CN104265271A - 一种空间摆轴偏心位移的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆轴偏心位移测量方法，采用如下步骤：1)在摆轴上选定测量点M，测量点M与支点N所在截面不重合，在测量点M所在的铅垂面内安装水平位移传感器和竖直位移传感器，使水平位移传感器的探头水平接触摆轴的外圆，使竖直位移传感器的探头铅垂接触摆轴的外圆；2)建立坐标系并确定初始参数；建系：在水平位移传感器和竖直位移传感器所在的铅垂面内，以测量点M初始位置处的摆轴截面圆心为坐标原点O建立一个直角坐标系O-xy，使水平位移传感器位于x轴，竖直位移传感器位于y轴；3)确定摆轴摆动后的参数；4)确定摆轴的摆角。本发明不需要复杂的算法及测量工具，具有计算方法过程简单、运算速度快和测量结果准确等优点。

Description

一种空间摆轴偏心位移的测量方法

技术领域

本发明涉及一种偏心位移测量方法，特别是一种空间摆轴偏心位移的测量方法。

背景技术

目前，石油钻探已经向水平大位移井、三维多目标井以及高难度定向井等特殊工艺井方向发展，这一形势对导向钻井技术的要求越来越高，传统的滑动钻井技术已不能满足当前的钻井需求。为适应油气开发形势的需要，集机械、电子、液压的旋转导向钻井技术应运而生并逐渐得到广泛应用。与传统滑动钻井技术相比，旋转导向技术具有显著的优势，包括：轨迹控制精度和灵活性高，井身质量和井眼净化好，机械钻速高，钻井效率高，井眼光滑等。

旋转导向钻井系统实现旋转导向的核心是井下旋转导向执行机构，它决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力。目前已开发的旋转导向执行机构可分为指向式和推靠式两种，其中指向式旋转导向执行机构通过控制导向芯轴偏置点的偏心位移，使导向芯轴以预定的方向和幅值发生偏置，从而改变钻头的钻进方向，实现导向钻进，由此实现对实钻井眼轨迹的导向控制。因此，研究指向式旋转导向执行机构的性能需要首先进行芯轴偏心位移的测量研究。传统的旋转导向系统芯轴偏心位移测试平台在结构原理方面测试系统复杂，控制方式繁琐；在加工维护方面，零件精度较高，维护费用成本较大；在后期开发方面，测试系统二次开发难度较大，工程应用的扩展能力较差。专利申请号为：201210353358.3的专利申请提出了一种静态指向式旋转导向钻井工具，针对该钻井工具，专利申请号为：201310134388.X的专利申请提出了指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法，但对实际芯轴偏心位移的测量有待于进一步研究。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种操作简单、测量结果准确且便于维护的空间摆轴偏心位移测量方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种空间摆轴偏心位移测量方法，采用以下步骤：

1)选定测量点M

在摆轴上选定测量点M，测量点M与支点N所在截面不重合，在测量点M所在的铅垂面内安装水平位移传感器和竖直位移传感器，使水平位移传感器的探头水平接触摆轴的外圆，使竖直位移传感器的探头铅垂接触摆轴的外圆；

2)建立坐标系并确定初始参数

建立坐标系：

在水平位移传感器和竖直位移传感器所在的铅垂面内，以测量点M初始位置处的摆轴截面圆心为坐标原点O建立一个直角坐标系O-xy，使水平位移传感器位于x轴，竖直位移传感器位于y轴；

确定初始参数：

设摆轴在测量点M处的截面半径为r；设测量点M到支点N的水平距离为a；设摆轴在测量点M处的截面外圆与x轴的交点为A，与y轴的交点为B；设水平位移传感器的初始读数为x₁，竖直位移传感器的初始读数为y₁；

3)确定摆轴摆动后的参数

当摆轴在空间绕其支点N摆动一角度β后，测量点M处的摆轴截面圆心变为O₁(m，n)，摆轴在测量点M处的截面外圆与x轴的交点变为A₁，与y轴交点变为B₁；水平位移传感器的读数为x₂，竖直位移传感器的读数为y₂；测量点M的偏置位移矢量的大小为：

$e=\sqrt{m^2+n^2}$

其中： $n=\frac{r+y_2-y_1\±\sqrt{\frac{4{(r+x_2-x_1)}^2{r}^2}{{(r+x_2-x_1)}^2+{(r+y_2-y_1)}^2}-{(r+x_2-x_1)}^2}}{2};$

$\frac{{(r+x_2-x_1)}^2-{(r+y_2-y_1)}^2+2n(r+y_2-y_1)}{2(r+x_2-x_1)};$

4)确定摆轴的摆角β为：

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{e}{a}\right).$

所述步骤2)，使水平位移传感器位于x轴的正半轴，竖直位移传感器位于y轴的正半轴。

本发明具有的优点和积极效果是：1)采用两个相互正交布置的位移传感器对摆轴的偏心位移进行测量，不需要复杂的算法及测量工具，整个测量过程简易方便；2)该测量方法克服了人工测量的不确定因素，测量结果准确。

附图说明

图1为本发明的计算原理图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明的摆轴偏心位移测量原理图。

图中：1、摆轴；2、支撑件；3、水平位移传感器；4、竖直位移传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，空间摆轴1由支撑件2支撑，空间摆轴1能够绕支点N做空间摆动，摆动角度为[0,90)。

本发明用于上述空间摆轴1偏心位移测量方法，采用以下步骤：

1)选定测量点M

在摆轴1上选定测量点M，测量点M与支点N所在截面不重合，在测量点M所在的铅垂面内安装水平位移传感器3和竖直位移传感器4，使水平位移传感器3的探头水平接触摆轴1的外圆，使竖直位移传感器4的探头铅垂接触摆轴1的外圆；

2)建立坐标系并确定初始参数

建立坐标系：

在水平位移传感器3和竖直位移传感器4所在的铅垂面内，以测量点M初始位置处的摆轴截面圆心为坐标原点O建立一个直角坐标系O-xy，使水平位移传感器3位于x轴，竖直位移传感器4位于y轴；在本实施例中为了计算方便，使水平位移传感器3于x轴的正半轴，竖直位移传感器4于y轴的正半轴；

确定初始参数：

设摆轴1在测量点M处的截面半径为r；设测量点M到支点N的水平距离为a；设摆轴1在测量点M处的截面外圆与x轴的交点为A，与y轴的交点为B；设水平位移传感器3的读数为x₁，竖直位移传感器4的读数为y₁；

3)确定摆轴摆动后的参数

当摆轴1在空间绕其支点N摆动一角度β后，测量点M处的摆轴截面圆心变为O₁(m，n)，摆轴1在测量点M处的截面外圆与x轴的交点变为A₁，与y轴交点变为B₁；水平位移传感器3的读数为x₂，竖直位移传感器4的读数为y₂。

表1 摆轴摆动前后位移传感器测量值

进而可以确定所述摆轴1摆动前后在测量点M处的截面外圆与坐标轴四个交点的坐标如下表所示：

表2 摆轴摆动前后在测量点M处的截面外圆与坐标轴交点坐标

在上述O-xy坐标系下，由于所述摆轴1摆动前后横截面大小不变，空间位置发生变化，即所述摆轴1的截面外圆的圆心改变而半径不变，因此可以得到所述摆轴1在初始位置时以及摆动后在测量点M处的横截面外圆的方程分别为：

x²+y²＝r²

(x-m)²+(y-n)²＝r²

结合所述摆轴1摆动前后测量点M处截面外圆与坐标轴交点坐标，将点A₁和点B₁的坐标带入到上述截面外圆方程中，可以得到摆动后所述摆轴1在测量点M处的截面圆心的横纵坐标之间的数学关系：

$\frac{{(r+x_2-x_1)}^2-{(r+y_2-y_1)}^2+2n(r+y_2-y_1)}{2(r+x_2-x_1)}$

将上式带到摆动后截面的外圆方程中，进一步化简可以得到所述摆轴1在摆动后位于测量点M处的摆轴截面圆心O₁(m，n)的坐标值，即得到所述测量点M的偏心位移矢量的分量：

$m=\frac{r+x_2-x_1\±\frac{r+y_2-y_1}{r+x_2-x_1}\sqrt{\frac{4{(r+x_2-x_1)}^2{r}^2}{{(r+x_2-x_1)}^2+{(r+y_2-y_1)}^2}-{(r+x_2-x_1)}^2}}{2}$

$n=\frac{r+y_2-y_1\±\sqrt{\frac{4{(r+x_2-x_1)}^2{r}^2}{{(r+x_2-x_1)}^2+{(r+y_2-y_1)}^2}-{(r+x_2-x_1)}^2}}{2}$

在所述测量点M的偏心位移矢量分量中，当x₂>x₁时，取“+”；当x₂<x₁时，取“-”。由此可得所述测量点M处的偏置位移矢量的大小和方向分别为：

$e=\sqrt{m^2+n^2}$

4)确定摆轴的摆角β为：

$\mathrm{\&beta;}=\arctan \left(\frac{e}{a}\right)$

上述空间摆轴1偏心位移测量方法可以用于一种静态指向式旋转导向钻井工具中的芯轴偏心位移测量，该静态指向式旋转导向钻井工具公开在申请号为201210353358.3的中国发明专利文献中。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种空间摆轴偏心位移测量方法，其特征在于，采用以下步骤：

1)选定测量点M

在摆轴上选定测量点M，测量点M与支点N所在截面不重合，在测量点M所在的铅垂面内安装水平位移传感器和竖直位移传感器，使水平位移传感器的探头水平接触摆轴的外圆，使竖直位移传感器的探头铅垂接触摆轴的外圆；

2)建立坐标系并确定初始参数

建立坐标系：

在水平位移传感器和竖直位移传感器所在的铅垂面内，以测量点M初始位置处的摆轴截面圆心为坐标原点O建立一个直角坐标系O-xy，使水平位移传感器位于x轴，竖直位移传感器位于y轴；

确定初始参数：

设摆轴在测量点M处的截面半径为r；设测量点M到支点N的水平距离为a；设摆轴在测量点M处的截面外圆与x轴的交点为A，与y轴的交点为B；设水平位移传感器的初始读数为x₁，竖直位移传感器的初始读数为y₁；

3)确定摆轴摆动后的参数

当摆轴在空间绕其支点N摆动一角度β后，测量点M处的摆轴截面圆心变为O₁(m，n)，摆轴在测量点M处的截面外圆与x轴的交点变为A₁，与y轴交点变为B₁；水平位移传感器的读数为x₂，竖直位移传感器的读数为y₂；测量点M的偏置位移矢量的大小为：

$e=\sqrt{m^2+n^2}$

其中： $n=\frac{r+y_2-y_1\&PlusMinus;\sqrt{\frac{4{(r+x_2-x_1)}^2{r}^2}{{(r+x_2-x_1)}^2+{(r+y_2-y_1)}^2}-{(r+x_2-x_1)}^2}}{2};$

$\frac{{(r+x_2-x_1)}^2-{(r+y_2-y_1)}^2+2n(r+y_2-y_1)}{2(r+x_2-x_1)}.$

4)确定摆轴的摆角β为：

$\mathrm{\&beta;}=\arctan \left(\frac{e}{a}\right).$

2.根据权利要求1所述的空间摆轴偏心位移测量方法，其特征在于：所述步骤2)，使水平位移传感器位于x轴的正半轴，竖直位移传感器位于y轴的正半轴。