專利名稱：全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
石油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。高性能鉆頭產(chǎn)品的開發(fā)和研究都是建立在理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，鉆頭試驗(yàn)主要是進(jìn)行全鉆頭破碎不同地層巖石試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是測(cè)試鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機(jī)械鉆速和破碎井底，鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)?zāi)M鉆頭牙齒的運(yùn)動(dòng)和破巖狀況，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭和齒圈轉(zhuǎn)速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號(hào)。目前針對(duì)鉆頭研究開展的試驗(yàn)主要是全尺寸鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是檢測(cè)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(dòng)破巖試驗(yàn)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(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)；由傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號(hào)。但是隨著鉆頭研究進(jìn)一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)存在很多問(wèn)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(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)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(yàn)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(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的信號(hào)含有大量的噪聲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)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(cè)試技術(shù)的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集鉆頭及各個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)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(jì)提供重要的試驗(yàn)手段。石油鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)， 除了鉆頭繞自身軸線作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和牙輪繞牙掌軸線作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外， 還有軸向縱振及牙輪的滑動(dòng)，這幾種運(yùn)動(dòng)是鉆井時(shí)同時(shí)發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。石油鉆頭就是在上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動(dòng)剪切作用下破碎巖石的。石油鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)，在每次振動(dòng)中，鉆頭上行時(shí)壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時(shí)則鉆柱恢復(fù)原長(zhǎng)，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動(dòng)載荷。鉆頭工作時(shí)，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動(dòng)載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動(dòng)載)，也就是說(shuō)牙齒沖擊破碎巖石時(shí)，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動(dòng)載荷之和。鉆頭在井下工作時(shí)，除了受到縱向靜載荷和動(dòng)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(dòng)較大時(shí)，鉆頭承受的扭矩更大。石油鉆頭在井底工作時(shí)，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(duì)巖石的沖擊、壓碎作用，這種破碎方式是石油鉆頭破碎巖石的主要方式之一。
石油鉆頭工作時(shí)，由于鉆頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)速越快、滑動(dòng)量越大，對(duì)巖石的剪切破碎越大，從而通過(guò)牙齒的滑動(dòng)剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對(duì)石油鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)、受力和破碎巖石情況的簡(jiǎn)要分析，可以看出在鉆頭的研究過(guò)程中，必須有效地分析鉆頭破巖運(yùn)動(dòng)所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。隨著石油鉆井深度增加和地層巖石的復(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點(diǎn)開發(fā)高性能鉆頭的研究工作更加迫切，目前現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)的控制和測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭的研究和開發(fā)的需求。目前現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)的控制和測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需求，主要存在以下問(wèn)題(1)試驗(yàn)控制和測(cè)試過(guò)程繁瑣，由人工通過(guò)操作控制臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)破巖試驗(yàn)過(guò)程的控制，自動(dòng)化程度低；(2)現(xiàn)有兩個(gè)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)都是采用兩張8通道(共16通道)的數(shù)據(jù)采集卡，擴(kuò)展功能局限性大，遠(yuǎn)不能滿足新型鉆頭的設(shè)計(jì)試驗(yàn)需求；(3)由于液壓系統(tǒng)、電機(jī)等環(huán)境噪聲的干擾，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集到的信號(hào)受到一定的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲；(4)現(xiàn)有兩個(gè)試驗(yàn)控制和測(cè)試系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備有操作控制臺(tái)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀、數(shù)據(jù)采集箱及采集卡，價(jià)格昂貴，硬件成本太高。

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，提供一種全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，該全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)使得整個(gè)全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程的控制和測(cè)試可以由一個(gè)人操作計(jì)算機(jī)完成，取代了原來(lái)由人工配合操作試驗(yàn)控制臺(tái)按鈕和計(jì)算機(jī)來(lái)完成試驗(yàn)及數(shù)據(jù)的采，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)的操作過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，主要由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成，所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均分別獨(dú)立連接有放大器，所有放大器均與同一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。所述壓力傳感器為拉壓力傳感器。所述位移傳感器為線性位移傳感器。
所述轉(zhuǎn)速傳感器為磁電轉(zhuǎn)速傳感器。所述數(shù)據(jù)采集卡為PCI數(shù)據(jù)采集卡。所述計(jì)算機(jī)的配置為1. 6G處理器、512M內(nèi)存，Windows XP操作系統(tǒng)。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是使得整個(gè)全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程的控制和測(cè)試可以由一個(gè)人操作計(jì)算機(jī)完成，取代了原來(lái)由人工配合操作試驗(yàn)控制臺(tái)按鈕和計(jì)算機(jī)來(lái)完成試驗(yàn)及數(shù)據(jù)的采，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)的操作過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度。


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圖1為發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)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)明主要由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成，所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均分別獨(dú)立連接有放大器，所有放大器均與同一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。全鉆頭試驗(yàn)需測(cè)量鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的鉆壓，在測(cè)量接頭與鉆頭之間可用聯(lián)軸器安裝拉壓力傳感器來(lái)測(cè)量。本次設(shè)計(jì)選用上海振丹傳感器儀表廠生產(chǎn)的LTR-IM型拉壓力傳感器。其測(cè)試原理為利用電阻應(yīng)變?cè)恚瑢⒏呔鹊牟綉?yīng)變計(jì)通過(guò)一定的方式粘貼在彈性體上，當(dāng)傳感器受外力作用時(shí)，通過(guò)外加激勵(lì)電壓，將受力的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，從而達(dá)到測(cè)量鉆壓的目的。全鉆頭試驗(yàn)需測(cè)量鉆頭鉆進(jìn)巖石的深度。本文設(shè)計(jì)采用北京和光偉業(yè)電子有限公司的HG-LVDT線性位移傳感器。在鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中采用接觸式安裝，準(zhǔn)確測(cè)量鉆進(jìn)位移， 該傳感器的傳感元件及電子電路封裝在一個(gè)高導(dǎo)磁合金殼體內(nèi)，經(jīng)嚴(yán)格的工藝精密裝配而成，具有卓越的分辨率和可重復(fù)性。其其測(cè)試原理為由傳感元件和電子電路組成，其電感式傳感元件由一個(gè)螺線管線圈、移動(dòng)鐵芯測(cè)桿及導(dǎo)磁外殼組成。當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，線圈的電感發(fā)生變化，通過(guò)電子電路將電感變化轉(zhuǎn)化為線性電氣信號(hào)，進(jìn)行位移測(cè)量。上述扭矩傳感器全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生較大的扭矩，傳感器測(cè)試應(yīng)能夠準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩信號(hào)，本文設(shè)計(jì)選用北京三晶創(chuàng)業(yè)科技集團(tuán)有限公司的JN338A型旋轉(zhuǎn)式傳感器。其測(cè)試原理為扭矩傳感器的測(cè)量采用應(yīng)變電測(cè)原理，當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生相應(yīng)變化，將具有相同應(yīng)變特性的應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量電橋，應(yīng)變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的變化進(jìn)行測(cè)量， 電源經(jīng)過(guò)處理后送入輸入能源耦合器，經(jīng)耦合將能源送到應(yīng)變軸上，由穩(wěn)壓電路變成穩(wěn)定電壓供給應(yīng)變軸上各電子器件，應(yīng)變橋?qū)?yīng)變軸的微小變形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大送到V/F變換器，經(jīng)輸出信號(hào)耦合器輸出，通過(guò)信號(hào)輸出電路整形后輸出調(diào)頻方波信號(hào)。鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器選用上海儀表集團(tuán)公司SZMB-4型磁電轉(zhuǎn)速傳感器，其測(cè)試原理為將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，供計(jì)數(shù)器使用。傳感器由感應(yīng)齒輪，感應(yīng)齒座，感應(yīng)線圈，磁鋼等組成，當(dāng)感應(yīng)齒輪與感應(yīng)齒座有相對(duì)角位移時(shí)，由于磁路中的磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)放大整形，輸出電脈沖方波信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的裝置，其中包括多路開關(guān)、采樣保持器、A/D卡等，這幾部分都處在PC機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要部分；其他相關(guān)電路，如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線接口電路等也集成在一塊電路板上，完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量鉆壓、鉆進(jìn)位移和矩3個(gè)模擬量信號(hào)以及鉆頭和牙輪的平均轉(zhuǎn)速4個(gè)沖量信號(hào)。本次設(shè)計(jì)選用研華公司的PCI-1710多功能數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集試驗(yàn)過(guò)程中的模擬量和數(shù)字量號(hào)。全鉆頭試驗(yàn)電氣控制實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)控制及測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等硬件的控制。全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)電磁閥控制液壓泵的啟停、可控硅的啟停和鉆頭鉆進(jìn)破碎巖石的過(guò)程，傳感器測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的鉆壓、扭矩、鉆進(jìn)深度及鉆頭和各牙輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)，采集卡采集信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換板及繼電器將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)電信號(hào)。本發(fā)明使得整個(gè)全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程的控制和測(cè)試可以由一個(gè)人操作計(jì)算機(jī)完成，取代了原來(lái)由人工配合操作試驗(yàn)控制臺(tái)按鈕和計(jì)算機(jī)來(lái)完成試驗(yàn)及數(shù)據(jù)的采，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)的操作過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)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(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)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.全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，主要由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成，所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均分別獨(dú)立連接有放大器，所有放大器均與同一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器為拉壓力傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳感器為線性位移傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速傳感器為磁電轉(zhuǎn)速傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集卡為 PCI數(shù)據(jù)采集卡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)的配置為1. 6G處理器、512M內(nèi)存，Windows XP操作系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)。該全鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)主要由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成，所述壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、以及3個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均分別獨(dú)立連接有放大器，所有放大器均與同一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。本發(fā)明使得整個(gè)全鉆頭試驗(yàn)過(guò)程的控制和測(cè)試可以由一個(gè)人操作計(jì)算機(jī)完成，取代了原來(lái)由人工配合操作試驗(yàn)控制臺(tái)按鈕和計(jì)算機(jī)來(lái)完成試驗(yàn)及數(shù)據(jù)的采，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)的操作過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度。
文檔編號(hào)G01D21/02GK102466498SQ201010560169
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請(qǐng)人:常萍