用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)位移的方法(原稿)

1、 摘要：為了預(yù)防鉆柱振動(dòng)失效，采用加速度傳感器測(cè)量鉆柱的縱振、橫振、扭振及耦合振動(dòng)。給出了加速度傳感器在鉆柱上的安裝位置和數(shù)量，建立了加速度傳感器測(cè)試信號(hào)值與鉆柱振動(dòng)值的關(guān)系式。本文分析加速度傳感器測(cè)量鉆柱的縱振、橫振、扭振及其耦合振動(dòng)的方法，給出了加速度傳感器安裝位置和數(shù)量，建立了加速度傳感器測(cè)試信號(hào)與鉆柱振動(dòng)加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。為驗(yàn)證測(cè)量方法的有效性，利用 ANSYS 仿真軟件建立了鉆柱振動(dòng)，對(duì)加速度傳感器安裝位置及個(gè)數(shù)、測(cè)量

2、信號(hào)處理方法進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：鉆柱；振動(dòng)；加速度；傳感器在石油鉆井過程中，由于鉆柱的旋轉(zhuǎn)、鉆頭破巖、井壁碰撞等因素作用，會(huì)引起鉆柱振動(dòng)，并導(dǎo)致鉆柱失效［1］ 。對(duì)鉆柱振動(dòng)狀態(tài)分析及減振和防斷技術(shù)開展了大量研究，主要成果有采用能量法、有限元法進(jìn)行了鉆柱振動(dòng)分析，并通過鉆具設(shè)計(jì)、減震器應(yīng)用及鉆井參數(shù)優(yōu)化來控制鉆柱振動(dòng)引起的鉆具失效。由于井下鉆柱振動(dòng)狀況的復(fù)雜性，國內(nèi)在鉆柱振動(dòng)測(cè)試方面的研究較少，例如宿雪通過在鉆柱頂部測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，獲得鉆頭下

3、方地層特性，研究鉆柱與井壁之間的接觸情況。只有精確地測(cè)試和提取鉆柱振動(dòng)信號(hào)，才能更準(zhǔn)確分析和診斷鉆柱的振動(dòng)狀態(tài)。一、概述位移和加速度是振動(dòng)測(cè)量與分析的兩個(gè)主要物理量。長期以來,人們一直采用直接測(cè)量法測(cè)量這兩個(gè)物理量,即用位移傳感器測(cè)量位移,用加速度傳感器測(cè)量加速度。直接測(cè)量法在一般的場(chǎng)合是可行的,但在一些特殊場(chǎng)合,由于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特2、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于鉆頭牙齒輪流交替接觸井底，且鉆頭不是在一個(gè)平滑的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得鉆頭的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速隨機(jī)波動(dòng)，引

4、起鉆頭、鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)通過轉(zhuǎn)盤引起傳動(dòng)系統(tǒng)以及動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)。鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，鉆柱處于扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)的狀態(tài)。這種情況下，鉆柱的各部分之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)使鉆柱在短時(shí)間內(nèi)受到破壞。例如，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)經(jīng)常導(dǎo)致鉆頭牙齒斷裂、鉆柱扭斷和粘扣失效，在鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)微分方程中，通常采用扭轉(zhuǎn)加速度ε來描述鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在實(shí)際鉆井工程中，可根據(jù)鉆井工藝和鉆柱的工作狀態(tài)，進(jìn)行鉆柱振動(dòng)分析與簡化。對(duì)于轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)鉆柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，上述振動(dòng)

5、都可能在鉆柱上同時(shí)產(chǎn)生，即發(fā)生耦合振動(dòng)，也可能發(fā)生振動(dòng)或振動(dòng)的耦合；對(duì)于井下動(dòng)力鉆具驅(qū)動(dòng)鉆頭破巖的滑移鉆井時(shí)，由于鉆柱只產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生橫振、扭振的可能性較小，可處理為縱向振動(dòng)。二、鉆柱振動(dòng)測(cè)量方法為了測(cè)量鉆柱發(fā)生振動(dòng)時(shí)的軸向加速度ａｚ、橫向加速度ａｘ和ａｙ、扭轉(zhuǎn)加速度ε，考慮到鉆柱的振動(dòng)特性、鉆柱橫截面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加速度傳感器，并安裝在測(cè)試短接的不同部位。在測(cè)試接頭橫截面ｘｏｙ平面內(nèi)安裝 4 個(gè)加速度傳感器Ａ1、Ａ2、Ａ3、Ａ4，沿橫

6、截面ｘｏｙ的法線方向安裝 2 個(gè)測(cè)試方向相同、到中心距離均為ｒ的加速度傳感器Ａ5 和Ａ6。其中，Ａ2、Ａ3 是一對(duì)特性相同，測(cè)試方向與測(cè)試短接截面切線方向一致，到截面中心的距離為ｒ的加速度傳感器；Ａ1、Ａ4 在橫截面ｘｏｙ上沿徑向方向，到中心距離為Ｒ的加速度傳感器。傳感器測(cè)量的加速度信號(hào)分別記為ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5、ａ6。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)θ角后，如圖。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，加速度傳感器測(cè)量的加速度信號(hào)ａ1-ａ6 與鉆柱振動(dòng)的加速度ａｚ、