面向钻机扭矩实时监控压电测力仪研究

摘要

随着“十三五”规划的深入开展，国民经济得到迅速发展，随之而来的是油气资源消耗巨大。在积极发展新能源产业的同时，扩大海洋及深层地壳油气资源开发对缓解当前能源短缺同样具有重要意义。动辄几千米深度的钻井，技术涉及面广，其中准确感知钻头处的阻力矩变化，对于及时调整钻井参数，保障生产安全，极具现实意义。
　　本文研发了一种面向石油钻机扭矩实时测量的压电式扭矩测力仪，解决了多传感器布置扭矩测量、信号调理、无线传输及电力自供给等难题，可在无外电源环境下对大量程扭矩实现实时测量及无线传输。
　　首先，基于力矩是力与力臂乘积的基本思路，本文建立了多传感器周向布置“力×力臂”扭矩测量数学模型，在综合量程、装配等因素基础上最终采用了两组传感器的方法。以扭矩测量量程、测力仪空间布置尺寸和石英晶体机械性能参数为约束，计算并确定了力敏原件的几何尺寸。完成了测力仪的的机械结构设计并建立了其三维模型，利用有限元分析，在满量程状态下对测力仪进行了校核。
　　其次，根据密勒效应和基尔霍夫第二定律，推导了压电传感器电荷信号经电荷转换电路转换后的理论输出表达式，得到了电路准静态性能与时间常数的关系，确立了以高阻抗和稳定性为特征的电荷转换芯片选择原则，最终设计出了高放大倍率、低下限截止频率的电荷信号调理电路。对比标准电荷放大器，各项性能均满足压电传感器测量的使用要求。并在信号调理电路能将压电传感器电荷信号转换成电压信号的前提下，采用蓝牙传输协议，给出发送端与接收端的具体实施方案，通过软硬件的配合，实现扭矩电压信号的无线传输。
　　以钻机自身旋转为动力，根据电磁感应原理，设计了三相交流电发电装置，并确定了“三相电-整流-稳压-稳定直流”的工作电压获取路径。建立输出三相电数学模型，分析了全波桥式整流电路的整流原理，并在所选稳压芯片允许输入电压范围内，逆向求解出单相电动势要求范围。再通过建立单相电动势与钻机转速范围的映射关系，确定发电装置的具体参数。
　　最后，完成测力仪各部分零件的装配，以及信号调理电路和无线传输电路的封装后，在多维力标定台上对其进行静态标定。通过测力仪水平两侧施加等距阶梯力，模拟不同大小的标准扭矩施加。实验结果表明，扭矩测力仪非线性约为1%，重复性小于0.5%，满足深井钻机扭矩实时监控使用要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

2 压电式钻机扭矩测量方案

2.1 石油钻机工况分析

2.2 压电传感器扭矩测量方法

2.3 测力仪信号传输方法

2.4 测力仪供电方法

2.5 测力仪总体方案

2.6 本章小结

3 测力仪机械结构设计

3.1 测力装置设计

3.2 发电装置设计

3.3 ANSYS有限元分析

3.4 本章小结

4 信号传输电路设计

4.1 信号调理电路设计

4.2 无线传输电路设计

4.3 软件设计

4.4 本章小节

5 标定实验

5.1 信号调理电路标定

5.2 扭矩测力仪标定

5.3 无线测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 课题相关照片

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢