一种顶驱主轴转速扭矩测量系统及方法与流程

本发明属于油气钻探，特别涉及一种顶驱主轴转速扭矩测量系统及方法。

背景技术：

1、顶驱是顶部驱动钻井装置的简称，它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该装置能显著提高钻井作业的能力和效率，已成为石油钻井行业的标准产品。随着钻井工艺的发展，围绕顶驱发展起来的钻井工艺逐渐增多，例如顶驱下套管技术、顶驱软扭矩技术和顶驱扭摆减阻技术等。这些技术的关键是对顶驱输出的转速和扭矩进行精确地控制。

2、现有技术是通过顶驱电机的编码器进行电机转速测量，通过变频器的电流环进行电机输出扭矩的计算，再通过减速比计算得到顶驱主轴的输出转速和扭矩。对于负载不大的电机拖动系统，该方法能够比较准确地计算出主轴的转速和扭矩。然而，顶驱主轴通常输出扭矩在40-85kn.m，工程应用中又存在卡钻和解卡相互切换的过程，钻杆扭矩经常发生0kn.m到最大扭矩，或最大扭矩到0kn.m之间的突变，通过变频器计算得出的转速和扭矩有时不能及时准确地反映主轴实际的转速和扭矩。顶驱传动齿轮箱的作用下扭矩测量滞后性更为凸显。此外，通过变频器计算出来的输出扭矩需要经过复杂的算法转换，对于输出扭矩控制精度高的场合也不能很好地满足控制精度要求。应用顶驱装置开展的复杂钻井工艺要求对顶驱的转速扭矩控制越来越精确。因此，有必要设计一种顶驱主轴转速扭矩测量系统和方法，对顶驱主轴的转速和扭矩进行精确测量，以实现对顶驱主轴的闭环控制。

3、目前国内外对于旋转轴扭矩测量的方法主要有两种：相位法和应变法。

4、所谓相位法就是在旋转轴的同轴方向上加装柔性扭杆，通过传感器检测轴向两个不同位置的相对角度变化，就可以得到相应的旋转轴扭矩。根据测量传感器的不同可以分为电磁式、光电式、激光式和电容式等。根据此原理的专利主要有以下几种：

5、发明专利cn 113008429 a一种转轴动静态扭矩测量系统及方法，其实质是应用磁栅测量出轴向固定距离的相对角度变化，通过公式计算出施加在轴上的扭矩。

6、发明专利cn 105181195 a旋转轴扭矩测量装置及扭矩测量方法与转速测量方法，其实质是通过检测左右半轴在扭矩作用下的相对转角计算出传递的扭矩值。

7、发明专利cn 110779640 a一种基于马吕斯定律的轴扭矩测量系统及测量方法，其实质是利用光学原理测量出轴向固定距离的相对角度变化，通过公式计算出施加在轴上的扭矩。

8、发明专利cn 113340495 a一种基于光纤fp传感的扭矩测量装置及方法，其实质是利用光纤fp传感器测量出轴向固定距离的相对角度变化，通过公式计算出施加在轴上的扭矩。

9、发明专利cn 101464197 a扭矩测量方法与装置，其本质就是对相位法的测量原理和测量、数据处理过程进行了更加准确地描述。

10、发明专利cn 105318999 a一种扭矩测量方法及扭矩测量装置，其实质是通过测量主轴两个部位的磁偏角大小，通过磁偏角与扭矩之间的对应关系计算出扭矩值。

11、所谓应变法：就是在旋转轴上安装应变电桥，通过测量轴表面的应力应变值，通过力学公式计算出轴传递的扭矩。根据此原理的专利主要有以下几种：

12、发明专利cn 108798627 a一种随钻井下扭矩测量系统及方法，其实质就是通过扭矩应变测量体测量出钻具传递的扭矩。

13、发明专利cn 110864833 a扭矩测量装置，实用新型专利cn 205066984 u一种扭矩测量轴，都是通过应变片测量扭矩。

14、目前国内外对于旋转轴转速测量的方法主要是利用编码器，形式包括直连式和传动形式，传感器形式多样，包括电磁式、光电式、激光式和电容式等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种顶驱主轴转速扭矩测量系统及方法，用于顶驱主轴的转速和扭矩测量，即设计一套完整的系统实现顶驱主轴转速和扭矩的采集、处理和传输的功能，克服现阶段顶驱主轴转速和扭矩间接测量的缺点，填补现阶段顶驱主轴转速和扭矩无法直接测量的技术空白。采用本发明的测量系统可以自动补偿顶驱作业时上提和下放钻柱时，已公开的扭矩测量技术测量时产生的误差，同时数据传输高效可靠，数据处理高效，可用性好。本发明结构紧凑、集成度高，通用性接口快捷方便，无需增加外围设备即可使用，适用于各类顶部驱动钻井装置。

2、本发明的实施例是这样实现的：

3、一方面，本发明的实施例提供了一种顶驱主轴转速扭矩测量系统，一种顶驱主轴转速扭矩测量系统，其特征在于，通过安置在本体内的扭矩测量单元、转速测量单元获得顶驱主轴的转速和输出到钻柱上的扭矩值，通过第一数据处理传输单元、第二数据处理传输单元将测量数据进行处理并传输至接收装置，由第一电源、第二电源为系统提供电源，所有装置均安置在本体上设计的扭矩测量舱、转速测量舱，舱体外部由扭矩测量舱盖板、转速测量舱盖板提供保护，系统上端通过上连接结构与顶驱主轴相连，下端通过下连接机构与钻柱上端相连，泥浆通道联通顶驱和钻柱的泥浆通道。

4、进一步，所述本体上设有扭矩测量舱、转速测量舱，扭矩测量舱盖板、转速测量舱盖板将本体封闭，所述扭矩测量舱盖板、转速测量舱盖板通过盖板固定件固定在本体上，还设有若干个配重单元用以调节整体的动平衡。

5、进一步，所述扭矩测量单元安装在扭矩测量舱的内表面，扭矩测量单元设有第一测量位和第二测量位，所述第一测量位和第二测量位的间距离为l；扭矩测量单元具备两个维度的测量能力，一个是扭矩引起的第一测量位和第二测量位在周向上的相对偏转角φ，二是轴向的距离变化δl；

6、材料力学中轴扭转公式为：φ＝tl/(gi_p)，其中φ为扭转角，t为引起扭转的扭矩，l为产生扭转的两平面间轴向距离，g为材料的剪切弹性模量，i_p为极惯性矩。根据上述公式，如果测量出扭转角φ，即可得到t＝(gi_pφ)/l。

7、进一步，扭矩计算方法如下：t＝(gi_pφ)/(l+δl)，将扭矩测量单元测量的数据代入公式t＝(gi_pφ)/(l+δl)，即可得到顶驱主轴的实际输出扭矩。

8、进一步，所述转速测量单元安装在转速测量舱的内表面，当测量系统使用时是垂直于水平面安装的，转速测量单元测量出自己所处位置与绝对初始位置之间的夹角，主轴转速可通过下式计算：ω＝δφ/δt，其中ω是主轴转速，δφ是在δt时间内转过的角度。

9、进一步，设有第一电源、第二电源通过电力传输介质为整个系统提供能源，第一电源、第二电源固定在扭矩测量舱和转速测量舱的内部。

10、再进一步，所述第一电源、第二电源为储能式电源或者通过线缆、无线方式传输来的电能。

11、进一步，设有第一数据处理传输单元、第二数据处理传输单元，在第一数据处理传输单元、第二数据处理传输单元中完成数据的转换、计算和处理并向外部发射计算的结果。数据处理传输单元采用无线或线缆方式向外部传输信号。

12、进一步，本体内设有腔体，腔体内部填充有防护散热介质。

13、另一方面，本发明的实施例提供了一种顶驱主轴转速扭矩测量方法，包括以下步骤：

14、a)将本发明所述测量系统连接到顶驱主轴与钻柱之间；

15、b)获取具体型号测量系统材料的剪切弹性模量g和极惯性矩ip；

16、c)启动电源；

17、d)使用接收装置接收测量系统发射的顶驱转速和扭矩的测量数据。

18、本发明实施例的有益效果是：

19、本发明提供了一种顶驱主轴转速扭矩测量系统及方法，为解决直接测量顶驱主轴转速和扭矩的工程难题提供了一种可靠、便捷的方案。与传统的扭矩测量方案相比，本发明的扭矩测量方法可以补偿上提或下放钻柱时扭矩测量的偏差，扭矩测量结果更为准确。与传统测速方案相比，本发明将测速传感器安装在主轴上，减少了外围设备，使顶驱转速测量装置更加简洁。整个测量系统放置在一节测量短节中，方便快捷地连接在顶驱主轴与钻柱之间，即可实现对顶驱主轴转速和扭矩的测量。