基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法

本发明涉及失效建模，尤其涉及基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法。

背景技术：

1、随着勘探开发不断地向非常规油气层、陆海超深层及海上深水钻井迈进，钻井过程中遇到的风险频率越来越高，随钻测控实时风险预警、随钻测井仪器可靠性评估及运维决策新方法逐渐成为随钻测井领域面临的新问题。

2、目前，对于随钻方位电磁波测井装备的研究采用的研究思路主要围绕数值仿真建模方法对仪器天线系统的测井响应进行分析；国内相关科研人员对标国际三大油服公司早期推出的periscope、azitrak、adr商业化随钻方位电磁波测井仪器，从单轴各向异性介质模型入手，在后续十年中相继采用一维解析法、二维半解析半数值法、三维数值法等方法在双轴各向异性、全张量各向异性介质模型中对仪器天线系统参数变化以及在各向异性介质中的测井响应进行了大量的精细数值模拟；但即使数值模拟方法能够达到很高的计算精度也难以克服模型复杂程度高、计算量巨大、无法应用于实时随钻地质导向的现实；

3、同时，仪器内部关键部件疲劳、耗损、老化、故障以及井下复杂环境应力对仪器测井响应产生的影响也难以完全通过数值仿真的方法进行建模、解释、反演及补偿；然而，随钻方位电磁波测井仪器国产化过程中所暴露出的部分解释问题、快速反演问题、地质导向问题、可靠性技术难题仍悬而未决，严重制约后续仪器关键部件优化设计方案和产业应用化进程。

4、虽然通过倾斜发射或接收线圈或者采用“交联天线”的设计方法能够通过实时随钻测井曲线产生的“极化角”对地层分界面进行判断，但是上述天线系统设计方案的可靠性并未得到有效验证，并且采用“极化角”进行方位探测其探测深度还较浅且尚不足以提供完备的前视探测理论支撑以及井眼轨迹优化技术。

5、同时，仪器在经受外部复杂环境应力作用时的可靠性以及自身不稳定运行状态对测量精度、探边深度、储层跟踪定位能力的影响还未得到有效验证；由于随钻方位电磁波测井仪器下井后的稳定运行以及测井响应的精确性受制于自身构造、内部属性以及井周复杂环境应力与储层地质条件等不同因素的耦合作用和综合影响；但是基于实时测井响应曲线的随钻地质导向信号会突发极值、触顶、反向、重合，并且此类异常信号亦会在随钻测井曲线中生成“极化角”，进而严重影响基于随钻电磁波电阻率测井曲线“极化角”的随钻地质导向准确性和可靠性；甚至无法判断“极化角”是由于储层分界面地层各向异性产生的极化现象，还是由于仪器内部发生的故障而导致的测井响应曲线产生畸变。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明以随钻方位电磁波测井仪器为分析对象，通过环境应力可靠性试验模拟真实井况研究仪器主要部件的失效模式和失效机理，结合仪器天线系统各主要部件可靠性试验失效时间统计数据以及维修信息等历史统计数据拟合仪器各部件失效分布模型；再依据仪器天线系统各主要部件的失效分布模型计算可靠性性能指标，对仪器天线系统各主要部件故障相关性进行研究并拟合能够反映仪器外部故障特征属性的可靠性解析模型，该解析模型不仅能够为仪器天线系统可靠性仿真分析与预测提供依据，还能为构造能准确映射随钻方位电磁波测井仪器实体属性的数字孪生模型提供依据。

2、本发明所采用的技术方案是：基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法包括以下步骤：

3、步骤一、利用环境应力可靠性试验方法对测井仪的天线系统部件老化进行模拟，得到天线系统部件的失效时间数据；

4、作为本发明的一种优选实施方式，测井仪器的天线系统部件包括：收发线圈、电路板、引线接头和发电机。

5、作为本发明的一种优选实施方式，失效时间统计数据采用定时截尾、定数截尾和随机截尾进行处理。

6、步骤二、利用威布尔分布模型拟合天线系统部件的失效时间的失效概率密度、失效率和失效概率；根据失效概率密度得到天线系统部件的失效原因；

7、作为本发明的一种优选实施方式，威布尔分布模型的公式为：

8、

9、

10、

11、

12、其中，t为时间，m为形状参数，η为尺度参数，σ为位置参数，f()为失效概率函数、r()为可靠度函数、λ()为失效率函数，f()失效概率密度函数。

13、作为本发明的一种优选实施方式，采用极大似然估计对威布尔分布模型进行求解，得到形状函数和尺度函数的值。

14、作为本发明的一种优选实施方式，根据天线系统部件的失效时间、形状函数和尺度函数的值求解失效概率密度。

15、作为本发明的一种优选实施方式，利用k-s检验方法对威布尔分布模型进行拟合优度检验。

16、作为本发明的一种优选实施方式，根据可靠性特征量定量级联关系计算天线系统部件的平均故障时间、特征寿命、中位寿命和可靠寿命指标。

17、作为本发明的一种优选实施方式，利用概率密度极值点数值法使平均故障时间的置信区间包含未知参数平均无故障工作时间的真值，并以阈值置信度估计平均故障时间的双侧置信区间。

18、步骤三、根据天线系统部件的失效概率拟合得到天线系统的失效概率，从而确定天线系统各部件故障的相关性。

19、作为本发明的一种优选实施方式，天线系统的失效概率是对部件的失效概率进行累积。

20、本发明的有益效果：

21、1、将故障相关性可靠性分析方法引入测井仪的天线系统可靠性建模分析，利用环境应力可靠性试验对随钻方位电磁波测井仪器天线系统主要部件的失效模式和失效机理行分了析，通过各主要部件故障时间或失效时间统计数据拟合得到天线系统各主要部件的威布尔失效分布模型、指数分布模型和正态分布模型；结合k-s拟合优度检验方法验证了各失效分布模型在天线系统可靠性建模分析中的有效性；

22、2、通过威布尔失效分布模型对天线系统主要部件的平均无故障工作时间、可靠寿命、特征寿命、中位寿命等可靠性参数指标进行了计算，同时对天线系统各主要部件置信水平为90％时mtbf的双侧置信区间进行了估计，结合各主要部件的失效概率密度函数与失效率计算天线系统累积失效分布函数，对随钻方位电磁波测井仪器天线系统故障分布期及故障相关性进行研究，为天线系统的可靠性仿真预测以及基于可靠性理论而构建仪器数字孪生体的统计学解析模型提供参考依据；

23、3、天线系统中各主要部件相互耦合级联，一旦发生故障将会导致系统级联故障甚至整体失效，通过拟合及计算天线系统的累积失效概率分布函数等可靠性特征量能够对天线系统整体故障率及全寿命可靠性优化建模提供参考，并避免只考虑仪器主要部件独立故障而造成的分析结果误差；

24、4、测井仪物理实体体系结构与可靠性失效分布建模是构造能准确映射仪器实体属性的数字孪生模型的必要条件，依托数字孪生模型能够综合分析随钻地质导向过程中仪器主要部件发生故障引发内部扰动或与井下交变环境应力耦合作用时对仪器实时测井响应异常的影响机理，从而在随钻地质导向信号突发异常时能够给出合理解释。

技术特征：

1.基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，威布尔分布模型的公式为：

3.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，采用极大似然估计对威布尔分布模型进行求解，得到形状函数和尺度函数的值。

4.根据权利要求3所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，根据天线系统部件的失效时间、形状函数和尺度函数的值求解失效概率密度。

5.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，利用k-s检验方法对威布尔分布模型进行拟合优度检验。

6.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，根据可靠性特征量定量级联关系计算天线系统部件的平均故障时间、特征寿命、中位寿命和可靠寿命指标。

7.根据权利要求6所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，利用概率密度极值点数值法使平均故障时间的置信区间包含未知参数平均无故障工作时间的真值，并以阈值置信度估计平均故障时间的双侧置信区间。

8.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，天线系统的失效概率是对部件的失效概率进行累积。

9.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，测井仪器的天线系统部件包括：收发线圈、电路板、引线接头和发电机。

10.根据权利要求1所述的基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，其特征在于，失效时间统计数据采用定时截尾、定数截尾和随机截尾进行处理。

技术总结本发明涉及失效建模技术领域，尤其涉及基于故障相关性的测井仪器可靠性失效建模方法，包括利用环境应力可靠性试验方法对测井仪的天线系统部件老化进行模拟，得到天线系统部件的失效时间数据；利用威布尔分布模型拟合天线系统部件的失效时间的失效概率密度、失效率和失效概率；根据失效概率密度得到天线系统部件的失效原因；根据天线系统部件的失效概率拟合得到天线系统的失效概率，从而确定天线系统各部件故障的相关性。本发明解决现有数值仿真建模方法不能完全描述测井仪的天线系统所有部件的失效模式问题。技术研发人员：李辉,郝振华,徐孙跃振受保护的技术使用者：常州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29