專利名稱：基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在石油鉆井中，鉆頭是破碎地層巖石的主要工具，是石油鉆井工程中提高機(jī)械鉆速、降低鉆井成本的重要手段。為了提高鉆頭的破巖效率，達(dá)到降低成本的目的，就必須針對(duì)不同的鉆井地層設(shè)計(jì)和選用適合地層特性的鉆頭。目前國(guó)內(nèi)外研究鉆頭破巖效率的主要方法有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)就是針對(duì)不同地層設(shè)計(jì)好的鉆頭在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，然后再修改設(shè)計(jì)和重新加工，這樣開發(fā)一種特性鉆頭需要的周期長(zhǎng)，成本高；室內(nèi)主要的試驗(yàn)方法有單齒垂直壓入試驗(yàn)、鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)和全尺寸鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)。目前針對(duì)鉆頭研究開展的試驗(yàn)主要是全尺寸鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是檢測(cè)新型鉆頭鉆進(jìn)不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)主要是研究不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律?，F(xiàn)有全鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)；由傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號(hào)。但是隨著鉆頭研究進(jìn)一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)存在很多問題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需要，比如:研究鉆頭及5個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)和受力情況，現(xiàn)有兩張8通道數(shù)據(jù)采集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗(yàn)需要的擴(kuò)展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機(jī)和環(huán)境等的影響，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的信號(hào)含有大量的噪聲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集鉆頭及各個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計(jì)提供重要的試驗(yàn)手段。鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)在理論研究的基礎(chǔ)上必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其性能，鉆頭試驗(yàn)對(duì)研究和開發(fā)高性能產(chǎn)品具有非常重要的作用。在國(guó)外，美國(guó)Smith Bits公司、HughesChristensen公司'Halliburton公司及英國(guó)SchlumbergerCambridge公司等都建立了鉆頭試驗(yàn)測(cè)試架，對(duì)新開發(fā)鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)研究找出其優(yōu)缺點(diǎn)，并相應(yīng)地制定了鉆頭試驗(yàn)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)各公司都申請(qǐng)了相應(yīng)的鉆頭仿真設(shè)計(jì)專利，其中大部分是以鉆頭試驗(yàn)為基礎(chǔ)的，通過(guò)開展鉆頭試驗(yàn)取得了不少的研究成果，開發(fā)出一系列特性或高性能鉆頭，對(duì)于提高鉆頭的機(jī)械轉(zhuǎn)速、破碎效率等起到了很重要的作用。1975年，在美國(guó)猶他州的鹽湖城建成了第一個(gè)全尺寸模擬井下條件的試驗(yàn)架，可以用來(lái)試驗(yàn)鉆頭、井下工具和一些井下動(dòng)力鉆具。用液壓控制系統(tǒng)施加鉆進(jìn)壓力，伺服控制系統(tǒng)可以按試驗(yàn)?zāi)康牡男枰刂埔院沣@壓、恒鉆速或恒扭矩方式鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，可動(dòng)態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)有:鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、巖石的覆蓋應(yīng)力、圍限應(yīng)力、孔隙壓力和鉆頭的進(jìn)尺量和進(jìn)尺速度。1985年，英國(guó)斯倫貝謝劍橋公司建成了另一個(gè)世界聞名的模擬井下條件的鉆井試驗(yàn)架，該試驗(yàn)架可以模擬井深5000m的壓力和溫度。它的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作控制、井下模擬條件控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理都用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其控制和測(cè)試系統(tǒng)較先進(jìn)。在國(guó)內(nèi)，江漢鉆頭股份公司、成都總機(jī)廠、西南石油大學(xué)、大慶油田等單位進(jìn)行鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計(jì)研究且都建立了相應(yīng)的鉆頭試驗(yàn)架，對(duì)提高我國(guó)鉆頭性能和研究、趕上世界水平起到了一定的作用。1989年，中國(guó)石油天然氣總公司北京石油勘探開發(fā)研究院鉆井所建成一臺(tái)模擬井底情況的小型鉆頭試驗(yàn)架。該試驗(yàn)架能夠做37/8in以下鉆頭在3500m井深條件下的鉆進(jìn)試驗(yàn)并進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集和分析處理。90年代，大慶油田的鉆井技術(shù)研究所建成一臺(tái)模擬6000m井深條件的大型鉆井試驗(yàn)架。從1981年起，西南石油大學(xué)鉆頭研究所就對(duì)鉆頭角速度和牙輪角速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在大型鉆頭試驗(yàn)架上進(jìn)行全尺寸鉆頭實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)架可給鉆頭施加300kN的鉆壓，并通過(guò)傳感器測(cè)得試驗(yàn)過(guò)程中的脈沖信號(hào)及模擬信號(hào)，再輸入二次儀表和計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到試驗(yàn)過(guò)程中的鉆壓、扭矩、位移及鉆頭轉(zhuǎn)速等信號(hào)。80年代初，西南石油大學(xué)鉆頭研究所在中國(guó)石油天然氣總公司的大力支持下，在解決了牙輪鉆頭幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)一系列理論問題，掌握了鉆頭觸底齒本身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其規(guī)律的基礎(chǔ)上，建成一臺(tái)國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的模擬牙輪鉆頭牙齒造坑過(guò)程的試驗(yàn)設(shè)備。它能夠使試樣牙齒同真實(shí)鉆頭牙齒作相同的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制臺(tái)控制試驗(yàn)操作過(guò)程，采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。這些鉆頭試驗(yàn)設(shè)備功能不完善，由人工操作裝有各種控件的操作控制臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的控制，自動(dòng)化程度低，特別是測(cè)試系統(tǒng)采用傳統(tǒng)硬件化測(cè)量?jī)x器采集試驗(yàn)過(guò)程的信號(hào)，功能單一、靈活性差、擴(kuò)展功能局限性大、易受外界干擾，采集信號(hào)含有大量的噪聲以及硬件成本高等。隨著石油鉆井深度的增加和地層巖石的復(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點(diǎn)設(shè)計(jì)和開發(fā)特性鉆頭的研究工作更加迫切，鉆頭試驗(yàn)測(cè)試的重要性顯得更加突出，現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)很顯然達(dá)不到高性能鉆頭試驗(yàn)測(cè)試的要求。牙輪鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)，除了鉆頭繞自身軸線作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和牙輪繞牙掌軸線作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還有軸向縱振及牙輪的滑動(dòng)，這幾種運(yùn)動(dòng)是鉆井時(shí)同時(shí)發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。牙輪鉆頭就是在上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動(dòng)剪切作用下破碎巖石的。牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)，在每次振動(dòng)中，鉆頭上行時(shí)壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時(shí)則鉆柱恢復(fù)原長(zhǎng)，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動(dòng)載荷。鉆頭工作時(shí)，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動(dòng)載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動(dòng)載)，也就是說(shuō)牙齒沖擊破碎巖石時(shí)，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動(dòng)載荷之和。鉆頭在井下工作時(shí)，除了受到縱向靜載荷和動(dòng)載荷外，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，還要受到扭矩作用。當(dāng)鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動(dòng)較大時(shí)，鉆頭承受的扭矩更大。牙輪鉆頭在井底工作時(shí)，由于鉆頭在井底產(chǎn)生縱振，使鉆柱不斷壓縮和伸張，下部鉆柱把這種周期性的彈性變形能傳遞給牙齒，產(chǎn)生牙齒對(duì)巖石的沖擊、壓碎作用，這種破碎方式是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式之一。牙輪鉆頭工作時(shí)，由于鉆頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)速越快、滑動(dòng)量越大，對(duì)巖石的剪切破碎越大，從而通過(guò)牙齒的滑動(dòng)剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對(duì)牙輪鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)、受力和破碎巖石情況的簡(jiǎn)要分析，可以看出在鉆頭的研究過(guò)程中，必須有效地分析鉆頭破巖運(yùn)動(dòng)所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，該基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)能快速對(duì)鉆頭性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試到的性能參數(shù)準(zhǔn)確，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，大大降低了測(cè)試成本，為鉆頭的使用提供了數(shù)據(jù)支持。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，主要由傳感器、與傳感器相連的放大器、與放大器相連的采集卡、以及與采集卡相連的計(jì)算處理單元構(gòu)成。所述計(jì)算處理單元包括處理器、存儲(chǔ)器、顯示器、輸入裝置。所述傳感器包括應(yīng)變傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。所述轉(zhuǎn)速傳感器包括鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器。所述應(yīng)變傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述采集卡通過(guò)PCI總線與計(jì)算處理單元相連。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:能快速對(duì)鉆頭性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試到的性能參數(shù)準(zhǔn)確，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，大大降低了測(cè)試成本，為鉆頭的使用提供了數(shù)據(jù)支持。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例:如圖1所示，本發(fā)明涉及的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，主要由傳感器、與傳感器相連的放大器、與放大器相連的采集卡、以及與采集卡相連的計(jì)算處理單元構(gòu)成。放大器將傳感器測(cè)得的微電信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的電信號(hào)，是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。所述計(jì)算處理單元包括處理器、存儲(chǔ)器、顯示器、輸入裝置。傳感器是硬件系統(tǒng)的最前端裝置，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如果沒有這些高質(zhì)量的傳感器就根本談不上測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳感器測(cè)量鉆頭試驗(yàn)過(guò)程中的鉆壓、扭矩、鉆頭位移及鉆頭與牙輪的平均轉(zhuǎn)速信號(hào)。所述傳感器包括應(yīng)變傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。所述轉(zhuǎn)速傳感器包括鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器。所述應(yīng)變傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述采集卡通過(guò)PCI總線與計(jì)算處理單元相連。PCI總線是目前PC機(jī)的常用總線，無(wú)論是個(gè)人計(jì)算機(jī)還是工控機(jī)上都有豐富的PCI插槽，并且PCI總線速度快、成本低，因此本發(fā)明選用PCI數(shù)據(jù)采集卡。
數(shù)據(jù)采集卡是I/O接口設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的裝置，它是外部被測(cè)信號(hào)進(jìn)入測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的必經(jīng)前置通道。其任務(wù)是把外界模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分析處理的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)傳輸入計(jì)算機(jī)。綜上可知:現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能快速對(duì)鉆頭性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試到的性能參數(shù)準(zhǔn)確，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，大大降低了測(cè)試成本，為鉆頭的使用提供了數(shù)據(jù)支持。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.關(guān)于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，主要由傳感器、與傳感器相連的放大器、與放大器相連的采集卡、以及與采集卡相連的計(jì)算處理單元構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算處理單元包括處理器、存儲(chǔ)器、顯示器、輸入裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器包括應(yīng)變傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速傳感器包括鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)變傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述采集卡通過(guò)PCI總線與計(jì)算處理單元相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)。該基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)主要由傳感器、與傳感器相連的放大器、與放大器相連的采集卡、以及與采集卡相連的計(jì)算處理單元構(gòu)成。本發(fā)明能快速對(duì)鉆頭性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試到的性能參數(shù)準(zhǔn)確，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，大大降低了測(cè)試成本，為鉆頭的使用提供了數(shù)據(jù)支持。
文檔編號(hào)G01D21/02GK103090909SQ201110373918
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者汪建平 申請(qǐng)人:汪建平