专利名称：全钻头试验测试硬件系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全钻头试验测试硬件系统。
背景技术：
石油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。高性能钻头产品的开发和研究都是建立在理论和试验研究基础上，钻头试验主要是进行全钻头破碎不同地层岩石试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是测试钻头在一定钻井参数条件下破碎不同岩石的机械钻速和破碎井底，钻头齿圈复合运动破岩试验模拟钻头牙齿的运动和破岩状况，通过测试系统采集试验过程中的钻头和齿圈转速、钻头位移、钻压及扭矩信号。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。石油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。石油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。石油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。石油钻头在井底工作时，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，这种破碎方式是石油钻头破碎岩石的主要方式之一。
石油钻头工作时，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。根据上述对石油钻头在井底运动、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。随着石油钻井深度增加和地层岩石的复杂化，根据不同地层岩石特点开发高性能钻头的研究工作更加迫切，目前现有钻头试验的控制和测试系统已经不能满足现阶段钻头的研究和开发的需求。目前现有钻头试验的控制和测试系统已经不能满足钻头研究和新产品开发的需求，主要存在以下问题(1)试验控制和测试过程繁琐，由人工通过操作控制台来实现整个破岩试验过程的控制，自动化程度低；(2)现有两个试验测试系统都是采用两张8通道(共16通道)的数据采集卡，扩展功能局限性大，远不能满足新型钻头的设计试验需求；(3)由于液压系统、电机等环境噪声的干扰，动态应变仪采集到的信号受到一定的影响，试验数据中含有大量的噪声；(4)现有两个试验控制和测试系统需要的硬件设备有操作控制台、动态应变仪、转速测定仪、数据采集箱及采集卡，价格昂贵，硬件成本太高。
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，提供一种全钻头试验测试硬件系统，该全钻头试验测试硬件系统使得整个全钻头试验过程的控制和测试可以由一个人操作计算机完成，取代了原来由人工配合操作试验控制台按钮和计算机来完成试验及数据的采，简化了试验的操作过程，提高了自动化程度。本发明的目的通过下述技术方案实现全钻头试验测试硬件系统，主要由压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器构成，所述压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器均分别独立连接有放大器，所有放大器均与同一个数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。所述压力传感器为拉压力传感器。所述位移传感器为线性位移传感器。
所述转速传感器为磁电转速传感器。所述数据采集卡为PCI数据采集卡。所述计算机的配置为1. 6G处理器、512M内存，Windows XP操作系统。综上所述，本发明的有益效果是使得整个全钻头试验过程的控制和测试可以由一个人操作计算机完成，取代了原来由人工配合操作试验控制台按钮和计算机来完成试验及数据的采，简化了试验的操作过程，提高了自动化程度。
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图1为发明的系统框图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，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，本发明主要由压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器构成，所述压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器均分别独立连接有放大器，所有放大器均与同一个数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。全钻头试验需测量钻头钻进过程中产生的钻压，在测量接头与钻头之间可用联轴器安装拉压力传感器来测量。本次设计选用上海振丹传感器仪表厂生产的LTR-IM型拉压力传感器。其测试原理为利用电阻应变原理，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。全钻头试验需测量钻头钻进岩石的深度。本文设计采用北京和光伟业电子有限公司的HG-LVDT线性位移传感器。在钻头钻进过程中采用接触式安装，准确测量钻进位移， 该传感器的传感元件及电子电路封装在一个高导磁合金壳体内，经严格的工艺精密装配而成，具有卓越的分辨率和可重复性。其其测试原理为由传感元件和电子电路组成，其电感式传感元件由一个螺线管线圈、移动铁芯测杆及导磁外壳组成。当铁芯在线圈中移动时，线圈的电感发生变化，通过电子电路将电感变化转化为线性电气信号，进行位移测量。上述扭矩传感器全钻头试验过程中产生较大的扭矩，传感器测试应能够准确、可靠的测量钻头钻进过程中产生的扭矩信号，本文设计选用北京三晶创业科技集团有限公司的JN338A型旋转式传感器。其测试原理为扭矩传感器的测量采用应变电测原理，当应变轴受扭力影响产生微小变形后，粘贴在应变轴上的应变计阻值发生相应变化，将具有相同应变特性的应变计组成测量电桥，应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化进行测量， 电源经过处理后送入输入能源耦合器，经耦合将能源送到应变轴上，由稳压电路变成稳定电压供给应变轴上各电子器件，应变桥将应变轴的微小变形转换成电信号，经过放大器放大送到V/F变换器，经输出信号耦合器输出，通过信号输出电路整形后输出调频方波信号。钻头转速传感器选用上海仪表集团公司SZMB-4型磁电转速传感器，其测试原理为将转角位移转换成电脉冲信号，供计数器使用。传感器由感应齿轮，感应齿座，感应线圈，磁钢等组成，当感应齿轮与感应齿座有相对角位移时，由于磁路中的磁阻变化，在感应线圈内产生感应电动势，经放大整形，输出电脉冲方波信号。数据采集卡是实现模拟信号与数字信号转换的装置，其中包括多路开关、采样保持器、A/D卡等，这几部分都处在PC机的前向通道，是组成数据采集卡的主要部分；其他相关电路，如定时/计数器、总线接口电路等也集成在一块电路板上，完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。全钻头试验过程中需要测量钻压、钻进位移和矩3个模拟量信号以及钻头和牙轮的平均转速4个冲量信号。本次设计选用研华公司的PCI-1710多功能数据采集卡来采集试验过程中的模拟量和数字量号。全钻头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的控制。全钻头试验过程中通过电磁阀控制液压泵的启停、可控硅的启停和钻头钻进破碎岩石的过程，传感器测量试验过程中的钻压、扭矩、钻进深度及钻头和各牙轮的转速信号，采集卡采集信号经过转换板及继电器将弱电信号转换成强电信号。本发明使得整个全钻头试验过程的控制和测试可以由一个人操作计算机完成，取代了原来由人工配合操作试验控制台按钮和计算机来完成试验及数据的采，简化了试验的操作过程，提高了自动化程度。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.全钻头试验测试硬件系统，其特征在于，主要由压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器构成，所述压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器均分别独立连接有放大器，所有放大器均与同一个数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的全钻头试验测试硬件系统，其特征在于，所述压力传感器为拉压力传感器。
3.根据权利要求1所述的全钻头试验测试硬件系统，其特征在于，所述位移传感器为线性位移传感器。
4.根据权利要求1所述的全钻头试验测试硬件系统，其特征在于，所述转速传感器为磁电转速传感器。
5.根据权利要求1所述的全钻头试验测试硬件系统，其特征在于，所述数据采集卡为 PCI数据采集卡。
6.根据权利要求1所述的全钻头试验测试硬件系统，其特征在于，所述计算机的配置为1. 6G处理器、512M内存，Windows XP操作系统。
全文摘要
本发明公开了一种全钻头试验测试硬件系统。该全钻头试验测试硬件系统主要由压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器构成，所述压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器、以及3个牙轮转速传感器均分别独立连接有放大器，所有放大器均与同一个数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。本发明使得整个全钻头试验过程的控制和测试可以由一个人操作计算机完成，取代了原来由人工配合操作试验控制台按钮和计算机来完成试验及数据的采，简化了试验的操作过程，提高了自动化程度。
文档编号G01D21/02GK102466498SQ201010560169
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者常萍 申请人:常萍