CN108593202A - 一种用于扭矩测量的标定方法系统 - Google Patents

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CN108593202A CN201810397369.9A CN201810397369A CN108593202A CN 108593202 A CN108593202 A CN 108593202A CN 201810397369 A CN201810397369 A CN 201810397369A CN 108593202 A CN108593202 A CN 108593202A
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    • G01L25/00Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G01L25/003Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency for measuring torque

Abstract

本发明涉及一种标定方法系统,属于钻探技术领域,尤其是涉及一种用于扭矩测量的标定方法系统。该方法及系统使用大型扭矩标定装置产生不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上,利用测量到的电信号和对应的压力进行标定,并且,标定时考虑温度影响,提高了测量精度。

Description

一种用于扭矩测量的标定方法系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种标定方法系统,属于钻探技术领域,尤其是涉及一种用于扭矩测 量的标定方法系统。
背景技术
[0002] 随钻测量MffD (Measurement While Drilling)是指钻机在钻进的同时连续不断地 检测有关钻孔或钻头的信息。
[0003] 钻井过程中,近钻头处的钻压、扭矩等钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效 钻井是十分重要的。随着钻井深度的增加,特别是各种分支井、水平井的开发,各种卡钻、掉 牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生,给钻井生产的安全与效率带来很大影响,实时测量近 钻头处的钻压扭矩等钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生,为安全、高效 钻井提供技术支持。
[0004] 公知的钻井监控技术大多采用地面扭矩仪和指重表来测量扭矩和钻压,由于钻井 过程中钻柱与井壁的相互作用过程复杂,由地面测量数据推算得到近钻头处工程参数的准 确度较差。并且钻铤在钻井液中受到浮力与摩擦力、钻铤下放的冲击力和弹性力、不规则井 眼的井壁对钻铤的摩擦力、钻铤螺旋弯曲旋转的离心力、以及钻铤在井下的纵振、横振等因 素都不易精确计算,即便推算模型考虑因素再多,推算结果的准确度与可信度也很低。
[0005] 因此,如何实时准确的测量钻具所承受的扭矩力是现有技术所面临的一个重要难 题。
发明内容
[0006] 本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题,提供了一种用于扭矩测量 的标定方法系统。该方法及系统使用大型扭矩标定装置产生不同的扭矩力加载到随钻井下 扭矩测量装置的钻铤本体上,利用测量到的电信号和对应的压力进行标定,并且,标定时考 虑温度影响,提高了测量精度。
[0007] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0008] —种用于扭矩测量的标定方法,包括:
[0009] 标定测量步骤,将不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上;
[0010] 线性拟合步骤,将不同扭矩力值及其对应的电压值带入下式并利用最小二乘拟合 方法计算多项式系数aTl:
[0011]
Figure CN108593202AD00051
[0012] 式中,X是随钻井下扭矩测量装置的输出电压值,y是所加载的扭矩力的真实值;N 为标定次数;
[0013] 实际测量步骤,利用求解得到的多项式系数aTl将实际测量得到的随钻井下扭矩测 量装置的输出电压值转换为对应的扭矩力。
[0014] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定方法,还包括:
[0015] 温度系统拟合步骤,改变钻铤本体所处环境温度,并求取对应的多项式系数;根据 求解的多项式系数,基于以下公式拟合温度系数bTlJ:
[0016]
Figure CN108593202AD00061
[0017] 式中,M为温度标定次数。
[0018] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定方法,所述实际测量步骤中,基于下式获 取扭矩力yT:
[0019]
Figure CN108593202AD00062
[0020] 式中,t为温度,bTlj为aTl拟合多项式的温度标定系数。
[0021] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定方法,所述实际测量步骤中,基于下式获 取扭矩力yT:
[0022] yT=T*BT*X
[0023] 式中,
[0024] T=(l,t,..........tM)
Figure CN108593202AD00063
[0026] t为温度,bTlj为aTl拟合多项式的温度标定系数。
[0027] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定方法,所述实际测量步骤具体包括:
[0028] 步骤1,随钻井下扭矩测量装置通过温度传感器先测量出钻铤本体的温度值t,然 后将该温度值带入下式获取多项式系数aTl:
[0029]
Figure CN108593202AD00064
[0030] 式中,bTlj为标定完成后所得到的温度标定系数;
[0031] 步骤2,随钻井下扭矩测量装置将从扭矩测量圆环测量到的电压值X和上面公式所 产生的系数aTl,带入到下式求得扭矩力yT
[0032]
Figure CN108593202AD00065
[0033] —种用于扭矩测量的标定系统,包括:
[0034] 标定测量模块,将不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上;
[0035] 线性拟合模块,将不同扭矩力值及其对应的电压值带入下式并利用最小二乘拟合 方法计算多项式系数aTl:
[0036]
Figure CN108593202AD00071
[0037] 式中,X是随钻井下扭矩测量装置的输出电压值,y是所加载的扭矩力的真实值;N 为标定次数;
[0038] 实际测量模块,利用求解得到的多项式系数an将实际测量得到的随钻井下扭矩测 量装置的输出电压值转换为对应的扭矩力。
[0039] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定系统,还包括:
[0040] 温度系统拟合模块,改变钻铤本体所处环境温度,并求取对应的多项式系数;根据 求解的多项式系数,基于以下公式拟合温度系数bTlJ:
[0041]
Figure CN108593202AD00072
[0042] 式中,M为温度标定次数。
[0043] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定系统,所述实际测量模块中,基于下式获 取扭矩力yT:
[0044]
Figure CN108593202AD00073
[0045] 式中,t为温度,bTij为aTi拟合多项式的温度标定系数。
[0046] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定系统,所述实际测量模块中,基于下式获 取扭矩力yT:
[0047] yT=T*BT*X
[0048] 式中,
[0049] T=(l,t,..........tM)
[0050]
Figure CN108593202AD00074
[0051] t为温度,bTlj为aTl拟合多项式的温度标定系数。
[0052] 优化的,上述的一种用于扭矩测量的标定系统,所述实际测量模块具体包括:
[0053] 步骤1,随钻井下扭矩测量装置通过温度传感器先测量出钻铤本体的温度值t,然 后将该温度值带入下式获取多项式系数aTl:
[0054]
Figure CN108593202AD00075
[0055] 式中,bTlj为标定完成后所得到的温度标定系数;
[0056] 步骤2,随钻井下扭矩测量装置将从扭矩测量圆环测量到的电压值X和上面公式所 产生的系数aTl,带入到下式求得扭矩力yT
[0057]
Figure CN108593202AD00081
[0058] 因此,本发明具有如下优点:1.采用随钻测量方式,能够实时获取钻具所受扭矩, 从而为快速调整钻具参数提供支持;2.采用多个扭矩测量传感器圆环结构上的测量体来监 测扭矩变化,提高了测量精度。
附图说明
[0059] 附图1-1是本发明的随钻井下扭矩测量装置示意图;
[0060] 附图1-2是扭矩测量钻铤本体沿着扭矩传感器安装凹槽的剖面视图;
[0061] 附图2-1是扭矩应变测量体的原理图;
[0062] 附图2-2是扭矩应变测量体安装结构示意图;
[0063] 附图2-3是扭矩应变测量体实物示意图;
[0064] 附图3是测量电桥结构示意图;
[0065] 附图4是扭矩测量圆环的受力分析示意图;
[0066] 附图5是随钻井下扭矩测量装置的电路系统示意图;
[0067] 附图6是交流信号激励与扭矩测量信号调理采集电路框图。
[0068] 图中,!?1-45、1?2-45、1?3-45、1?4-45、1?5-45、1?6-45是45度方向扭矩测量体的等效电 阻;
[0069] 1?1-135、1?2-135、1?3-135、1?4-135、1?5-135、1?6-135是135度方向扭矩测量体的等效 电阻;
[0070] 1?1-225、1?2-225、1?3-225、1?4-225、1?5-225、1?6-225是225度方向扭矩测量体的等效 电阻;
[0071] 1?1-315、1?2-315、1?3-315、1?4-315、1?5-315、1?6-315是315度方向扭矩测量体的等效 电阻;
[0072] MffD接口协议电路舱体I,扭矩应变测量电路舱体2,测量钻铤本体3,扭矩应变测量 体安装舱体4,电池舱体5,水眼泥浆通道6,通孔(T1-T6)7,P型半导体8,导电沟道9,N型半导 体 10,定位槽 11,Τ0Β-45 12,T0B-135 13,T0B-225 14,T0B-315 15,扭矩应变测量体 16,防 止扭矩应变测量体的扭矩传感器圆环17。
具体实施方式
[0073] 下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0074] 实施例:
[0075] 1、钻铤装置结构
[0076] 请参阅图1-1,本发明实施提供的随钻井下扭矩测量装置包括:能够承压石油钻井 压力的井下扭矩测量测量钻铤安装本体、安装扭矩测量传感器阵列圆孔、电池舱体、压力测 量电路舱体,MffD接口协议电路舱体。
[0077] 扭矩测量传感器按照钻铤本体轴向方向等距离圆周阵列方式设置,其由嵌入粘贴 有扭矩应变测量体的扭矩测量圆环构成,该圆环阵列能够测量出连续管钻井过程中动态参 数测量短接上的扭矩力,并将测量到的扭矩力信号送入测量信号调理电路进行相应信号处 理,并通过AD采样换成数字量扭矩值,再将该扭矩值通过MffD接口协议电路传送到井下MWD 仪器,通过井下MWD仪器的泥浆通道,将测量到的扭矩力数据的上传地面。同时测量到的扭 矩力数据在井下也被保存到大容量存储器中,以便起钻后的数据回放。
[0078] 扭矩测量装置的扭矩应变测量体阵列、测量信号调理电路、电池供电电路和MffD接 口协议电路安装在钻铤的侧壁上面,电池供电单元连接线、MffD接口协议电路连接线安装在 钻铤的水眼内部,钻铤本体也采用水眼偏心结构设计,使得泥浆液能够通畅流过钻铤本体 的泥浆通道。在泥浆通道内部机械结构设计是为了将供电电池单元连接线、MffD接口协议电 路连接线从钻铤的侧壁短路舱体中引出到与其他的井下仪器(如井下MffD仪器)的滑环接头 上,保证与其他井下仪器通讯。机械结构的两端各安装有两道0型密封圈结构,可靠的保证 泥浆通道内的泥浆液不会进入到电池供电单路、MffD协议接口电路、扭矩测量传感器阵列和 扭矩测量信号调理电路的舱体中去。
[0079] 如图1-1所示,井下扭矩测量装置的钻铤上加工出了六个凹槽和四个安装舱体,用 于安装扭矩传感器圆环凹槽为圆柱形。四个安装舱其中一个放置扭矩测量信号调理采集电 路板、一个放置MWD接口协议电路、另外两个放置电池供电电路,并且在六个圆柱体凹槽之 间加工出通孔进行连接。
[0080] 在图1-1钻铤本体的侧视图中,扭矩测量钻铤本体上,加工出圆柱形凹槽均与扭矩 测量信号调理采集电路板舱体相连接。用于扭矩传感器圆环上,扭矩应变测量体的信号输 出线和信号输入线的安放。
[0081] 图1-2是扭矩测量钻铤本体沿着扭矩传感器安装凹槽的剖面视图。在沿着钻铤本 体圆周方向上,顺时针加工出6个扭矩传感器安装凹槽,每个扭矩传感器圆柱形安装凹槽间 隔的角度为60度。6个光滑扭矩传感器圆柱形圆柱凹槽为Pl到P6,这些光滑扭矩传感器圆柱 形凹槽用于安装扭矩传感器圆环。
[0082] 在截面图中扭矩传感器圆柱形凹槽Pl到P6之间使用屏蔽导线,通过通孔Tl到T6进 行相互连接,这些屏蔽导线将6个凹槽中的扭矩传感器圆环上的扭矩应变测量体连接起来, 使之构成测量钻铤本体所受扭矩力的传感器阵列。
[0083] 在每条屏蔽导线上都需要加装保护屏蔽导线用的热缩管,防止导线被钻铤本体加 工后的金属毛刺划伤。此外,在Pl到P6每个扭矩传感器圆柱形凹槽上都加工了螺扣,可以安 装配密封圈的金属螺栓盖板,对扭矩传感器圆柱形凹槽和凹槽里放置扭矩传感器圆环、扭 矩应变测量体的形成机械保护结构,防止在井下随钻测量时,环境中高压泥浆液的侵入,以 及钻井过程中强振动所引起的破碎岩肩的渗入,使得扭矩测量体、电池供电电路、MWD接口 协议电路和扭矩测量电路正常工作。
[0084] 2、扭矩应变测量体
[0085] 扭矩应变测量体主要由掺杂硅晶体薄带形成,对氧化硅薄带的两端进行掺杂改变 其导电性能,在外界电路电压的作用下可以在硅晶体薄带内部形成一条导电通道,当扭矩 力施加到掺杂硅晶体薄带上时,会使其产生相应的应变,应变导致该导电通道的形状发生 变化,从而导致流过导电通道的电流大小发生变化,整个掺杂硅晶体薄带对外表现为电阻 的变化。而扭矩应变测量体组成的相应电桥阵列时,由于扭矩应变引起的扭矩应变测量体 的电阻变化,造成电桥桥臂的分压不同,从而电桥对外输出与扭矩应变相对应电压值。扭矩 应变测量体主要结构如图2-1中所示。其是具有四个端点的器件,由图可以看出在硅晶体薄 膜的两端使用离子注入工艺掺入三价元素硼形成P型半导体使其产生空穴,在硅晶体薄膜 中间使用离子注入工艺掺入价元素磷形成N型半导体使其产生电子。硅晶体薄膜中间部分 是由金属\绝缘体\半导体结构形成寄生电容。
[0086] 绝缘层上的金属板称为栅电极G,在栅极上施加栅极电压,可以通过寄生电容改变 绝缘层中的电场强度,控制掺杂的N型硅晶体表面电场。从而改变掺杂的N型硅晶体表面沟 道的宽窄,从而改变沟道的导电能力。
[0087] 硅晶体两侧的电极分别是由掺杂的P型半导体形成的源极和漏极,在导电沟道开 启的状态下,电子将从P型半导体源极流入导电沟道,从P型半导体漏极流出。
[0088] 硅晶体是掺杂的N型半导体电极。由于N型半导体和P型半导体之间界面的渗透作 用形成电子耗尽层。因此在G极N型半导体与S级P型半导体之间存在阈值电压VTTP。
[0089] 当漏极D与源极S之间加Vtcs负电压时,随着栅极G的负栅压的增大,N型半导体表面 电子耗尽层逐渐变为空穴积累。当栅极电压VTCS〈VTTP时,硅晶体表面将出现P型导电沟道。该 导电沟道在源漏极电压Vtds作用下,有电流Itds经过P型沟道从源极S流向漏极D。
[0090] Vtgs>Vttp时,随着负电压Vtgs的增大,石圭晶体表面的空穴积累®渐消失从而逐渐形 成耗尽层。耗尽层等效电阻非常大,因此能穿过漏源极的电流很小,即PN结之间反向渗透电 流,所以等效为Itds = 0。
[0091] 当外界电路加载到概极源极和漏极的电压满足Vtgs〈 = Vttp和Vtgs~Vttp〈Vtds条件时, 掺杂后的N型半导体硅晶体薄膜表面将形成强导电沟道。这时漏源极DS之间的负偏压Vtds将 迫使空穴通过P型导电沟道从源极S向漏极D运动,从而形成电流ITDS,此电流可由以下公式 表不。
[0092]
Figure CN108593202AD00101
[0093] 式中ITDS—漏电流
[0094] Kt7 器件的跨导系数,Κτ/= μτρ X Ctqx,μτρ为空穴迁移率,Orox为概电容
[0095] Wt—沟道宽度
[0096] Lt 一沟道长度
[0097] Vtgs一概电压
[0098] Vtds—源漏电压
[0099] Vttp一开启电压
[0100] 在掺杂的硅晶体薄膜表面形成的P沟道的等效电阻Rt为
[0101]
Figure CN108593202AD00102
[0102] 由此式子可以看出扭矩应变测量体的等效电阻Rt与硅晶体表面形成的沟道宽Wt和 沟道长度Lt之间的关系。当外界扭力使得扭矩应变测量体拉长时,沟道宽Wt受到应力变小, 沟道长度Lt受到应力变大,因此扭矩应变测量体表现出等效电阻Rt变大。当外界扭力使得扭 矩应变测量体压缩时,沟道宽Wt受到应力变大,沟道长度Lt受到应力变小,因此扭矩应变测 量体表现出等效电阻Rt变小。因此由扭矩应变测量体构成的应变桥,在桥电压稳定的条件 下,电桥输出的电压值与扭矩应变测量体承受的扭矩值有相互对应的关系。
[0103] 3、测量体电桥连接结构
[0104] 放置在圆柱体凹槽Pl到P6内的六个扭矩传感器圆环为相同的结构和材料,材料选 用了弹性较好的铍铜。每个扭矩传感器圆环的表面壁粘贴了掺杂硅晶体扭矩应变测量体, 如图2-2所示。每个扭矩传感器圆环上安装有4个这样测量体。扭矩应变测量体沿着与钻铤 轴线方向顺时针安装,每个扭矩传感器圆环安装4个扭矩应变测量体,这四个测量体分别位 于相对于钻铤轴〇度方向,相差45度、135度、225度和315度的位置上,他们形成的电桥结构 用来检测加载到钻铤本体上的扭矩力,所引起的扭矩传感器圆环变形。在圆柱体凹槽Pl到 P6内的扭矩传感器圆环的0度方向均与钻铤轴线方向平行,并且在每个圆柱体凹槽中加工 了通孔Tl到T6。
[0105] 在圆柱体凹槽内的扭矩测量圆环上的测量体的之间使用导线进行连接,并组成测 量电桥结构。导线通过每个圆柱体凹槽内的通孔Tl到T6连接到相应的测量体上,连接方式 如图3所示。
[0106] 将6个凹槽内的扭矩测量圆环上的相同角度的扭矩应变测量体连接在一个电桥桥 臂上,以P1圆柱体凹槽内的扭矩测量圆环为例,如图3中所示,将圆环上的T0B_45扭矩应变 测量体与?2、?3、?4、?5和?6槽内的1'(»_45扭矩应变测量体构成一组扭矩测量桥臂。
[0107] 按照此设计,电桥四个方向上的扭矩应变测量体可构建四组扭矩测量桥臂,并且 将相距90度的两个扭矩应变测量桥臂连接在一起。可以将T0B_45扭矩应变测量桥臂和Τ0Β_ 135扭矩应变测量桥臂之间的连线引出,作为扭矩测量输出导线的一端子UOUTl,将T0B_225 扭矩应变测量桥臂和T0B_315扭矩应变测量桥臂之间的连线引出作为扭矩测量导线的另外 一端子 U0UT2。
[0108] 在UOUT1和U0UT2之间输出电压的电压差可以反映出钻铤本体承受扭矩的变化量。 T0B_45扭矩应变测量桥臂和T0B_315扭矩应变测量桥臂之间的连线引出作为扭矩测量电桥 信号输入的一个端子UINl JOBJSS扭矩应变测量桥臂和T0B_225扭矩应变测量桥臂之间的 连线引出作为扭矩测量电桥信号输入的另外一个端子UI^13UINl和UIN2之间可以加入恒定 电压信号或者固定频率正弦波信号作为电桥的激励输入信号源。
[0109] 扭矩测量圆环的受力分析如图4所示。当钻铤本体收到扭矩力的作用时在钻铤上 加工的6个圆柱体凹槽会在扭矩的作用下产生形变。此时T0B_135扭矩应变测量桥臂和Τ0Β_ 315扭矩应变测量桥臂里面的测量体,受到张力发生了伸长形变,T0B_45扭矩应变测量桥臂 和T0B_225扭矩应变测量桥臂里面的测量体,受到挤压力发生了收缩形变。因此,由于电桥 电路中的四个桥臂的分压作用,形成的电平衡被打破,在UOUTl和U0UT2之间会产生一个与 扭矩应变相关的电压信号,该电压信号经过信号调理、采集并通过标定将反映出钻铤本体 收到扭矩力的变化量。
[0110] 4、信号处理
[0111] 随钻井下扭矩测量装置的电路系统主要由信号调理电路和信号采集存储电路组 成,如图5所示当钻铤收到扭力影响时,安装在钻铤的圆柱体凹槽内的扭矩传感器电桥阵列 也收到扭力影响,产生相应的电压输出。该电压输出信号进过放大滤波处理后,传递给AD采 样电路进行模数转换和相应的数字信号处理,最终转换成为扭矩值储存到井下存储器,并 通过MffD接口协议电路发送到MffD仪器,通过MffD仪器和泥浆通道传输到地面接收设备。
[0112] 信号调理电路将扭矩测量圆环输出的信号进行放大和滤波处理。如图3中所示在 扭矩测量电桥信号输入端UINl和UIN2之间可以加入直流电压信号或者交流信号,输入信号 类型的选择可以通过信号选择电路来切换。信号能够切换的设计是由于当钻铤承受的扭力 较大时,这时扭矩测量圆环输出端UOUT1和U0UT2之间的电压信号较大,因此其由较高的信 噪比,能保证直接测量信号放大倍数可以设置的较低,信号通过简单处理标定就可以反映 出钻铤承受的扭力。但当钻铤承受的扭力较小时,这时扭矩测量圆环输出端UOUTl和U0UT2 之间的电压信号非常微弱、信噪比差,这时如果通过单一的提高放大倍数很难准确的测量 出反应扭矩的有效信号。这时如果采用交流信号输入到UINl和UIN2之间,由于交流信号具 有已知的频率特性,因此可以通过带通滤波器和锁相放大器等处理滤掉频带以外的噪声信 号,从而将微弱的能反应扭矩变化的信号提取出来。交流信号激励与扭矩测量信号调理采 集电路框图如图6所示。
[0113] 其采用了单片机dspic33f j256mc710A控制DDS芯片AD5932来实现。DDS芯片提供了 一种产生频率可调的模拟波形型号的方案。通常是通过数字形式的时间转换成数字信号, 再通过DAC执行数模转换产生需要频率的正弦波电压信号。因为DDS设备上运行是基于数字 运算的,所以能够输出信号频率可以精细调节,信号输出频率调节范围大。由于DDS设备可 通过SPI接口编程控制而且功耗低因此可以选择其作为扭矩测量电桥的交流频率信号源。 AD5932的DDS是可编程的通过高速串口外围接口(SPI),只需要单片机通过SPI接口对其进 行编程。AD5932就能够在基于25MHz的时钟下产生低于400KHz的正弦波波形。该信号通过交 流激励放大电路可以产生激励电流较强的正弦波交流激励信号加入到UINl和UIN2之间,来 提供电桥的交流激励源。
[0114] 由于扭矩测量圆环上的测量体电桥桥路的输出信号(S卩UOUTl与U0UT2之间的电压 信号)十分微弱,易被外界噪声所干扰,所以应首先接入前级放大电路。前级放大器的放大 增益和噪声系数在很大程度上决定了系统总的噪声水平。所以是减小第一级放大器的噪声 系数是降低整个信号调理电路总噪声系数的关键。此处选用亚德诺半导体公司的增益可 变、高性能仪表放大器AD620构成前级放大电路。AD620对于带宽内的频率信号的共模抑制 比高,可以抑制宽带内的噪声干扰和信号线路产生的谐波,因此在AD620组成的前级放大电 路中能够很好的抑制共模噪声信号,有效的放大差模扭矩电压信号,使得扭矩电压信号测 量具有高增益精度、低失调漂移和高共模抑制比等特点。
[0115] 扭矩测量圆环上的测量体桥路的输出信号经仪表放大器AD620放大后,通过RC带 通选频网络后输入到锁相放大器AD630,如图6中所示。锁相放大器是以相关运算为基础一 种选频放大器,它可以从噪声信号中通过相关处理,分离出微弱具有特定频率的扭矩电压 信号。
[0116] 其选频的工作原理为:叠加了噪声干扰成分且包含固定频率的扭矩电压信号,输 入到锁相放大器AD630,该放大器将另一个电压幅值稳定且频率与扭矩电压信号完全相同 的正弦电压信号作为参考输入信号,通过芯片内部硬件结构进行互相关处理。
[0117] 扭矩电压信号中的噪声干扰部分与参考电压信号不具有频域上的互相关性。而在 互相关处理环节中受到很强的抑制,因而通过锁相放大AD630可以衰减与扭矩电压信号频 率不同的信号。从而提高扭矩电压信号信噪比,为实现了扭矩电压信号精确测量提供了前 提。本电路中采用亚德诺半导体公司的锁相放大器AD630构成选频电路。DDS芯片AD5932所 产生400HZ正弦波信号经过AD630的SELB引脚输入到芯片,与AD620放大后的扭矩测量圆环 上的测量体桥路的输出的经过AD620放大的扭矩电压信号在芯片内部进行互相关运算。其 运算后的扭矩电压信号通过VOUT引脚进行输出。在通过图6中20HZ截止频率低通滤波电路 和整流桥电路变换成直流电压信号,该信号的大小变化将反映出扭矩测量圆环上所承载扭 力变化。
[0118] 由AD630互相关处理并低通滤波整流过的扭矩电压信号经过输出到单片机电路 板,由单片机的模数转换通道对该信号进行采集,利用外部测温芯片测量井下温度,并将采 集到的扭矩信号连同温度保存到外部存储芯片上,通过通讯电路对主MWD发送的命令进行 相应的处理。
[0119] 5、信号标定
[0120] 由于随钻井下扭矩测量装置工作在井下高温环境中,因此不同的环境温度对扭矩 测量圆环上的测量体会产生影响,因此需要对该装置进行标定。使用大型扭矩标定装置产 生不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上。这样随钻井下扭矩测量装置 会根据不同的扭矩力值测量到相应的电压值。将扭矩力值和相应的电压值带入多项式公式
[0121]
Figure CN108593202AD00131
[0122] 这里X是随钻井下扭矩测量装置的输出电压值,y是扭矩标定装置所加载的扭矩力 的真实值。实际上,只要传感器的响应可以表示为单调连续函数,就可以利用多项式函数来 逼近到任意精度,因此,一般情况下上面的式子是可以成立的。an可以根据实验数据利用最 小二乘拟合(LMS)的方法计算出来,唯一需要注意的是对于N次多项式,至少需要N+1个数据 点才可以计算出。实际应用中,N的取值不宜过大,一般取为4以下就足够了,而数据点则是 越多越好,这里N=4。然后考虑温度的影响,不同温度下,上面公式中ai的会发生变化。也就 是说aTl是温度t的函数。类似的,也可以用多项式函数来逼近:
[0123]
Figure CN108593202AD00132
[0124] 最终扭矩力yT则可以表示为:
[0125]
Figure CN108593202AD00133
[0126] 只要将这里的bTU确定下来就可以完成在不同温度环境下扭矩测量的标定工作 了,同样,上面的公式也可以表示为矩阵形式。
[0127] T= (l,t,..........tM)
[0128]
Figure CN108593202AD00134
[0129]
Figure CN108593202AD00141
[0130] yT=T*BT*X
[0131] 该标定算法的最终可以得到一组标定系数B。在井下工作时随钻井下扭矩测量装 置,通过温度传感器先测量出钻铤本体的温度值t,然后将该温度值带入到公式:
[0132]
Figure CN108593202AD00142
[0133] 公式中的bTlj就是标定完成后,所得到的标定系数,该系数带入上面公式后将产生 系数ai。此时井下工作时随钻井下扭矩测量装置将从扭矩测量圆环测量到的电压值X和上 面公式所产生的系数aTl,带入到公式:
[0134]
Figure CN108593202AD00143
[0135] 公式通过计算所得出的y就是,此时处于井下工作的随钻井下扭矩测量装置的钻 铤本体所承受的扭矩力。
[0136] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1. 一种用于扭矩测量的标定方法,其特征在于, 标定测量步骤,将不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上; 线性拟合步骤,将不同扭矩力值及其对应的电压值带入下式并利用最小二乘拟合方法 计算多项式系数aTl:
Figure CN108593202AC00021
式中,X是随钻井下扭矩测量装置的输出电压值,y是所加载的扭矩力的真实值;N为标 定次数; 实际测量步骤,利用求解得到的多项式系数aTl将实际测量得到的随钻井下扭矩测量装 置的输出电压值转换为对应的扭矩力。
2. 根据权利要求1所述的一种用于扭矩测量的标定方法,其特征在于,还包括: 温度系统拟合步骤,改变钻铤本体所处环境温度,并求取对应的多项式系数;根据求解 的多项式系数,基于以下公式拟合温度系数bTlJ:
Figure CN108593202AC00022
式中,M为温度标定次数。
3. 根据权利要求1所述的一种用于扭矩测量的标定方法,其特征在于,所述实际测量步 骤中,基于下式获取扭矩力yT:
Figure CN108593202AC00023
式中,t为温度,bTij为an拟合多项式的温度标定系数。
4. 根据权利要求3所述的一种用于扭矩测量的标定方法,其特征在于,所述实际测量步 骤中,基于下式获取扭矩力yT: γτ = Τ*Βτ*Χ 式中, T= (l,t,..........tM)
Figure CN108593202AC00024
t为温度,bTij为an拟合多项式的温度标定系数。
5. 根据权利要求1所述的一种用于扭矩测量的标定方法,其特征在于,所述实际测量步 骤具体包括: 步骤1,随钻井下扭矩测量装置通过温度传感器先测量出钻铤本体的温度值t,然后将 该温度值带入下式获取多项式系数aTl:
Figure CN108593202AC00031
式中,bTlj为标定完成后所得到的温度标定系数; 步骤2,随钻井下扭矩测量装置将从扭矩测量圆环测量到的电压值X和上面公式所产生 的系数aTl,带入到下式求得扭矩力yT
Figure CN108593202AC00032
6. —种用于扭矩测量的标定系统,其特征在于,包括: 标定测量模块,将不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上; 线性拟合模块,将不同扭矩力值及其对应的电压值带入下式并利用最小二乘拟合方法 计算多项式系数aTl:
Figure CN108593202AC00033
式中,X是随钻井下扭矩测量装置的输出电压值,y是所加载的扭矩力的真实值;N为标 定次数; 实际测量模块,利用求解得到的多项式系数an将实际测量得到的随钻井下扭矩测量装 置的输出电压值转换为对应的扭矩力。
7. 根据权利要求6所述的一种用于扭矩测量的标定系统,其特征在于,还包括: 温度系统拟合模块,改变钻铤本体所处环境温度,并求取对应的多项式系数;根据求解 的多项式系数,基于以下公式拟合温度系数bTlJ:
Figure CN108593202AC00034
式中,M为温度标定次数。
8. 根据权利要求6所述的一种用于扭矩测量的标定系统,其特征在于,所述实际测量模 块中,基于下式获取扭矩力yT:
Figure CN108593202AC00035
式中,t为温度,bTij为an拟合多项式的温度标定系数。
9. 根据权利要求6所述的一种用于扭矩测量的标定系统,其特征在于,所述实际测量模 块中,基于下式获取扭矩力yT: γτ = Τ*Βτ*Χ 式中, T= (l,t,..........tM)
Figure CN108593202AC00041
t为温度,bnj为an拟合多项式的温度标定系数。
10.根据权利要求6所述的一种用于扭矩测量的标定系统,其特征在于,所述实际测量 模块具体包括: 步骤1,随钻井下扭矩测量装置通过温度传感器先测量出钻铤本体的温度值t,然后将 该温度值带入下式获取多项式系数aTl:
Figure CN108593202AC00042
式中,bTlj为标定完成后所得到的温度标定系数; 步骤2,随钻井下扭矩测量装置将从扭矩测量圆环测量到的电压值X和上面公式所产生 的系数aTl,带入到下式求得扭矩力yT
Figure CN108593202AC00043
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