專利名稱：全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)及其測試方法。
背景技術：
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，達到降低成本的目的，就必須針對不同的鉆井地層設計和選用適合地層特性的鉆頭。目前國內外研究鉆頭破巖效率的主要方法有現(xiàn)場試驗和室內試驗，現(xiàn)場試驗就是針對不同地層設計好的鉆頭在現(xiàn)場的應用，然后再修改設計和重新加工，這樣開發(fā)一種特性鉆頭需要的周期長，成本高；室內主要的試驗方法有單齒垂直壓入試驗、鉆頭齒圈復合運動破巖試驗和全尺寸鉆頭鉆進試驗。目前針對鉆頭研究開展的試驗主要是全尺寸鉆頭試驗和鉆頭齒圈復合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是檢測新型鉆頭鉆進不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復合運動破巖試驗主要是研究不同鉆頭結構參數(shù)、齒面結構和鉆進參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律?，F(xiàn)有全鉆頭試驗和鉆頭齒圈復合運動破巖試驗的測試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉速測定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉速脈沖信號；由傳感器、動態(tài)應變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號。但是隨著鉆頭研究進一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗測試系統(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個牙齒的運動和受力情況，現(xiàn)有兩張8通道數(shù)據(jù)采集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗需要的擴展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機和環(huán)境等的影響，動態(tài)應變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準確性不高；動態(tài)應變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設備價格昂貴，測試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測試技術的鉆頭試驗測試系統(tǒng)，以能夠快捷、準確、實時采集鉆頭及各個牙齒的運動及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學化設計提供重要的試驗手段。鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)在理論研究的基礎上必須經(jīng)過試驗驗證其性能，鉆頭試驗對研究和開發(fā)高性能產(chǎn)品具有非常重要的作用。在國外，美國Smith Bits公司、HughesChristensen 公司、Halliburton 公司及英國 Schlumberger Cambridge 公司等都建立了鉆頭試驗測試架，對新開發(fā)鉆頭進行試驗研究找出其優(yōu)缺點，并相應地制定了鉆頭試驗的檢測標準；同時各公司都申請了相應的鉆頭仿真設計專利，其中大部分是以鉆頭試驗為基礎的，通過開展鉆頭試驗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，對于提高鉆頭的機械轉速、破碎效率等起到了很重要的作用。1975年，在美國猶他州的鹽湖城建成了第一個全尺寸模擬井下條件的試驗架，可以用來試驗鉆頭、井下工具和一些井下動力鉆具。用液壓控制系統(tǒng)施加鉆進壓力，伺服控制系統(tǒng)可以按試驗目的的需要控制以恒鉆壓、恒鉆速或恒扭矩方式鉆進。在鉆進過程中，可動態(tài)測量的數(shù)據(jù)有:鉆壓、轉速、扭矩、巖石的覆蓋應力、圍限應力、孔隙壓力和鉆頭的進尺量和進尺速度。1985年，英國斯倫貝謝劍橋公司建成了另一個世界聞名的模擬井下條件的鉆井試驗架，該試驗架可以模擬井深5000m的壓力和溫度。它的整個實驗操作控制、井下模 擬條件控制和實驗數(shù)據(jù)的采集與處理都用計算機系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其控制和測試系統(tǒng)較先
進。在國內，江漢鉆頭股份公司、成都總機廠、西南石油大學、大慶油田等單位進行鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)和科學化設計研究且都建立了相應的鉆頭試驗架，對提高我國鉆頭性能和研究、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模擬井底情況的小型鉆頭試驗架。該試驗架能夠做37/8in以下鉆頭在3500m井深條件下的鉆進試驗并進行試驗過程中的數(shù)據(jù)采集和分析處理。90年代，大慶油田的鉆井技術研究所建成一臺模擬6000m井深條件的大型鉆井試驗架。從1981年起，西南石油大學鉆頭研究所就對鉆頭角速度和牙輪角速度進行實驗研究，在大型鉆頭試驗架上進行全尺寸鉆頭實驗，該試驗架可給鉆頭施加300kN的鉆壓，并通過傳感器測得試驗過程中的脈沖信號及模擬信號，再輸入二次儀表和計算機進行處理，得到試驗過程中的鉆壓、扭矩、位移及鉆頭轉速等信號。80年代初，西南石油大學鉆頭研究所在中國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、運動學一系列理論問題，掌握了鉆頭觸底齒本身的運動狀態(tài)及其規(guī)律的基礎上，建成一臺國內外首創(chuàng)的模擬牙輪鉆頭牙齒造坑過程的試驗設備。它能夠使試樣牙齒同真實鉆頭牙齒作相同的復合運動，通過控制臺控制試驗操作過程，采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)再輸入計算機進行分析處理。這些鉆頭試驗設備功能不完善，由人工操作裝有各種控件的操作控制臺來實現(xiàn)整個試驗過程的控制，自動化程度低，特別是測試系統(tǒng)采用傳統(tǒng)硬件化測量儀器采集試驗過程的信號，功能單一、靈活性差、擴展功能局限性大、易受外界干擾，采集信號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雜化，根據(jù)不同地層巖石特點設計和開發(fā)特性鉆頭的研究工作更加迫切，鉆頭試驗測試的重要性顯得更加突出，現(xiàn)有鉆頭試驗測試系統(tǒng)很顯然達不到高性能鉆頭試驗測試的要求。牙輪鉆頭在井底工作時的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當復雜的。鉆頭在井底運動，除了鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉運動和牙輪繞牙掌軸線作逆時針方向旋轉運動外，還有軸向縱振及牙輪的滑動，這幾種運動是鉆井時同時發(fā)生、綜合在一起的復合運動。牙輪鉆頭就是在上述復合運動所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動剪切作用下破碎巖石的。牙輪鉆頭鉆進時會產(chǎn)生縱向振動，在每次振動中，鉆頭上行時壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時則鉆柱恢復原長，其勢能轉化為鉆頭的動載荷。鉆頭工作時，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動載)，也就是說牙齒沖擊破碎巖石時，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動載荷之和。鉆頭在井下工作時，除了受到縱向靜載荷和動載荷外，由于鉆柱旋轉，還要受到扭矩作用。當鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動較大時，鉆頭承受的扭矩更大。牙輪鉆頭在井底工作時，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，由于鉆頭的設計結構及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動，轉速越快、滑動量越大，對巖石的剪切破碎越大，從而通過牙齒的滑動剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對牙輪鉆頭在井底運動、受力和破碎巖石情況的簡要分析，可以看出在鉆頭的研究過程中，必須有效地分析鉆頭破巖運動所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉速。
全鉆頭試驗測試過程中均需要通過測試系統(tǒng)采集鉆頭和牙輪/齒圈的轉速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號等，并輸入計算機進行試驗數(shù)據(jù)的分析處理，為鉆頭產(chǎn)品的進一步研究提供試驗手段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，該全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)能成功完成對鉆頭性能參數(shù)的測試，且測試過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、制造成本低。本發(fā)明的另一目的是提供了一種基于上述系統(tǒng)的測試方法。本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，主要由應變傳感器、轉速傳感器、與應變傳感器和轉速傳感器均相連的放大器、與放大器相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構成。所述應變傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器一一對應連接有放大器。所述轉速傳感器包括鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器。所述鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器一一對應連接有放大器。基于上述系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩；(b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速；(c)步驟(a)和(b)中測得的信號經(jīng)放大器放大后，被數(shù)據(jù)采集卡采集；(d)最后，輸入計算機進行分析處理。所述步驟(a)中，扭矩的測試過程為:當應變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發(fā)生相應變化，將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。所述步驟(a)中，鉆壓的測試過程為:壓力傳感器受外力作用，通過外加激勵電壓，將受力的大小轉換成相應的電動勢，從而達到測量鉆壓的目的。所述步驟(a)中，位移的測試過程為:當鐵芯在線圈中移動時，線圈的電感發(fā)生變化，通過電子電路將電感變化轉化為線性電氣信號，進行位移測量。所述步驟(b)中，鉆頭轉速和牙輪轉速的測試過程為:感應齒輪與感應齒座有相對角位移時，由于磁路中的磁阻變化，在感應線圈內產(chǎn)生感應電動勢,經(jīng)放大整形,輸出電脈沖方波信號。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:能成功完成對鉆頭性能參數(shù)的測試，且測試過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、制造成本低。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:如圖1所示，本發(fā)明涉及的全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，主要由應變傳感器、轉速傳感器、與應變傳感器和轉速傳感器均相連的放大器、與放大器相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構成。所述應變傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器一一對應連接有放大器。所述轉速傳感器包括鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器。所述鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器一一對應連接有放大器。傳感器是用來將非電物理量轉化為電信號的裝置，是機電一體化產(chǎn)品極為重要的組成部分，它是機械模塊和電氣模塊的銜接紐帶，將直接影響產(chǎn)品的性能指標。在實際測試工作中，傳感器應能夠迅速、準確且無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形，保證信號的穩(wěn)定性及可靠性。全鉆頭試驗過程中產(chǎn)生較大的扭矩，傳感器測試應能夠準確、可靠的測量鉆頭鉆進過程中產(chǎn)生的扭矩信號；扭矩傳感器的測量采用應變電測原理，當應變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發(fā)生相應變化，將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。全鉆頭試驗需測量鉆頭鉆進過程中產(chǎn)生的鉆壓，在測量接頭與鉆頭之間可用聯(lián)軸器安裝拉壓力傳感器來測量。壓力傳感器是利用電阻應變原理，將高精度的箔式應變計通過一定的方式粘貼在彈性體上，當傳感器受外力作用時，通過外加激勵電壓，將受力的大小轉換成相應的電動勢，從而達到測量鉆壓的目的。全鉆頭試驗需測量鉆頭鉆進巖石的深度。在鉆頭鉆進過程中采用接觸式安裝，準確測量鉆進位移，該傳感器的傳感元件及電子電路封裝在一個高導磁合金殼體內，經(jīng)嚴格的工藝精密裝配而成，具有卓越的分辨率和可重復性。位移傳感器由傳感元件和電子電路組成，其電感式傳感元件由一個螺線管線圈、移動鐵芯測桿及導磁外殼組成。當鐵芯在線圈中移動時，線圈的電感發(fā)生變化，通過電子電路將電感變化轉化為線性電氣信號，進行位移測量。轉速傳感器是將轉角位移轉換成電脈沖信號，供計數(shù)器使用。傳感器由感應齒輪，感應齒座，感應線圈，磁鋼等組成，當感應齒輪與感應齒座有相對角位移時，由于磁路中的磁阻變化，在感應線圈內產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)放大整形，輸出電脈沖方波信號。數(shù)據(jù)采集卡是實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號轉換的裝置，其中包括多路開關、采樣保持器、A/D卡等，這幾部分都處在PC機的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要部分；其他相關電路，如定時/計數(shù)器、總線接口電路等也集成在一塊電路板上，完成對信號數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉換任務。全鉆頭試驗電氣控制實現(xiàn)試驗過程的自動控制及測試系統(tǒng)對傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等硬件的控制。全鉆頭試驗過程中通過電磁閥控制液壓泵的啟停、可控硅的啟停和鉆頭鉆進破碎巖石的過程，傳感器測量試驗過程中的鉆壓、扭矩、鉆進深度及鉆頭和各牙輪的轉速信號，采集卡采集信號經(jīng)過轉換板及繼電器將弱電信號轉換成強電信號。
基于上述系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩；(b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速；(c)步驟(a)和(b)中測得的信號經(jīng)放大器放大后，被數(shù)據(jù)采集卡采集；(d)最后，輸入計算機進行分析處理。所述步驟(a)中，扭矩的測試過程為:當應變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發(fā)生相應變化，將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。所述步驟(a)中，鉆壓的測試過程為:壓力傳感器受外力作用，通過外加激勵電壓，將受力的大小轉換成相應的電動勢，從而達到測量鉆壓的目的。所述步驟(a)中，位移的測試過程為:當鐵芯在線圈中移動時，線圈的電感發(fā)生變化，通過電子電路將電感變化轉化為線性電氣信號，進行位移測量。所述步驟(b)中，鉆頭轉速和牙輪轉速的測試過程為:感應齒輪與感應齒座有相對角位移時，由于磁路中的磁阻變化，在感應線圈內產(chǎn)生感應電動勢,經(jīng)放大整形,輸出電脈沖方波信號。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，主要由應變傳感器、轉速傳感器、與應變傳感器和轉速傳感器均相連的放大器、與放大器相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述應變傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。
3.根據(jù)權利要求2所述的全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器 對應連接有放大器。
4.根據(jù)權利要求1所述的全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述轉速傳感器包括鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器。
5.根據(jù)權利要求4所述的全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器一一對應連接有放大器。
6.關于上述系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩； (b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速； (C)步驟(a)和(b)中測得的信號經(jīng)放大器放大后，被數(shù)據(jù)采集卡采集； (d)最后，輸入計算機進行分析處理。
7.根據(jù)權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟(a)中，扭矩的測試過程為:當應變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發(fā)生相應變化，將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。
8.根據(jù)權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟(a)中，鉆壓的測試過程為:壓力傳感器受外力作用，通過外加激勵電壓，將受力的大小轉換成相應的電動勢，從而達到測量鉆壓的目的。
9.根據(jù)權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟(a)中，位移的測試過程為:當鐵芯在線圈中移動時，線圈的電感發(fā)生變化，通過電子電路將電感變化轉化為線性電氣信號，進行位移測量。
10.根據(jù)權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟(b)中，鉆頭轉速和牙輪轉速的測試過程為:感應齒輪與感應齒座有相對角位移時，由于磁路中的磁阻變化，在感應線圈內產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)放大整形，輸出電脈沖方波信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)。該全鉆頭試驗測試硬件系統(tǒng)主要由應變傳感器、轉速傳感器、與應變傳感器和轉速傳感器均相連的放大器、與放大器相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構成。本發(fā)明還公開了一種基于上述系統(tǒng)的測試方法。本發(fā)明能成功完成對鉆頭性能參數(shù)的測試，且測試過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、制造成本低。
文檔編號G01L3/00GK103091015SQ201110379778
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權日2011年11月8日
發(fā)明者王曉琳 申請人:王曉琳