[发明专利]石油钻井钻柱在线监测系统及故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井监测技术，特别涉及石油钻井过程中钻具监测系统及其故障诊断方法。

背景技术

目前，国内对钻具钻进过程中可能发生的工程事故进行预测分析，主要是通过测量与分析各种钻进工程参数的异常变化来完成，其测试系统精确度不高并大部分只能将测量的数据前后比较依照人工经验来诊断出可能发生的故障，这种方法不仅效率低，而且准确度不高，容易造成误判。因此提出一种能及时、准确、可靠的监测钻具钻进状态的系统，能够在第一时间对钻具钻进时发生的异常情况作出报警并准确地诊断出钻具发生的故障十分必要，有利于避免因钻具异常引发安全事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种石油钻井钻柱在线监测系统及故障诊断方法，可针对钻具在钻进过程中的异常情况及时报警并进行故障诊断，提高解决工程异常问题的效益，有效避免危险事故的发生。

本发明的技术方案是：石油钻井钻柱在线监测系统，其特征是，包括PCB板、上位机以及分别与钻柱连接的扭矩传感器和加速度传感器，扭矩传感器和加速度传感器又分别与PCB板连接，并将采集到的扭矩信号和振动信号输送给PCB板，PCB板将预处理过的数据通过蓝牙模块与上位机进行通讯。

所述扭矩传感器是由两片双向应变片制作而成的应变式扭矩传感器，应变片贴在长方形金属箔膜上，金属箔膜的边长与钻柱周长相等。

所述扭矩传感器的扭矩传感器输出地线和扭矩传感器信号输出线之间形成扭矩输出信号，并分别与PCB板相连。

所述PCB板是以C8051F005单片机为核心的集成电路板，包括7.2V转5V 电压电路、5V电压转12V电压电路、5V电压转±5V电压电路、扭矩信号放大电路、振动信号偏置电压电路、键盘模块电路、C8051F005单片机及其外围电路、报警模块电路。

所述加速度传感器的Z轴信号输出导线、Y轴信号输出导线、X轴信号输出导线分别采集钻柱的径向、纵向和横向的振动信号，三根信号输出导线分别与PCB板相连。

所述蓝牙模块的输入端设有蓝牙模块电源线、蓝牙模块地线、蓝牙模块数据下载线及蓝牙模块数据输出线，并分别与PCB板相连；其中蓝牙模块电源线和蓝牙模块地线均为蓝牙模块的电源线，给蓝牙模块供电，蓝牙模块数据下载线和蓝牙模块数据输出线的配合工作使蓝牙模块能传输数据至上位机。

所述上位机经过labview软件设计的人机界面在线监测钻柱钻进的状态。

石油钻井钻柱在线故障诊断方法，其特征是基于自适应动态克隆选择算法优化RBF神经网络的故障诊断方法，具体的故障诊断方法如下：

一、自适应动态克隆选择算法优化RBF神经网络中的中心点和宽度参数，最小二乘法确定隐含层和输出层之间的连接权值，具体步骤如下：

1:数据归一化处理

RBF神经网络要求输入的数据位于区间[0，1]，否则传递函数无法处理，因此将输入的数据进行归一化处理，设节点数据中的最大值为x_imax，最小值为x_imin，i∈(1,2,···m)，归一化公式如下：

2:浮点数编码、种群初始化及分解

1)浮点数编码

将设第g代抗体群Ab(g)＝{ab₁,ab₂,···ab_N}为抗体的N元组，抗体ab_j＝(z₁^j,z₂^j,···,z_l^j)，第j个抗体的第i个基因z_i^j为[0,1]区间内的浮点数，z_i^j与x_i^j的映射关系如下：

x_i^j＝a_i+z_i^j*(b_i-a_i)

称z_i^j是x_i^j的编码，x_i^j是z_i^j的解码；

2)种群初始化及分解