CN109781340B

CN109781340B - 一种钻压和扭矩标定试验装置及标定方法

Info

Publication number: CN109781340B
Application number: CN201910059540.XA
Authority: CN
Inventors: 马天寿; 唐宜家; 陈平; 付建红; 黄万志; 石晓兵; 张�杰; ***
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: CN109781340A

Abstract

本发明公开了一种钻压和扭矩标定试验装置，它包括底座（1）、长立柱（2）、短立柱（3）、平台（4）、传力柱（5）和横梁（6），所述底座（1）的顶表面上固设有四根长立柱（2），四根长立柱（2）呈矩形阵列分布，四根长立柱（2）之间固设有横梁（6），横梁（6）上开设有通孔，通孔内固设有扶正套（7），扶正套（7）内设置有可扶正套（7）上下滑动的传力柱（5），位于左侧的两根长立柱（2）之间设置有铰链座（8），铰链座（8）上铰接有大转臂（9），底座（1）上且位于传力柱（5）的正下方固设有卡盘（10）；它还公开了标定方法。本发明的有益效果是：提升井下钻压和扭矩的测量精度，具备更高的控制精度和更高的压力测试能力。

Description

一种钻压和扭矩标定试验装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种钻压和扭矩标定试验装置及标定方法。

背景技术

准确获取钻压、扭矩等钻井工程参数对降低钻井风险和事故具有十分重要的意义，这些参数一般可通过综合录井手段获取。通过综合录井获取到的这类参数在深度较浅的直井情况下比较准确，而在深度较深、结构较为复杂的井眼(二维井眼、三维井眼)中的真实性和实用性明显降低，地面综合录井获得的地面钻压、地面扭矩等工程参数不能准确识别井下异常工况(如钻头磨损情况、钻头损坏情况、真实钻压值等)，这是由于钻井过程中钻柱与井壁相互作用过程复杂，现有模型和测量方法无法完全消除这一干扰。因此，在定向井、水平井、大位移井等非直井钻井中，准确获取钻井工程中最常用、最重要的钻井工程参数已迫在眉睫。

随着电子测量技术的发展，使得钻井工程参数的测量由地面测量逐渐地转为井下随钻测量成为可能。井下随钻测量工程参数的方法，主要是采用井下测量短节(又称井下工程参数测量仪)进行随钻测量，一般包括井下传感器、数据采集***、井下存储器、地面数据解释及处理***四部分，通常将井下传感器装在近钻头部位(或直接装在钻头上)测量钻压和扭矩等工程参数。测量短节也可安装在钻柱的不同部位，当安装在上部钻柱时即测量钻柱工作参数，当接在近钻头部位时即测量钻井工程参数，测量短节不会影响钻柱的正常工作，可实时测量钻柱工作状态下的各种工程参数。目前，国内外的大部分井下工程参数测量仪都可实现井下采集、井下存储和随钻传输数据同步执行，钻进过程中将测得的数据存储在井下存贮器中，同时通过MWD将数据实时传输到地面，起钻后进行数据回放与MWD传输的数据进行对比分析，可有效避免数据传输失真带来的问题。目前，国外已有性能良好的井下工程参数测量工具，国内技术不够成熟。国外测量工具可适应环境压力140MPa，环境温度150℃，可测钻压(轴向力)、扭矩、弯矩、转速、三轴加速度、钻柱内外泥浆压力、钻头压降和温度等多种参数，智能化程度高，数据采集和处理量大，测量精度高，实测数据对钻井具有重要的指导意义，但价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、方法简单、提升井下钻压和扭矩的测量精度，具备更高的控制精度和更高的压力测试能力的钻压和扭矩标定试验装置及标定方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种钻压和扭矩标定试验装置，它包括底座、长立柱、短立柱、平台、传力柱和横梁，所述底座的顶表面上固设有四根长立柱，四根长立柱呈矩形阵列分布，四根长立柱之间固设有横梁，横梁上开设有通孔，通孔内固设有扶正套，扶正套内设置有可扶正套上下滑动的传力柱，位于左侧的两根长立柱之间设置有铰链座，铰链座上铰接有大转臂，底座上且位于传力柱的正下方固设有卡盘；所述底座的顶表面上还固设有两根短立柱，短立柱位于长立柱的前侧，两根短立柱之间且位于其顶部固设有平台，平台的顶表面上固设有左夹持器固定铰和右夹持器固定铰。

所述长立柱和短立柱均垂直于底座设置。

所述试验装置标定钻压和扭矩的方法，它包括钻压标定和扭矩标定；

所述钻压标定包括以下步骤：

S1、先将井下工程参数测量仪安装于卡盘和传力柱之间，并将井下工程参数测量仪固定，此时大转臂压在传力柱上，传力传力柱又将力传递到井下工程参数测量仪顶部；

S2、使用数据回放线连接井下工程参数测量仪的数据采集板和数据采集计算机，通过计算机USB接口供电，并且通过串口与计算机建立通信；

S3、使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试钻压输出零点；

S4、在大转臂的右端部悬挂重量为1000kg或2000kg的砝码A，放置2～3h，观察漂移情况，使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试井下工程参数测量仪钻压应变片桥路是否存在漂移，如果无明显漂移则进行正式加卸载标定；

S5、在大转臂的右端由1个、2个、3个逐步悬挂砝码A，直到加够所需的砝码A数量，每次加砝码A均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪的钻压应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S6、逐步去掉大转臂右端的砝码A，直到只剩下1个砝码A，每次去掉砝码A均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪钻压应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S7、大转臂上有A、B、C三个受力点，若大转臂在砝码A的重力G和井下工程参数测量仪上所受钻压WOB作用下平衡，根据杠杆静力平衡原理有：

G×AC＝WOB×AB，其中AB为A受力点到B受力点之间的间距，AC为A受力点到C受力点之间的间距，将上式进行变换得到施加在井下工程参数测量仪上的钻压WOB为：

S8、对记录的输出电压数字信号和施加的钻压WOB进行线性拟合，即可得到钻压输出零点基准值和相应转换关系式；

所述扭矩标定包括以下步骤：

S1、先将井下工程参数测量仪夹持在左夹持器固定铰和右夹持器固定铰之间，并将井下工程参数测量仪一端固定小转臂，此时井下工程参数测量仪受到小转臂的扭转力；

S3、使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试扭矩输出零点；

S4、在小转臂的自由端悬挂重量为500kg的砝码B，放置2～3h，观察漂移情况，使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试井下工程参数测量仪扭矩应变片桥路是否存在漂移，如果无明显漂移则进行正式加卸载标定；

S5、在小转臂的自由端由1个、2个、3个逐步悬挂砝码B，直到加够所需的砝码B数量，每次加砝码B均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S6、逐步去掉小转臂右端的砝码B，直到只剩下1个砝码B，每次去掉砝码B均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S7、小转臂上受到D、E两点受力，若小转臂在砝码B的重力G和井下工程参数测量仪上所受扭矩TOB作用下平衡，DE与水平位置夹角为θ，则根据杠杆静力平衡原理，施加在井下工程参数测量仪上的扭矩TOB为：

TOB＝G×DE×cosθ，其中DE为D受力点到E受力点之间的间距；

S8、对记录的输出电压数字信号和施加的扭矩进行线性拟合，即可得到扭矩输出零点基准值和相应转换关系式。

本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、方法简单、提升井下钻压和扭矩的测量精度，具备更高的控制精度和更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的俯视图；

图4为钻压标定的工作示意图；

图5为扭矩标定的工作示意图；

图6为图5的右视图；

图7为钻压标定结果图；

图8为扭矩标定结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1～3所示，一种钻压和扭矩标定试验装置，它包括底座1、长立柱2、短立柱3、平台4、传力柱5和横梁6，所述底座1的顶表面上固设有四根长立柱2，四根长立柱2呈矩形阵列分布，四根长立柱2之间固设有横梁6，横梁6上开设有通孔，通孔内固设有扶正套7，扶正套7内设置有可扶正套7上下滑动的传力柱5，位于左侧的两根长立柱2之间设置有铰链座8，铰链座8上铰接有大转臂9，底座1上且位于传力柱5的正下方固设有卡盘10；所述底座1的顶表面上还固设有两根短立柱3，短立柱3位于长立柱2的前侧，两根短立柱3之间且位于其顶部固设有平台4，平台4的顶表面上固设有左夹持器固定铰11和右夹持器固定铰12。

所述长立柱2和短立柱3均垂直于底座1设置。

所述钻压标定包括以下步骤：

如图4所示，S1、先将井下工程参数测量仪14安装于卡盘10和传力柱5之间，并将井下工程参数测量仪14固定，此时大转臂9压在传力柱5上，传力传力柱5又将力传递到井下工程参数测量仪14顶部；

S2、使用数据回放线连接井下工程参数测量仪14的数据采集板和数据采集计算机，通过计算机USB接口供电，并且通过串口与计算机建立通信；

S3、使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试钻压输出零点；

S4、在大转臂9的右端部悬挂重量为1000kg或2000kg的砝码A13，放置2～3h，观察漂移情况，使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试井下工程参数测量仪14钻压应变片桥路是否存在漂移，如果无明显漂移则进行正式加卸载标定；

S5、在大转臂9的右端由1个、2个、3个逐步悬挂砝码A13，直到加够所需的砝码A数量，每次加砝码A均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14的钻压应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S6、逐步去掉大转臂9右端的砝码A，直到只剩下1个砝码A，每次去掉砝码A均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14钻压应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S7、大转臂9上有A、B、C三个受力点，若大转臂9在砝码A13的重力G和井下工程参数测量仪14上所受钻压WOB作用下平衡，根据杠杆静力平衡原理有：

G×AC＝WOB×AB，其中AB为A受力点到B受力点之间的间距，AC为A受力点到C受力点之间的间距，将上式进行变换得到施加在井下工程参数测量仪14上的钻压WOB为：

所述扭矩标定包括以下步骤：

如图5～6所示，S1、先将井下工程参数测量仪14夹持在左夹持器固定铰11和右夹持器固定铰12之间，并将井下工程参数测量仪14一端固定小转臂15，此时井下工程参数测量仪14受到小转臂15的扭转力；

S3、使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试扭矩输出零点；

S4、在小转臂15的自由端悬挂重量为500kg的砝码B16，放置2～3h，观察漂移情况，使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试井下工程参数测量仪14扭矩应变片桥路是否存在漂移，如果无明显漂移则进行正式加卸载标定；

S5、在小转臂15的自由端由1个、2个、3个逐步悬挂砝码B16，直到加够所需的砝码B16数量，每次加砝码B均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S6、逐步去掉小转臂15右端的砝码B，直到只剩下1个砝码B，每次去掉砝码B均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪14扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S7、小转臂15上受到D、E两点受力，若小转臂15在砝码B16的重力G和井下工程参数测量仪14上所受扭矩TOB作用下平衡，DE与水平位置夹角为θ，则根据杠杆静力平衡原理，施加在井下工程参数测量仪14上的扭矩TOB为：

TOB＝G×DE×cosθ，其中DE为D受力点到E受力点之间的间距；

本发明利用了井下工程参数测量仪进行精确测量钻压和扭矩，从而极大提升井下钻压和扭矩的测量精度，具备更高的控制精度和更高的压力测试能力。

钻压扭矩标定实施例如下：

钻压标定：对钻压为0～250kN情况进行了标定，加载钻压级差2kN即0kN、2kN、4kN、……、250kN，标定结果如图7所示。由标定结果可知，井下工程参数测量仪在轴向加载情况下的线性度比较理想，测量仪实际承受的轴向力载荷与测量电路输出信号可认为是线性的，则标定实验中钻压值WOB与电压输出数字信号n之间的关系为：WOB＝0.5722(n–n_P0)，其中n_P0＝142。需要说明的是：其中n_P0是数字量，它是井下工程参数测量仪承受钻压为0时测量电路所输出的数字量，称为测量仪钻压测量零点。现场使用时，测量电路输出数字量值按照上式进行转换后即可将传感器信号转变为钻压物理量。

扭矩标定：对扭矩值为0～8kN-m情况进行标定，加载扭矩级差0.2kN-m即0kN-m、0.2kN-m、0.4kN-m、……、8kN-m，标定结果如图8所示。由标定结果可知，井下工程参数测量仪在加载扭矩情况下的线性度还是比较理想的，测量仪实际承受的扭矩载荷与测量电路输出信号可认为是线性的，则标定实验中扭矩TOB与输出数字量n之间的关系为：T＝0.0347(n–n_T0)，其中n_T0＝142。需要说明的是：其中n_T0是数字量，它是井下工程参数测量仪承受扭矩为0时测量电路所输出的数字量，称为测量仪扭矩测量零点。现场使用时，测量电路输出数字量值按照上式进行转换后即可将传感器信号转变为扭矩物理量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims

1.一种钻压和扭矩标定试验装置，其特征在于：它包括底座(1)、长立柱(2)、短立柱(3)、平台(4)、传力柱(5)和横梁(6)，所述底座(1)的顶表面上固设有四根长立柱(2)，四根长立柱(2)呈矩形阵列分布，四根长立柱(2)之间固设有横梁(6)，横梁(6)上开设有通孔，通孔内固设有扶正套(7)，扶正套(7)内还设置有可在扶正套(7)上下滑动的传力柱(5)，位于左侧的两根长立柱(2)之间设置有铰链座(8)，铰链座(8)上铰接有大转臂(9)，底座(1)上且位于传力柱(5)的正下方固设有卡盘(10)；所述底座(1)的顶表面上还固设有两根短立柱(3)，短立柱(3)位于长立柱(2)的前侧，两根短立柱(3)之间且位于其顶部固设有平台(4)，平台(4)的顶表面上固设有左夹持器固定铰(11)和右夹持器固定铰(12)。

2.根据权利要求1所述的一种钻压和扭矩标定试验装置，其特征在于：所述长立柱(2)和短立柱(3)均垂直于底座(1)设置。

3.根据权利要求1或2所述试验装置标定钻压和扭矩的方法，其特征在于：它包括钻压标定和扭矩标定；

所述钻压标定包括以下步骤：

S1、先将井下工程参数测量仪(14)安装于卡盘(10)和传力柱(5)之间，并将井下工程参数测量仪(14)固定，此时大转臂(9)压在传力柱(5)上，传力柱(5)又将力传递到井下工程参数测量仪(14)顶部；

S2、使用数据回放线连接井下工程参数测量仪(14)的数据采集板和数据采集计算机，通过计算机USB接口供电，并且通过串口与计算机建立通信；

S3、使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试钻压输出零点；

S4、在大转臂(9)的右端部悬挂重量为1000kg或2000kg的砝码A(13)，放置2～3h，观察漂移情况，使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试井下工程参数测量仪(14)钻压应变片桥路是否存在漂移，如果无明显漂移则进行正式加卸载标定；

S5、在大转臂(9)的右端由1个、2个、3个逐步悬挂砝码A(13)，直到加够所需的砝码A数量，每次加砝码A均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)的钻压应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S6、逐步去掉大转臂(9)右端的砝码A，直到只剩下1个砝码A，每次去掉砝码A均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)钻压应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S7、大转臂(9)上有A、B、C三个受力点，若大转臂(9)在砝码A(13)的重力G和井下工程参数测量仪(14)上所受钻压WOB作用下平衡，根据杠杆静力平衡原理有：

G×AC＝WOB×AB

其中AB为A受力点到B受力点的间距，AC为A受力点到C受力点的间距，将上式进行变换得到施加在井下工程参数测量仪(14)上的钻压WOB为：

所述扭矩标定包括以下步骤：

S1、先将井下工程参数测量仪(14)夹持在左夹持器固定铰(11)和右夹持器固定铰(12)之间，并将井下工程参数测量仪(14)一端固定小转臂(15)，此时井下工程参数测量仪(14)受到小转臂(15)的扭转力；

S3、使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试扭矩输出零点；

S4、在小转臂(15)的自由端悬挂重量为500kg的砝码B(16)，放置2～3h，观察漂移情况，使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据，以测试井下工程参数测量仪(14)扭矩应变片桥路是否存在漂移，如果无明显漂移则进行正式加卸载标定；

S5、在小转臂(15)的自由端由1个、2个、3个逐步悬挂砝码B(16)，直到加够所需的砝码B

(16)数量，每次加砝码B均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S6、逐步去掉小转臂(15)右端的砝码B，直到只剩下1个砝码B，每次去掉砝码B均使用8位半数字万用表测量井下工程参数测量仪(14)扭矩应变片桥路输出电压，并记录软件数据；

S7、小转臂(15)上受到D、E两点受力，若小转臂(15)在砝码B(16)的重力G和井下工程参数测量仪(14)上所受扭矩TOB作用下平衡，DE与水平位置夹角为θ，则根据杠杆静力平衡原理，施加在井下工程参数测量仪(14)上的扭矩TOB为：

TOB＝G×DE×cosθ，其中DE为D受力点到E受力点之间的间距；

S8、对记录的输出电压数字信号和施加的扭矩进行线性拟合，即可得到扭矩输出零点基准值和相应转换关系。