垂直钻井工具的工作参数测试系统及其工作参数测试方法

摘要

垂直钻井工具的工作参数测试系统及其工作参数测试方法，涉及一种垂直钻井工具参数测试系统及其参数测试方法。它解决目前无法对垂直钻井工具的工作参数进行测试的问题。其系统：液压马达带动垂直钻井工具旋转，在旋转的同时在垂直钻井工具中注水，模拟钻井工况，在活塞推出孔外部覆盖弹簧片，弹簧片上安装应力测量装置，用于对垂直钻井工具推力的测量；在支架上安装光环，以光环的光信号对推力方向进行测量。在管道上安装流量与压力传感器，测量运行环境的流量和压力。其方法：系统采用光强信号作为参考信号，对垂直钻井工具的推力大小，推力范围，以及推力与流量和压力的关系进行测量。本发明适用于垂直钻井工具的性能测试过程中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井参数测试系统及其测试方法。

背景技术

目前，垂直钻井工具应用于垂直钻井过程中。它安装在近钻头位置，其功能是当钻头偏离重力方向时，为钻头提供一种纠正行为，如钻头偏离重力方向时，垂直钻井工具会在偏离方向对井壁施加一个纠正推力，将钻头推回到正确方向，从而保证钻头始终处于垂直方向。但是垂直钻井工具毕竟是一种机械装置，在使用一段时间后，势必出现纠偏推力方向与偏差方向不一致的情况，尤其是当这种不一致情况比较严重以后，就会导致其严重影响钻头的钻进方向。在这种情况下，就需要对垂直钻井工具尤其是其扶正部分进行测试及校正。但是目前并没有成型的测试装置能够有效地对测试工具的工作参数与性能进行测试，尤其是在旋转状态下，对模拟井下工况的工作参数的测试。

发明内容

本发明是为了解决目前无法对垂直钻井工具的工作参数进行测试的问题，从而提供一种垂直钻井工具的工作参数测试系统及其测试方法。

垂直钻井工具的工作参数测试系统，它包括支架、液体马达、工具上接头、工具下接头、倾斜角度调整装置、弹簧片、光环、光源、光环支架、上接头固定支架、涡轮流量计、信号整形单元、计数器、压力变送器、一号信号调理单元、一号模/数转换单元、应变传感器、二号信号调理单元、二号模/数转换单元、光敏传感器、三号信号调理单元、一号单片机和二号单片机；上接头固定支架固定在支架上；工具上接头固定在上接头固定支架上，工具下接头固定在调倾斜角度调整装置上，垂直钻井工具的上端嵌入工具上接头中，且与所述工具上接头轴承连接；垂直钻井工具的下端嵌入工具下接头中，且与所述工具下接头轴承连接；所述液体马达固定在支架的上部；工具上接头的中心开有通孔，液体马达的输出轴穿过工具上接头中心的通孔与垂直钻井工具的顶端中心固定连接，用于驱动垂直钻井工具旋转；光环支架固定在支架上，所述光环固定在光环支架上，所述光环套在垂直钻井工具上，且与所述垂直钻井工具同轴；光环上均布N个光源，所述N个光源发生的定向光指向光环的中心，且每个光源照射在垂直钻井工具上形成的光斑位于同一水平面上；弹簧片将在垂直钻井工具的活塞推出孔封闭，且所述弹簧片的边缘固定在垂直钻井工具的侧壁上；光敏传感器固定在所述弹簧片的外侧，且其感光面位于垂直钻井工具侧壁上的光斑处；应变传感器也设置在所述弹簧片的外侧，用于测量弹簧片的形变量；工具上接头的侧壁上开有入水口，工具下接头的侧壁上开有出水口；涡轮流量计和压力变送器设置在工具上接头的侧壁上的入水口处，用于测量进入垂直钻井工具的水的流量值和压力值；所述N为正整数；涡轮流量计的信号输出端与信号整形单元的信号输入端连接，所述整形单元的信号输出端与计数器的计数信号输入端连接，所述计数器的信号输出端与一号单片机的计数信号输入端连接；压力变送器的信号输出端与一号信号调理单元的信号输入端连接，一号信号调理单元的信号输出端与一号模/数转换单元的信号输入端连接，一号模/数转换单元的数字信号输出端与一号单片机的数字信号输入端连接；应变传感器的信号输出端与二号信号调理单元的信号输入端连接，所述二号信号调理单元的信号输出端与二号模/数转换单元的信号输入端连接，所述二号模/数转换单元的数字信号输出端与二号单片机的数字信号输入端连接；光敏传感器的信号输出端与三号信号调理单元的信号输入端连接，所述三号信号调理单元的信号输出端与二号模/数转换单元的信号输入端连接。

基于上述系统的垂直钻井工具的工作参数测试方法：它由以下步骤实现：

步骤一、采用应变传感器采集弹簧片的形变信号，并送入二号信号调理单元进行信号调理后，送入二号模/数转换器进行模/数转换，转换后的数字信号送入二号单片机进行处理，获得垂直钻井工具的纠偏推力值；

步骤二、将垂直钻井工具与一个固定方位倾斜一个角度，然后控制垂直钻井工具匀速旋转，光敏传感器采集N个光源中每个光源的光信号，并送入三号信号调理单元进行信号整形，整形后送入二号单片机计算每个光信号的光强度；同时，采用步骤一中的方法计算每个光信号所对应的推力值，根据每个光信号的光强度与其对应的纠偏推力值，获得此固定方位倾斜角度下的纠偏推力与偏差方位的关系，并根据所述纠偏推力与偏差方位获得推力角度；

步骤三、采用涡轮流量计采集工具上接头的入水口处的流量信号，并送入信号整形单元进行信号整形后，再送入计数器计数后送入一号单片机进行处理，获得当前管道内的流量值；

步骤四、采用压力变送器采集工具上接头的入水口处的压力信号，并送入一号信号调理单元进行信号调理后，再送入一号模/数转换器进行模/数转换，转换后的数字信号送入一号单片机进行处理，获得当前管道内的压力值；

步骤五、对上述步骤中获得的参数进行汇总，获得垂直钻井工具的工作参数测试结果。

步骤二中所述根据纠偏推力与偏差方位获得推力角度的方法是：通过对每个光信号的采集，确定纠偏推力的出现和消失的时间段，通过参考偏差方位，计算在所述纠偏推力的出现和消失的时间段内垂直钻井工具转过的角度，所述角度即为推力角度。

它的测试结果的无线通讯方法是：

发射方法：将获得的纠偏推力值、偏差方位信息、纠偏推力角度、管道内的流量值和管道内的压力值进行调制，并将调制后的信号通过发射天线发射；

接收方法：接收天线接收所述调制后的信号并解调，解调后的信号送入三号单片机进行处理后送入信息终端，完成垂直钻井工具的工作参数测试结果的无线通讯。

本发明实现了垂直钻井工具的工作参数的测试，可以获得垂直钻井工具的多项工作参数，包括纠偏推力值、偏差方位信息、纠偏推力角度、管道内的流量值和管道内的压力值，且能够获得各参数之间的关系，并且能够测量不同排量下的垂直钻井工具的性能，进而实现垂直钻井工具尤其是其扶正部分的校正。本发明尤其适合垂直钻井工具在旋转状态下工作参数的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的工作时的结构示意图；图3是本发明的测量部分的原理示意图；图4是本发明中当光源的数量为60个时，其在光环上的分布示意图；图5是本发明的装置在垂直钻井工具的活塞未推出活塞孔时弹簧片的状态图；图6是当本发明的装置在垂直钻井工具的活塞推出活塞孔时弹簧片的状态图；图7是本发明的测试方法获得的数据关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1~图3说明本具体实施方式，垂直钻井工具的工作参数测试系统，它包括支架1、液体马达2、工具上接头3、工具下接头6、倾斜角度调整装置8、弹簧片10、光环26、光源27、光环支架28、上接头固定支架29、涡轮流量计11、信号整形单元12、计数器13、压力变送器21、一号信号调理单元22、一号模/数转换单元23、应变传感器31、二号信号调理单元32、二号模/数转换单元33、光敏传感器41、三号信号调理单元42、一号单片机5和二号单片机10；上接头固定支架29固定在支架1上；工具上接头3固定在上接头固定支架29上，工具下接头6固定在调倾斜角度调整装置8上，垂直钻井工具4的上端嵌入工具上接头3中，且与所述工具上接头3轴承连接；垂直钻井工具4的下端嵌入工具下接头6中，且与所述工具下接头6轴承连接；所述液体马达2固定在支架1的上部；工具上接头3的中心开有通孔，液体马达2的输出轴穿过工具上接头3中心的通孔与垂直钻井工具4的顶端中心固定连接，用于驱动垂直钻井工具4旋转；光环支架28固定在支架1上，所述光环26固定在光环支架28上，所述光环26套在垂直钻井工具4上，且与所述垂直钻井工具4同轴；光环26上均布N个光源27，所述N个光源27发生的定向光指向光环26的中心，且每个光源27照射在垂直钻井工具4上形成的光斑位于同一水平面上；弹簧片10将在垂直钻井工具4的活塞推出孔封闭，且所述弹簧片10的边缘固定在垂直钻井工具4的侧壁上；光敏传感器41固定在所述弹簧片10的外侧，且其感光面位于垂直钻井工具4侧壁上的光斑处；应变传感器31也设置在所述弹簧片10的外侧，用于测量弹簧片10的形变量；工具上接头3的侧壁上开有入水口，工具下接头6的侧壁上开有出水口；

涡轮流量计11和压力变送器12设置在工具上接头3的侧壁上的入水口处，用于测量进入垂直钻井工具4的水的流量值和压力值；所述N为正整数；涡轮流量计11的信号输出端与信号整形单元12的信号输入端连接，所述整形单元12的信号输出端与计数器13的计数信号输入端连接，所述计数器13的信号输出端与一号单片机5的计数信号输入端连接；压力变送器21的信号输出端与一号信号调理单元22的信号输入端连接，一号信号调理单元22的信号输出端与一号模/数转换单元23的信号输入端连接，一号模/数转换单元23的数字信号输出端与一号单片机5的数字信号输入端连接；应变传感器31的信号输出端与二号信号调理单元32的信号输入端连接，所述二号信号调理单元32的信号输出端与二号模/数转换单元33的信号输入端连接，所述二号模/数转换单元33的数字信号输出端与二号单片机10的数字信号输入端连接；光敏传感器41的信号输出端与三号信号调理单元42的信号输入端连接，所述三号信号调理单元42的信号输出端与二号模/数转换单元33的信号输入端连接。

本实施方式中，矩形支架固定在地面上，工具下接头6使用能够调整角度的横向定位销固定在支架1上，工具上接头3和工具下接头6用于固定垂直钻井工具4；工具上接头3和工具下接头6都有一个由壬接口，工具上接头3由壬接口作为工具上接头3的入水口，用于向垂直钻井工具4的内部注水，工具下接头6由壬作为工具下接头6的出水口，用于实现垂直钻井工具4的内部水的排放，工具上接头3的由壬接口和工具下接头4由壬接口均与水箱19连通，实现水循环，用于模拟钻井过程中泥浆的循环过程。在水循环过程中，支架上部的液压马达2可以驱动工具以不同的速度匀速旋转，从而模拟钻井过程中的旋转过程。上接头支架29用于控制工具上接头3的外壳不随垂直钻井工具4旋转；倾斜角度调整装置8用于调整垂直钻井工具4的倾斜角度并固定工具下接头6不随垂直钻井工具4旋转；光环支架28用于调整光环26的位置，在垂直钻井工具4旋转时使光源27的光始终照射在光敏传感器41上。

本实施方式中各测量单元均采用锂电池15供电。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的垂直钻井工具的工作参数测试装置的区别在于，它还包括水泵18，所述水泵18的入水口与水箱19的出水口连通；所述水泵18的出水口与工具上接头3的入水口连通。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的垂直钻井工具的工作参数测试系统的区别在于，它还包括它还包括时钟模块51，所述时钟模块51的时钟信号输出端与二号单片机10的时钟信号输入端连接。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的垂直钻井工具的工作参数测试系统的区别在于，它还包括一号无线信号调制模块61、一号发射天线71、二号无线信号调制模块62、二号发射天线72、接收天线8、无线信号解调模块9和二号单片机10、三号单片机50，所述一号无线信号调制模块61的通讯信号输入端与一号单片机5的通讯信号输出端连接，所述一号无线信号调制模块6的信号输出端与一号发射天线71的信号输入端连接；二号无线信号调制模块62的通讯信号输入端与二号单片机10的通讯信号输出端连接，所述二号无线信号调制模块62的信号输出端与二号发射天线72的信号输入端连接；接收天线8的信号输出端与无线信号解调模块9的信号输入端连接，无线信号解调模块9的信号输入端与三号单片机50的信号输入端连接。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的垂直钻井工具的工作参数测试系统的区别在于，它还包括计算机52，三号单片机50通过USB接口51与计算机52连接。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的垂直钻井工具的工作参数测试系统的区别在于，涡轮流量计11的型号为 SMITH2011；压力变送器21的型号为GE德鲁克PTX661压力传感器；应变传感器31的型号为BF3503AA-1；光敏传感器41是型号为MJ20537的光敏电阻。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的垂直钻井工具的工作参数测试系统的区别在于，一号单片机5、二号单片机10和三号单片机50的型号均为C8051F206。

具体实施方式八、基于具体实施方式一所述的所述的垂直钻井工具的工作参数测试系统的垂直钻井工具的工作参数测试方法，它由以下步骤实现：

步骤一、采用应变传感器31采集弹簧片10的形变信号，并送入二号信号调理单元32进行信号调理后，送入二号模/数转换器33进行模/数转换，转换后的数字信号送入二号单片机10进行处理，获得垂直钻井工具4的纠偏推力值；

步骤二、将垂直钻井工具4与一个固定方位倾斜一个角度，然后控制垂直钻井工具4匀速旋转，光敏传感器41采集N个光源27中每个光源27的光信号，并送入三号信号调理单元42进行信号整形，整形后送入二号单片机10计算每个光信号的光强度；同时，采用步骤一中的方法计算每个光信号所对应的推力值，根据每个光信号的光强度与其对应的纠偏推力值，获得此固定方位倾斜角度下的纠偏推力与偏差方位的关系，并根据所述纠偏推力与偏差方位获得推力角度；

步骤三、采用涡轮流量计11采集工具上接头的入水口处的流量信号，并送入信号整形单元12进行信号整形后，再送入计数器13计数后送入一号单片机5进行处理，获得当前管道内的流量值；

步骤四、采用压力变送器21采集工具上接头的入水口处的压力信号，并送入一号信号调理单元22进行信号调理后，再送入一号模/数转换器23进行模/数转换，转换后的数字信号送入一号单片机5进行处理，获得当前管道内的压力值；

步骤五、对上述步骤中获得的参数进行汇总，获得垂直钻井工具4的工作参数测试结果。

步骤二中所述根据纠偏推力与偏差方位获得推力角度的方法是：通过对每个光信号的采集，确定纠偏推力的出现和消失的时间段，通过参考偏差方位，计算在所述纠偏推力的出现和消失的时间段内垂直钻井工具4转过的角度，所述角度即为推力角度。

它的测试结果的无线通讯方法是：

发射方法：将获得的纠偏推力值、偏差方位信息、纠偏推力角度、管道内的流量值和管道内的压力值进行调制，并将调制后的信号通过发射天线发射；

接收方法：接收天线接收所述调制后的信号并解调，解调后的信号送入三号单片机50进行处理后送入信息终端，完成垂直钻井工具的工作参数测试结果的无线通讯。

本实施方式中工具工作参数测试涉及的测试参数主要包括：纠偏推力测试、纠偏推力方向与偏差方位关系测量、推力角度范围、推力与流量关系测量、流量与压力的关系。

①纠偏推力测量

纠偏推力是当工具中轴线偏离重力方向时，根据偏离的方位，在其相反方向向井壁施加的纠偏力。垂直钻井工具4使用推出活塞的方式实现，当所述活塞旋转到该方位时，活塞向外推出，在井壁的反作用力下纠正工具的前进方向。推力的大小与工具类流体的流量和偏差有关系，而推力大小以及推力与流量转速的关系需要测量推力的大小。本实施方式中推力大小的测量方法是在工具外壁固定一片长条形弹簧片10，其宽度与活塞推出孔的直径相当，弹簧片10固定在垂直钻井工具4上，覆盖在活塞推出孔的正上方；当活塞向外推出时，弹簧片10受到推力的作用向外凸起，同时向活塞施加反作用力，弹簧片10在受力的作用下会拉伸变长呈弓形，弓形的大小与推力现在已有稳定的数学关系，因此，测量弹簧片10的拉伸情况就可以计算出推力的大小。

②纠偏推力方向与偏差方位关系测量

使垂直钻井工具4处于旋转状态下，当旋转到偏差方位时活塞推出的推力最大时，若此时活塞没有正好对准偏差方位，则说明此垂直钻井工具4是不合格的。为了测量这二者的关系，本发明使用时间为基准，以光信号为刻度，通过对推出力的测量完成二者的关系测量。具体方式是：首先控制垂直钻井工具4向某个固定方位倾斜一个角度，模拟垂直钻井工具4处于倾斜状态，然后控制垂直钻井工具4处于匀速旋转状态，以垂直钻井工具4倾斜方位为0度方位，在垂直钻井工具4周围布置一定数量的（如60个）定向光源27，光的方向指向垂直钻井工具4的轴心，当垂直钻井工具4旋转时，活塞所在位置会依次经过每个光源27的照射，在活塞覆盖活塞的弹簧片10上安装光敏传感器41，垂直钻井工具4每旋转一周，光敏传感器就会收到等量的（60个）光信号；如果是匀速旋转，则光信号间隔时间是相同的；为了表明0刻度点的位置，垂直钻井工具4倾斜方向的光源27光强度为其他光源的2倍。对每个光信号编号，在测量光信号的同时测量推力信号，如果在0号光信号到来的时候，推力为最大值，则说明此垂直钻井工具4工作正常。通过改变垂直钻井工具4倾斜方位，进行多次测量，就可以测量出在不同方位偏差下纠偏推力与偏差方位的关系。

③推力角度范围测量

垂直钻井工具4正常工作情况下，纠偏推力不是在活塞经过偏差方位时突然出现，而是会提前一个时刻出现，并且逐渐变大，在经过偏差方位时达到最大值，然后逐渐变小，纠偏推力从出现到消失会经历一个时间段，在这个时间段内垂直钻井工具4转过的角度就是推力的角度范围。为了测量角度范围，需要对光信号和力信号进行同时采样，然后参考偏差方位就可以计算出推力角度范围。

④推力与流量关系测量

在工具上接头3的入水口处安装涡轮流量计11，根据对涡轮流量计11输出脉冲进行处理，就可以得到当前管道流量。

⑤压力与流量关系测量

在工具上接头3的入水口处安装压力变送器21，根据对压力变送器21输出的电流进行测量就可以得到当前管道压力。

测试装置测量电路方案

测量电路以二号单片机10为核心，采用巡回检查方式，完成对推力、流量、光参考信号的测量，然后将数据传送到数据处理计算机，由于垂直钻井工具4处于旋转状态，因此，测量电路使用电池供电，使用无线方式收发数据。

a、纠偏力推力测量

将电阻应变片做成惠斯通电桥，并粘贴在弹簧片上，将电桥输出进行变换和滤波后进行A/D转换，转换速度为100次/秒。

b、光信号测量

将光电阻粘贴在弹簧片中轴线上，并且加装环境光屏蔽罩，然后加上一定电压，将光电阻两端电压进行变换和滤波后进行A/D转换，转换速度为100次/秒。

c、流量与压力测量

由于涡轮流量计11不是安装旋转的工具上，而是直接安装在水流回路中，因此需要单独使用一个测量模块，将涡轮流量计11输出信号进行整形后如计数器13计数，对计数器13定时清零，计算器中的值代表了流量的大小。压力测量使用了电流输出的压力变送器，输出电流为4-20mA，进行V/I变换后采样，A/D转换速度为100次/秒，经过标度变换可以得到压力值，最后模块将流量信号与压力信号通过天线发射到控制计算机。

数据接收与处理

数据接收使用无线数据接收模块9对发送来的光照度信号、弹簧片10应变信号、管道流量与压力信号进行解码，通过USB接口51送入计算机52，计算机52对以上信号进行处理。由于光信号、应力信号和压力信号是同步的，每秒钟100个数据，此三种数据可以认为是同步的，时间误差为1%。

A、推力与偏差方位关系

首先在光信号数据中查找0刻度点位置，然后以此位置为核心，在应力信号中查找应力最大值，如果位置相同，说明推出应力与偏差方向一致，如果不同，需要根据位置差和光刻度计算偏差角度，从而测量出推力与偏差方位关系。

B、推力角度范围

首先查找推力最大值，然后以此位置为中心，向两侧检查推力值，直到推力值消失，记住两侧推力值消失的位置，以此位置为范围，在光信号中进行检查，检查此范围包含几个光脉冲信号，每个光脉冲信号代表6度，对于不在光刻度上的位置，需要根据它的位置与光脉冲位置进行计算。

C、其它信号处理

推力与流量，压力与流量等数据处理需要进行多次测量统计得出。

如图4所示，光环26上均匀分布有60个光源27，每个光源27发生的定向光指向光环26的圆心；光环26的位置可以用光环支架28进行调整，光环26套在垂直钻井工具4的外面，与垂直钻井工具4同轴。每个光源27的光照射在垂直钻井工具上，形成一个光斑，光敏传感器12设置在所述光斑的位置处，这种方式下，当垂直钻井工具4旋转时，就产生了光刻度信号；

如图5所示，垂直钻井工具4的活塞未推出，因此，在弹簧片10上没有产生变形，此时推力和应力的值均为0；

在图6所示实施例中，垂直钻井工具4的活塞推出，弹簧片10凸起变形，弹簧片10长度变长，通过应变传感器31测量其应变，通过建立变形量与推力的数学模型即可计算出推力的大小。

在图7所示，推力大小的应力信号54、代表光刻度的光信号53、管道压力信号52和流量信号51同步到达，可以认为这些信号在时间上是同步的。因此，可以用光信号与度量推力信号。正常情况下，推力最大值57出现在光刻度信号53的0刻度位置58，推力范围角度是应力起始点55和应力结束点56的范围，用光刻度度量就可以知道推力角度的大小范围。