100包括存储模块101、传感器模块102以及通信模块103，
其中，所述的传感器模块102，与所述的存储模块101相连接，用于采集参数信息，
所述的参数信息包括温度、压力、扭矩以及振动。
所述的存储模块101，与所述的通信模块103相连接，用于将所述的参数信息进行
存储。采集到的温度、压力、扭矩、振动等参数信息经过预处理存储在黑匣子中，存储模块
101具有掉电可保护功能。
所述的通信模块103，用于发送所述的参数信息。
图2为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式二的结构示意图，由图2可知，
在实施方式二中，所述的黑匣子还包括：
供电模块104，分别与所述的存储模块、传感器模块以及通信模块相连接，用于向
所述的存储模块、传感器模块以及通信模块供电。
在具体的实施方式中，供电模块104上电后测量存储模块101，根据设置的采样频
率命令传感器模块102中各个传感器进行采样，得到数据后存储在存储模块101中，存储功
能掉电可保护。
图3为本发明实施例提供的一种黑匣子的实施方式三的结构示意图，由图3可知，
在实施方式三中，所述的黑匣子还包括保护壳体105，所述的保护壳体内设置有密封保护装
置。
图4为传感器模块的结构示意图，由图4可知，所述的传感器模块102具体包括温度
传感器1021、压力传感器1022、MEMS三轴加速度传感器1023以及应变片扭矩传感器1024。
在具体的实施方式中，可根据需求在接近水眼和环空位置安装两个压力传感器分
别测量水眼和环空的压力。在保护壳体内壁处安装应变片扭矩传感器测量扭矩。测量模块
电路上安装温度传感器测量温度。在保护壳体内安装MEMS三轴加速度传感器测量振动。通
过各个传感器来共同完成对井下工具工况参数信息的采集，采集频率可调。
图5为本发明实施例提供的一种黑匣子的通信模块的结构示意图，由图5可知，所
述的通信模块包括：
RS485接口1031，用于与地面进行通信；
通信接口1032，用于与井下随钻仪器进行通信。
也即，在具体的实施方式中，根据实际需要可以选择开启通信功能，将存储的数据
传送给地面设备或井下随钻仪器中。
图6为将本发明实施例提供的黑匣子独立应用为井下黑匣子短节的示意图。由图6
可知，1为保护壳体，2为供电电源模块，3为传感器模块，4为测量存储模块，5为与地面设备
通信485接口，6为与井下随钻仪器通信接口。此短节可以直接与其他井下工具连接，使用方
便。
图7为将本发明实施例提供的黑匣子应用为多个黑匣子独立短节的示意图，如图7
所示1、2、3均为与钻井工具连接使用的黑匣子独立短节。在钻井的过程中每个独立短节中
的黑匣子测量并存储温度、压力、扭矩、振动等数据，通过对所有节点数据的回显、分析，可
以更全面了解井下工具的状态和钻井工况。此图仅为连接示意图，根据实际需求可以在钻
具组合中任意位置，安装一个或多个黑匣子独立短节。
图8是将本发明实施例提供的黑匣子应用于螺杆钻具的示意图，图8中1为应用黑
匣子技术的特制螺杆钻具。通过对常规螺杆钻具的机械结构处理，装入黑匣子。黑匣子成为
螺杆钻具的一部分，具有参数采集、数据存储、信息通信等功能。2为黑匣子供电电源模块，3
为黑匣子传感器模块，4为黑匣子测量存储模块，5为黑匣子与地面设备通信485接口。地面
软件通过5取出数据进行分析后可以全面掌握螺杆钻具的状态。
图9是将多个本发明实施例提供的黑匣子应用于井下工具组成井下钻具组合的应
用示意图，图9中1、2、3分别为应用了黑匣子技术的特制螺杆钻具、特制随钻仪器、特制钻杆
3种不同井下工具，在钻井的过程中每个黑匣子测量、存储温度、压力、扭矩、振动等数据，软
件通过对所有节点黑匣子中数据的回显、分析，可以更全面掌握螺杆钻具、随钻仪器、钻杆
的状态和钻井工况。
如上所述即为本发明提供的一种黑匣子，其解决了井下工具工况参数尤其是扭
矩、振动等重要动力学参数的采集问题，解决了大量信息存储的问题，能够记录、保存井下
工具状态及钻井工况完整数据，为井下工具状态评估提供可靠数据支持，准确记录井下工
具的工作时间，有助于提高井下工具的使用效率，节约钻井成本。
图10为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式一的流程图，由图10可知，在实施方式一中，该方法包括：
S101：获取黑匣子在钻井过程中发送的参数信息，所述的参数信息包括温度、压
力、扭矩以及振动；
S102：根据所述的参数信息建立参数-时间数据库，即将钻井过程中井下工具的状
态和工况以时间为序再现各参数值，建立钻井工具的参数-时间对应关系的信息原始数据
库。
S103：获取地面录井的井深-时间数据；
S104：根据所述的参数-时间数据库以及井深-时间数据库建立参数-井深数据库，
即结合地面录井的井深-时间对应关系的数据，可以实现各个参数的对深处理，形成各参
数-井深对应关系的数据库。
S105：根据所述的参数-井深数据库监测井下工具状态以及钻井工况。
如上所述的基于黑匣子的井下工具状态及钻井工况监测方法中，黑匣子可以根据
实际情况进行单点或多点灵活安装。钻井过程中监测并记录井下工具温度、压力、扭矩、振
动及其他动力学参数。一趟钻结束时，从黑匣子中读取数据，建立钻井工具数据库，根据参
数-精神数据库即可准确掌握并监测钻井工具的状态及钻井工况。
图11为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式二的流程图，由图11可知，在实施方式二中，该方法除了上述步骤S101至
S105之外，还包括：
S201：根据所述的参数-井深数据库，将所述的参数信息通过列表或曲线形式进行
显示。
在实施方式二中，以井深或时间为序将各参数通过表格或曲线的形式显示，可以
直观展现钻井过程中各个参数的整体变化过程，实现了参数回显。在具体的实施方式中，通
过计算机USB或串口向黑匣子请求传送数据并按照井号、时间、节点编号建立SQLServer数
据库文件，方便检索、合并数据，并可以与地面录井的井深等数据进行匹对处理，实现信息
融合，按照时间或井深顺序，将参数通过列表或曲线形式进行显示。
图12为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式三的流程图，由图12可知，在实施方式三中，所述的方法还包括：
S301：获取预先建立的计算模型；
S302：获取井下工具类型以及黑匣子的节点位置；
S303：根据所述的工具类型以及节点位置选择对应的计算模型；
S304：根据所述的计算模型对所述的参数-时间数据库进行时域和频域的解析；
S305：获取预先设定的参数阈值；
S306：根据所述的参数阈值对解析后的参数-时间数据库进行定性分析、定量计算
以及特征提取，以定位井下工具发生异常的时间段或钻井工况故障发生的时间段。
也即，在实施方式三中，建立多种计算模型，根据井下工具类型及黑匣子所处节点
位置的不同，选择相应的模型算法对数据进行解析，设定参数的正常阈值，进行特征提取，
完成时域和频谱分析，运用定性分析与定量计算，获得钻井工具工作时间，定位异常或故障
发生的时间段。
图13为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式四的流程图，由图14可知，在实施方式四中，该方法除了步骤S301至S306之
外还包括：
S401：根据所述的参数-井深数据库以及井下工具发生异常的时间段诊断井下工
具发生异常的原因；
S402：根据所述的参数-井深数据库以及钻井工况故障发生的时间段诊断钻井工
况故障发生的原因。
也即在实施方式四中，结合实际操作工作记录，对钻井异常或井下工具故障发生
的原因进行诊断。在同一界面下可以任意添加节点来查看多个节点的参数曲线形态和数值
变化趋势。预设多种计算模型，根据每个黑匣子的节点位置，选择相应的模型算法对数据库
中数据进行解析，通过设定参数的正常阈值，精确找到异常或故障发生的时间段，结合地面
操作记录的数据，确定异常或故障发生的原因。
图14为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法的实施方式五的流程图，由图14可知，在实施方式五中，所述的方法除了上述步骤S301
至S402之外还包括：
S501：获取井下工具规格参数；
S502：将所述的参数-井深数据库对照所述的井下工具规格参数，输出井下工具的
状态评估报告。
也即，当异常或故障情况出现时，对黑匣子存储的数据进行时域和频域的解析、处
理，通过定性分析和特征提取，迅速找到异常发生时间段相关参数的数值变化，结合地面人
工录井数据，可以更精确地对钻井工具状态进行评估，判断出问题发生的原因，输出井下工
具状态评估报告及钻井工况综合评估报告，指导钻井决策的及时调整和井下工具的维修作
业。
如上所述，即为本发明提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
方法，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装。钻井过程中监测并记录井下工
具温度、压力、扭矩、振动及其他动力学参数。一趟钻结束时，通过从黑匣子中读取数据，建
立钻井工具数据库，准确掌握钻井工具的状态及钻井工况。尤其当异常或故障情况出现时，
对黑匣子存储的数据进行时域和频域的解析、处理，通过定性分析和特征提取，迅速找到异
常发生时间段相关参数的数值变化，结合地面人工录井数据，可以更精确地对钻井工具状
态进行评估，判断出问题发生的原因，并据此及时优化钻井参数并采取措施，避免或减少井
下复杂事故的发生，提升钻井安全性，降低成本，加快油气井开发效率。
图15为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统的结构框图，由图15可知，该系统具体包括监测装置200、井下工具300以及黑匣子100。
图16为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式一的结构框图，由图16可知，在实施方式一中，该监测装置200
包括：
参数信息获取模块201，用于获取黑匣子在钻井过程中发送的参数信息，所述的参
数信息包括温度、压力、扭矩以及振动；
第一数据库建立模块202，用于根据所述的参数信息建立参数-时间数据库，即将
钻井过程中井下工具的状态和工况以时间为序再现各参数值，建立钻井工具的参数-时间
对应关系的信息原始数据库。
井深-时间数据获取模块203，用于获取地面录井的井深-时间数据；
数据库建立模块204，用于根据所述的参数-时间数据库以及井深-时间数据库建
立参数-井深数据库，即结合地面录井的井深-时间对应关系的数据，可以实现各个参数的
对深处理，形成各参数-井深对应关系的数据库。
监测模块205，用于根据所述的参数-井深数据库监测井下工具状态以及钻井工
况。
如上所述的基于黑匣子的井下工具状态及钻井工况监测系统中，黑匣子可以根据
实际情况进行单点或多点灵活安装。钻井过程中记录井下工具温度、压力、扭矩、振动及其
他动力学参数。一趟钻结束时，监测装置从黑匣子中读取数据，建立钻井工具数据库，根据
参数-精神数据库即可准确掌握并监测钻井工具的状态及钻井工况。
图17为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式二的结构框图，由图17可知，在实施方式二中，该监测装置还包
括：
显示模块206，用于根据所述的参数-井深数据库，将所述的参数信息通过列表或
曲线形式进行显示。
在实施方式二中，以井深或时间为序将各参数通过表格或曲线的形式显示，可以
直观展现钻井过程中各个参数的整体变化过程，实现了参数回显。在具体的实施方式中，通
过监测装置USB或串口向黑匣子请求传送数据并按照井号、时间、节点编号建立SQLServer
数据库文件，方便检索、合并数据，并可以与地面录井的井深等数据进行匹对处理，实现信
息融合，按照时间或井深顺序，将参数通过列表或曲线形式进行显示。
图18为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式三的结构框图，由图18可知，在实施方式三中，所述的监测装置
还包括：
计算模型获取模块207，用于获取预先建立的计算模型；
类型以及位置获取模块208，用于获取井下工具类型以及黑匣子的节点位置；
计算模型选择模块209，用于根据所述的工具类型以及节点位置选择对应的计算
模型；
频域时域解析模块210，用于根据所述的计算模型对所述的参数-时间数据库进行
时域和频域的解析；
参数阈值获取模块211，用于获取预先设定的参数阈值；
故障时间段定位模块212，用于根据所述的参数阈值对解析后的参数-时间数据库
进行定性分析、定量计算以及特征提取，以定位井下工具发生异常的时间段或钻井工况故
障发生的时间段。
也即，在实施方式三中，监测装置预先建立多种计算模型，根据井下工具类型及黑
匣子所处节点位置的不同，选择相应的模型算法对数据进行解析，设定参数的正常阈值，进
行特征提取，完成时域和频谱分析，运用定性分析与定量计算，获得钻井工具工作时间，定
位异常或故障发生的时间段。
图19为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式四的结构框图，由图19可知，在实施方式四中，该监测装置还包
括：
异常原因诊断模块213，用于根据所述的参数-井深数据库以及井下工具发生异常
的时间段诊断井下工具发生异常的原因；
故障原因诊断模块214，用于根据所述的参数-井深数据库以及钻井工况故障发生
的时间段诊断钻井工况故障发生的原因。
也即在实施方式四中，结合实际操作工作记录，对钻井异常或井下工具故障发生
的原因进行诊断。在同一界面下可以任意添加节点来查看多个节点的参数曲线形态和数值
变化趋势。预设多种计算模型，根据每个黑匣子的节点位置，选择相应的模型算法对数据库
中数据进行解析，通过设定参数的正常阈值，精确找到异常或故障发生的时间段，结合地面
操作记录的数据，确定异常或故障发生的原因。
图20为本发明实施例提供的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的
系统中监测装置的实施方式五的结构框图，由图20可知，在实施方式五中，所述的监测装置
还包括：
规格参数获取模块215，用于获取井下工具规格参数；
评估报告输出模块216，用于将所述的参数-井深数据库对照所述的井下工具规格
参数，输出井下工具的状态评估报告。
也即，当异常或故障情况出现时，对黑匣子存储的数据进行时域和频域的解析、处
理，通过定性分析和特征提取，迅速找到异常发生时间段相关参数的数值变化，结合地面人
工录井数据，可以更精确地对钻井工具状态进行评估，判断出问题发生的原因，输出井下工
具状态评估报告及钻井工况综合评估报告，指导钻井决策的及时调整和井下工具的维修作
业。
下面结合具体的实施例，详细介绍本发明的技术方案。本发明主要涉及一种黑匣
子、基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测方法以及系统，特别是在油气钻井过程中
出现异常或故障情况时，采用本发明解析黑匣子采集存储的温度、压力、扭矩、振动等参数，
实现对钻井工具状态及钻井工况的准确监测和精确评估。基于黑匣子的井下工具状态及钻
井工况监测方法的研制与开发具有以下重要意义：
(1)解决了井下工具工况参数尤其是扭矩、振动等重要动力学参数的采集问题；
(2)解决了大量信息存储的问题，能够记录、保存井下工具状态及钻井工况完整数
据；
(3)为井下工具状态评估提供可靠数据支持，准确记录井下工具的工作时间，有助
于提高井下工具的使用效率，节约钻井成本；
(4)识别并预测钻井异常状态，为钻井决策的调整，钻井参数、钻具组合的优化提
供依据，达到减少钻井故障或事故、提高钻井安全性的目的；
(5)为井下工具状态的数字化追踪，为井下工具的科学化维护及管理机制的建立
打下重要基础；
(6)为钻井工具的优化设计提供重要的现场应用数据。
(7)依据岩石在破碎时主频明显依赖岩性的规律，可以通过对振动参数的分析，帮
助识别地层岩性。
本发明通过黑匣子采集、存储各个参数。每次起钻或根据需求利用监测装置将存
储参数取出建立原始数据库并以表格或曲线显示。根据井下工具类型及黑匣子所处位置，
选择相应的模型算法对数据进行解析，设定参数的正常阈值，进行特征提取，完成时域和频
谱分析。图21是具体实施例中曲线示意图，图中纵坐标为井深，横坐标为参数值，实现了对
参数的回显。图22是压力原始数据与滤波处理后的数据对比图。由图22可知，通过算法的处
理后，数据曲线特性更加明显，有利于深入分析数据。
综上所述，本发明提出的一种基于黑匣子的井下工具状态和钻井工况监测的方法
及系统，黑匣子可以根据实际情况进行单点或多点灵活安装，钻井过程中监测并记录井下
工具的包括温度、压力、扭矩、振动的参数信息，钻井结束时，通过从黑匣子中读取参数信
息，建立数据库，进而监测井下工具的状态及钻井工况。
与现有的井下工具状态监测系统和方法相比，本发明具有以下优点：
(1)黑匣子监测参数多，监测范围全面，不仅包括温度、压力信息，还包括振动、扭
矩等重要的动力学参数信息，能够为之后的综合分析提供充足的数据源；
(2)数据分析软件更加符合现场需求，可以根据实际应用选择算法，以表格或曲线
等多种方式显示，更加直观，对钻井工具状态和钻井工况的诊断、评估更加准确；
(3)黑匣子应用方便，适用范围广，可以集成到某一井下工具中，也可以单独作为
一个工具短节，按需单点或多点安装于钻具组合中。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通
过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质
中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁
碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess
Memory，RAM)等。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软
件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的
应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保
护的范围。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，
依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内
容不应理解为对本发明的限制。