CN101424182A - 旋转模拟底部钻柱的动态力多参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转模拟钻柱动态力多参数测量系统，属于钻柱动力学检测技术领域，该系统包括驱动装置、近钻头动态力测量装置、转角测量装置、侧向力测量装置、远端主控装置、模拟底部钻柱和传输电缆；近钻头动态力测量装置由近钻头测力传感器、单片机采集终端、供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组成；转角测量装置由连接轴、夹具、直齿齿轮码盘、两个霍尔效应齿轮传感器和驱动电路组成；侧向力测量装置由两个侧向力传感器A、B及其前置处理电路A、B组成；远端主控装置由工控机、数据采集卡和无线模块B组成。本发明可实验测量在旋转时近钻头处多种向力参数、多参数的动态变化状态，以及对动态力参数的动态监测。

Description

旋转模拟底部钻柱的动态力多参数测量系统

技术领域

本发明属于钻柱动力学检测技术领域，特别涉及到虚拟仪器多线程信号检测方法和动态力多参数测量的系统设计，用于模拟底部钻柱旋转过程中近钻头处轴向力、侧向力、扭矩和距钻头不同高度处底部钻柱的侧向力，以及转速的多参数测量。

背景技术

钻柱力学特性研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分。在随钻测井过程中，底部钻具在充满钻井液的狭长井眼里工作，存在纵向振动、横向振动、扭转振动，以及各种振动耦合，其运动状态和动力学特性反映了井眼轨迹与钻柱疲劳失效规律，因此获取底部钻具近钻头处的动态力参数有助于系统建立底部钻具组合(Bottom-Hole Assembly，简称BHA)的动力学模型、掌握BHA的防斜打直机理。

目前一些机构主要研制井下测试短节(也称工具短节)，通过现场测试直接获取井下底部钻具受力和振动特性的相关数据。由于侧向力对于了解地层特性及预测定向钻井的井眼轨迹是非常重要的，专利US4324297和US4445578分别设计了测量弯矩、剪切力的测试短节结构，由检测的测量数据推导侧向力；专利US4811597设计了测量轴向力和扭矩的测试短节结构，以补偿温度梯度和测试短节内孔与环孔之间差压的影响，但这些有限参数不能充分反映底部钻具的运动特性。专利US4662458和US4958517提出在测试短节上布置应变片以实现底部钻具的轴向力、扭矩、剪切力及弯矩等参数的测量，且专利US4662458在此基础上提出利用传输电缆或泥浆脉冲等方式将原始数据由井下测试器上传至地面处理器，以进行后续处理和模型计算。但传输电缆长时间工作在井下腐蚀性液体内易受侵蚀，且在随钻过程中存在磨损的风险，而目前可商用的泥浆脉冲传输速率很低，一般仅为10bit/s，其信噪比更受钻井液和现场噪声的严重影响。为提高井下参数的传输速率，专利US2006290528提出一种通过在每节钻杆内穿入电缆和在管接头处进行线圈耦合的高速钻杆遥测方式以实现高速传输，但这种方式需要改变现有钻杆结构，且某节钻杆连接部分出现的意外问题会影响整个信道的可靠传输。

这样，由地面测量分析底部钻具的井下动力学特性的研究逐渐成为研究热点之一。1996年Mabile等人通过安装在轮盘上部的测试短节在地面对旋转钻柱顶端承受的扭矩及转速进行测量，并结合建立的钻柱动态模型估算钻转速以分析井钻柱的异常振动特性(参见：Mabile，C.，Desplans，J P，Pavone D.New way of using surface measurements to detectdown hole vibrationsp[C]//Proceedings of the European Petroleum Conference.1996，2：97-104.)。2001年Macpherson等人分别在钻头上部和轮盘上部的测试短节内安装传感器进行钻压、扭矩、弯矩及振动加速度等参数的井下与地面测量，结合建立的钻柱动态模型由地面测量结果估算底部钻具动态特性，并与井下测量方法进行比较分析(参见：Macpherson J D，Jogi P N，Kingman J E E.Application and analysis of simultaneous near bitand surface dynamic measurements[J].SPE Drilling and Completion，2001，16(4)：230-238.)。井下参数的地面测量方法无需考虑井下测试短节的现场各种复杂条件，结构设计相对简单、现场安装方便，但该方法需要对现场测试的边界条件建立准确合适的钻柱动态模型，但现场测试要求模型简单有效，避免复杂运算影响钻柱动态特性的实时评估，这也是当前正在研究解决的重点与难点。

总之，井下实测与地面测量方法均能够得到直接的底部钻具近钻头处动态力学特性数据及准确反映井下钻柱的真实运动状态，但也面临实现难度大、测试费用高、设备维护成本昂贵，以及需要大量辅助设备、复杂工艺和操作人员的问题，同时实测结果尚不能全面反映底部钻具组合的动力学特性，而且受上述因素影响，现场测试的次数、场地和时间是有限制的。因此，为深入研究底部钻具动力学特性，有必要进一步开展底部钻具动力学特性的实验室模拟实验研究，从而可进一步改进底部钻具的机械结构设计与控制策略。

近年一些机构偏重于底部钻具动力学特性的理论研究，对动力学特性的实验和现场实测研究很少。2004年中国石油大学(东营)管志川等人根据相似理论，建立了几何尺寸为1：10的底部钻具室内模拟实验装置(参见：管志川，王以法，靳彦欣.直井中底部钻具运动状态的实验研究[J].石油学报，2003，24(5)：102-106.)。该装置选用有机玻璃管作为模拟井筒，利用中空的工程塑料棒作为模拟底部钻柱，为测量底部钻柱在不同钻压、转速条件下的运动状态，在该模拟装置上分别装有钻压和转速传感器，实时测量模拟底部钻柱的转速和钻压。在距井底的3个不同高度处(0.5m，4m，7m)各安装一组位移传感器，每组由3个位移传感器组成，分别测量旋转钻柱在不同时刻的纵向位移量和横向截面内距相互垂直的两个探头的横向位移量，可模拟测量井底钻压、钻压波动值、偏心位移及转速等参数，用于实验研究不同钻进状态时底部钻具的动力学特性、涡动机理及涡动规律等。但该实验装置的模拟底部钻柱与实际钢制钻具存在差别，且尚未开展旋转模拟底部钻柱近钻头处侧向力和扭矩与距钻头不同高度处侧向力的多参数测量，不能较全面地反映底部钻具侧向力及不同钻压、井斜角条件下动态力之间的变化关系。由于不涉及旋转测量近钻头处的轴向力、侧向力和扭矩等参数，该装置测量方法的选择相对方便，可采用电缆传输的方式，无需进行无线传输及采集终端的低功耗设计。

发明内容

本发明的目的是为克服现阶段上述已有技术存在的问题，提出了一种旋转模拟底部钻柱的动态力多参数测量系统。该系统可实验测量不同钻压、井斜角条件下底部钻具组合在旋转时近钻头处轴向力、侧向力、扭矩与距钻头不同高度处侧向力，以及转速等多参数的动态变化状态，且能实现旋转过程中近钻头处动态力参数的动态监测，系统设计简化。有助于改进底部钻具的机械结构设计和提高井眼轨迹的控制技术。

本发明提出的旋转模拟钻柱动态力多参数测量系统，其特征在于，该系统包括驱动装置、近钻头动态力测量装置、转角测量装置、侧向力测量装置、远端主控装置、模拟底部钻柱和传输电缆；所述的近钻头动态力测量装置由近钻头测力传感器、单片机采集终端、供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组成；所述的转角测量装置由连接轴、夹具、直齿齿轮码盘、霍尔效应齿轮传感器A、霍尔效应齿轮传感器B和驱动电路组成；所述的侧向力测量装置由侧向力传感器A、侧向力传感器B、前置处理电路A和前置处理电路B组成；所述的远端主控装置由工控机、数据采集卡和无线模块B组成。

各组成部件的连接关系为：模拟底部钻柱的一端与驱动装置相连，模拟底部钻柱的另一端与近钻头测力传感器的一端相连，测力传感器的另一端被夹具锁紧，测的信号输出端与单片机采集终端的信号输入端相连，单片机采集终端的信号输出端分别与无线模块A和报警单元相连，供电模块的电源输出线分别与近钻头测力传感器、单片机采集终端和无线模块A的电源端相连，电源管理模块的电压监视端与供电模块的电压输出端相连，并且单片机采集终端与供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组合在一起固定在测力传感器的外壳上；所述的直齿齿轮码盘固定在连接轴上，连接轴与夹具相连，两个霍尔效应齿轮传感器A、B分别设置在直齿齿轮码盘两侧，两个霍尔效应齿轮传感器A、B的信号输出端与驱动电路的信号输入端相连，驱动电路的信号输出端通过传输电缆与远端主控装置中的数据采集卡相连；侧向力传感器A、B分别设置在距模拟底部钻头的不同高度处，所述的模拟底部钻柱穿过侧向力传感器A、B的中心孔，侧向力传感器A、B的信号输出端分别与前置处理电路A、B的信号输入端相连，前置处理电路A、B的信号输出端通过传输电缆与远端主控装置中的数据采集卡相连；数据采集卡与工控机的其中一个USB接口相连，无线模块B的信号端与工控机的串口相连，同时工控机通过另一个USB接口与无线模块B的供电端相连。

本发明的特点及效果：

本发明由模拟底部钻柱、现场测量装置和远端主控装置组成，可监测旋转模拟钻柱近钻头处和距钻头不同高度处底部钻柱承受的动态力变化状态。

本发明采用了无线数据传输方式，可对旋转模拟钻柱近钻头处承受的轴向力、侧向力和扭矩等参数进行动态无线监测。

本发明采用了MSComm控件的虚拟仪器串口无线通讯方法，克服了以往LabVIEW应用VISA模块必须查询串行端口而降低效率的问题，防止了缓冲区数据堵塞线程，从而减小了模拟钻柱近钻头处侧向力的计算误差。

本发明采用了多参数检测方法，针对近钻头处侧向力无法直接测得的情况，通过同步读取径向力和转角，并建立计算模型对侧向力求解，所得结果与采集的其它相应动态力参数组合进行显示与存储。

本发明为延长系统的工作时间，选用可充电型电池供电方式，并通过优化电路硬件和间歇式工作模式以降低单片机采集终端的功耗。

本发明的系统可用于改进底部钻具的机械结构设计和提高井眼轨迹的控制，从而减少下钻次数、缩短钻井周期，节约钻井成本。

附图说明

图1为本发明的旋转模拟底部钻柱动态力测量系统的总体结构框图。

图2为本发明的近钻头处测力传感器的装配结构示意图；其中

(a)为测力传感器的装配结构示意图，(b)为(a)图的A-A向剖面图。

图3为本发明的近钻头处测力传感器的受力分布示意图；其中

(a)为测力传感器的重力分布，(b)为截面内测力传感器的受力分布。

图4为本发明的单片机程序流程图。

图5为本发明的侧向力传感器外形结构示意图；其中

(a)为侧向力传感器的主视图，(b)为(a)图的A-A向剖面图。

图6为本发明工控机的仪器监测的主程序流程图。

图7为本发明工控机的转角脉冲测量子程序流程图。

图8为本发明工控机的近钻头处动态力测量子程序流程图。

图9为本发明工控机的距钻头不同高度处侧向力测量子程序流程图。

具体实施方式

本发明设计了一种旋转模拟底部钻柱动态力测量系统，结合各附图及实施例的详细说明如下：

本发明的旋转模拟钻柱动态力多参数测量系统的组成结构如图1所示，包括驱动装置、近钻头动态力测量装置1、转角测量装置2、侧向力测量装置3、远端主控装置4、模拟底部钻柱5和传输电缆。所述的近钻头动态力测量装置1由近钻头测力传感器、单片机采集终端、供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组成；所述的转角测量装置2由连接轴、夹具、直齿齿轮码盘、霍尔效应齿轮传感器A、霍尔效应齿轮传感器B和驱动电路组成；所述的侧向力测量装置3由侧向力传感器A、侧向力传感器B、前置处理电路A和前置处理电路B组成；所述的远端主控装置4由工控机、数据采集卡和无线模块B组成。

各组成部件的连接关系为：模拟底部钻柱的一端与驱动装置相连，模拟底部钻柱的另一端与近钻头测力传感器的一端相连，测力传感器的另一端被夹具锁紧，测力传感器的信号输出端与单片机采集终端的信号输入端相连，单片机采集终端的信号输出端分别与无线模块A和报警单元相连，供电模块的电源输出线分别与近钻头测力传感器、单片机采集终端和无线模块A的电源端相连，电源管理模块的电压监视端与供电模块的电压输出端相连，并且单片机采集终端与供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组合在一起固定在测力传感器的外壳上，可与测力传感器同步旋转；所述的直齿齿轮码盘固定在连接轴上，连接轴与夹具相连，两个霍尔效应齿轮传感器A、B分别设置在直齿齿轮码盘两侧，两个霍尔效应齿轮传感器A、B的信号输出端与驱动电路的信号输入端相连，驱动电路的信号输出端通过传输电缆与远端主控装置中的数据采集卡相连；侧向力传感器A、B分别设置在距模拟底部钻头的不同高度处，所述的模拟底部钻柱穿过侧向力传感器A、B的中心孔，侧向力传感器A、B的信号输出端分别与前置处理电路A、B的信号输入端相连，前置处理电路A、B的信号输出端通过传输电缆与远端主控装置中的数据采集卡相连；数据采集卡与工控机的其中一个USB接口相连，无线模块B的信号端与工控机的串口相连，同时工控机通过另一个USB接口与无线模块B的供电端相连。

本发明系统的工作过程为：近钻头测力传感器与模拟底部钻柱锁紧，保证与模拟底部钻柱同步旋转。所述的测力传感器直接测量模拟底部钻柱旋转过程中近钻头处所承受的轴向力、径向力和扭矩等参数，单片机定时采集，经编码和调制后无线发送至远端工控机。直齿齿轮码盘与分别置于直齿齿轮码盘两侧的两个霍尔效应齿轮传感器组合检测模拟底部钻柱的转角变化，并将转角变化的信息通过驱动电路由传输电缆传输给数据采集卡。在距钻头不同高度处安装的侧向力传感器A、B，模拟底部钻柱从侧向力传感器的中心孔穿过，该侧向力传感器A、B动态检测模拟底部钻柱在旋转过程中所承受的侧向力参数，并经前置处理电路的信号调理后，通过传输电缆传输给数据采集卡。工控机调用串口MSComm事件驱动模式，由无线模块读取近钻头处轴向力、径向力和扭矩参量，并通过数据采集卡读取模拟底部钻柱转角及距钻头不同高度处侧向力参量，根据建立的近钻头测力传感器的受力模型求解近钻头处侧向力，结合虚拟仪器多线程检测方法，实现动态力多参数的处理、显示与存储。

本发明的单片机采集终端工作在间歇式低功耗模式，用于实现近钻头处动态力的定时数据采集、A/D转换和串口无线传输功能。

上述各部分的具体实施例的组成及功能详细说明如下：

1.驱动装置

本实施例的驱动装置主要由KHCS-0100A测控仪、常规的液压马达和减速传动机构组成，用于对模拟底部钻柱5实施作用力以提升和旋转模拟钻柱，从而模拟钻井时不同的井斜角和钻速。

2.模拟底部钻柱

本实施例的模拟底部钻柱由可具有不同长度和横截面积的钢制圆管和钢制管箍组成，用于模拟不同的底部钻具组合。模拟底部钻柱外罩有由有机玻璃管制成的模拟井筒，便于直接观察模拟底部钻柱的运动状态。

3.近钻头动态力测量装置

本实施例的近钻头动态力测量装置1的主要模块分别如下所述：

3.1 近钻头测力传感器

本实施例采用直梁应变式测力传感器，该测力传感器的装配结构如图2所示。由依次连接成一整体的传感器卡盘6、连接法兰7、传感器部件8和传感器卡柄9构成，如图2(a)所示。图2(b)为图2(a)中A-A剖面图，传感器部件8由四个直应变梁10构成，应变梁10的材料为高强度合金钢，作为敏感单元的高精度金属应变片(R₁、R₂、R₃、R₄)11贴附在应变梁10上，整个测力传感器由金属外壳12密封。

测力传感器一端的传感器卡盘6夹紧模拟底部钻柱5的一端，测力传感器另一端的传感器卡柄9被夹具(图中未示出)锁紧，这样在驱动装置作用下可实现测力传感器与模拟底部钻柱5的同步旋转，并根据应变片11的形变，动态监测出相应的轴向力F_z、转矩M、钻柱截面内x方向径向力分量F_rx和y方向径向力分量F_ry，进而求解出截面内的侧向力F_c。

本发明的轴向力测量原理等效于柱式传感器。为保证应变片良好粘贴，应变梁截面形状为方形。粘贴在柱外表面的4个应变片组成应变电桥，其中应变片R₁、R₃平行于轴向力F_z的作用方向，R₂、R₄垂直于作用方向。在轴向力F_z作用下，R₁、R₃承受轴向主应力，感受的应变ε₁、ε₃为

${\mathrm{\ϵ}}_1={\mathrm{\ϵ}}_3={\mathrm{\ϵ}}_l=\frac{F_z}{\mathrm{EA}}.---\left(1\right)$

R₂、R₄受泊松效应影响，感受的应变ε₂、ε₄为

ε₂＝ε₄＝-με₁，          (2)

式中，A为应变梁的横截面积，μ为材料的泊松比，E为材料的弹性模量。

同理，本发明的径向力F_ri(i＝x，y)测量原理等效为复合梁式的弹性体。而本发明的扭矩测量原理可沿钻柱轴向±45°分别粘贴4个应变片组成全桥电路，各应变片感受的应变为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1={\mathrm{\ϵ}}_4=\frac{1+\mathrm{\μ}}{{\mathrm{EW}}_n}M\\ {\mathrm{\ϵ}}_2={\mathrm{\ϵ}}_3=-\frac{1+\mathrm{\μ}}{{\mathrm{EW}}_n}M\end{array}\right.,---\left(3\right)$

式中，W_n为抗扭截面模量。

图3示出了近钻头测力传感器截面内的受力分布。由于受传感器自重G及模拟底部钻柱轴线与重力方向之间夹角的影响，截面内侧向力F_c为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_c^2=G_x^2+F_r^2-2G_x{F}_r\cos \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}=\arctan \frac{F_{\mathrm{ry}}}{F_{\mathrm{rx}}}-\mathrm{\θ}\end{array}\right.,---\left(4\right)$

式中，F_r为径向力合力，可由F_rx和F_ry确定；θ为模拟底部钻柱的转角，可由霍尔效应齿轮传感器测得；G_x为传感器自重G在x轴方向上的分量，且

G_x＝G_ssin β.                 (5)

式中，β为模拟底部钻柱轴线与重力方向之间的井斜角。

本实施例的测力传感器的电压输出范围为0～5V，其中，2.5V为轴向力和径向力的零点。即，当输出大于2.5V时，表示轴向力和径向力为受压；反之，则表示为受拉。

3.2 单片机采集终端：单片机采集终端可与模拟底部钻柱同步旋转，并将采集得到的数据通过无线传输方式发送至远端主控装置

本实施例的单片机采集终端由单片机和滤波调理模块组成。所述的滤波调理电路的信号输出端与单片机的信号输入端相连。

(1)滤波调理电路

滤波调理电路由RC滤波电路和与其相连的电平转换电路组成。为提高动态力参数测量精度和稳定性，消除工频信号对模拟电路的干扰，本实施例的滤波调理电路采用常规的RC滤波方式对测力传感器输入的模拟信号进行截止频率小于50Hz的低通滤波处理。由于单片机A/D参考电压2.5V与测力传感器的输出范围0～5V不一致，本实施例的电平转换电路采用常规的运算放大器分压电路实现电平转换与阻抗匹配。

(2)单片机

本实施例采用MSP430系列低功耗单片机MSP430F1232，实现定时数据采集、A/D转换及串口数据发送，其程序流程如图4所示。首先，对单片机工作的晶振频率、A/D寄存器和串口通讯进行初始化设置；本实施例的晶振频率为32kHz。然后，单片机与无线模块采用TTL连接方式以实现USART通信，并通过另外I/O管脚与无线模块的休眠端口相连以控制无线模块工作状态。当不发数据时，控制信号为高电平以使无线模块进入休眠状态，单片机进入低功耗LPM3模式；反之，控制信号输出为低电平以使无线模块进入工作状态。由于模拟钻柱的转速低于180r/min，单片机定时对测力传感器的F_z、F_rx、F_ry和M进行数据采集(采样频率为60Hz)、A/D转换、数据打包，以及累加和校验，并通过串口将数据包传送至无线传输模块，由无线传输模块将数据发送至远端主控装置。待数据发送完毕后，单片机控制无线传输模块进入休眠状态，并再次进入低功耗LPM3模式，等待下次唤醒。

单片机功耗的降低与工作频率、工作状态有关。为延长供电模块的电池使用寿命，本实施例通过上述优化电路硬件和软件程序设计以降低功耗，且单片机采集终端工作在间歇式模式。

3.3 无线模块A：该模块A布置在近钻头动态力测量装置1内，与单片机采集终端内单片机的串口相连，用于动态力参数的无线发射。

本实施例的无线模块A选用北京智维兴达科技有限公司的ZT-TR43C无线收发模块。该模块工作在无需申请频点的ISM频段，采用FSK调制方式和高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰能力。发射模块的载波频率为433MHz，波特率为9600bit/s，最大传输距离为300m，发射功率低于200mW，接收灵敏度为-105dBm，误码率可达到10^-6。

3.4 供电模块

本实施例的供电模块由电池、稳压芯片和限流电阻组成。电池的正极与稳压芯片的电源输入管脚相连，电池的负极与限流电阻的一端相串联，限流电阻的另一端作为供电模块的电源地。所述的电池选用3.6V& 500mAh锂电池。所述的稳压芯片采用MAXIM公司的线性稳压器MAX1792 EUA33(3.3V)，用于调整电池电压达到稳定的3.3V，并为单片机及外围电路提供工作电压。所述的限流电阻阻值为2Ω，最大功率为10W。当后续电路出现一个以上短路事故时，电池电压3.6V完全降到限流电阻上，使流经限流电阻的功率为6.48W，确保供电模块工作在可靠范围内。

3.5 电源管理模块

本实施例的电源管理模块由MAX6705芯片完成。利用该模块可实现单片机采集终端的手动复位、电池输出电压的低电压监测(典型的门限阈值为0.62V，该阈值可通过管脚PFI设置)及硬件看门狗。当电池电压低于0.62V时，电源管理模块MAX6705的管脚PFO变低以触发单片机中断，提示电池电量不足。当MAX6705的供电电压掉电失效(即，低于预设门限值)、手动复位或触发硬件开门狗时，MAX6705的管脚RESET变低可使单片机复位。

3.6 报警单元

本实施例的报警单元由常规的发光二极管构成，用于指示电池电压的正常或低压状态。当电池电压正常时，发光二极管显示绿色；当电池电压偏低时，发光二极管显示红色，直至变暗，提示需对电池进行充电操作。

4.转角测量装置

本实施例的转角测量装置2由依次相连的夹具、连接轴、直齿齿轮码盘、霍尔效应齿轮传感器A、B和驱动电路组成。直齿齿轮码盘采用45^#钢加工制作而成，通过连接轴和与模拟底部钻柱配合的夹具实现与模拟底部钻柱的同步转动。本实施例的直齿齿轮码盘细分为60个齿，每个齿对应的夹角为6°。两个霍尔效应齿轮传感器A、B均为美国霍尼韦尔公司生产的型号为1GT101DC的齿轮传感器，其响应速度可达100kHz，用于分别位于直齿齿轮码盘的两侧，用于将转角信号转变为脉冲信号，实现模拟底部钻柱转角的脉冲计数和清零，且通过增大齿间距和齿高可提高检测的灵敏度。本实施例的直齿齿轮码盘的齿高、齿宽、齿间距和齿厚分别为10mm、3.6mm、11mm和10mm。

本实施例的驱动电路由脉冲整形电路(采用MAX921和CD40106芯片)和与其输出端相连的TTL驱动接口电路(采用74LS244芯片)组成。霍尔效应齿轮传感器A、B的输出信号经MAX921和CD40106进行施密特脉冲整形，整形后的输出信号经74LS244驱动后沿传输电缆长线传输至与工控机相连的数据采集卡。

为保证脉冲信号的可靠传输，抑制电磁干扰的影响，传输电缆选用常规的屏蔽电缆，其电缆传输距离为15m。

本实施例的夹具、连接轴根据实现的功能要求采用常规技术制成。

5.侧向力测量装置

本实施例的侧向力测量装置3由侧向力传感器A、侧向力传感器B、前置处理电路A和前置处理电路B组成。侧向力传感器A、B的信号输出端分别与前置处理电路A、B相连，且侧向力传感器A同于侧向力传感器B，前置处理电路A同于前置处理电路B。本实施例的侧向力传感器A、B的材料相同，均为高强度合金钢，其外形结构相同，均如图5所示，其中，图5(a)为正视图，图5(b)为图5(a)中A-A的剖面图。侧向力传感器A、B的四周布置有4个传感器部件13、14、15和16，其中，对称布置的传感器部件13、14为一组，传感器部件15、16为另一组，作为敏感单元的高精度金属应变片(图中未显示)贴附在各传感器部件13、14、15和16上，这两组传感器部件相互垂直，分别测量侧向力在相互垂直方向上的两个分量；侧向力传感器A、B的中心部分有中心孔18，用于使模拟底部钻柱从中间穿过；侧向力传感器A、B的底座17用于传感器的固定安装；整个测力传感器可采用金属外壳(未显示)密封。这样旋转的模拟底部钻柱因偏心影响将与侧向力传感器相接触而产生作用力，从而实现距钻头不同高度处模拟底部钻柱侧向力的动态监测。

本实施例的前置处理电路由供电电路、放大电路、滤波电路和驱动电路组成。放大电路、滤波电路和驱动电路之间依次相串联，其中，放大电路的信号输入端与侧向力传感器的信号输出端相连，驱动电路的信号输出端与传输电缆相连，且供电电路的输出供电电压正极、负极和地分别与放大电路、滤波电路和驱动电路的正电源端、负电源端和电源地相连接，为电路的各个部件提供工作电压。所述的供电电路为外部电源供电方式，选用了LM7812和LM7912稳压模块，位于工控机一侧的远端电源沿传输电缆经稳压模块电压调整后，为侧向力传感器A、B和前置处理电路A、B提供±12V供电电压；放大电路选用精密仪用放大器INA114对侧向力传感器的输出信号进行差动放大，抑制共模干扰；滤波电路选用集成运算放大器LF355构建有源二阶低通滤波器，增益为1，模拟信号的截止频率小于5Hz；驱动电路由运算放大器LF355构成跟随器以提高带负载能力，输出信号经驱动后沿传输电缆长线传输至与工控机相连的数据采集卡。

6.远端主控装置

本实施例的远端主控装置4的主要模块分别如下所述：

6.1 数据采集卡

本实施例选用了研华公司的USB-4716多功能采集卡。该采集卡提供了16路单端/8路差分模拟量输入通道、2个模拟量输出通道、16位A/D转换精度与200kS/s采样速率、8路隔离数字量输入与8路隔离数字量输出通道、一个16位可编程计数器/定时器，以及用于模拟量输入的板载1KB FIFO缓冲区，支持USB2.0，适用于单极、双极输入和脉冲输入/输出。USB-4716采用了研华自动化独特设计的可锁紧式USB接口，保证了USB采集装置与工控机的通讯，同时防止被意外移动。而且，USB-4716的插入式螺丝端子方便直接与现场信号相连，节省了线缆和配线板等额外配件的成本。选用的数据采集卡用于模拟底部钻柱转角脉冲计数和侧向力传感器的数据采集。

6.2 无线模块B

本实施例的无线模块布置在远端主控装置4内B与近钻头动态力测量装置中与单片机采集终端相连的无线模块A型号相同，该模块通过RS232接口与工控机的串口相连，用于实时接收单片机采集终端无线发送的轴向力、径向力和扭矩等数据。

6.3 工控机

本实施例的工控机为采用研华公司生产的ACP-4001工控机。因其具有稳定、可靠的工作特性，故选用工控机作为监测平台，通过在串口与无线模块B相连，用于无线接收来自于单片机采集终端的近钻头动态力数据。该工控机带有两个前置USB接口，其中的一个USB接口与选用的研华公司的型号为USB-4716的数据采集卡相连，另一个USB接口与无线模块B的供电端相连。工控机通过数据采集卡获取模拟底部钻柱的转角，以及距钻头不同高度处模拟底部钻柱的侧向力等信息。

所述工控机内安装有仪器监测的主程序及近钻头动态力测量子程序、转角脉冲测量子程序和距钻头不同高度处侧向力测量子程序，该主程序循环调用所述各子程序，读取保存在数据存储寄存器中的近钻头处轴向力、侧向力、扭矩和距钻头不同高度处侧向力及转速等信息，并将动态力参数显示和存储。

该主程序流程如图6所示。包括以下步骤：首先，进行初始化操作，对程序中用到的所有中间寄存器、数据存储寄存器进行初始设置；其次，进行串口初始化设置，如，波特率、串口号、位数、有无校验位等；之后，进行数据采集卡初始化设置，如，采集卡的端口号、采样频率、采集通道、输入电压范围、外部脉冲中断配置等；然后，进行数据存储文件的初始化设置，如，文件存储的缺省路径、缺省的存储文件名、文件类型等；随后，对系统所用的模拟底部钻柱类型进行选择，每种模拟底部钻柱类型对应着由具有不同长度和截面积的圆管和管箍组成的底部钻具组合，由此可反映不同测试条件下底部钻具组合动态力学特性。接下来，基于上述的初始化设置，主程序判断是否退出当前运行的程序，若“退出”按钮被点击，则程序退出；反之，主程序循环调用近钻头动态力测量子程序、转角脉冲测量子程序和距钻头不同高度处侧向力测量子程序，读取保存在数据存储寄存器中的近钻头处轴向力、侧向力、扭矩和距钻头不同高度处侧向力及转速等信息，并将动态力参数显示在监视视窗内，结果保存在数据文件中，循环时间可由参数t4确定。

在所述的转角脉冲测量子程序中，首先，判断来自转角测量装置2的外部转角脉冲是否触发硬件中断。若未触发，则退出子程序，反之，则进入中断处理程序，清除相应的中断标志位，转角脉冲计数值加1；接下来，判断累计的脉冲计数是否大于或等于60。若大于或等于60，则转数加1，相应的脉冲数减60，反之，则保持当前的脉冲计数值和转数值；之后，将当前的转角和转数数据保存在数据寄存器内，并退出中断，等待主程序再次循环调用子程序，循环的时间可由参数t1确定。

在所述的近钻头处动态力参数测量子程序中，首先，检查串口接收缓冲区是否为空。若为空，则接收缓冲区内无数据，表示未接收到近钻头动态力测量装置1无线发送的数据，直接退出子程序。若不为空，则接收缓冲区内有数据，表示当前接收到近钻头动态力测量装置1无线传输的数据；接下来，从串口接收缓冲区内读取数据，并进行数据校验。若不成功，则直接退出子程序。若校验成功，将根据传输协议从这些数据中提取相应的近钻头轴向力、径向力和扭矩数据，并存入数据存储寄存器内；随后，读取当前转角信息以计算近钻头处侧向力，将求解得到的近钻头处侧向力存储在数据寄存器内；之后，根据当前的转数和转角，计算当前的转速；最后，退出子程序，再次循环调用子程序，循环的时间可由参数t2确定。

在所述的距钻头不同高度处侧向力测量子程序中，首先，以初始化设定的采样频率、采样通道调用数据采集卡检测侧向力传感器A的输出信号；接下来，切换数据采集通道，调用数据采集卡检测侧向力传感器B的输出信号；随后，根据侧向力传感器的输入/输出关系计算模拟底部钻柱的侧向力，并将结果存入数据存储寄存器内；最后，退出子程序，再次循环调用子程序，循环的时间可由参数t3确定。

本实施例的循环时间参数t1、t2、t3和t4可根据实际情况和实时性要求由实验确定。

本实施例的仪器监测的主程序和子程序采用了NI公司的LabVIEW软件编制，将上述的转角脉冲测量子程序、近钻头处动态力参数测量子程序和距钻头不同高度处侧向力测量子程序分别建立为子VI(Virtual Instrument)构成虚拟仪器检测平台，可解决LabVIEW开辟内存时出现的非法操作，获得更高的运行效率，从而实现旋转模拟底部钻柱的多参数测量。

本实施例的主要技术特点：

1.近钻头测力传感器采用直梁应变式测力传感器，通过销钉(未显示)与模拟底部钻柱锁紧，实现与模拟底部钻柱的同步旋转；

2.侧向力传感器设置在距钻头的不同高度处，模拟底部钻柱穿过侧向力传感器的中心孔，实现距钻头不同高度处旋转模拟底部钻柱的侧向力的动态监测；

3.单片机采集终端与工控机采用无线射频方式通信，载波频率为433MHz，最大传输距离为300m，发射功率低于100mW；

4.设计了齿数为60的直齿齿轮码盘，利用两个霍尔效应齿轮传感器检测齿牙凹凸产生的磁通变化，可消除脉冲计数的累计误差，用于模拟底部钻柱的转角测量和转速计算；

5.建立了旋转近钻头测力传感器截面内的受力分布模型，由直接检测到的径向力和转角参数实现模拟钻柱近钻头处侧向力的求解；

6.应用ActiveX控件MSComm的虚拟仪器中断串口通讯，设计了虚拟仪器多参数检测方法，实现了转角脉冲计数、近钻头动态力无线数据接收与侧向力求解、距钻头不同高度处侧向力传感器的数据采集，以及多参数的显示与存储；

7.系统具有结构简单、操作方便，能实时在线动态监测模拟底部钻柱的动态力学特性，有助于改进底部钻具的机械结构设计和提高井眼轨迹的控制，从而减少下钻次数、缩短钻井周期，节约钻井成本。

Claims (5)

1、一种旋转模拟钻柱动态力多参数测量系统，其特征在于，该系统包括驱动装置、近钻头动态力测量装置、转角测量装置、侧向力测量装置、远端主控装置、模拟底部钻柱和传输电缆；所述的近钻头动态力测量装置由近钻头测力传感器、单片机采集终端、供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组成；所述的转角测量装置由连接轴、夹具、直齿齿轮码盘、霍尔效应齿轮传感器A、霍尔效应齿轮传感器B和驱动电路组成；所述的侧向力测量装置由侧向力传感器A、侧向力传感器B、前置处理电路A和前置处理电路B组成；所述的远端主控装置由工控机、数据采集卡和无线模块B组成。

各组成部件的连接关系为：模拟底部钻柱的一端与驱动装置相连，模拟底部钻柱的另一端与近钻头测力传感器的一端相连，测力传感器的另一端被夹具锁紧，测的信号输出端与单片机采集终端的信号输入端相连，单片机采集终端的信号输出端分别与无线模块A和报警单元相连，供电模块的电源输出线分别与近钻头测力传感器、单片机采集终端和无线模块A的电源端相连，电源管理模块的电压监视端与供电模块的电压输出端相连，并且单片机采集终端与供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组合在一起固定在测力传感器的外壳上；所述的直齿齿轮码盘固定在连接轴上，连接轴与夹具相连，两个霍尔效应齿轮传感器A、B分别设置在直齿齿轮码盘两侧，两个霍尔效应齿轮传感器A、B的信号输出端与驱动电路的信号输入端相连，驱动电路的信号输出端通过传输电缆与远端主控装置中的数据采集卡相连；侧向力传感器A、B分别设置在距模拟底部钻头的不同高度处，所述的模拟底部钻柱穿过侧向力传感器A、B的中心孔，侧向力传感器A、B的信号输出端分别与前置处理电路A、B的信号输入端相连，前置处理电路A、B的信号输出端通过传输电缆与远端主控装置中的数据采集卡相连；数据采集卡与工控机的其中一个USB接口相连，无线模块B的信号端与工控机的串口相连，同时工控机通过另一个USB接口与无线模块B的供电端相连。

2、如权利要求1所述系统，其特征在于，所述模拟底部钻柱由具有不同长度和横截面积的钢制圆管和钢制管箍组成，模拟底部钻柱外罩有由有机玻璃管制成的模拟井筒。

3、如权利要求1所述系统，其特征在于，所述测力传感器由外壳及密封安装在该外壳内依次连接成一整体的传感器卡盘、连接法兰、传感器部件和传感器卡柄构成，该传感器部件由四个直应变梁构成，每个外侧贴附有的金属应变片作为敏感单元。

4、如权利要求1所述系统，其特征在于，所述的近钻头动态力测量装置中的单片机采集终端与供电模块、电源管理模块、无线模块A和报警单元组合在一起固定在测力传感器的外壳上，可与测力传感器同步旋转。

5、如权利要求1所述系统，其特征在于，在所述工控机内安装有仪器监测的主程序及近钻头动态力测量子程序、转角脉冲测量子程序和距钻头不同高度处侧向力测量子程序，该主程序循环调用所述各子程序，读取保存在数据存储寄存器中的近钻头处轴向力、侧向力、扭矩和距钻头不同高度处侧向力及转速等信息，并将动态力参数显示和存储。

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