监测器8、振动位移监测器9组装完毕，根据实验需求将其沿着回转轴线放置在回转动力支撑台16和尾部支撑台19之间。
[0069](3)组装应力监测系统，如图5所示，将无线采集卡卡座26通过螺纹与钻杆1固定连接，然后根据步骤(2)中振动位移监测器的摆放位置，在每一个振动位移监测器所在的平面内，在钻杆1表面按照对称正交分布安装一组电阻式应变片25，电阻式应变片位于钻杆1轴面的正上、下、左、右端，振动位移监测器和电阻式应变片对应布置，每一个振动位移监测器所在的平面对称正交分布四个电阻式应变片，将所有电阻式应变片25通过电缆与无线采集卡4连接，然后将无线采集卡4安装在无线采集卡卡座26中。
[0070](4)如图6所示，将钻杆1、扭矩控制器11、拉力传感器12、钢丝绳14依次连接，接着让钻杆1依次穿过模拟孔壁支撑10、振动位移监测器，最终与减速箱3的输出端固定连接。如图6和图16所示，通过限位螺栓将扭矩控制器11与尾部支撑台19连接，确保扭矩控制器11能够沿着尾部支撑台19的导轨双向自由滑动，并将钢丝绳14绕过定滑轮33垂直向下。
[0071](5)通过加力砝码15的数量调节钻杆1受到不同的的轴向拉力，待钻杆1稳定后，调节振动位移监测器上的丝杠27，确保发射出的平行光30与钻杆1正上下、左右外表面相切，接通电源，使系统运转，在不同时刻下，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据，以分析不同的轴向拉力对钻杆振动受力的影响。
[0072](6)接通电源，通过调节变频器13，使钻杆1获得不同的回转速度，在不同时刻下，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据，分析不同回转速度对钻杆振动受力的影响。
[0073](7)通过调节扭矩控制器11，使钻杆1受到不同的扭矩作用，在不同时刻下，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据，以分析不同扭矩对钻杆振动受力的影响。
[0074](8)如图12和图13所示，在钻杆1中不同位置连接不同尺寸的扶正器32，扶正器32运动受到模拟孔壁支撑10的限制，接通电源，使系统运转，在不同时刻下，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据，以分析不同钻具组合对钻杆振动受力的影响。
【主权项】
1.一种水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法，其特征在于包括以下步骤: (1)搭建实验环境: 将钻杆水平放置，钻杆顶端与调速电机连接，钻杆尾端安装扭矩控制器，钢丝绳的一端通过拉力传感器与钻杆端部连接，钢丝绳的另一端悬挂加力砝码，在钻杆尾端放置用于模拟孔壁的设有圆形空心的模拟孔壁支撑架，使钻杆尾端通过模拟孔壁支撑架内部的圆形空心，在钻杆表面安装2组以上电阻式应变片，每组电阻式应变片位于与钻杆轴垂直的平面，沿钻杆轴向延伸方向布置一组振动位移检测器，一个振动位移检测器对应一组电阻式应变片，在钻杆的侧面和上方布置摄像机； (2)状态初始化: 利用调速电机控制钻杆轴向转动，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据； (3)调节转速: 利用与调速电机连接的变频器调节调速电机的速度，进而控制钻杆调速，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据； (4)调节轴向拉力: 通过改变加力砝码的数量调节钻杆轴向拉力，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据； (5)调节扭矩: 利用扭矩控制器调节钻杆受到的扭矩，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据； (6)模拟不同钻具组合: 在钻杆上加装扶正器，使扶正器和钻杆形成钻具组合；调整扶正器在钻杆上的位置，或更换不同尺寸扶正器，以模拟不同钻具组合，重复步骤(2)至步骤(5)。2.—种基于权利要求1所述方法的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，包括水平放置的钻杆和钻具回转系统，其特征在于:还包括拉力扭矩控制系统、应力监测系统、振动位移检测系统和图像采集系统；所述钻杆尾端放置用于模拟孔壁的设有圆形空心的模拟孔壁支撑架，使钻杆尾端通过模拟孔壁支撑架内部的圆形空心，以限制钻杆运动；所述钻具回转系统包括安装于钻杆顶端的由变频控制器控制的调速电机，所述调速电机通过减速箱连接在钻杆顶端；所述拉力扭矩控制系统包括安装于钻杆尾端的扭矩控制器、拉力传感器、钢丝绳以及加力砝码，钢丝绳的一端通过拉力传感器与扭矩控制器连接，扭矩控制器与钻杆端部连接，钢丝绳的另一端悬挂加力砝码；所述应力监测系统包括钻杆表面均匀安装的2组以上电阻式应变片，以及与电阻式应变片连接的无线采集卡，每组电阻式应变片位于与钻杆轴垂直的平面；所述振动位移检测系统包括沿钻杆轴向延伸方向布置的一组振动位移检测器以及与振动位移检测器连接的振动位移采集器，一个振动位移检测器对应一组电阻式应变片；所述图像采集系统包括位于钻杆的侧面和上方的摄像机；无线采集卡和振动位移采集器通过无线方式与无线采集卡信号接收器连接，以向无线采集卡信号接收器发送数据，无线采集卡信号接收器与数据处理终端连接。3.根据权利要求2所述的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，其特征在于:所述钻杆上套装有扶正器。4.根据权利要求2所述的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，其特征在于:每组电阻式应变片以对称正交分布均匀安装于钻杆表面。5.根据权利要求2所述的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，其特征在于:所述振动位移检测器包括相互垂直的两组振动位移检测单元，每组振动位移检测单元包括两个平行光发射器和两个光线接收器，两个平行光发射器发射的光线相互平行，当钻杆处于静止自然下垂与模拟孔壁支撑接触状态时，两组相互垂直的振动位移监测单元发出的两组相互垂直的平行光线分别与钻杆的正上外表面、正下外表面、正左外表面以及正右外表面相切。6.根据权利要求2所述的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，其特征在于:所述钻杆的两端各由一个支撑台支撑。7.根据权利要求6所述的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，其特征在于:所述钻杆的尾端的支撑台上设有定滑轮，钢丝绳置于定滑轮上。8.根据权利要求2所述的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，其特征在于:所述摄像机为尚速摄像机。
【专利摘要】本发明提供了一种水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法，首先搭建实验环境，然后状态初始化，接着调节转速、调节轴向拉力、调节扭矩，并模拟孔壁限制，以实时测试不同转速、拉力、扭矩、钻具组合条件下孔内钻杆的振动受力状态。本发明同时提供了一种基于上述方法的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，包括水平放置的钻杆和钻具回转系统，还包括拉力扭矩控制系统、应力监测系统、振动位移检测系统和图像采集系统，可以实现不同回转速度、轴向拉力、扭矩、钻具组合条件下钻杆振动受力监测分析，实验系统应用范围大，能够实现位移、应力、空间形态同时采集，实验结果更加真实可靠。
【IPC分类】G09B23/10, G09B25/02
【公开号】CN105374260
【申请号】CN201510988423
【发明人】闫雪峰, 马保松, 王福芝, 曾聪, 杨善
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月24日