专利名称：钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统及其测试方法。
背景技术：
在石油钻井中，钻头是破碎地层岩石的主要工具，是石油钻井工程中提高机械钻速、降低钻井成本的重要手段。为了提高钻头的破岩效率，达到降低成本的目的，就必须针对不同的钻井地层设计和选用适合地层特性的钻头。目前国内外研究钻头破岩效率的主要方法有现场试验和室内试验，现场试验就是针对不同地层设计好的钻头在现场的应用，然后再修改设计和重新加工，这样开发一种特性钻头需要的周期长，成本高；室内主要的试验方法有单齿垂直压入试验、钻头齿圈复合运动破岩试验和全尺寸钻头钻进试验。目前针对钻头研究开展的试验主要是全尺寸钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是检测新型钻头钻进不同地层岩石的破碎规律；钻头齿圈复合运动破岩试验主要是研究不同钻头结构参数、齿面结构和钻进参数与地层岩石的破碎规律。现有全钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验的测试系统主要是由传感器、转速测定仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头、牙轮和齿圈转速脉冲信号；由传感器、动态应变仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头位移、钻压及扭矩模拟信号。但是随着钻头研究进一步的深化，现有钻头试验测试系统存在很多问题已经不能满足现阶段钻头研究和新产品开发的需要，比如:研究钻头及5个牙齿的运动和受力情况，现有两张8通道数据采集卡的模拟量通道不够，不能全面满足试验需要的扩展功能；由于液压系统、电机和环境等的影响，动态应变仪采集的信号含有大量的噪声，试验数据准确性不高；动态应变仪和数据采集卡等硬件设备价格昂贵，测试系统硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于现代测试技术的钻头试验测试系统，以能够快捷、准确、实时采集钻头及各个牙齿的运动及受力情况，从而为钻头的新产品开发和科学化设计提供重要的试验手段。钻头新产品开发在理论研究的基础上必须经过试验验证其性能，钻头试验对研究和开发高性能产品具有非常重要的作用。在国外，美国Smith Bits公司、HughesChristensen 公司、Halliburton 公司及英国 Schlumberger Cambridge 公司等都建立了钻头试验测试架，对新开发钻头进行试验研究找出其优缺点，并相应地制定了钻头试验的检测标准；同时各公司都申请了相应的钻头仿真设计专利，其中大部分是以钻头试验为基础的，通过开展钻头试验取得了不少的研究成果，开发出一系列特性或高性能钻头，对于提高钻头的机械转速、破碎效率等起到了很重要的作用。1975年，在美国犹他州的盐湖城建成了第一个全尺寸模拟井下条件的试验架，可以用来试验钻头、井下工具和一些井下动力钻具。用液压控制系统施加钻进压力，伺服控制系统可以按试验目的的需要控制以恒钻压、恒钻速或恒扭矩方式钻进。在钻进过程中，可动态测量的数据有:钻压、转速、扭矩、岩石的覆盖应力、围限应力、孔隙压力和钻头的进尺量和进尺速度。1985年，英国斯伦贝谢剑桥公司建成了另一个世界闻名的模拟井下条件的钻井试验架，该试验架可以模拟井深5000m的压力和温度。它的整个实验操作控制、井下模 拟条件控制和实验数据的采集与处理都用计算机系统的闭环控制，其控制和测试系统较先
进。在国内，江汉钻头股份公司、成都总机厂、西南石油大学、大庆油田等单位进行钻头新产品开发和科学化设计研究且都建立了相应的钻头试验架，对提高我国钻头性能和研究、赶上世界水平起到了一定的作用。1989年，中国石油天然气总公司北京石油勘探开发研究院钻井所建成一台模拟井底情况的小型钻头试验架。该试验架能够做37/8in以下钻头在3500m井深条件下的钻进试验并进行试验过程中的数据采集和分析处理。90年代，大庆油田的钻井技术研究所建成一台模拟6000m井深条件的大型钻井试验架。从1981年起，西南石油大学钻头研究所就对钻头角速度和牙轮角速度进行实验研究，在大型钻头试验架上进行全尺寸钻头实验，该试验架可给钻头施加300kN的钻压，并通过传感器测得试验过程中的脉冲信号及模拟信号，再输入二次仪表和计算机进行处理，得到试验过程中的钻压、扭矩、位移及钻头转速等信号。80年代初，西南石油大学钻头研究所在中国石油天然气总公司的大力支持下，在解决了牙轮钻头几何学、运动学一系列理论问题，掌握了钻头触底齿本身的运动状态及其规律的基础上，建成一台国内外首创的模拟牙轮钻头牙齿造坑过程的试验设备。它能够使试样牙齿同真实钻头牙齿作相同的复合运动，通过控制台控制试验操作过程，采集系统采集试验数据再输入计算机进行分析处理。这些钻头试验设备功能不完善，由人工操作装有各种控件的操作控制台来实现整个试验过程的控制，自动化程度低，特别是测试系统采用传统硬件化测量仪器采集试验过程的信号，功能单一、灵活性差、扩展功能局限性大、易受外界干扰，采集信号含有大量的噪声以及硬件成本高等。随着石油钻井深度的增加和地层岩石的复杂化，根据不同地层岩石特点设计和开发特性钻头的研究工作更加迫切，钻头试验测试的重要性显得更加突出，现有钻头试验测试系统很显然达不到高性能钻头试验测试的要求。牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。钻头在井底运动，除了钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转运动和牙轮绕牙掌轴线作逆时针方向旋转运动外，还有轴向纵振及牙轮的滑动，这几种运动是钻井时同时发生、综合在一起的复合运动。牙轮钻头就是在上述复合运动所产生的冲击、压碎及滑动剪切作用下破碎岩石的。牙轮钻头钻进时会产生纵向振动，在每次振动中，钻头上行时压缩下部钻柱，钻头下行时则钻柱恢复原长，其势能转化为钻头的动载荷。钻头工作时，牙齿作用到岩石上的力有静载荷(加在钻头上的钻压)和动载荷(钻头与下部钻柱加速下降而产生的动载)，也就是说牙齿冲击破碎岩石时，钻头受到岩石的反作用力也等于静载荷与动载荷之和。钻头在井下工作时，除了受到纵向静载荷和动载荷外，由于钻柱旋转，还要受到扭矩作用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤其是牙齿在井底滑动较大时，钻头承受的扭矩更大。牙轮钻头在井底工作时，由于钻头在井底产生纵振，使钻柱不断压缩和伸张，下部钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，这种破碎方式是牙轮钻头破碎岩石的主要方式之一。牙轮钻头工作时，由于钻头的设计结构及地层摩擦阻力的影响而产生滑动，转速越快、滑动量越大，对岩石的剪切破碎越大，从而通过牙齿的滑动剪切井底岩石，提高破碎效率。根据上述对牙轮钻头在井底运动、受力和破碎岩石情况的简要分析，可以看出在钻头的研究过程中，必须有效地分析钻头破岩运动所承受的钻压、扭矩作用以及钻头和牙轮的转速。
全钻头试验测试过程中均需要通过测试系统采集齿圈的转速、钻头位移、钻压及扭矩信号等，并输入计算机进行试验数据的分析处理，为钻头产品的进一步研究提供试验手段。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，该钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统可以由一个人操作计算机来完成，取代了原来由人工操作试验控制台按钮和计算机来完成试验和数据的采集，简化了试验操作过程，实现了试验过程的自动化控制。本发明的另一目的是提供了一种基于上述系统的测试方法，本发明的目的通过下述技术方案实现:钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，主要由应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器，与应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器分别相连的放大器构成，所述放大器连接有数据采集卡，所述数据采集卡相连有计算机。所述应变传感器包括力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器。所述力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器与放大器一一对应相连。所述钻头转速传感器、牙轮转速传感器与放大器一一对应相连。基于上述系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤:(a)首先，通过力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器测试钻头的受力、钻压、位移、扭矩；(b)同时,通过钻头转速传感器和齿圈转速传感器测试钻头转速和齿圈转速；(c)步骤(a)和(b)中测得的信号经放大器放大后，被数据采集卡采集；(d)最后，输入计算机进行分析处理。所述步骤(a)中，扭矩的测试过程为:采用应变电测技术将专用应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥；在传感器外面提供24VDC 工作电源，经过振荡电路转换为交流电源再通过一组环形变压器感应到旋转轴上，经过整流稳压变换为高稳定性的直流电压给应变桥提供工作电源，即可测试该弹性轴受扭的应变mV信号；将该应变mV信号放大后，经过压/频转换成与扭应变成正比的频率信号；再经过一组环形变压器感应到传感器外面电路经过整形、滤波输出与扭矩成正比的方波频率信号，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接输入计算机处理。所述步骤(a)中，钻压的测试过程为:压力传感器受外力作用时，通过外加激励电压，将受力的大小转换成相应的电动势，从而达到测量钻压的目的。综上所述，本发明的有益效果是:可以由一个人操作计算机来完成，取代了原来由人工操作试验控制台按钮和计算机来完成试验和数据的采集，简化了试验操作过程，实现了试验过程的自动化控制。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例:如图1所示，本发明涉及的钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，主要由应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器，与应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器分别相连的放大器构成，所述放大器连接有数据采集卡，所述数据采集卡相连有计算机。所述应变传感器包括力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器。所述力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器与放大器一一对应相连。所述钻头转速传感器、牙轮转速传感器与放大器一一对应相连。传感器是测量系统的第一个环节，是影响动态响应的主要因素，根据测量目的和对象合理地选择传感器，是测试系统设计中需首要解决的问题。扭矩测试:采用应变电测技术将专用应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥。在传感器外面提供24VDC工作电源，经过振荡电路转换为交流电源再通过一组环形变压器感应到旋转轴上，经过整流稳压变换为高稳定性的直流电压给应变桥提供工作电源，即可测试该弹性轴受扭的应变mV信号；将该应变mV信号放大后，经过压/频转换成与扭应变成正比的频率信号；再经过一组环形变压器感应到传感器外面电路经过整形、滤波输出与扭矩成正比的方波频率信号(该信号为TTL电平)，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接输入计算机处理。钻压测试:压力传感器是利用电阻应变原理，将高精度的箔式应变计通过一定的方式粘贴在弹性体上，当传感器受外力作用时，通过外加激励电压，将受力的大小转换成相应的电动势，从而达到测量钻压的目的。数据采集卡把外界模拟信号转换为计算机系统可分析处理的数字信号，并通过驱动程序把数据传输入计算机。钻头齿圈复合运动破岩试验电气控制实现试验过程的自动控制及测试系统对传感器和数据采集卡等硬件设备的控制。钻头齿圈复合运动破岩试验过程中通过电磁阀控制液压泵的启停、可控硅的启停、转盘的上升和下降及钻头齿圈破岩的加卸载过程，传感器测量试验信号，采集卡采集试验信号经过转换板及继电器将弱电信号转换成强电信号，PLC电路自动控制转盘的快速上升和快速脱离。基于上述系统的测试方法，包括以下步骤:(a)首先，通过力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器测试钻头的受力、钻压、位移、扭矩；(b)同时,通过钻头转速传感器和齿圈转速传感器测试钻头转速和齿圈转速；(c)步骤(a)和(b)中测得的信号经放大器放大后，被数据采集卡采集；(d)最后，输入计算机进行分析处理。所述步骤(a)中，扭矩的测试过程为:采用应变电测技术将专用应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥；在传感器外面提供24VDC工作电源，经过振荡电路转换为交流电源再通过一组环形变压器感应到旋转轴上，经过整流稳压变换为高稳定性的直流电压给应变桥提供工作电源，即可测试该弹性轴受扭的应变mV信号；将该应变mV信号放大后，经过压/频转换成与扭应变成正比的频率信号；再经过一组环形变压器感应到传感器外面电路经过整形、滤波输出与扭矩成正比的方波频率信号，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接输入计算机处理。所述步骤(a)中，钻压的测试过程为:压力传感器受外力作用时，通过外加激励电压，将受力的大小转换成相应的电动势，从而达到测量钻压的目的。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，其特征在于，主要由应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器，与应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器分别相连的放大器构成，所述放大器连接有数据采集卡，所述数据采集卡相连有计算机。
2.根据权利要求1所述的钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，其特征在于，所述应变传感器包括力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器。
3.根据权利要求2所述的钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，其特征在于，所述力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器与放大器 对应相连。
4.根据权利要求1所述的钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统，其特征在于，所述钻头转速传感器、齿圈转速传感器与放大器 对应相连。
5.关于上述系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤: (a)首先，通过力传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器测试钻头的受力、钻压、位移、扭矩； (b)同时，通过钻头转速传感器和齿圈转速传感器测试钻头转速和齿圈转速； (C)步骤(a)和(b)中测得的信号经放大器放大后，被数据采集卡采集； (d)最后，输入计算机进行分析处理。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(a)中，扭矩的测试过程为:采用应变电测技术将专用应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥；在传感器外面提供24VDC 工作电源，经过振荡电路转换为交流电源再通过一组环形变压器感应到旋转轴上，经过整流稳压变换为高稳定性的直流电压给应变桥提供工作电源，即可测试该弹性轴受扭的应变mV信号；将该应变mV信号放大后，经过压/频转换成与扭应变成正比的频率信号；再经过一组环形变压器感应到传感器外面电路经过整形、滤波输出与扭矩成正比的方波频率信号，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接输入计算机处理。
7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(a)中，钻压的测试过程为:压力传感器受外力作用时，通过外加激励电压，将受力的大小转换成相应的电动势，从而达到测量钻压的目的。
全文摘要
本发明公开了一种钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统。该钻头齿圈复合运动破岩试验测试硬件系统主要由应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器，与应变传感器、钻头转速传感器、齿圈转速传感器分别相连的放大器构成，所述放大器连接有数据采集卡，所述数据采集卡相连有计算机。本发明还公开了一种基于上述系统的测试方法。本发明可以由一个人操作计算机来完成，取代了原来由人工操作试验控制台按钮和计算机来完成试验和数据的采集，简化了试验操作过程，实现了试验过程的自动化控制。
文档编号G01L5/00GK103091087SQ20111037979
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者王晓琳 申请人:王晓琳