一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置的制作方法

本发明主要属于钻具姿态测量技术领域，具体涉及一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置。

背景技术：

在石油和天然气钻井开采过程中，当前钻头的方向信息对于保证在储层中钻进是至关重要的。因此，定向钻井除了使用常规的钻具组合，还需要利用位置传感器测量井下钻具姿态，提供方位角（在水平面上与北向的偏角）、倾角（与垂直方向的偏角，亦称井斜角）和工具面角（相当于导航中的横滚角）信息。对井下钻具姿态的精确测量不但能够保证高效钻遇既定目标，同时也避免造成与相邻井眼的碰撞风险。

目前普遍采用安装在钻头后面10米左右的随钻测量（measurementwhiledrilling，mwd）系统测量钻具的姿态参数，mwd系统集成了三轴加速度计和三轴磁力计，当进行方位角、井斜角、工具面角测量时，必须停止钻进（即钻具不旋转），即静态测量，虽然能得到准确的姿态参数，但存在时效低、成本高等问题。为了进一步提高钻井效率，实现钻井工具姿态参数的连续、动态、实时测量，是目前钻具姿态测量领域研究的热点。

在钻具姿态测量模块研制过程中，需要在地面搭建测试装置，用于模拟钻具在井下的姿态和旋转的状态，实现仪器的标定、测试和指标验证。

现有的mwd系统标定测试装置主要包括三轴手动无磁转台和三轴电动无磁转台。专利cn202421522u、cn2015897611u公开的三轴无磁转台和三轴测斜仪校验台均属于手动无磁转台，该类转台在使用时，三个轴向均通过手动调节，利用刻度盘读数，当转动到设定角度时，锁紧被测工件，然后对被测件进行测试，这类转台只能用于静态标定和测试。专利cn103837161a和cn202017484u公开的三轴无磁校验台只是将读数方式由机械刻度盘改进为光电编码器或微型摄像头自动读数方式，也只能用于手动静态标定和测试。因此现有三轴手动无磁转台的角度调节通过手动操作，用刻度盘读数，只能用于静态条件测试，不能实现在一定转速下进行动态测试，不能用于姿态测量仪器的动态标定测试。

关于现有的三轴电动无磁转台，专利cn204346451u和204329980u公开了电动三轴无磁转台方案，三个轴向均通过电动调节，但带底座的u型支架主体结构，在重量大、高转速条件下运行不稳定，同时，工具面轴为中空的轴管，两端使用锥套螺母固定，只适用于形状规则的圆杆状被测工件。

因此，为了模拟钻具旋转的状态，实现姿态测量模块的动态测试，需要研制一种能承载重量大（30kg以上）、转速高（最高转速可达500转/分）、转速可测可控、测试工件方便安装固定、能够平稳转动的动态测试装置。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置。被测件装载后可以调节三个姿态角，该动态测试装置采用水平转动平面和垂直平面正交构成的主体结构，使得整个装置体积小，结构稳定，能够适用于重量较大的姿态测量模块的动态测试。该测试装置具有承载重量大（30kg），转速高（最高转速500转/分），转速可测可控、测试工件方便安装固定，平稳转动的特点，可模拟钻具井下旋转的条件，用于姿态测量模块的动态测试。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置，包括姿态测量模块测试工装、方位角转动装置、井斜角摆动装置、工具面角旋转装置和转速测量装置；所述动态测试装置能够对所述姿态测量模块测试工装的方位角、井斜角和工具面角进行独立调节；所述动态测试装置的整体结构采用水平转动平面和垂直平面正交构成的主体结构；

所述方位角转动装置构成整个所述动态测试装置的水平基座，用于调节方位角；

所述井斜角摆动装置用于调节井斜角，安装于所述方位角转动装置上，能够随所述方位角转动装置旋转，井斜角摆动平面与方位角转动平面相互垂直；

所述工具面角旋转装置安装于所述井斜角摆动装置上，能够随所述井斜角摆动装置一同摆动，用于带动所述姿态测量模块测试工装旋转；

所述姿态测量模块测试工装安装于所述工具面角旋转装置上，能够在所述工具面角旋转装置的驱动下自转；

所述转速测量装置安装在所述工具面角旋转装置上，用于测量所述姿态测量模块测试工装在旋转状态下转速和自转角度。

进一步地，所述方位角转动装置调节方位角的范围为0°-360°；包括固定底座、第一手轮、蜗轮传动箱、主旋转轴、水平转动台面、方位角刻度盘、第一游标和水平台面锁紧装置；

所述第一手轮安装于所述固定底座上，并通过传动轴与所述蜗轮传动箱连接，所述蜗轮传动箱通过所述主旋转轴及螺母与所述水平转动台面连接，所述水平转动台面与所述固定底座之间通过圆周均布的推力轴承接触；

所述方位角刻度盘安装于所述水平转动台面上，所述第一游标安装于所述固定底座上，通过所述方位角刻度盘与所述第一游标配合用于读取方位转动角度；所述水平台面锁紧装置安装于所述水平转动台面直径的两端，用于实现所述水平转动台面与所述固定底座的锁紧固定。

进一步地，所述井斜角摆动装置调节井斜角的调节范围为-90°-+90°，包括垂直台面、辅助锁紧台面、摆臂、摆臂旋转轴、井斜角刻度盘、第二游标、摆臂微调锁紧装置和抱紧式锁紧装置；

所述垂直台面和辅助锁紧台面均采用半圆形结构，垂直安装于所述水平转动台面，所述垂直台面和辅助锁紧台面的安装方向与所述方位角刻度盘上的0°-180°方向线平行；

在所述垂直台面的外圆周加工齿轮，用于实现基于齿轮啮合的摆臂倾斜角度连续调节；

所述摆臂通过所述摆臂旋转轴及轴承与所述垂直台面连接，所述摆臂旋转轴通过螺母固定锁紧于所述辅助锁紧台面；

所述井斜角刻度盘安装于所述垂直台面，所述第二游标固定于所述摆臂上，通过所述井斜角刻度盘与所述第二游标配合读取井斜角；所述摆臂能够通过所述抱紧式锁紧装置实现摆臂与辅助锁紧台面的锁紧固定，以使所述姿态测量模块测试工装在旋转时不松动、不改变井斜角；且所述摆臂通过摆臂微调锁紧装置的齿轮啮合作用实现摆臂与垂直台面的锁紧固定。

进一步地，所述摆臂微调锁紧装置安装于所述摆臂的上端，包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第二手轮、第一锁紧螺钉、固定盘、拨杆、拨杆转轴及调节转轴；

所述第一齿轮的旋转轴与所述第二手轮连接，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合，所述第一齿轮与所述第二齿轮分别通过各自的旋转轴安装于所述固定盘；所述固定盘通过螺钉安装于所述摆臂；所述第三齿轮的所述调节转轴安装于所述固定盘的长圆孔内，所述调节转轴能够在该长圆孔内移动。

进一步地，所述拨杆的一端通过所述拨杆转轴与所述固定盘连接，另一端通过叉型结构与第三齿轮的调节转轴接触，所述拨杆能够绕所述拨杆转轴旋转；所述第一锁紧螺钉安装于固定盘，一端通过球面结构与所述拨杆接触，所述第一锁紧螺钉能够推动所述拨杆绕所述拨杆转轴旋转，进而推动所述调节转轴左右移动。

进一步地，当所述调节转轴位于所述固定盘的长圆孔的远离所述第二齿轮的一端时，所述第二齿轮和所述第三齿轮的齿相互脱离，同时所述第二齿轮和所述第三齿轮分别与所述垂直台面的圆周啮合，转动所述第二手轮，所述第一齿轮带动所述第二齿轮转动，从而带动所述摆臂绕所述摆臂旋转轴转动，同时所述第二齿轮与垂直台面采用25:1的大传动比，以保证转动所述第二手轮时，所述摆臂相对于垂直台面转动缓慢，从而实现角度微调；

进一步地，当转动所述第一锁紧螺钉时，第一锁紧螺钉推动拨杆绕拨杆转轴旋转，拨杆转轴带动调节转轴及第三齿轮平移，当达到长圆孔靠近所述第二齿轮的一端时，第二齿轮与第三齿轮的齿啮合，第二齿轮与第三齿轮无法同向旋转，从而实现所述摆臂相对于垂直台面的固定。

进一步地，工具面角旋转装置用于带动姿态测量模块测试工装旋转，模拟钻具的旋转，转速范围为0-500转/分；包括驱动电机、直流电源、转速调节电路、传动组件、上传动轴、固定外筒及第二锁紧螺钉；

所述直流电源通过所述转速调节电路与所述驱动电机相连，所述驱动电机安装于所述摆臂的下端，通过传动组件带动所述姿态测量模块测试工装一同旋转；

所述传动组件包括电机轴、锥齿轮副及下传动轴；所述电机轴与所述驱动电机通过万向联轴器连接、所述锥齿轮副的两个齿轮分别安装于所述电机轴和所述下传动轴，所述下传动轴通过轴承安装于所述摆臂；

所述上传动轴通过轴承安装于所述固定外筒，所述固定外筒与所述摆臂可拆卸间隙配合，通过所述第二锁紧螺钉实现与所述摆臂之间的固定。

进一步地，所述姿态测量模块测试工装包括旋转轴、电路板安装槽、传感器安装槽、电池安装槽；所述姿态测量模块测试工装的一端安装于所述下传动轴，另一端安装于所述上传动轴，所述姿态测量模块测试工装的两端均采用顶尖的方式与所述工具面角旋转装置进行连接和定位；所述姿态测量模块测试工装在工具面角旋转装置的驱动下旋转；使用时，转动第二锁紧螺钉，将固定外筒拆下，将所述姿态测量模块测试工装的下顶尖孔对准下传动轴顶尖，然后安装固定外筒，将所述姿态测量模块测试工装的上顶尖孔对准上传动轴的顶尖，同时轴向施加压紧力，转动第二锁紧螺钉锁紧。

进一步地，转速测量装置用于测量所述姿态测量模块测试工装在旋转状态下的转速和自转角度，所述转速测量装置包括光电编码器、转速测量电路、液晶显示屏；所述光电编码器安装于所述固定外筒的上端，所述光电编码器的测量轴与所述上传动轴连接，能够随上传动轴旋转，所述转速测量电路对所述光电编码器的输出进行计数，计算转速和自转角度，并在液晶显示屏上实时显示，或者将计算获得的所述转速和自转角度数据通过通信接口送出。

本发明的有益技术效果：

（1）动态测试装置的整体结构，采用水平转动平面和垂直平面正交构成的主体结构，使得整个装置体积小，结构稳定，能够适用于重量较大的姿态测量模块的动态测试；

（2）动态测试装置井斜角、方位角、工具面角均可独立调节，工具面角通过电机带动调节，井斜角和方位角手动调节；

（3）井斜角摆动装置中的摆臂微调锁紧装置，通过基于三个齿轮的独特设计，具有微调和锁紧双重功能，实现井斜角的连续精细调节；

（4）井斜角摆动装置中的摆臂采用两种锁紧装置实现可靠锁紧，一种是通过摆臂微调锁紧装置的齿轮啮合作用实现摆臂与垂直台面的锁紧固定，另一种是通过抱紧式锁紧装置实现摆臂与辅助锁紧台面的锁紧固定，双重锁紧固定，从而保证测试工装旋转时不松动、井斜角保持不变；

（5）工具面角旋转装置与测试工装之间采用顶尖方式连接，通过轴向施加压紧力固定，具有承载量大（最高可达30kg）、定位精度高、同轴性好，适应测试工装高速旋转（最高转速500转/分）的优点。

附图说明

图1为本发明所述动态测试装置的侧视图；

图2为本发明所述动态测试装置的正视图；

图3为本发明所述动态测试装置的俯视图；

附图标记：1.固定底座；2.第一手轮；3.蜗轮传动箱；4.主旋转轴；5.水平转动台面；6.方位角刻度盘；7.第一游标；8.水平台面锁紧装置；9.垂直台面；10.辅助锁紧台面；11.摆臂；12.摆臂旋转轴；13.井斜角刻度盘；14.第二游标；15.摆臂微调锁紧装置；15-1.第一齿轮；15-2.第二齿轮；15-3.第三齿轮；15-4.第二手轮；15-5.第一锁紧螺钉；15-6.固定盘；15-7.拨杆；15-8.拨杆转轴；15-9.调节转轴；16.抱紧式锁紧装置；17.驱动电机；18.传动组件；18-1.电机轴；18-2.锥齿轮动副；18-3.下传动轴；19.上传动轴；20.固定外筒；21.第二锁紧螺钉；22.测量所述姿态测量模块测试工装；22-1.旋转轴；22-1.电路板安装槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图1-3所示，一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置，包括姿态测量模块测试工装、用于调节方位角的方位角转动装置、用于调节井斜角的井斜角摆动装置、用于带动所述姿态测量模块测试工装旋转的工具面角旋转装置和用于测量所述姿态测量模块测试工装在旋转状态下转速和自转角度的转速测量装置；

所述方位角转动装置构成整个所述动态测试装置的水平基座；

所述井斜角摆动装置安装于所述方位角转动装置上，能够随所述方位角转动装置旋转；

所述工具面角旋转装置安装于所述井斜角摆动装置上，能够随所述井斜角摆动装置一同摆动；

所述姿态测量模块测试工装安装于所述工具面角旋转装置上，能够在所述工具面角旋转装置的驱动下自转；

所述转速测量装置安装在所述工具面角旋转装置上，用于测量所述测试工装的转速和自转角度，即工具面角。

所述方位角转动装置调节方位角的范围为0°-360°；包括固定底座1、第一手轮2、蜗轮传动箱3、主旋转轴4、水平转动台面5、方位角刻度盘6、第一游标7、水平台面锁紧装置8；

所述固定底座1用于整个动态测试装置的支撑，所述第一手轮2安装于所述固定底座1上，并通过传动轴与所述蜗轮传动箱3连接，所述蜗轮传动箱3用于实现手轮转动方向和水平台面转动方向之间的90度转换，同时降低转动速度；所述蜗轮传动箱3安装于所述固定底座1的中间，所述蜗轮传动箱3通过所述主旋转轴4及螺母与所述水平转动台面5锁紧，所述水平转动台面5与所述固定底座1之间通过18个圆周均布的推力轴承接触；

所述方位角刻度盘6安装于所述水平转动台面5上，所述第一游标7安装于所述固定底座1上，通过所述方位角刻度盘6与所述第一游标7配合用于读取方位转动角度，所述方位角刻度盘6的最小刻度为1°，所述第一游标7有10个等分刻度，方位角测量精度达到0.1°；所述水平台面锁紧装置8安装于所述水平转动台面5直径的两端，通过两个抱紧式锁紧机构实现水平转动台面5与所述固定底座1的锁紧固定。

工作时，松开所述水平台面锁紧装置8，转动所述第一手轮2，能够实现所述水平转动台面5与所述固定底座1的相对转动，通过所述方位角刻度盘6和第一游标7读取转动方位角，当转动到设定的方位角度时，停止转动所述第一手轮2，锁紧所述水平转动台面5，完成方位角的调节。

所述井斜角摆动装置调节井斜角的调节范围为-90°-+90°，包括垂直台面9、辅助锁紧台面10、摆臂11、摆臂旋转轴12、井斜角刻度盘13、第二游标14及摆臂微调锁紧装置15；

所述垂直台面9和辅助锁紧台面10均采用半圆形结构，通过螺钉安装于所述水平转动台面5，所述垂直台面9和辅助锁紧台面10的安装方向与所述方位角刻度盘6上的0°-180°方向线平行；

在所述垂直台面9的外圆周加工齿轮，与所述摆臂微调锁紧装置15配合使用，实现基于齿轮啮合的摆臂倾斜角度连续调节。

所述摆臂11通过所述摆臂旋转轴12、轴承与所述垂直台面9连接，所述摆臂旋转轴12通过螺母固定锁紧于所述辅助锁紧台面10；

所述井斜角刻度盘13安装于所述垂直台面9，所述第二游标14安装于所述摆臂11，通过所述井斜角刻度盘13与所述第二游标14配合读取井斜角，所述井斜角刻度盘13的最小刻度为1°，第二游标14有10个等分刻度，井斜角测量精度达到0.1°。

所述摆臂微调锁紧装置15安装于所述摆臂11的上端，主要用于摆臂11的紧锁固定，包括第一齿轮15-1、第二齿轮15-2、第三齿轮15-3、第二手轮15-4、第一锁紧螺钉15-5、固定盘15-6、拨杆15-7、拨杆转轴15-8及调节转轴15-9；

所述第一齿轮15-1的旋转轴与所述第二手轮15-4连接，所述第一齿轮15-1与所述第二齿轮15-2啮合，所述第一齿轮15-1与所述第二齿轮15-2分别通过各自的旋转轴安装于所述固定盘15-6；所述固定盘15-6通过螺钉安装于所述摆臂11；所述第三齿轮15-3的所述调节转轴15-9安装于所述固定盘15-6的长圆孔内，所述调节转轴15-9能够在该长圆孔内移动；所述拨杆15-7的一端通过所述拨杆转轴15-8与所述固定盘15-6连接，另一端通过叉型结构与第三齿轮15-3的调节转轴15-9接触，所述拨杆15-7能够绕所述拨杆转轴15-8旋转；所述第一锁紧螺钉15-5安装于固定盘15-6，一端通过球面结构与所述拨杆15-7接触，所述第一锁紧螺钉15-5能够推动所述拨杆15-7绕所述拨杆转轴15-8旋转，进而推动所述调节转轴15-9左右移动。

摆臂微调锁紧装置工作原理：如图2所示，当所述调节转轴15-9位于所述固定盘15-6的长圆孔的远离所述第二齿轮15-2的一端时，所述第二齿轮15-2和所述第三齿轮15-3的齿相互脱离，同时所述第二齿轮15-2和所述第三齿轮15-3分别与所述垂直台面9的圆周啮合，转动所述第二手轮15-4，所述第一齿轮15-1带动所述第二齿轮15-2转动，从而带动所述摆臂11绕所述摆臂旋转轴12转动，同时所述第二齿轮15-2与垂直台面采用大传动比，这样保证转动所述第二手轮15-4时，所述摆臂11相对于垂直台面转动缓慢，从而实现角度微调。所述摆臂11转动时，所述第三齿轮15-3由于与垂直平面啮合，则会跟随齿轮2同向转动。

当转动所述第一锁紧螺钉15-5时，第一锁紧螺钉15-5推动拨杆15-7绕拨杆转轴15-8旋转，拨杆转轴15-8带动调节转轴15-9及第三齿轮15-3平移，达到长圆孔的靠近所述第二齿轮15-2的一端时，第二齿轮15-2与第三齿轮15-3的齿啮合，第二齿轮15-2与第三齿轮15-3无法同向旋转，从而实现所述摆臂11相对于垂直台面9的固定；同时摆臂11能够通过抱紧式锁紧装置16实现摆臂11与辅助锁紧台面10的锁紧固定，以便在旋转时不松动、不改变井斜角。

根据权利要求1所述一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置，其特征在于，工具面角旋转装置用于带动姿态测量模块测试工装的旋转，模拟钻具的旋转，转速范围为0-500转/分；包括驱动电机17、直流电源、转速调节电路、传动组件18、上传动轴19、固定外筒20及第二锁紧螺钉21构成；

所述直流电源通过所述转速调节电路与所述驱动电机17相连，所述驱动电机17安装于所述摆臂11的一端，通过传动组件18带动姿态测量模块测试工装一同旋转;

所述传动组件18包括电机轴18-1、锥齿轮副18-2及下传动轴18-3；所述电机轴18-1与所述驱动电机17通过十字轴万向联轴器连接、所述锥齿轮副18-2的两个齿轮分别安装于所述电机轴18-1和所述下传动轴18-3，下传动轴18-3通过轴承安装于所述摆臂11；

所述上传动轴19通过轴承安装于所述固定外筒20，所述固定外筒20与所述摆臂11可拆卸间隙配合，通过所述第二锁紧螺钉21实现固定；

根据权利要求1所述一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置，其特征在于，所述姿态测量模块测试工装22包括旋转轴22-1、电路板安装槽22-2、传感器安装槽、电池安装槽，分别用于安装姿态测量模块的电路板、传感器和电池等；所述姿态测量模块测试工装22的一端安装于所述下传动轴18-3，另一端安装于所述上传动轴19，所述姿态测量模块测试工装22的两端均采用顶尖的方式与所述工具面角旋转装置进行连接和定位；所述姿态测量模块测试工装22在工具面角旋转装置的驱动下旋转；使用时，转动第二锁紧螺钉21，将固定外筒20拆下，将所述姿态测量模块测试工装22的下顶尖孔对准下传动轴18-3顶尖，然后安装固定外筒20，将所述姿态测量模块测试工装22的上顶尖孔对准上传动轴19的顶尖，同时轴向施加压紧力，转动第二锁紧螺钉21锁紧。

根据权利要求1所述一种适用于钻具姿态测量模块的动态测试装置，其特征在于，转速测量装置23用于测量所述姿态测量模块测试工装22在旋转状态下的转速和自转角度，所述转速测量装置23包括光电编码器、转速测量电路、液晶显示屏；所述光电编码器安装于所述固定外筒20的上端，所述光电编码器的测量轴与所述上传动轴19连接，可随上传动轴19旋转，所述转速测量电路为常规电路，对所述光电编码器的输出进行计数，计算转速和自转角度，并在液晶显示屏上实时显示，也可以通过通信接口将数据送出。

另外，本发明中井斜角和方位角采用手动调节，但并不限于手动，增加两个驱动电机也可实现井斜角和方位角的自动调节。

与现有技术相比，本实施例所述动态测试装置具有以下优点：

1.钻具姿态测量模块动态测试装置三个姿态角均可调节，其中方位角和井斜角手动调节，工具面角由电机带动旋转，旋转速度可调节。可以应用于需要在旋转状态下进行标定测试的应用场景。

2.采用水平转动平面和垂直平面正交构成的主体结构，使得整个装置体积小，结构稳定，能够适用于重量较大的姿态测量模块的动态测试。

3.该测试装置具有承载重量大（30kg），转速高（最高转速500转/分），转速可测可控、测试工件方便安装固定，平稳转动的优点。