CN109632162A - 一种超大口径钻井转盘转矩测试方法 - Google Patents

Abstract

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，通过四个相同的小齿轮同时驱动转盘，传感器可以分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压，实现超大口径转盘转矩测试，该测量方法不需要改变小齿轮的结构，也不需要在整个传动路线上布置特别的结构，测试方法简单，适用现场测量。

Description

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法

技术领域

本发明涉及钻机转盘转矩测试技术领域，特别涉及一种超大口径 钻井转盘转矩测试方法。

背景技术

超大口径钻机转盘是深水、超深水油气开发钻井平台的主要部件。 在起下钻柱或管柱时，它承受全部钻柱或管柱的质量；下放水下BOP 及水下器具时，承受水下BOP及水下器具的质量；处理井下事故时， 可用于钻具的旋转。

转盘转矩是反映钻井过程中钻具工作状态的重要参数，根据转盘 转矩变化情况可以提早判别钻具的工作状态。监测转盘转矩，可以对 井下钻具状态进行实时监测，也可以反映井斜、卡钻等井下工况，还 能反映地层变化，因此，准确测量转盘扭矩，对于安全、高效、快速 地钻井十分重要。

而海洋半潜式钻井平台不同于陆地钻井方式，其转盘传动方式和 陆上钻机转盘不同。尤其是目前正在研制的半潜式钻井平台，其动力 由液压马达通过键传递到小齿轮轴，小齿轮和大齿轮啮合，将转矩直 接传动给转盘，由于液压马达和小齿轮轴、小齿轮和大齿轮间的空间 限制，不能使用常规方法进行转矩的在线监测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超大 口径钻井转盘转矩测试方法，通过四个相同的小齿轮同时驱动转盘， 传感器分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，根据需要， 通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息 综合处理，获得高精度转矩测试结果，实现超大口径转盘转矩测试。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一、根据传动方案，由于动力由四个液压马达输出，四个 液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿 轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩，得到转盘转 矩，然后确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩的关系；

步骤二、在小齿轮和右端轴承间存在距离，用于布置应变片进行 转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸，确 定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位置；

步骤三、结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转 矩的数学模型为：

其中，d为应变片布置位置处轴段直径；ε_x为x处的应变；E为小齿 轮轴的弹性模量；

步骤四、结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个 应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试 电路测量输出电压。

步骤五、结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变， 再通过式(1)，间接测量得到转矩。

所述的步骤一具体为：动力由四个液压马达输出，四个液压马达 的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传 递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T₁，得到转盘转矩T。

二者关系为

其中，T₁为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n₁为小齿 轮转速；η为传动效率。

所述的步骤二根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律， 具体为：小齿轮轴BC段(a≤x≤b)弯矩变化规律为

其中，M为x处的弯矩；T₁为小齿轮上转矩；α是齿轮压力角；D₁为 小齿轮分度圆直径，通过测量小齿轮轴的弯矩，实现转盘转矩的测量。

本发明的优点是可以实现超大口径转盘转矩的测试。该测量方法 不需要改变小齿轮的结构，也不需要在整个传动路线上布置特别的结 构，测试方法简单，适用现场测量。转盘是通过四个相同的小齿轮同 时驱动，传感器可以分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变 化，可以根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小 齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果。

附图说明

图1是本发明的传动原理图。

图2是本发明的小齿轮轴示意图。

图3是本发明的小齿轮的力学模型。

具体实施方式

按照第七代半潜式钻井平台转盘的传动方案，结合附图对本发明 做进一步详细叙述。

步骤一.根据传动方案，确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩 的关系；

附图1所示为其传动方案。动力由四个液压马达输出，四个液压 马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同 时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T₁，可以得到转盘 转矩T。二者关系为

其中，T₁为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n₁为小齿 轮转速；η为传动效率。

步骤二.由于小齿轮轴结构关系，在液压马达和小齿轮间的尺寸 有限，限制了二者间传递转矩的直接测量。在小齿轮和右端轴承间存 在距离，用于布置应变片和配套测量处理应变片信号的外部设备，进 行转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸， 确定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位 置；

(1)参照附图2的小齿轮示意图，所述液压马达的动力通过键 自小齿轮轴的左端输入。小齿轮直接在小齿轮轴上加工而成，小齿轮 是直齿轮。由于结构关系，在液压马达和小齿轮间的尺寸有限，限制 了二者间传递转矩的直接测量。在小齿轮和右端轴承间存在一定的距 离，可以用于布置应变片，因此，选择这部分轴布置应变片和相关的 设备，进行转矩测量。

(3)附图3是小齿轮轴的力学模型。小齿轮轴的左端是液压马 达的输入端，等效为绕x轴的转矩T₁和支座反力R_A，如图3的A点； 右端是轴承，等效为支座反力R_CR，如图3的C点。AB两点的距离是 a，表示小齿轮齿宽；在BC轴段的长度是b，在该轴段上布置应变片。 以小齿轮的左端为坐标原点，沿小齿轮轴线建立坐标轴x轴。则BC 段在x轴上的范围是(a≤x≤b)。该段的弯矩变化规律为

其中，M为x处的弯矩；α是齿轮压力角；D₁为小齿轮分度圆直径。 由式(5)可知，随x值逐渐接近b，弯矩逐渐变小；因应变和弯矩 成正比关系，故应变的变化规律和弯矩的规律相同，所以，应变片应 尽量布置在靠近小齿轮的右端。

步骤三结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转 矩的数学模型为

其中，d为应变片布置位置处轴段直径；ε_x为x处的应变；E为小齿 轮轴的弹性模量。

步骤4.结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个 应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试 电路测量输出电压。

步骤5.结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变， 再通过式(1)，间接测量得到转矩。

Claims (3)

1.一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据传动方案，由于动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，因此通过测量小齿轮轴上的传递转矩，得到转盘转矩，然后确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩的关系；

步骤二、在小齿轮和右端轴承间存在距离，用于布置应变片进行转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位置；

步骤三、结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转矩的数学模型为：

其中，d为应变片布置位置处轴段直径；ε_x为x处的应变；E为小齿轮轴的弹性模量；

步骤四、结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压；

步骤五、结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变，再通过式(1)，间接测量得到转矩。

2.根据权利要求1所述的一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T₁，得到转盘转矩T，二者关系为

其中，T₁为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n₁为小齿轮转速；η为传动效率。

3.一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，其特征在于，

所述的步骤二根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，具体为：小齿轮轴BC段(a≤x≤b)弯矩变化规律为

其中，M为x处的弯矩；T₁为小齿轮上转矩；α是齿轮压力角；D₁为小齿轮分度圆直径，通过测量小齿轮轴的弯矩，实现转盘转矩的测量。