專利名稱：鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(jī)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(dá)到降低成本的目的，就必須針對不同的鉆井地層設(shè)計和選用適合地層特性的鉆頭。目前國內(nèi)外研究鉆頭破巖效率的主要方法有現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗，現(xiàn)場試驗就是針對不同地層設(shè)計好的鉆頭在現(xiàn)場的應(yīng)用，然后再修改設(shè)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(nèi)主要的試驗方法有單齒垂直壓入試驗、鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗和全尺寸鉆頭鉆進(jìn)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(fù)合運(yùn)動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是檢測新型鉆頭鉆進(jìn)不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗主要是研究不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)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(fù)合運(yùn)動破巖試驗的測試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速脈沖信號；由傳感器、動態(tài)應(yīng)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(jìn)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(yùn)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(kuò)展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機(jī)和環(huán)境等的影響，動態(tài)應(yīng)變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)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(shù)的鉆頭試驗測試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時采集鉆頭及各個牙齒的運(yùn)動及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)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(chǔ)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(jìn)行試驗研究找出其優(yōu)缺點(diǎn)，并相應(yīng)地制定了鉆頭試驗的檢測標(biāo)準(zhǔn)；同時各公司都申請了相應(yīng)的鉆頭仿真設(shè)計專利，其中大部分是以鉆頭試驗為基礎(chǔ)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(jī)械轉(zhuǎn)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(jìn)壓力，伺服控制系統(tǒng)可以按試驗?zāi)康牡男枰刂埔院沣@壓、恒鉆速或恒扭矩方式鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，可動態(tài)測量的數(shù)據(jù)有:鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、巖石的覆蓋應(yīng)力、圍限應(yīng)力、孔隙壓力和鉆頭的進(jìn)尺量和進(jìn)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(shí)驗操作控制、井下模 擬條件控制和實(shí)驗數(shù)據(jù)的采集與處理都用計算機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其控制和測試系統(tǒng)較先
進(jìn)。在國內(nèi)，江漢鉆頭股份公司、成都總機(jī)廠、西南石油大學(xué)、大慶油田等單位進(jìn)行鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計研究且都建立了相應(yīng)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(jìn)試驗并進(jìn)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(shù)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(xué)鉆頭研究所就對鉆頭角速度和牙輪角速度進(jìn)行實(shí)驗研究，在大型鉆頭試驗架上進(jìn)行全尺寸鉆頭實(shí)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(jī)進(jìn)行處理，得到試驗過程中的鉆壓、扭矩、位移及鉆頭轉(zhuǎn)速等信號。80年代初，西南石油大學(xué)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(xué)、運(yùn)動學(xué)一系列理論問題，掌握了鉆頭觸底齒本身的運(yùn)動狀態(tài)及其規(guī)律的基礎(chǔ)上，建成一臺國內(nèi)外首創(chuàng)的模擬牙輪鉆頭牙齒造坑過程的試驗設(shè)備。它能夠使試樣牙齒同真實(shí)鉆頭牙齒作相同的復(fù)合運(yùn)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(jī)進(jìn)行分析處理。這些鉆頭試驗設(shè)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(shí)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(kuò)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(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點(diǎn)設(shè)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(dá)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(yùn)動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運(yùn)動，除了鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和牙輪繞牙掌軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動外，還有軸向縱振及牙輪的滑動，這幾種運(yùn)動是鉆井時同時發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運(yùn)動。牙輪鉆頭就是在上述復(fù)合運(yùn)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(jìn)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(fù)原長，其勢能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，還要受到扭矩作用。當(dāng)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(shè)計結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)動所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。
全鉆頭試驗測試過程中均需要通過測試系統(tǒng)采集齒圈的轉(zhuǎn)速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號等，并輸入計算機(jī)進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的分析處理，為鉆頭產(chǎn)品的進(jìn)一步研究提供試驗手段。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，該鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)可以由一個人操作計算機(jī)來完成，取代了原來由人工操作試驗控制臺按鈕和計算機(jī)來完成試驗和數(shù)據(jù)的采集，簡化了試驗操作過程，實(shí)現(xiàn)了試驗過程的自動化控制。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，主要由應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器，與應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器分別相連的放大器構(gòu)成，所述放大器連接有數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡相連有計算機(jī)。所述應(yīng)變傳感器包括力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器與放大器一一對應(yīng)相連。所述鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器與放大器 對應(yīng)相連。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:可以由一個人操作計算機(jī)來完成，取代了原來由人工操作試驗控制臺按鈕和計算機(jī)來完成試驗和數(shù)據(jù)的采集，簡化了試驗操作過程，實(shí)現(xiàn)了試驗過程的自動化控制。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例:如圖1所示，本發(fā)明涉及的鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，主要由應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器，與應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器分別相連的放大器構(gòu)成，所述放大器連接有數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡相連有計算機(jī)。所述應(yīng)變傳感器包括力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器與放大器一一對應(yīng)相連。所述鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器與放大器 對應(yīng)相連。傳感器是測量系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，是影響動態(tài)響應(yīng)的主要因素，根據(jù)測量目的和對象合理地選擇傳感器，是測試系統(tǒng)設(shè)計中需首要解決的問題。扭矩測試:采用應(yīng)變電測技術(shù)將專用應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應(yīng)變橋。在傳感器外面提供24VDC工作電源，經(jīng)過振蕩電路轉(zhuǎn)換為交流電源再通過一組環(huán)形變壓器感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)軸上，經(jīng)過整流穩(wěn)壓變換為高穩(wěn)定性的直流電壓給應(yīng)變橋提供工作電源，即可測試該彈性軸受扭的應(yīng)變mV信號；將該應(yīng)變mV信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號；再經(jīng)過一組環(huán)形變壓器感應(yīng)到傳感器外面電路經(jīng)過整形、濾波輸出與扭矩成正比的方波頻率信號(該信號為TTL電平)，既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接輸入計算機(jī)處理。鉆壓測試:壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理，將高精度的箔式應(yīng)變計通過一定的方式粘貼在彈性體上，當(dāng)傳感器受外力作用時，通過外加激勵電壓，將受力的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電動勢，從而達(dá)到測量鉆壓的目的。數(shù)據(jù)采集卡把外界模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)系統(tǒng)可分析處理的數(shù)字信號，并通過驅(qū)動程序把數(shù)據(jù)傳輸入計算機(jī)。鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗電氣控制實(shí)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)采集卡等硬件設(shè)備的控制。鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗過程中通過電磁閥控制液壓泵的啟停、可控硅的啟停、轉(zhuǎn)盤的上升和下降及鉆頭齒圈破巖的加卸載過程，傳感器測量試驗信號，采集卡采集試驗信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換板及繼電器將弱電信號轉(zhuǎn)換成強(qiáng)電信號，PLC電路自動控制轉(zhuǎn)盤的快速上升和快速脫離。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)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(shù)實(shí)質(zhì)，對以上實(shí)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(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，主要由應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器，與應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器分別相連的放大器構(gòu)成，所述放大器連接有數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡相連有計算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)變傳感器包括力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器與放大器 對應(yīng)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器與放大器 對應(yīng)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)。該鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動破巖試驗測試硬件系統(tǒng)主要由應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器，與應(yīng)變傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈轉(zhuǎn)速傳感器分別相連的放大器構(gòu)成，所述放大器連接有數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡相連有計算機(jī)。本發(fā)明可以由一個人操作計算機(jī)來完成，取代了原來由人工操作試驗控制臺按鈕和計算機(jī)來完成試驗和數(shù)據(jù)的采集，簡化了試驗操作過程，實(shí)現(xiàn)了試驗過程的自動化控制。
文檔編號G01D21/02GK103090911SQ20111037979
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者王曉琳 申請人:王曉琳