專利名稱：基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
石油鉆頭是破碎地層巖石的主要工具，是石油鉆井工程中提高機(jī)械鉆速、降低鉆井成本的重要手段。高性能鉆頭產(chǎn)品的開發(fā)和研究都是建立在理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，鉆頭試驗(yàn)主要是進(jìn)行全鉆頭破碎不同地層巖石試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是測(cè)試鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機(jī)械鉆速和破碎井底，鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)?zāi)M鉆頭牙齒的運(yùn)動(dòng)和破巖狀況，通過測(cè)試系統(tǒng)采集試驗(yàn)過程中的鉆頭和齒圈轉(zhuǎn)速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號(hào)。目前針對(duì)鉆頭研究開展的試驗(yàn)主要是全尺寸鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是檢測(cè)新型鉆頭鉆進(jìn)不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)主要是研究不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律?，F(xiàn)有全鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)；由傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號(hào)。但是隨著鉆頭研究進(jìn)一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)存在很多問題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需要，比如研究鉆頭及5個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)和受力情況， 現(xiàn)有兩張8通道數(shù)據(jù)采集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗(yàn)需要的擴(kuò)展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機(jī)和環(huán)境等的影響，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的信號(hào)含有大量的噪聲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集鉆頭及各個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計(jì)提供重要的試驗(yàn)手段。石油鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)， 除了鉆頭繞自身軸線作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和牙輪繞牙掌軸線作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外， 還有軸向縱振及牙輪的滑動(dòng)，這幾種運(yùn)動(dòng)是鉆井時(shí)同時(shí)發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。石油鉆頭就是在上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動(dòng)剪切作用下破碎巖石的。石油鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)，在每次振動(dòng)中，鉆頭上行時(shí)壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時(shí)則鉆柱恢復(fù)原長(zhǎng)，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動(dòng)載荷。鉆頭工作時(shí)，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動(dòng)載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動(dòng)載)，也就是說牙齒沖擊破碎巖石時(shí)，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動(dòng)載荷之和。鉆頭在井下工作時(shí)，除了受到縱向靜載荷和動(dòng)載荷外，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，還要受到扭矩作用。當(dāng)鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動(dòng)較大時(shí)，鉆頭承受的扭矩更大。石油鉆頭在井底工作時(shí)，由于鉆頭在井底產(chǎn)生縱振，使鉆柱不斷壓縮和伸張，下部鉆柱把這種周期性的彈性變形能傳遞給牙齒，產(chǎn)生牙齒對(duì)巖石的沖擊、壓碎作用，這種破碎方式是石油鉆頭破碎巖石的主要方式之一。
石油鉆頭工作時(shí)，由于鉆頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)速越快、滑動(dòng)量越大，對(duì)巖石的剪切破碎越大，從而通過牙齒的滑動(dòng)剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對(duì)石油鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)、受力和破碎巖石情況的簡(jiǎn)要分析，可以看出在鉆頭的研究過程中，必須有效地分析鉆頭破巖運(yùn)動(dòng)所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。隨著石油鉆井深度增加和地層巖石的復(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點(diǎn)開發(fā)高性能鉆頭的研究工作更加迫切，目前現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)的控制和測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭的研究和開發(fā)的需求。目前現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)的控制和測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需求，主要存在以下問題(1)試驗(yàn)控制和測(cè)試過程繁瑣，由人工通過操作控制臺(tái)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)破巖試驗(yàn)過程的控制，自動(dòng)化程度低；(2)現(xiàn)有兩個(gè)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)都是采用兩張8通道(共16通道)的數(shù)據(jù)采集卡，擴(kuò)展功能局限性大，遠(yuǎn)不能滿足新型鉆頭的設(shè)計(jì)試驗(yàn)需求；(3)由于液壓系統(tǒng)、電機(jī)等環(huán)境噪聲的干擾，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集到的信號(hào)受到一定的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲；(4)現(xiàn)有兩個(gè)試驗(yàn)控制和測(cè)試系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備有操作控制臺(tái)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀、數(shù)據(jù)采集箱及采集卡，價(jià)格昂貴，硬件成本太高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，該基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)與傳統(tǒng)硬件儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)相比，省去了操作控制臺(tái)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀及數(shù)據(jù)采集箱等硬件設(shè)備， 提高了鉆頭試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性、大大降低了測(cè)試系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了靈活性。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)， 主要由依次相連的傳感器、放大器、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。所述傳感器用于測(cè)量鉆頭試驗(yàn)過程中的鉆壓、扭矩、鉆頭位移及鉆頭與牙輪的平均轉(zhuǎn)速信號(hào)。所述放大器用于將傳感器測(cè)得的微電信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的電信號(hào)。所述采集卡用于將外界模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分析處理的數(shù)字信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)傳輸入計(jì)算機(jī)。所述采集卡優(yōu)先采用PCI數(shù)據(jù)采集卡。所述計(jì)算機(jī)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。所述計(jì)算機(jī)的配置為1. 6G處理器、512M內(nèi)存，Windows XP操作系統(tǒng)綜上所述，本發(fā)明的有益效果是與傳統(tǒng)硬件儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)相比，省去了操作控制臺(tái)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀及數(shù)據(jù)采集箱等硬件設(shè)備，提高了鉆頭試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性、大大降低了測(cè)試系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了靈活性。


圖1為發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例如圖1所示，本發(fā)明主要由依次相連的傳感器、放大器、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。上述傳感器是硬件系統(tǒng)的最前端裝置，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如果沒有這些高質(zhì)量的傳感器就根本談不上測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳感器測(cè)量鉆頭試驗(yàn)過程中的鉆壓、扭矩、鉆頭位移及鉆頭與牙輪的平均轉(zhuǎn)速信號(hào)。上述放大器將傳感器測(cè)得的微電信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的電信號(hào)，是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。上述采集卡是I/O接口設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的裝置，它是外部被測(cè)信號(hào)進(jìn)入測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的必經(jīng)前置通道。其任務(wù)是把外界模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分析處理的數(shù)字信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)傳輸入計(jì)算機(jī)。PCI總線是目前PC機(jī)的常用總線，無論是個(gè)人計(jì)算機(jī)還是工控機(jī)上都有豐富的 PCI插槽，并且PCI總線速度快、成本低，因此本發(fā)明優(yōu)先選用PCI數(shù)據(jù)采集卡。上述計(jì)算機(jī)是硬件平臺(tái)的核心，CPU的運(yùn)行速度及計(jì)算機(jī)的內(nèi)存影響著處理數(shù)據(jù)的速度，計(jì)算機(jī)的硬盤決定著它存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量。本文鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)使用了一般的臺(tái)式PC機(jī)，其配置為1. 6G處理器、512M內(nèi)存，Windows XP操作系統(tǒng)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，主要由依次相連的傳感器、放大器、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器用于測(cè)量鉆頭試驗(yàn)過程中的鉆壓、扭矩、鉆頭位移及鉆頭與牙輪的平均轉(zhuǎn)速信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器用于將傳感器測(cè)得的微電信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的電信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述采集卡用于將外界模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分析處理的數(shù)字信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)傳輸入計(jì)算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述采集卡為PCI數(shù)據(jù)采集卡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)的配置為1. 6G處理器、512M內(nèi)存，Windows XP操作系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)。該基于虛擬儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)主要由依次相連的傳感器、放大器、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。本發(fā)明與傳統(tǒng)硬件儀器的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)相比，省去了操作控制臺(tái)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀及數(shù)據(jù)采集箱等硬件設(shè)備，提高了鉆頭試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性、大大降低了測(cè)試系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了靈活性。
文檔編號(hào)G01D21/02GK102466497SQ20101055868
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請(qǐng)人:常萍