石油钻杆加厚段参数测量方法研究.pdf

一 2O 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年 第 4 2卷 第7期 ●钻 井技术与装备 石油钻杆加厚段参数 测量方法研 究 于殿泓 张红月 李 琳 张 辉 1 ．西安理工大 学机械与精 密仪 器工程 学院2 ．陕西省计量科 学研 究院 摘要 针对 目前国内石油钻杆加厚段测量手段不足 、测量方法粗糙 、测量精度低和效率不高 的现状，研究了一种新的石油钻杆加厚段参数测 量装置。该装置靠测量桥板接触指定被测母线进 行测量，通过桥板 中内置的倾角传感器和拉绳位移传感器得到被测母线上一系列轮廓 点的原始测 量数据 ，经过相应公式转换得 到这 些点的坐标信 息。利用这些坐标信息 即可描绘 出到被测件的 内 轮廓，根据理想轮廓模型，对实测数据进行处理 ，可给出评定结果。试验结果表 明，新装置 的测 量精度高，结果可靠，重复性好 ，可满足一般钻杆的测量要求。 关键词石油钻杆；加厚段；倾角传感器 ；接触式；参数测量 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 0 5 Pa r a me t r i c M e a s ur e me n t M e t ho d s o f Th i c k e n e d S e c t i o n o f Dr i l l Pi pe Yu Di a n h o n g Zh a ng Ho n g y u e‘L i L i n Zh a ng Hui 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P r e c i s i o n I n s t r u m e n t E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ；2 ． M e t r o l o g y I n s t i t u t e of S h a a n x i P r o v i n c e Abs t r a c t As t h e d o me s t i c d ril l p i pe s e c t i o n me a s u r e me n t me t h o d s a r e i n s u f fic i e n t a nd r o u g h wi t h l o w me a s u r e me n t a c c u r a c y a n d e ffic i e n c y， a n e w po r t a b l e a n d e a s y t o u s e me a s u r e me n t d e v i c e wi t h h i g h a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y i s de v e l o p e d． Th e d e v i c e me a s u r e s t h e d e s i g n a t e d b us b a r b y c o n t a c t i n g i t wi t h b r i dg e p l a t e ．T he o rig i n a l d a t a o f s e rie s c o n t o u r p o i n t s a r e a c q u i r e d b y t h e bu i l t - i n i nc l i n a t i o n s e n s o r a n d r o p e d i s p l a c e me n t s e ns o r ， a n d t h e n a r e c o n v e r s e d t o c o o r di na t e i n f o r ma t i o n b y c o r r e s p o n d i ng f o r mul a ． The s e c o o r d i n a t e i n f o rm a t i o n c a n b e u s e d t o d e p i c t t h e i n n e r p r o fil e o f me a s u r e d d ril l p i p e， b a s e d o n wh i c h t h e me a s u r e d d a t a a r e p r o c e s s e d a n d e v a l u a t i o n r e s u l t s c a n b e g i v e n ．Te s t s r e s u l t s h a v e p r o v e d t h a t t he n e w d e v e l o p e d me a s u r e me n t d e v i c e i s a c c u r a t e， e ffic i e n t ， r e l i a b l e a n d r e p r o d u c i b l e， a n d c a n me e t t h e g e n e r a l r e q u i r e me n t s o f d ril l pi pe me a s u r e me n t ． K e y wo r ds d ril l p i p e；t h i c k e n e d s e c t i o n；i n c l i n a t i o n s e n s o r ；c o nt a c t - t y pe；p a r a me t e r de t e c t i o n 0 引 言 钻杆质量与性能 的好坏直接关系到钻井平台作 业的成败 ，其重要性不言而喻。由于我国钻杆生产 工艺与国外有一定的差距⋯ ，同时未制定完备的专 门针对钻杆的检测标准 ，所以国内企业普遍采用 简陋的手工方法来测量钻杆加厚段的管内几何参数。 这种人工测量方法存在精度低 其 中线位移精度 1 2 m m，角位移精度 1 。 左右 、劳动强度大 、生产 效率低等不足。鉴于此 ，笔者结合当前仪器 自动化 和智能化发展趋势 引，开发了一套新的石油钻杆加 厚段参数测量装置，并对新装置的性能进行了评价。 1 测量原理及其分析 基于钻 杆的连接要求 ，石油钻 杆管端需 要加 厚 ，就是将石油钻杆 材料为高强钢或超高强钢 基金项 目国家 自然科 学基金 资助项 目 “ 双频固体激光亚微米精度绝对距 离干涉测量技术研究 ” 5 1 1 7 5 4 2 1 ；国家质检总局 资助 项 目 “ 石油钻杆加厚段 参数测量仪研发 ” 1 0 22 2 1 2 0 8 。 2 0 1 4年 第 4 2卷第 7期 于殿 泓等 石 油钻杆加厚段参数测量 方法研 究 局部加热墩粗，使其内径和 或外径发生一定 程度的改变 ，从而使端部壁厚按一定规律增加 ，以 便增强其连接强度⋯ 。钻杆墩粗后加 厚端轮廓形 状如图 1 所示 。 图 1 钻杆加厚 端轮廓 形状 F i g ． 1 C o n t o u r s h a p e o f t h i c k e n e d e n d o f t h e d r i l l p i p e 图中， 为过渡段长度 ， 为墩粗直段长度。 过渡段和墩粗直段均为墩粗变形段 。钻杆墩粗加工 后 ，其外参数的测量易于实现 ，测量的难点是 内参 数 ，主要 包 括过 渡 段 的起 点 及 止点 过 渡段 长 度 、过渡段的锥角 半锥角以及过渡段 的光滑 程度等。笔者着重研究石油钻杆加厚段内参数 的测 量方法。 1 ． 1 测量方案及测量传感器的选择 要实现钻杆加厚段内参数 的测量 ，其关键是获 得某一被测母线的轮廓坐标数据。考虑到石油管 内 部空 间 的限制 ，现 采 用小 型 集成 式 倾 角传 感 器 S C A 1 0 3 T 获取某被测点 的倾角值 ，再辅之 以相 应的拉绳位移传感器 wP S一2 5 0 获取该点 的轴 向坐标位置 ，对所测的原始数据进行理论变换 ，就 可得到母线上各个被测位置的笛卡儿坐标 ，该坐标 的集合就构成了被测母线的轮廓坐标 。 在这个测量思路 中，其 核心是 S C A 1 0 3 T倾角 传感器 的应用。该传感器具有高分辨率和低噪声等 特点 ，是用单晶硅材料制造的高精度单轴倾角传感 器，传感器由3层硅片构成 ，当倾斜或者有加速度 时，中间质量片会倾斜向某一侧 ，从而两侧电容有 差动电量输 出，两极之间 由玻璃构成绝缘 。V T I 的倾角传感器对于振动不灵敏 。 S C A1 0 3 T系 列 传 感 器 有 S C A1 0 3 Td 0 4 和 S C A1 0 3 Td 0 5 2种型号 ，其量程分别是 1 5 。 和 3 0 。 ，数 字分 辨 率 是 0 ． 0 0 9 。 ／ L S B 和 0 ． 0 1 7 。 ／ L S B。 该传感器输出有 S P I 输出和模拟输出 2种方式 ，供 电电源是 4 ． 7 5～5 ． 2 5 V。S C A1 0 3 T适合 精度 高、 稳定性好的应用场合。 1 ． 2 测量原理分析 在测量方案中 ，采用拉绳位移传感器和倾角传 感器来获取测量桥板 倾角传感器 内嵌于测量桥 板 ，拉伸位移传感器与悬挂架相连 当前位置 的 倾角信息和轴 向位 置信 息 ， ，该信息 即为 当前被测点的相关信息 ，如图 2所示 。图中虚线是 由测得 的离散数据点连接而成 被测数据线 的 线 ，实线为测量数据经过算法处理得到的拟合线。 ／ ．． 孽 l ， J 图2石油钻杆加厚段 内轮廓 拟合 图 F i g ． 2 F i t t i ng d i a g r a m o f t he i nn e r c o n t o ur o f t h e d r i l l p i p e t h i c k e n e d s e c t i o n 由图可知，被测数据线近似由 3部分组成 ，理 论模型处理就依此为据，按 3段直线拟合。图中的 B点和 C点为相应拟合直线的交点。要进行这样的 拟合处理 ，必须把拾取 的位移． 角度坐标 信息 ， 转换成直角坐标信息 ，Y 。转换公式为 ㈩ 式中X i 第 i 个采样时刻轴 向位移采样值 ； Y i 第 个采样时刻径向位移计算值； ⋯第 i 1 个采样时刻轴向位移采样值 ； Y ⋯第 i 1 个采样时刻径向位移计算值 ； 第 i 个采样时刻倾角传感器的采样值 ； d 相邻采样时刻之间的轴 向测量位移。 利用式 1 可 以将全部原始测量 数据 ， 转换为被测 轮廓 的直角坐标 ，Y 数据 ， 再把所有轮廓点描出来就得到被测件 的内轮廓 ，根 据评定算法 ，计算出钻杆加厚段 的相关几何参数。 由图 2还可以看出，所有原始数据都大体上可 分为 3段 即 A B段 、B C段和 C D段。其 中A B段 原始数据 的斜率 大小接近 同一数值 ，B C段 和 C D 段原始数据也是如此 ，但 3段斜率并不相同。根据 式 1 ，在数据处理 中，设起始点 A的原始值和 转换值均为 0 ，0 ，同时依据 3段斜率不同完成 对原始数据的分段 ，找出转折点 B、C，通过最小 二乘法 分别拟合出 A B段 、B C段和 C D段的直线 方程 。 A B段方程为 Y6 1 0b 】 2 B C段方程为 Yb 2 0b z x 3 C D段方程为 Yb 3 0b 3 x 4 式中6 。 、b 加、b 3 o 常数 ； b 、b ， 、b 3 4 段、B C段及 C D段的斜率。 根据式 2 ～式 4 求 出直线 A B与 B C的