CN100465585C - 一种钻井井架平面摆动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能直观、有效地监测钻井井架平面摆动的新装置，该装置由激光器、平面光电传感器阵列、编码器、计算机接口卡、软件编程组成。将激光器安装在钻井井架顶部，激光器随井架摆动时，激光束垂直向下照射到地面水平安装的光电传感器阵列上，阵列中的光电传感器感应激光，然后输出一定幅度的电压信号，经编码后，通过数据采集卡输入计算机进行处理、显示、存储、超限报警等，对井架的宏观摆动进行直观、有效的记录，为井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生。本装置还能用于桥梁、高层建筑物等在运行过程中和自然风暴作用下的摆动监测，有效地防止建筑事故发生。

Description

一种钻井井架平面摆动测试装置

技术领域

本发明涉及一种能直观、有效地测试钻井井架平面摆动的装置，它能应用在钻井井架上为钻井井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生。

背景技术

钻井井架在钻井过程中负荷大，受到多种振源的激振作用，因而不可避免地会发生各种剧烈的振动。由于井架安装不对称、工作负荷不对称、风力影响(特别是海洋平台钻井井架)等因素，井架会产生平面摆动，一般可达30cm×30cm。钻井井架的这种平面摆动是井架在运行过程中最危险的安全隐患。

目前对井架的摆动测试主要对其结构动力学特性进行分析，并采用有限元法将钻井井架各杆件简化为空间梁单元，对钻井井架三维计算模型进行离散，给出模态分析和稳定性分析结论。这需要需经过力学模型的建立、模拟分析、时间历程响应等过程，模型建立及数学计算都很复杂，但却很难有效地反映井架的整体摆动情况。

发明内容

本发明的目的是：为了对钻井井架的宏观摆动进行直观、有效的检测和记录，为井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生。特提供一种钻井井架平面摆动测试装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：将激光器安装在钻井井架顶部，激光器随井架摆动时，激光束垂直向下照射到地面上水平安装的光电传感器阵列上，阵列中光电传感器感受激光，然后输出一定幅度的电压信号，经编码后，通过数据采集卡输入计算机进行处理、显示、存储、超限报警等。本发明设计的“一种钻井井架平面摆动测试装置”主要由激光器、平面光电传感器阵列、编码器电路、计算机接口卡、软件编程组成，如图1所示。其结构特征是：激光器采用一般的He-Ne激光器，垂直安装在钻井井架顶部，发射632.8nm的可见红光光束，发散角为0.5~3mrad，光束直径为0.5~6mm，发射功率稳定为0.5~50mW，单色性好，体积小，寿命长；光电传感器阵列水平安装在正对激光器的地面上，能接收激光器随井架摆动时垂直向下照射的激光束，光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件，根据井架平面摆动范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量的光电传感器平面点阵，如图2所示为60mm×60mm的平面摆动范围、空间分辨率为10mm的6×6平面光电传感器阵列，接收激光器随井架平面摆动照射的激光；光敏电阻具有光谱特性好、可靠性高、体积小、灵敏度高、反应快速、环氧树脂封装、寿命长等特点；光电信号调理电路供电电源电压为5VDC，光敏电阻在正常光照下，其阻值在3kΩ左右，电路输出电压约为2.5V，视为高电平，当激光照射时，其阻值将发生改变，减小至0.3kΩ左右，输出电压约为0.5V，为低电平，这样光电信号调理电路就能将激光信号转变为电压电平信号，且满足AC6651接口板卡I/O通道电平要求；在光电信号送入计算机接口板卡输入通道之前采用编码技术，将多路光电信号进行编码，计算机采集信号后进行解码，对于6×6＝36的传感器阵列，信号编码采用10线-4线优先编码器74HC147，将光敏电阻的输出电平信号进行编码，其输出的编码信号经过接口卡AC6651输入计算机，74HC147采用4.5V电源供电；计算机接口板卡采用AC6651总线开关量I/O接口板卡，它由32路可编程开关量及3路脉冲计数器构成，采用PCI总线支持即插即用，AC6651接口板卡I/O通道基本参数为：输入高电平大于2.3V小于5V，输入低电平小于0.8V大于0V；软件编程采用Visual Basic程序设计语言编程，根据计算机采集的光电元件信息，显示、记录钻井井架平面摆动的方位和幅度，描绘钻井井架平面摆动的轨迹，以及超限报警。

本发明与现有技术比较具有的有益效果是：(1)能对井架的宏观摆动进行直观、有效的监测，通过计算机进行处理、显示、存储，为井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生；(2)本装置还能用于桥梁、高层建筑物等在运行过程中和自然风暴作用下的摆动监测，有效地防止建筑事故发生。

附图说明

图1为本发明提供的钻井井架平面摆动测试装置结构示意图。图中：1、激光器，2、激光束，3、光电传感器阵列，4、编码器，5、数据采集卡，6、计算机。

图2为本发明的装置中6×6平面光电传感器阵列俯视图，图中：7、光电传感器阵列单元。

图3为6×6平面光电传感器阵列单元结构示意图。图中：8、聚焦凹面镜，9、光电接收元件(光敏电阻)R_G。

图4为光电信号转换电路图。图中：10、分压(限流)电阻R。

图5为钻井井架平面摆动测试系统编码、采样电路图(对6×6平面光电传感器阵列)。图中：11、10线—4线优先编码器74HC147，12、AC6651计算机接口板卡。

具体实施方式

将激光器1安装在钻井井架顶部，激光器1随井架的摇摆而摆动时，激光束2垂直向下照射到地面水平放置的平面光电传感器阵列3上，激光束2经凹面镜8聚焦在光电传感器阵列中的光敏电阻9上。光敏电阻9在正常光照(无激光束照射)时，其电阻值约3kΩ，有激光束照射时，其电阻值约0.3kΩ，经光电信号转换电路(电源电压5V，分压电阻10的电阻值约3kΩ)，正常光照下，输出信号约2.5V，视为高电平，有激光束照射时，输出信号约0.5V，视为低电平，满足数据采集卡的输入电平要求。36路光电传感器阵列经光电信号转换后的输出信号送4片10线—4线编码器11进行编码，编码后，通过数据采集卡12，输入计算机6进行处理、显示、存储、超限报警等，实现对井架的宏观摆动进行直观、有效的记录和安全报警，为井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生。

Claims (5)

1.一种钻井井架平面摆动测试装置，主要由激光器、平面光电传感器阵列、光电信号调理电路、编码器、计算机接口卡和计算机组成，其特征在于：激光器采用He-Ne激光器，安装在钻井井架顶部；平面光电传感器阵列安装在激光器正对的地面上，光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件，根据井架平面摆动范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量光电传感器的平面点阵，接收激光器随井架平面摆动照射的激光；光电信号调理电路将光电传感器阵列中各光电接收元件感受的激光信号转变为电压电平信号；编码器采用10线一4线优先编码器74HC147，对多路光电信号编码后，送入计算机接口卡；计算机接口卡选用AC6651总线开关量I/O接口板卡，具有32路可编程开关量和3路脉冲计数器，采用PCI总线支持即插即用；计算机通过计算机接口卡采集光电接收元件信息，计算机对采集的信息进行处理，显示、记录钻井井架平面摆动的方位和幅度，描绘钻井井架平面摆动的轨迹，以及进行超限报警。

2.根据权利要求1所述的钻井井架平面摆动测试装置，其特征是：对于60mm×60mm的平面摆动范围和10mm的空间分辨率，设计6×6的平面光电传感器阵列，接收激光器随钻井井架平面摆动照射的激光。

3.根据权利要求1所述的钻井井架平面摆动测试装置，其特征是：激光器能发射632.8nm的可见红光光束，发散角为0.5～3mrad，光束直径为0.5～6mm，发射功率稳定为0.5～50mW。

4.根据权利要求1所述的钻井井架平面摆动测试装置，其特征是：光电信号调理电路供电电源电压为5VDC，光敏电阻在正常光照下，其阻值在3kΩ左右，电路输出电压为2.50V左右，视为高电平；当激光照射时，其阻值将发生改变，减小至0.3kΩ左右，输出电压为0.5V左右，视为低电平；这样光电信号调理电路将激光信号转变为电压电平信号，且满足AC6651接口板卡I/O通道电平要求。

5.根据权利要求1所述的钻井井架平面摆动测试装置，其特征是：AC6651接口板卡I/O通道基本参数为：输入高电平大于2.3V、小于5V；输入低电平小于0.8V、大于0V。

Images