一种钻进中实时监测钻头磨损的系统及评估方法与流程

本发明涉及一种钻进中实时监测钻头磨损的系统及评估方法，属于数字化钻探监测。

背景技术：

1、数字化钻探是一个由传统钻探和随钻监测装置组成的系统。它与传统的室内试验法和原位测试法类似，通常是以获取岩土体物理力学参数为主要目的。通过建立岩土体物理力学参数与随钻监测参数之间的函数关系进行地层性质的感知，并根据随钻参数的变化情况来识别地质界面特征。数字化钻探被认为是能够解决岩土工程勘察与地下空间精细探测的重要手段和方法。然而，目前数字化钻探领域中主要是对钻进参数的随钻监测，本技术发明人研究发现在钻头钻进过程中，由于岩机相互作用会导致钻头持续磨损，并且在不同的岩性地层及采用不同的钻进参数均会导致钻头的磨损情况不同，一旦钻头磨损较严重或达到失效状态，则不仅会导致后续钻孔的成孔质量降低，而且会导致钻探停止并需要从地层中取出钻头进行更换再进行后续钻探；这样不仅会延长钻探时间，而且频繁更换钻头也会增加钻进成本，但是目前并未有对钻进过程中钻头磨损情况进行实时监测的装置。

2、因此，如何提供一种监测装置及评估方法，使其能对钻进过程中的钻头磨损情况进行实时监测及评估，并根据评估结果实时优化钻进参数和及时更换钻头，从而提高钻头的钻进效率、降低钻进成本和提高钻孔的成孔质量，是本发明所需的研发方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种钻进中实时监测钻头磨损的系统及评估方法，能对钻进过程中的钻头磨损情况进行实时监测及评估，并根据评估结果实时优化钻进参数和及时更换钻头，从而提高钻头的钻进效率、降低钻进成本和提高钻孔的成孔质量。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钻进中实时监测钻头磨损的系统，包括振动传感器、数据采集仪、计算机和失效预警装置；

3、所述振动传感器装在钻机上，用于实时获取钻头在钻进过程中产生的振动信号并传递给数据采集仪；

4、所述数据采集仪与振动传感器连接，用于接收振动传感器传来的振动信号，经过放大处理后反馈给计算机；

5、所述计算机与数据采集仪、失效预警装置和钻进设备连接，计算机内设有数据分析模块和综合评价模块，其中数据分析模块用于对数据采集仪反馈的数据进行分析处理，综合评价模块用于对数据分析模块分析处理后的数据进行评价，并根据评价结果控制失效预警装置发出预警提示或控制钻机调整钻进参数。

6、进一步，所述数据采集仪连接有电荷放大器，用于对振动信号进行放大处理。这样能提高后续对振动信号的处理精度。

7、进一步，还包括反馈控制系统，所述计算机通过反馈控制系统对钻机的钻进状态进行控制。通过设置反馈控制系统，使得计算机将钻进参数发送给反馈控制系统后，反馈控制系统能直接对钻机的钻进状态进行调整控制，无需人工手动调整。

8、进一步，所述振动传感器为压电式三轴加速度振动传感器。采用该种振动传感器能保证获取振动信号的精确性。

9、进一步，所述振动传感器采用磁吸的方式安装在钻机的某一位置处，且该位置能直接获取钻头在钻进过程中产生的振动信号。这样能保证振动传感器接收的振动信号更精确。

10、进一步，所述振动传感器和数据采集仪之间为无线连接。

11、上述钻进中实时监测钻头磨损系统的评估方法，具体步骤为：

12、a、根据钻进地层性质和钻进深度，将振动传感器安装在钻机适当位置，并调节振动传感器的信号采集频率，将数据采集仪与传感器连接，测试信号传输的稳定性，然后在计算机内预先设定不同磨损等级对应的钻进参数；

13、b、启动钻机使钻头以初始钻进参数开始在所需地层进行钻进，同时启动振动传感器实时接收实时获取钻头在钻进过程中产生的振动信号并传递给数据采集仪；

14、c、数据采集仪对振动信号经过放大处理后反馈给计算机，计算机内的数据分析模块利用小波变换模极大值传播特性对振动信号进行去噪处理从而获得振动有效信号；

15、d、计算机内的综合评价模块将步骤c获得的振动有效信号进行分析处理，通过计算得出振动有效信号的关联维数并将其作为钻头磨损状态评估的特征值，从而对钻头的磨损情况进行等级判别，将钻头的磨损情况分为轻微磨损、中度磨损和严重磨损三个等级；

16、e、根据步骤d确定的钻头的磨损等级，获取步骤a中该磨损等级对应的钻进参数对钻机进行反馈，控制钻机调整至步骤e确定的钻进参数继续进行钻进；

17、f、振动传感器持续接收实时的振动信号，并重复步骤c至e，根据钻头的磨损情况持续对钻机的钻进参数进行调整，当钻头磨损至接近失效时，计算机控制钻机停止钻进，更换新钻头后，重新确定初始钻进参数后钻机继续进行钻进。

18、进一步，所述步骤c中得出振动有效信号的具体过程为：先对采集的振动信号进行二进小波变换，并分解2j个尺度，确定每个尺度上小波变换系数对应的模极大值，设定阈值b，在最大尺度2j上，获取对应噪声的各个模极大值点t0，若某一模极大值点t0的值小于阈值b，则将该模极大值点t0去掉，依次搜索尺度2j，j＝j-1，j-2，……2，获取剩余每一个模极大值点t0，其中对尺度j＝1时，模极大值几乎完全由噪声控制，所以将模极大值全部去除，此时的模极大值由j＝2的模极大值进行内插得到；各自在各个搜索尺度上对应的传播点，并将各个尺度不在模极大值线上的模极大值点去掉，将每一尺度上保留的模极大值点利用交替投影方法重构信号，即得到振动有效信号。

19、进一步，所述步骤d中计算振动有效信号的关联维数具体过程为：

20、首先，根据信号时间序列重构相空间吸引子如下：

21、

22、

23、……

24、

25、其中当τ(m-1)≥p时，当τ(m-1)<p时，m＝int[(n/p]。

26、相关积分的计算采用下式：

27、

28、其中，m为嵌入维数，τ为分量间隔，p为向量间隔，m为重构的向量个数，为吸引子用于比较的两个位置向量，l为超球面半径，k为计算偏移量，c(l)为相关积分，h(x)为符号函数。

29、关联维数dg的计算如下：

30、

31、根据上述公式计算得出当前振动有效信号的关联维数并将其作为钻头磨损状态评估的特征值。

32、进一步，所述步骤d中钻头磨损情况进行等级判别的具体标准为：基于前期对不同磨损情况的钻头进行试验，并分别测定不同磨损情况下各自对应的关联维数，进而确定轻微磨损的关联维数分布范围在11.5～16.4，中度磨损的关联维数分布范围在5.6～11.4，严重磨损的关联维数分布范围在3～5.5，当关联维数低于3时则认为钻头失效；将当前得出的关联维数代入该标准对当前钻头的磨损状态进行等级判别。

33、与现有技术相比，本发明先获取钻头在钻进过程中实时的振动信号，然后数据分析模块利用小波变换模极大值传播特性对振动信号进行去噪处理从而获得振动有效信号；由于将噪声去除，使得后续对振动有效信号分析处理能得到更精准的数据；综合评价模块对振动有效信号采用特定方法进行分析处理，得出振动有效信号的关联维数并将其作为钻头磨损状态评估的特征值，从而对钻头的磨损情况进行等级判别，将钻头的磨损情况分为轻微磨损、中度磨损和严重磨损三个等级；最后根据不同磨损情况可以及时调整钻进参数(为了保证不同磨损情况的钻头具有较高的钻进效率，因此需要调整钻进参数以适应不同磨损情况的钻头钻进)，若判断为钻头失效，则能及时停止钻进并更换钻头(钻头失效后钻头的钻进效率极低且钻孔质量极差)，因此本发明能对钻进过程中的钻头磨损情况进行实时监测及评估，并根据评估结果实时优化钻进参数和及时更换钻头，从而提高钻头的钻进效率、降低钻进成本和提高钻孔的成孔质量。