可多线程测量的模拟钻杆四分量力虚拟仪器

随着油气田开发的不断深入,深层勘探成为探明油气储量、确定油气田开采的重点工作之一[1,2]。由于深井钻具长、刚度小,且井下工况复杂,使得井下钻具损害相当严重。研究钻具的振动规律,能有效减少井下钻具的断裂事故,使其安全可靠地工作,具有重大的社会效益和经济效益[3,4]。因此,为便于深入研究钻杆在井下的受力状态,构建了模拟钻杆的室内实验装置,并基于虚拟仪器平台多线程测量了轴向力、扭矩、x向径向力和y向径向力等4个力学分量参数。

1　测力原理

钻杆在钻进过程中会发生纵振、横振和扭转振动,承受轴向应力σz、径向应力σr、剪切应力τmax[5],而且3类振动的耦合会恶化钻杆工作状况。通过测钻杆的轴向力、径向力和扭矩有助于分析振动形式。为此设计了如图1所示的四直梁应变式测力传感器。根据应变计形变,测出相应的轴向力Fz、扭矩M、钻杆截面内水平x方向径向力分量Frx和垂直y方向径向力分量Fry。

该传感器的轴向力测量原理类似于柱式传感器。为保证应变计良好粘贴,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Fz的作用方向,R2、R4垂直于作用方向。在轴向力Fz作用下,R1、R3承受轴向主应力,其感受的应变为

式中:K为应变计的灵敏系数,ν为材料的Possion比,E为材料的弹性模量。

径向力Fri(i=x,y)的测量原理类似于复合梁式的弹性体。为简化计算,将其等效为一端固定、另一端只能沿作用力方向上下移动的悬臂梁。设梁的有效长度为l,应变计粘贴处的平均厚度为h,宽度为b,则应变电桥的电压输出与输入之比为

扭矩的测量是沿钻杆轴向±45°上分别粘贴4个应变计组成全桥电路,感受梁的最大正、负应变:

式中Wn为抗扭截面模量。应变电桥布局可消除应变计截面上轴向力或弯矩等内力对扭矩M的影响,且输出与输入之比为

由径向力分量Frx和Fry可知径向力合力的幅值Fr及相对于固定工作台坐标系的相角θ为:

式中:k=0、1、2,α为钻杆转角,β为径向力Frx相对于固定台基准面的修正角度。

2　系统设计

整个力测量系统包括模拟钻杆、测力传感器、转角传感器、无线通讯和长线驱动电路等。其中模拟钻杆是由空心钢管和管箍组成的长10 m、直径为30mm的周期性管结构,与实际钻杆结构等效。应用LabVIEW建立基于虚拟仪器的主控监测平台,实现了力参数无线采集和钻杆转角的多线程测量。

2.1　转角测量

设计了齿数为60的直齿齿轮码盘,利用双Hall效应齿轮传感器检测齿牙凹凸产生的磁通变化,从而进行转角和转速测量,实现转角的单周检测,并消除单传感器计数的累计误差。