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钻井井下复杂情况及事故识别方法研究 中文摘要 金建忠( 石油与天然气工程) 指导教师：周广陈( 副教授) 魏文忠( 教授级高工) 钻井工程是石油天然气勘探开发的重要手段。在钻进作业中，钻 井事故和复杂情况始终威胁着整个钻井过程，严重影响钻井速度、建 井质量和勘探效益，是钻井工程的头号隐患。因此，利用钻进过程中 提供的钻井参数等各种信息，采用现代故障识别技术和数学方法，及 时识别钻井的异常情况，预防钻井事故的发生是钻井领域的一项重要 研究方向，也有着极其重要的意义。在综合录井仪等仪器提供的钻井 参数的基础上，本文首先系统对于发生频率较高的卡钻事故，如粘吸 卡钻、坍塌卡钻、砂桥卡钻、缩径卡钻、键槽卡钻、泥包卡钻等几种 卡钻类型分别详细分析了其形成机理及相应的参数变化特征，并利用 灰色关联度理论，对卡钻事故发生的各种类型进行了识别研究，提出 了一种识别卡钻事故类型的方法。随后分析了其他钻井事故与复杂情 况的发生机理及其信号参数的变化特征，如钻头故障、钻具故障、井 眼恶化情况、井涌及井漏等，并利用模糊故障诊断理论，对钻进过程 中发生的这些事故进行了诊断识别研究。通过分析钻井事故的参数变 化特征，研究了现代故障识别技术和数学方法运用到钻井事故识别中 的方法，提出了具有可行性的方法，这对于提高钻井故障识别的准确 度是十分必要的。 关键词：卡钻，钻井故障，灰色关联度，模糊理论 r e c o g n i t i o nm e t h o do fd o w nh o l ed r i l l i n ga c c i d e n t s j i nj i a n z h o n g ( o i l g a se n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s i o nz h o ug u a n g c h e n p r o f e s s i o nw e iw e n z h o n g a b s t r a c t d r i l l i n ge n g i n e e r i n gi sa l li m p o r t a n tm e a n sf o ro i la n dg a se x p l o r a t i o n i nw e l ld r i l l i n g p r o c e s s ，c o m p l e x i t yc o n d i t i o n s a n dd r i l l i n ga c c i d e n t s o m e t i m e sh a p p e n ，w h i c hs e r i o u s l ye f f e c t i n gr a t eo fp e n e t r a t i o n , w e l l q u a l i t ya n de x p l o r a t i o nb e n e f i t ，a n d i sf i r s t l yh i d d e nt r o u b l eo fd r i l l i n g e n g i n e e r i n g s oi ti sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l df o rt h et e c h n o l o g i s tt o f i n dt h ea b n o r m a lc o n d i t i o n si nt i m ew h i l ed r i l l i n ga n dp r e v e n td r i l l i n g a c c i d e n tu t i l i z i n gw e l ld r i l l i n gi n f o r m a t i o na n dm o d e lf a u l tr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i c sm e t h o d o nt h eb a s i so fd r i l l i n gp a r a m e t e r w h i c hs o m ei n s t r u m e n t sp r o v i d e sf o re x a m p l em u dl o g g i n g ，丘r s f t y ，t h i s p a p e rd e t a i l e d l ya n a l y z e s f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d c o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e rc h a n g i n gc h a r a c t e r so fa l lk i n d so fd r i l lp i p es t i c k i n gw h i c h o f t e nh a p p e n ，s u c ha sd i f f e r e n t i a ls t i c k i n g ，c o l l a p s es t i c k i n g ，s a n ds t i c k i n g ， k e y s e a ts t i c k i n ga n ds oo n , a n dr e c o g n i z e sa l lk i n d so fd r i l lp i p es t i c k i n gi n w e l ld r i l l i n gp r o c e s sw i t h 孕e ya s s o c i a t i o nt h e o r y s u b s e q u e n t l yt h i sp a p e r a n a l y z ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e rc h a n g i n g c h a r a c t e r so fo t h e rd r i l l i n ga c c i d e n t s ，a n dr e c o g n i z e sa c c i d e n tc a t e g o r yi n w e l l d r i l l i n gp r o c e s sw i t hf u z z yt h e o r y t h r o u g ha n a l y z i n gp a r a m e t e r c h a n g i n gc h a r a c t e r so fd o w nh o l ed r i l l i n ga c c i d e n t s ，i ti se s s e n t i a la n d i m p o r t a n c ef o re n h a n c i n gr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yo fd r i l l i n ga c c i d e n t sw i t h r e s e a r c h i n go nm o d e lf a u l tr e c o g n r i o nt e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i c s m e t h o da n dp r e s e n t i n gf e a s i b i l i t ym e t h o d k e yw o r d s ：d r i l lp i p es t i c k i n g ；d r i l l i n ga c c i d e n t ；g r e ya s s o c i a t i o n ；f u z z y t h e o r y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名 金戤、 7f ，年 f1 月9 y 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：坌丝俨。r 年“月。r 日 新签名：f 蚴m 年f 月行日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 第1 章概述 1 1 钻井井下复杂情况检测与诊断的目的及意义 钻井工程是石油天然气勘探开发的重要手段。在钻井工程作业中， 钻井事故和复杂情况始终威胁着整个钻井过程，钻井事故严重影响钻井 速度、建井质量和勘探效益，是钻井工程的头号隐患。尤其是在复杂层 段或新探区，凭经验打井往往事故不断，处理事故消耗大量的人力物力， 大大增加了钻井成本，造成资金和时间的巨大浪费。所以随着钻井工艺 技术的飞速发展，大力提高钻井速度和质量，减少钻井事故的发生，千 方百计降低钻井成本，己成为当前石油工业追求和努力的主要目标。特 别是2 0 0 3 年1 2 月2 3 日，川东北气矿罗家1 6 号井发生硫化氢井喷事故 后，钻井的井下安全问题迸一步被提到重要的议事日程上来。 钻井工程的费用一般要占到油田勘探开发费用的6 0 以上。由于钻 井是一项隐蔽的地下工程，存在着大量的模糊性、随机性和不确定性问 题。施工过程中对客观的认识不清和主观意识的决策失误，往往会产生 许多复杂情况甚至造成严重的事故，轻者耗费大量人力、物力和时间， 重者则导致全井的废弃。根据国内各油田钻井资料统计分析，在钻井过 程中，处理复杂情况和事故的时间，约占施工总时间的6 左右，一个 拥有上百台钻机的油田，一年中就有6 台钻机在做无用功。 目前钻井工程中的异常情况识别和故障诊断，主要还是靠现场工程 技术人员和操作者肉眼观察，根据钻井参数的变化和现场经验进行异常 情况的判断。这不仅需要高度的责任心，而且需要现场工作人员具有较 高的专业知识水平和实际工作经验。目前的条件，现场难以达到这一要 求。 i 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 卡钻是钻井作业过程中危害极大的钻井事故，处理工艺十分复杂。 据统计，我国8 0 年代末9 0 年代初处理卡钻事故的时间占各种井下事故 处理时间的6 0 。卡钻事故轻则影响钻井周期，增加钻井的费用，重则 使整口井报废，给钻井工业带来了很大的损失。卡钻的类型达十几种之 多，如果不能有效地确定井下发生的卡钻事故的类型，就不能正确地采 取有效的措施，反而会造成更大的井下事故，因此，有效地判断卡钻事 故类型是进行下一步工作的基础。开展卡钻事故研究对于有效地降低卡 钻事故和提高整体经济效益有着重要的意义。所以本文对卡钻事故的诊 断方法进行了研究。 在钻井过程中，钻井事故发生前绝大多数情况下都有某些征兆，就 是某些钻井参数有异常的变动，出现事故征兆到事故发生往往时间间隔 很短，有的只有几分钟甚至更短。因此，就必须及时发现钻井参数的异 常情况，对可能发生的事故进行提前预报，防止事故的发生。这就要求 能及时识别钻井过程的异常现象，要求有较高的实时性和较高的识别技 术。所以利用地面上的信号采集设备提供的参数作数据源，对进行故障 的检测与诊断有着极其重要的意义。 1 2 国内外现状 通过对国内外文献的大量调研，发现在钻井故障诊断方面，国内外 的研究工作者都进行了大量的研究工作，研究的角度和侧重点不同，下 面主要从信号角度的故障识别、具备专家经验的专家系统、针对卡钻故 障的研究分别对国内外的情况进行综述如下： 1 2 1 国外现状 利用综合录井仪记录与钻井工程有关的参数，像扭矩、悬重、钻压、 泵冲、转数等，也可以监测和预报由于作业不当或钻井工具疲劳和质量 问题造成的事故，如掉牙轮、断钻具、束4 钻具、顿钻、堵水眼等。但是 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 目前大多数综合录井仪也只有单参数的越值报警功能，需现场录井人员 或钻井监督根据记录的曲线变化情况进行井下故障的判断。 七十年代后期，法国的g e o s e r v i c e 公司推出了第一代综合录井系统 ( t d c ) ，实现了对钻井过程中的多参数连续实时测量。虽然它对钻井故 障的识别产生了巨大作用，但系统本身只有单参数超限报警功能，对故 障的识别仍需要现场人员根据参数曲线的变化进行分析。 九十年代以后，随着m w d 和l w d 技术日益推广应用，利用m w d 和 l w d 来进行事故的监测和预测是国外研究的重点。b a k e rh u g h e s 公司研 制开发了一套事故诊断系统，系统利用井下加速度传感器、井底钻压、 扭矩和转速等参数，可判断井下钻具的粘滑、跳钻等事故“1 。图1 - 1 为 井下钻具发生粘滑现象诊断的曲线。 国际录井公司结合录井系统开发研制了钻具振动分析系统。该系统 由d l sv i b r as e r v e r 钻具振动数据采集主机和d l sv i b r ac 1 i e n t s 钻 具振动数据两部分组成。1 。图卜2 为钻头在井底的跳动诊断图，图卜3 为国际录井公司的钻具振动分析系统图，图卜4 为粘卡检测图。 ! 里鱼塑查兰! 坐变! 三堡堡主兰垡堡苎 塑! 皇塑垄 “燃* # 肿h “l 洲l m 鳓 n 舯触 糯怿 l 神# _#函氛 o884。44 一一氟黼i 丽蕊辅蕊蕊i i 蕊蕊丽蕊一 垂嬲 遮 ，。“伊，m 弹 t ” 、 l 妙一7 4 “。2 _ 4。88 l 一w _ 自 图1 - 1 钻具粘滑的诊断 4 0 # l l t 4 t_j嚣薯，毒 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章概述 瞒豳姻豳 吲妇汹蝌 m ；黛帆一； 图1 - 2 钻头在井底的跳动诊断 ! 垦互塑丕羔! 竺查! 三矍堡主堂垡笙塞 苎! 兰塑堕 图卜3 钻具振动分析系统 图14 粘卡监测 在钻井工程故障诊断专家系统的研究领域，钻井工程中的第一个专 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 家系统是由法国e l f a q u i t a i n e 公司与t e k n o w l e d e 公司联合开发的钻 井事故专家系统d r i l l i n ga d v i s o r ( 钻井顾问) ，该系统帮助现场人 员解决钻井过程中出现的卡钻问题，根据地层、泥浆参数、钻具结构来 诊断卡钻类型，推荐事故处理意见。1 。表l - 1 最初的系统是用k s 3 0 0 专 家系统工具开发的，包含约2 8 0 条规则，由4 个人在6 个月的时间内完 成，然后在x e r o x 一1 1 0 8 机上用专家系统工具s 1 实现。 表1 1国外相关系统的开发一览表 系统名称功能运行环境开发工具开发机构 w e l1 s a f e 监测井场状态，实 h y d r o c a r b o n 井场安全时计划、监控压井公司和l i n c o m 控制e s过程异常压力检测公司 x w c 自动井实时井涌检测、计c 语言t i t a n s p e c t r o 控实时e s划、监控压井过程 f o i 汀r a n n 实验室和 a m o c o 公司 r s e s 井场 监测井场状态、设 b p - 3 0 0 c o m n l i s pa g i p 公司和 实时专家备报警、事故检测工作站语言e n i d a t a 公司 系统处理 o d d a 海上井眼设计，油井设s u n 3 6 0s e m i ct 0 1 a ln o r s k 定向钻井计，井底钻具组合s u n 3 8 0工具海洋研究院 顾问设计，己钻井分析 n o r s k h y d r o 研究院 t d a s 套管套管、油管设计中、大型机c l i p 工具c美国石油技术 设计分析工作站语言公司 专家系统 卡钻方面的研究进展：八十年代中期，国外建立了些数学模型， 并利用现代数学方法，对卡钻资料进行分析和处理，确定与卡钻有关的 因素，预测卡钻的发生，为司钻提供决策依据。1 9 8 5 年，a m o c o 公司对 彳 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 因井眼变形引起的钻头卡钻事故进行了理论研究。该公司通过对所遇卡 钻事故的分析总结，认为井眼失稳主要与地应力大小、地层性质和钻具 的几何形状有关“1 。他们根据研究，确定了井眼半径缩小量与井周围有 限介质的地应力变化关系，萁数学表达式为： a y = 掣( 吒一圪) ( 1 一1 ) 廿 r 一井眼半径 u 一泊松比 e 杨式弹性模量 一原始水平低应力 圪一泥浆柱压力 利用有限单元法进行分析，估算井底附近的变形大小，并结合并底 压力和钻具几何形状，预测卡钻的发生。但是，该方法不能精确地解决 卡钻的问题，且只适用于井底钻头附近地层，而钻头阻卡往往发生在起 下钻过程中。另外，该方法假定岩石性质是纯弹性的，而不是非线性的， 所以在应用上具有一定的局限性。 美国谢夫隆公司开发了多元统计程序。他们首先收集了过去三年在 墨西哥湾的1 3 1 次卡钻资料，借助计算机对这些数据进行多元统计分析， 建立卡钻预测模型，编制计算机程序。然后输入目前的作业参数，用这 套程序计算，看其计算结果是落在机械卡钻区、压差卡钻区，或是未卡 钻区，从而给司钻提示。这套程序可靠性强，正确率高，但是它是基于 墨西哥海湾的资料，因而不一定能用于其他的地区旧。 a n a d r i l l s c h l u n m b e r g e r 公司也从1 9 8 7 年，利用拉力一扭矩模型开 发实时预测卡钻事故。主要是利用井下随钻测量和地面测量的钻压和扭 矩值计算比较准确的摩擦因子，在井场用计算机连续运算，获得随井深 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章概述 变化的摩擦因子曲线。此曲线可以发现钻井过程中的钻井问题，如卡钻 等。最近几年，a n a d r i l l s c h h n m b e r g e r 公司对上述监测起下钻或正常 钻进摩擦因子系统进行了发展，开发出一套只要钻柱发生移动，即在钻 进过程中的任一操作形式下，随时监测摩擦因子的系统。该综合系统可 以在钻进过程中的任何工艺环节计算滑动和旋转摩擦因子曲线。最大超 载能力由钻杆的拉应力或震击器的上击力确定，作为系统检测时摩擦因 子的最大门限值，此值在系统工作前由现场工程师输入，检测过程中一 旦检测值超过该值，系统就立即向井场发出卡钻警报。 1 9 9 2 年，s e d c of o r e x 公司开发了摩阻监测系统，该系统工作原理 的基础是针对某一口井的钻井过程，在相似条件下记录具有代表性的大 钩载荷，形成所需的参考曲线。该曲线是由监测系统对大绳速度、转盘 转速、卡瓦工作状态及钻头位置等参数的连续监测处理形成的，再经过 仔细选择测量数据，以井深为参数变量绘制出精确的、具有可重复性数 据特点的钩载曲线，就可以与以后的实时测量的钩载相对比，进而判断 摩阻增加的趋势。该系统在钻进过程中还可以测定其它摩擦状态指数， 同时预报潜在的复杂情况。因为该计算机摩阻监测系统是通过地面多种 传感器测量来采集数据的，所以十分有利于将几个通道采集的信息进行 综合，以便完善对井眼状态恶化的预报。另外本系统还有待于进一步完 善，使其能对各种信息进行自动处理分析，关键是能将各种信息清晰地 显示给司钻或其他有关人员以示预告。 1 2 2 国内现状 国内对于钻井过程中的故障检测和识别的研究目前还只是处于起 步阶段，石油大学的郭学增教授和高岩博士开发研制了钻柱振动的地面 检测装置，并对振动波谱进行了研究。该研究认为，中频段( 2 5h z 一 2 0 0 h z ) 的波谱主要反映了钻头与地层相互作用时的振动现象，通过对 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 该段的频谱分析，可以识别三牙轮钻头的工作状态。刘志国博士对钻柱 振动波谱进行了进一步研究，并用于对地层岩性的识别。 国内钻井故障诊断专家诊断系统方面的研究主要是，利用综合录 井仪采集的信号和数据，根据专家系统理论，建立钻井事故预测。 专家系统对事故进行监测和预报，近两年得到人们的重视的。 卡钻事故诊断方面的研究，在深直井中卡钻趋势的实时预测，钻井 过程中无论发生何种类型的卡钻，在卡钻前旋转或提放钻柱时总有程度 不同的阻力异常变化，这是钻柱可能被卡的最突出、最典型的反映9 1 。因 此，精确地实时监测钻柱活动时的阻力变化，是监测卡钻发展趋势的晟 直接的有效方法。据现场经验，井眼的螺旋弯曲随井深的增加呈指数形 式发展，在深井和超深井中情况尤为严重。因此，深直井中摩擦阻力和 扭矩损耗的计算模型可以由定向井的“软索”模型简化得到。定向井中 计算单元钻柱拉力公式卜2 和扭矩公式卜3 的“软索”模型为： n b + c i n , 叫鲁咖2 口 m _ c 氓k t q 鲁s i i l 口 ( 1 _ 2 ) 争+ c n 郴s 口 掣；c f r n ( 1 - 3 ) d s 式中：d t ，d m ，分别是单元钻柱上的拉力和扭矩；d s 为单元钻柱的长 度；“”在提钻时取正；c j 为钻柱与井壁间的摩阻系数；= ：+ ； 分别是单元钻柱主法线和副法线上的正压力；q 是单元钻柱的质量；a 为井斜角；巾为井斜方位角：k 为井眼曲率， k = k ：+ 世；s i n 2 口； k 。= 华为井斜变化率；也= 华为井斜方位变化率；r 为钻柱单元的半 a sa s 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概述 誊础p 叼 m 。， 咝：c i r k t 0 ：2 【l + c j 脚曩二q r a s ( 1 _ 5 ) m t l “= m + c i r 、髓i 出 只要给定边界条件瓦和m f 0 、钻柱单元的浮重、反应井眼几何形状 参数的k 值，以及差分步长s ，就可以计算摩阻系数值。 利用现场实时采集的钻压、扭矩和大钩载荷数值，以及井深结构和 钻具组合参数。就可以分别计算出提、下钻和钻进时的摩阻系数c ，。正 常情况下，摩阻系数c ，的值为0 1 o 3 。一旦摩阻系数值超过此范围， 且具有增长的趋势，就表明已存在卡钻的可能性。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 总结分析了目前钻井过程中故障监测与诊断的现状及存在的z n - i 由于故障类型较多，不同的故障对应不同的参数特征和变化，所以不同 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章概进 故进行识别和分析研究。 ( 4 ) 利用故障监测与诊断理论，研究钻井过程其它故障的监测与识别 方法。表卜2 为国内事故专家系统研究成果一览表。 表1 2 国内事故专家系统研究成果一览表 运行开发开发 系统名称功能 环境 工具 机构 用卡钻诊主要功能为：诊断卡钻类型 断与预测 和引起该卡钻的原因，并提出 专家系统 相应的处理方案；预测有可 西安 s t u c k e s 能发生哪( 几) 种卡钻事故， w i n d o w sb o r l a n d 交通 并提出解除隐患的处理方案； 环境c + + 大学 提供预防各种卡钻的方案。 文中详细介绍了s t u c k e s 的 使用方法 西安石油 钻井事故监测和处理卡、断、掉、漏事 c m 1 工 学院中原 i b mp c e s故 具油田钻井 研究院 胜利油田 卡钻事故 p r o l o g 诊断、处理和预测卡钻事故 i b mp c 钻井研究 e s 院 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 第2 章故障检测与诊断的理论方法 2 1 故障检测的基本理论 故障检测与诊断( f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s f d d ) 技术 是建立于“监控系统”的需要而发展起来的一门综合性技术，特别是近 2 0 年来，随着科学技术的不断发展，尤其是测量技术和计算机技术的 迅速发展和普及，它已逐步形成了一门较为完善的新兴应用型的边缘学 科。它涉及到现代控制理论、信号分析与处理、模式识别、计算机工程、 人工智能、电子技术、应用数学等多门学科。故障检测与诊断是对系统 异常状态的检测、异常状态的原因识别以及包括异常状态预测在内的各 种技术的总称0 1 。 现代机械化设备发展的趋势是向大型化、集成化、高速化和自动化 方向发展，系统的规模不断扩大，复杂性程度不断提高，而且系统的投 资巨大，因此人们迫切需要提高系统运行过程的可靠性和可维修性。建 立相应的监控系统来监督整个系统的运行状态，实时监测系统的变化和 故障信息，并对可能发生的事故进行及时识别和预报，进而采取必要的 措施，对于防止系统灾难性事故的发生具有十分重要的意义。 2 2 故障检测与诊断的基本思想 检测的基本方法是将系统正常运行时的值作为标准值加以记录，当 测量值与标准值之差超过某一给定的阈值时，则认为是异常状态。一般 常用的检测方法有两种，一种是基于正常值或标准模式的方法，图2 - 1 是其运行模式。第二种是以系统的状态模型为基础的判别方法，如图 2 2 所示。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 l 处理系统睁l 判断系统l 判别基准0 正常值或 标准模式 图2 - 1 基于正常值或标准图象的方法 图2 - 2以系统的状态模型为基础的判别方法 故障诊断的基本思想为。”：设被检测对象全部可能发生的状态( 包 括正常状态和故障状态) 组成状态空间s ，被检系统可观测特征量的取 值范围全体构成特征空间y ，当系统处于某一状态s 时，系统具有确定 的特征y ，即存在映射g ：s y ；反之，一定的特征也对应确定的状态， 即存在映射f ：y s 状态空间与特征空间的关系可用图2 - 3 表示。 如果f 和g 是双向函数，即特征空间和状态空间存在一对一的单 厂 图2 - 3 特征空间与状态空间的映射关系 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 影射，则由特征空间向量可唯一确定系统的状态，反之亦然。故障诊断 的目的在于根据可测量的特征向量来判断系统处于何种状态。 若系统可能发生的状态是有限的，假如可能发生n 种故障，这时把 系统正常时的状态记为s 0 ，把不同故障状态记为s 1 s 2 ，s 。，当系统处 于状态s i 时，对应的可测量特征向量为y i = ( y i l ，y i 2 ，y i 。) 。故障诊断 就是由特征向量y = ( y l ，y 2 ，y 。) 来确定系统所处的状态s 的过程。在 许多情况下，故障状态并非绝对清晰，具有一定的模糊性。因此，它所 对应的特征向量也在一定范围内波动，这种情况下，故障诊断就成为按 特征向量对被检测系统进行分类的问题或对特征向量进行状态模式识 别的问题。因此，故障诊断实质上是一类模式分类问题。 2 1 2 故障检测与诊断的基本过程 故障检测与诊断的过程主要分为以下三个步骤： ( 1 ) 信息采集 信息采集是进行故障诊断的基础，系统运行过程中的信息一般有两 种，一种是以能量形式表现的物理信号，另一种是以物态形式表现的系 统信息“。通过对能量形式表现出的物理信号( 如各种形式的力、压力、 温度、振动波等) ，一般采用实时监测方式；对某些以物态形式表现出 的信号，当不能用传感器直接测量时，可采用人工分析描述的形式进行 量化处理。在对系统运行时的有关信息进行检测时，应尽可能选择对故 障反映敏感的特征参数，以提高诊断结果的可靠性，同对必须考虑到环 境因素的影响。 ( 2 ) 特征提取 由传感器测量的信号一般其特征表现不明显，某些情况下很难直接 用于故障的判断。因此，常常需要对直接采集的信号进行时域或频域内 的分析处理，并对信号的变化历程进行趋势分析，以提取对故障诊断最 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章故障检测与诊断的理论方法 有用的特征参量。 ( 3 ) 故障诊断 故障诊断就是利用信号分析处理后所得到的特征参量，运用各种知 识和经验获得的各种故障模式，对系统运行状态的识别、判断和预报。 故障诊断的过程如图2 4 所示。 设 备 的 状 态 特征信号 人的感官 能量形式的 骂匹 物态形式的特征信 直接的物理状态 征兆 提取 系统 决策系统 r 态的趋势 分析系统 图2 4 故障诊断的一般过程 状 态 识 别 系 统 设备档案 2 2 故障检测的技术的常用方法 由于系统组成的差异性和故障的多样性，在实际生产过程种形成 了多种故障检测和诊断理论。虽然其具体方法各种各样，但总体归纳为 三大类：基于系统动态模型的方法；基于因果关系的诊断方法： 基于知识的诊断方法。 基于知识的诊断方法就是利用人对系统认识的经验和知识，由计 算机模仿人的推理过程进行故障诊断。 实际过程中常用的方法有： ( 1 ) 参数估计法 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 ( 2 ) 自适应观测器滤波器法 ( 3 ) 频谱分析法 ( 4 ) 相关分析法 ( 5 ) 统计识别法 ( 6 ) 逻辑识别法( 故障树诊断法) ( 7 ) 专家系统诊断法 ( 8 ) 人工神经网络诊断法 ( 9 ) 灰色理论诊断法 ( 1 0 ) 模糊理论诊断法 由于诊断对象的不同及诊断问题的多样性，在诊断技术的发展过程 中形成了众多的诊断方法。在实际的应用过程中，各种诊断方法相互渗 透和结合，它们既存在相似的共性，也有其特殊的理论和技术关键。基 于动态模型的诊断方法的优点是可以充分利用系统内部的深层知识和 逻辑关系，有利于故障的诊断。但是，在许爹| 青况下建立系统的模型比 较困难，甚至是不可能的，因此方法的适用性受到一定限制。模型误差 也会对诊断结果产生一定的影响。基于因果关系和知识的识别方法充分 利用了人们的知识和经验，适用范围广，方法灵活，可用于不同系统的 故障检测与诊断。因此它们是目前较为流行和实用的故障识别方法。 2 2 1 逻辑识别方法 利用逻辑特征量进行故障识别的方法称为逻辑识别法。在利用逻辑 识别法进行故障识别时，需要对描述系统状态的特征参量进行量化( 数 值化) 。如某一特征参数“升高”、“降低”和“无明显变化”可分别用 “1 ”、“一1 ”和“0 ”来表示。一般的物理量都可转换为逻辑量，只要设 定一个或多个门限值( 如低限和高限) ，超过高限逻辑状态为“1 ”，超 过低限逻辑状态为“一l ”，介与二者之间为“o ”。在逻辑识别法中最常 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 用的为故障树分析法，它利用树状结构和逻辑运算来进行故障的分析识 别1 。 ( 一) 故障树的建立 故障树反映了特征空间向量与故障向量之间的逻辑关系，如果把特 征向量看成一个m 维逻辑空间a 中的点，故障向量看成一个n 维逻辑空 间b 中的点，则逻辑关系表示了m 个特征向量到n 个故障向量点的映射 关系。如图2 5 所示。映射f 是从a 到b 的满射，表示任一特征点都对 应一个故障点，但从b 到a 无此关系。故障树就是根据上述映射关系建 立的。图2 - 6 就是一个最简单的故障树，它表示系统有两种故障f 和 f ：，发生故障f ，时，系统有特征k 。或者特征k z ，发生故障f ：时，系统同 时存在特征k 。和瞄“”。 利用故障树进行逻辑诊断，需要首先确定系统状态与特征向量之间 的逻辑关系呦1 。为简便说明逻辑关系的确定，假设系统有两种状态d ( 1 ) 和d ( 2 ) ，并且只有两个特征k ( 1 ) 和k ( 2 ) ，若已知如下的逻辑关系： ( 1 ) 如果系统处于状态d ( 1 ) ，则必存在特征g ( 1 ) ； ( 2 ) 如果出现特征g ( 2 ) ，则系统不可能处于状态d ( 1 ) ； ( 3 ) 如果系统处于状态d ( 2 ) ，则特征必然同时存在： 则可推出：d ( 1 ) = k 0 ) k ( 2 ) ，d ( 2 ) = k ( 1 ) 置( 2 ) 。 里互迪查堂! 兰查! 三塑堕主堂垡堡苎 篁! 兰垫堕丝型量堡堑塑堡笙查望 特征向量空间爿 图2 - 5 故障树的映射关系 b 图2 - 6故障树示意图 ( 二) 利用故障树进行故障诊断的基本原理用矩阵表示为： 暑出= 墨o 嚣；鬈势 c z 上式中的符号“表示按逻辑运算进行运算，它等同于最小最 大运算法则。其对应的故障树如图2 - 7 所示。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章故障检测与诊断的理论方法 芷( 1 ) 芷( 2 ) d ( 2 i 厂一、 il 与门 丌 世( 1 ) x ( 2 ) 图2 7 故障树图 在系统运行过程中，如果几个特征向量同时出现，故障y 发生，则 这几个特征向量的逻辑与称为y 的一个割集，若割集中的任特征向量 不出现时，故障，也不出现，则该割集称为故障j ，的最小割集。 一般情况下，利用故障树进行系统状态诊断需要以下两步：第一步， 对每种故障状态建立相应的故障树，并找出其最小割集；第二步，以最 小割集作为新的特征向量与故障特征向量建立其逻辑矩阵关系，利用此 逻辑矩阵进行故障诊断。 具体方法为： 设系统故障状态向量为y = y ，y ：，y 。 ，其对应的所有特征 向量为x - x 。x 。，x j 则有： y 。= a l l i c r ) + 口1 2 正c r ) + + 日以r ) y 2 = 口1 2 z c r ) + 口2 2 j c r ) + + 口2 c y ) n = 。 伍) + d 。：以伍) + + 口。以伍) 式中：口。 0 ，1 k f = 1 ，2 ，一，k ； 厶伍) 是最小割集； 式( 2 2 ) 可改写为： ( 2 - 2 ) 件涤 射 禁 喇食 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 卜匿 g ) f 2 ( x ) i ：1 0 ) = a f ( 2 3 ) 诊断过程为： ( 1 ) 己知特征向量x ； ( 2 ) 求出最小割集f ； ( 3 ) 利用上式即可进行逻辑运算； ( 4 ) 求出故障状态特征向量y ，即可进行诊断。 2 2 2 统计识别法 在系统运行过程中，系统的输入、输出信号及系统的特性信号具有 较大的随机性，从检测信号中提取系统运行特征参量时必须采用统计方 法，因此，统计识别方法是最基本的诊断方法。 ( 一) 统计识别方法 统计识别法的诊断过程一般分为以下四个基本过程： ( 1 ) 信息采集特征提取 ( 2 ) 标准特征库的建立 ( 3 ) 统计识别法 需要根据工程中的实际经验、知识、实验( 或事后) 统计数据及理 论分析建立系统正常状态的标准模式集和各种常见故障的标准模式集， 它是统计识别的关键。 ( 二) 比较识别 比较识别就是把从被诊断对象的实时信号中提取出来的特征元 素与各标准模式进行比较，根据相应集合的接近程度给出诊断结论。因 此，此方法又称为聚类分析。 2 1 ： n 船 以 d 口 口 q 吒： = 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章故障检测与诊断的理论方法 比较识别的基本算子为： d ：0 ) f 盯一厕( 2 圳 热卜为故障媲。= 譬嚣 o 一门限值； l 系统的特征元素值； k 标准库中对应的特征元素值； ( x ) 一单位阶跃函数；( 曲= ：i ： 当特征元素由n 个特征参数一，x ：，矗组成的特征向量时， 每个 特征向量相当于在n 维特征空间中的一个点。按照聚类分析准则，将这 些特征向量划分为若干个群，每一个群代表一种状态，设有m 个状态： d l ，d 2 ，d m ，则同一状态的各特征点相对密集，不同状态的特征点 距离较远。 假设k t 为待检特征向量，墨，k 2 ，如为标准模式向量，则k ， 与各标准模式特征向量间的距离d ( k r ，k ，) ，= 1 ，2 ，m ，是确定待检 状态瞄的依据。若： d ( k t ，k j ) = n 1 i n d ( k t ，k j ) ，d ( k t ，k 2 ) d ( k t ，k 。) ) ( 2 5 ) 则说明k t 与k j 距离最近，即待检状态归类与d ，。比较识别过程如图 2 - 8 所示。状态分类常用的距离函数有加权欧氏距离、马氏距离、信息 距离和相似性指标等。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章故障检测与诊断的理论方法 图2 - 8利用距离函数进行态识别 ( 三) 统计识别方法的分类 根据故障诊断的内容和要求不同可分为基本型，析因型和预报型三 种类型。基本型只给出被诊断对象是否发生故障的结论；析因型在基本 型的基础上增加了故障原因分析，它是常用的一种类型：预报型在基本 型的基础上增加了故障预报功能。 ( 1 ) 基本型 基本型的识别算子为： d叫盯一再鬲)( 2 6 ) d 粕) 一k k j ) 2 】 ( 2 _ 7 ) = g ) 盯一阮一) 2 j ( 2 _ 7 ) 非。一为故障娼。= 口嚣 o - ，一第i 个特征元素为门限值； l 第i 个特征元素值； k 标准库中第i 个特征元素值； 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章故障检测与诊断的理论方法 ( x ) 一单位阶跃函数； ( 2 ) 析因型 析因型仍然用基本型算子判别故障是否存在，故障原因用下式进行 分析： d ，：占忙：冀o ) 瓦而k ( 2 _ s ) ，= 占 m = 0 ) 犯一r ( 2 _ 8 ) 热d j 一第j 个故障媸嘭= 譬蒜 m 一对应故障j 的特征元素个数； n 一全部特征元素个数； 2 2 3 专家系统方法 专家系统是人工智能理论与技术研究的重要分支之一，究竟什么是 专家系统，目前尚无一个公认的严格的定义。一般认为，专家系统是应 用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智 能软件程序。它具有相当数量的权威性知识，具各自学习功能，并且能 够采用一定的策略，运用专家知识进行推理“。 传统的软件结构：数据+ 算法= 程序 专家系统结构：知识+ 推理= 系统 推理过程中，专家系统从数据库出发，调用知识库中的相应知识， 经过推理机制来获得所需的结果。 ( 一) 专家系统的结构及功能 专家系统一般由知识库、推理机、数据库和解释程序等组成。结构 框图如图2 - 9 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章故障检测与诊断的理论方法 图2 - 9 专家系统一般结构圈 主要部分功能如下： ( 1 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 知识库是为解决实际问题而存储的，用来完成任务所需的各种人类 专家知识的一个子系统。建立和维护知识库的主要问题是知识获取和知 识的表达。知识获取主要研究如何将“知识”从领域专家手中提取和总 结出来，并保证所获取的知识的一致性，知识获取一直以来都是专家系 统的瓶颈问题。知识表达主要研究的是如何将获取的各种知识用计算机 能够接受的形式表示出来并存储到计算机中去。知识表示的好坏对知识 的应用范围与效率有着直接的关系，也关系到以后推理的效果。 ( 2 ) 推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) 推理机是运用知识进行推理和解决特定问题的功能模块。 推理机是计算机的控制机构，它根据输入的数据( 如设备状态特 征) ，利用知识库的专家知识经验，按定的推理策略去解决问题。通 常用三种推理策略： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 正向推理，或叫数据驱动控制策略，其推理过程是从条件出发 推出结论，优点是比较直观，允许用户主动提供有用的事实信息， 适合于设计、预测、监控、诊断等类型的问题。缺点是推理时无明 确目标，推理效率较低。 反向推理，即目标驱动控制策略，其推理过程是先假设结论， 然后寻找支持假设的条件，优点是不必使用与总目标无关的规则， 其有利于向用户提供解释。主要缺点是提出的假设要尽量符合实 际，否则也会影响求解效率。 正反向混合推理。弥补了正向推理和反向推理的不足，使推理 更加准确、高效，缺点是不易融合两种推理方式。 在这三种推理方式中，由于所用到的数据和经验都具有随机性，因 此是随机性推理。 ( 3 ) 综合数据库( d a t ab a s e ) 数据库用于储存所诊断问题领域内原始特征数据的信息、推理过程 中得到的各种中间信息量和解决问题后输出的结果等。 ( 4 ) 解释程序( e x p l i c a t i o np r o g r a m ) 解释程序用于解释推理过程，推理路线和为什么需要询问那些特征 参数信息数据。同时还可以解释推理得到的确定性结论。 ( 二) 专家系统知识的表示方法 知识表示就是研究表示知识的原则和有效的表示方法或模式，使知 识能够合理地存储到计算机中去，供求解实际问题时使用。 一般的知识表示方法有以下五种： ( 1 ) 语义网络。语义网络是用来描述基于网络结构的知识表示方法。 由节点和描述节点之间关系的链( 或弧) 连接而成。 ( 2 ) 对象一属性一值三元组( o a v ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章故障检测与诊断的理论方法 o a v 与语义网络有许多类似之处，甚至可以把o _ a v 表示知识 看成语义网络的一种特例。 o a v 表示模式的第二个重要特征是对象是有序的，并且与另一 对象相关联。 o - a y 模式的第三个特征是处理不确定性。 ( 3 ) 生式规则是目前应用最广泛的方法，规则表示的是前提与结论 之间的逻辑关系，即i f - t h e n 的对应关系。 ( 4 ) 框架式表示法。它是针对一个对象给出所有与之相关的信息， 这些信息被分别包含在槽( s l o t ) 中，他们可以是属性、值或缺省值、 指向其他框架的指针，规则的集合及过程